关于Tcp/ip协议我帮你重新看了一遍

其实搞懂tcp/ip协议，总体来说就是回答六个问题：

1.Tcp/ip协议是在哪一层生效的？
2.Tcp协议与IP协议的报文是什么样子？
3.Tcp如何实现三次握手、四次挥手的？为啥要这样做？每一步都在干嘛？可以优化吗？
4.Tcp是如何实现滑动窗口的？
5.Tcp是如何实现拥塞控制的？
6.Tcp的优点与实现原理是如何一一对应的？

第一章:网络分层模型
第二章:IP报文结构
第三章:TCP的报文结构
第四章:TCP三次握手
第五章:滑动窗口
第六章:TCP的拥塞控制
第七章:TCP四次挥手
第八章:TCP的特点

第一章:网络分层模型 ^[1]

OSI模型：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
tcp/ip模型：应用层、传输层、网络连接层、主机到我网络层

网络层级划分示意图.png

首先我们要明白：Tcp协议使用的就是传输层、Ip协议是在网络层

结合图可以看出，正常情况下，路由器只会解析IP协议，并不关心Tcp协议。为啥不关心？下面可以从报文入手看看原因。

第二章：IP报文结构 ^[2]

先看 IPv4的报文结构
（图中固定头部20个字节，每行4字节，32个bit位）

IPv4的报文结构.png

各个字段明细:

版本号:4bit。表明IP协议的版本号。一般为0100（IPv4），0110（IPv6）
IP包头长度:4bit。用于描述IP包头长度，因为IP包头长度是可变的。这里所指示的长度，是以4个字节为一个单位。例如，一个IP包头的长度最长为“1111”，即15*4＝60个字节。IP包头最小长度为20字节。
服务类型:长度8比特。
IP包总长:16bit。以字节为单位计算的IP包的长度 (包括头部和数据)，所以IP包最大长度65535字节。
标识符:16bit。该字段和Flags和Fragment Offest字段联合使用，对较大的上层数据包进行分段（fragment）操作。路由器将一个包拆分后，所有拆分开的小包被标记相同的值，以便目的端设备能够区分哪个包属于被拆分开的包的一部分。
标记：3bit。第一位是保留位不使用。第二位是DF（Don't Fragment）位，DF位设为1时表明路由器不能对该数据包分包。如果一个数据包无法在不分段的情况下发送，则路由器会丢弃该数据包并返回一个错误信息。第三位是MF（More Fragments）位，当路由器对一个上层数据包分段，则路由器会在除了最后一个分段的IP包的包头中将MF位设为1。
片偏移：13bit。表示该IP包在该组分片包中位置，接收端靠此来组装还原IP包。
生存时间：8bit。当IP包在网络上传送时，每经过一个路由器，TTL就自动减一。值为0时，则丢弃报文。防止报文进入环路
协议：8bit。标识IP头后面的报文协议类型以下是比较常用的协议号：
** 1 ICMP
** 2 IGMP
** 6 TCP
** 17 UDP
** 88 IGRP
** 89 OSPF
头校验和:16bit。用来做IP头部的正确性检测，但不包含数据部分。由于路由器会改变TTL，所以路由器会为每个通过的数据包重新计算这个值。
源和目的地址：这两个地段都是32比特。标识了这个IP包的起源和目标地址。要注意除非使用NAT，否则整个传输的过程中，这两个地址不会改变。

IPv6的报文结构

IPv4的报文结构.png

版本：协议的版本，对于 IPv6 是 0110
流标号：“流”指互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报，所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标号。
有效载荷长度：表示 IPv6 数据报除基本首部以外的字节数。
下一个首部：当没有扩展首部时，下一个首部字段指出基本首部后面的数据应该移交给哪个高层协议。当出现扩展首部时，下一个首部字段的值表示后面第一个扩展首部的类型。
数据报图中经过的路由器不处理扩展首部。
IPv6 采用冒号十六进制记法，如 68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF，冒号十六进制记法允许零压缩，即一连串连续的零可以为一对冒号所取代，任一地址中只能够使用一次零压缩。

第三章:TCP的报文结构 ^[3]

TCP连接的特点：面向连接，提供可靠的服务，有流量控制，拥塞控制，无重复、无丢失、无差错，面向字节流(把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块)，只能是点对点，首部 20 字节，全双工

TCP协议报文结构.png

序号：用于对字节流进行编号，例如序号为 301，表示第一个字节的编号为 301，如果携带的数据长度为 100 字节，那么下一个报文段的序号应为 401。
确认号：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
数据偏移：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。
确认 ACK ：当 ACK=1 时确认号字段有效，否则无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。
同步 SYN ：在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接，则响应报文中 SYN=1，ACK =1。
终止 FIN ：用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
窗口：窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。
URG（紧急位）：设置为1时，首部中的紧急指针有效；为0时，紧急指针没有意义。
PSH（推位）：当设置为1时，要求把数据尽快的交给应用层，不做处理
RST：重置连接。

要点：
(1)序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。    
(2)确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。
(3)标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：
    (A)URG：紧急指针(urgent pointer)有效。
    (B)ACK：确认序号有效。
    (C)PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
    (D)RST：重置连接。
    (E)SYN：发起一个新连接。
    (F)FIN：释放一个连接。

那么TCP协议与IP协议的关系，则如下图所示：

IP协议与TCP协议关系.png

第四章:TCP三次握手（每一次握手都是单向发起，单侧处理） ^[4]

第一次握手：客户端➡️服务端 [服务端知道客户端发消息没问题]
server猜测客户端要开始tcp请求，但也有可能是乱发的

报文：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。\

第二次握手：服务端➡️客户端 [客户端知道服务端收消息和发消息都没有问题]
客户端知道服务器是可以支持tcp的，并且告诉自己就是要连接tcp

报文：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：客户端➡️服务端 [服务端知道客户端收消息没问题]
server知道客户端是支持tcp的，且是要建立连接的

报文：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

第五章:滑动窗口（下面以一个半双工模型为例子） ^[5]

第一小节：如果没有滑动窗口，如何保证传输顺序？

简单的顺序传输模型.png

最原始的方法就是，“一一确认”：发送方发送一个包1，这时候接收方确认包1。发送包2，确认包2。就这样一直下去，知道把数据完全发送完毕，这样就结束了。那么就解决了丢包，出错，乱序等一些情况。

同时也存在一些问题。问题：吞吐量非常的低。我们发完包1，一定要等确认包1.我们才能发送第二个包。整个过程，浪费了四个时间段。

第二小节：逐步优化减少耗时

简单的优化方案.png

这个就是我们把两个包一起发送，然后一起确认。可以看出我们改进的方案比之前的好很多，所花的时间只是两个时间段。
那如果数据不止两个包，我们如何去分配每一次发送包的数量呢？接下来，把这种思路优化一下，看看更优的滑动窗口模型是如何实现的。

第三小节：滑动窗口模型

滑动窗口模型.png

在图中：

1、2、3包是灰色的，表示已经发送完毕，并且已经收到Ack。这些包就已经是过去式。
4、5、6、7号包是黄色的，表示已经发送了。但是并没有收到对方的Ack，所以也不知道接收方有没有收到。
8、9、10号包是绿色的。是我们还没有发送的。这些绿色也就是我们接下来马上要发送的包。可以看出我们的窗口正好是11格。
后面的11-16还没有被读进内存。要等4号-10号包有接下来的动作后，我们的包才会继续往下发送。

正常情况：

可以看到4号包对方已经被接收到，所以被涂成了灰色。“窗口”就往右移一格，这里只要保证“窗口”是7格的。我们就把11号包读进了我们的缓存。进入了“待发送”的状态。8、9号包已经变成了黄色，表示已经发送出去了。接下来的操作就是一样的了，确认包后，窗口往后移继续将未发送的包读进缓存，把“待发送“状态的包变为”已发送“。
整个过程窗口一直向后移动，确实“滑动窗口”的名字很形象。

丢包情况：
假设我们5号包发送出去了，但是迟迟未得到对方确认，我们的窗口就会停滞不前，变成下面这种情况：
(注意：对于接收方来说，这个Ack是要按顺序的。必须把5的ack发送过去，才能发6-11的Ack。这样就保证了滑动窗口的一个顺序。)

下面就会用到超时重传机制:
我们发现在规定的时间内收不到5号包的确认，会重新去补发一下。等收到5号ack确认，我们就可以继续将窗口向后滑动

一些小细节：
　影响超时重传机制协议效率的一个关键参数是重传超时时间（RTO，Retransmission TimeOut）。RTO的值被设置过大过小都会对协议造成不利影响。
　　（1）RTO设长了，重发就慢，没有效率，性能差。
　　（2）RTO设短了，重发的就快，会增加网络拥塞，导致更多的超时，更多的超时导致更多的重发。
　　连接往返时间（RTT，Round Trip Time），指发送端从发送TCP包开始到接收它的立即响应所消耗的时间。

第六章:TCP的拥塞控制 ^[6]

tcp拥塞控制基于滑动窗口，它主要用到4个核心算法：慢开始（slow start）、拥塞避免（Congestion Avoidance）、快速重传（fast retransmit）、快速回复（fast recovery）

慢开始与拥塞避免：

拥塞窗口（cwnd，congestion window），其大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。
慢开始算法的思路就是，不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。
为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，还需设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。ssthresh的用法如下：

当cwnd < ssthresh时，使用慢开始算法。
当cwnd > ssthresh时，改用拥塞避免算法。
当cwnd = ssthresh时，慢开始与拥塞避免算法任意。

拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长，即每经过一个往返时间RTT就把发送发的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。
无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞，就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口设置为1，执行慢开始算法。如下图：

乘法减小：是指不论在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要出现超时，就把慢开始门限减半，即设置为当前的拥塞窗口的一半（于此同时，执行慢开始算法）。当网络出现频繁拥塞时，ssthresh值就下降的很快，以大大将小注入到网络中的分组数。

加法增大：是指执行拥塞避免算法后是拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞。

快重传和快恢复

快速重传：

    要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方），而不要等到自己发送数据时捎带确认。

    快重传算法规定，发送方只要一连收到3个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计数器时间到期。

快速恢复：

    当发送方连续收到三个重复确认，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半。这是为了预防网络发生拥塞。请注意：接下去不执行慢开始算法。

    由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞，因此与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法（即拥塞窗口cwnd现在不设置为1），而是把cwnd值设置为慢开始门限ssthresh减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大。

第七章:TCP四次挥手（每一次挥手都是，单向发起，双向处理）^[7]

实际上是两次通知，
第一次：服务端告诉客户端说完了，客户端应答【不应答，服务端还以为客户端还在听】
第二次：客户端告诉服务端说完了，服务端应答【不应答，客户端以为服务器还没收到，还在听】

其中第二次和第三次是可以合并的（如果传输是同时完成的话）

第八章:TCP的特点 ^[8]

1、TCP是面向连接的运输层协议。（从分层模型和报文结构可知）
2、每一条TCP连接只能有两个端点，每一条 TCP 连接只能是点对点的。（因为必须建立三次握手）
3、TCP提供可靠交付的服务。通过 TCP 连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复，并且按序到达。（序号校验、顺序传输、重传机制）
4、TCP提供全双工通信。TCP 允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。TCP 连接的两端都设有发送缓存和接受缓存，用来临时存放双向通信的数据。

扩展:rst攻击

A和服务器B之间建立了TCP连接，此时C伪造了一个TCP包发给B，使B异常的断开了与A之间的TCP连接，就是RST攻击了。实际上从上面RST标志位的功能已经可以看出这种攻击如何达到效果了。

那么伪造什么样的TCP包可以达成目的呢？我们至顶向下的看。

假定C伪装成A发过去的包，这个包如果是RST包的话，毫无疑问，B将会丢弃与A的缓冲区上所有数据，强制关掉连接。

如果发过去的包是SYN包，那么，B会表示A已经发疯了（与OS的实现有关），正常连接时又来建新连接，B主动向A发个RST包，并在自己这端强制关掉连接。

这两种方式都能够达到复位攻击的效果。似乎挺恐怖，然而关键是，如何能伪造成A发给B的包呢？这里有两个关键因素，源端口和序列号。

一个TCP连接都是四元组，由源IP、源端口、目标IP、目标端口唯一确定一个连接。所以，如果C要伪造A发给B的包，要在上面提到的IP头和TCP头，把源IP、源端口、目标IP、目标端口都填对。这里B作为服务器，IP和端口是公开的，A是我们要下手的目标，IP当然知道，但A的源端口就不清楚了，因为这可能是A随机生成的。当然，如果能够对常见的OS如windows和linux找出生成source port规律的话，还是可以搞定的。

序列号问题是与滑动窗口对应的，伪造的TCP包里需要填序列号，如果序列号的值不在A之前向B发送时B的滑动窗口内，B是会主动丢弃的。所以我们要找到能落到当时的AB间滑动窗口的序列号。这个可以暴力解决，因为一个sequence长度是32位，取值范围0-4294967296，如果窗口大小像上图中我抓到的windows下的65535的话，只需要相除，就知道最多只需要发65537（4294967296/65535=65537）个包就能有一个序列号落到滑动窗口内。RST包是很小的，IP头＋TCP头也才40字节，算算我们的带宽就知道这实在只需要几秒钟就能搞定。

那么，序列号不是问题，源端口会麻烦点，如果各个操作系统不能完全随机的生成源端口，或者黑客们能通过其他方式获取到source port，RST攻击易如反掌，后果很严重。

参考链接：
https://blog.csdn.net/weixin_42100064/article/details/102739531
https://www.zhihu.com/question/51074319
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1654225744653405133&wfr=spider&for=pc
https://juejin.cn/post/6844903809995505671
https://www.cnblogs.com/postw/p/9678454.html【】

1 ↩
2 ↩
3 ↩
4 ↩
5 ↩
6 ↩
7 ↩
8 ↩

关于Tcp/ip协议我帮你重新看了一遍

第一章:网络分层模型 [1]

第二章：IP报文结构 [2]

第三章:TCP的报文结构 [3]

第四章:TCP三次握手（每一次握手都是单向发起，单侧处理） [4]

第五章:滑动窗口（下面以一个半双工模型为例子） [5]

第六章:TCP的拥塞控制 [6]

第七章:TCP四次挥手（每一次挥手都是，单向发起，双向处理）[7]

第八章:TCP的特点 [8]