【网络编程】TCP/IP协议详解

在绝大多数的场景，我们不会去直接看到或对TCP/IP协议深入探讨，因为大部分的架构会透明化这种底层协议并加以支持，很多情况下，我们只需要配置就能够使用TCP/IP协议进行网络的传输，例如可能你曾经使用过JAVA SOCKET编程，它就是使用了TCP/IP协议进行的网络传输，可是你需要真正理解TCP/IP协议了吗？这些内容都比较偏理论了，需要好好研读。

学习TCP/IP协议之前，首先我们要知道OSI七层网络模型与TCP/IP四层网络模型

• OSI七层网络模型与TCP/IP四层网络模型
  在网络历史的早期，国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)共同出版了开放系统互联的七层参考模型。一台计算机操作系统中的网络过程包括从应用请求(在协议栈的顶部)到网络介质(底部) ，OSI参考模型把功能分成七个分立的层次。下图表示了OSI分层模型。
  

  • 第一层物理层　　
    第一层负责最后将信息编码成电流脉冲或其它信号用于网上传输。它由计算机和网络介质之间的实际界面组成，可定义电气信号、符号、线的状态和时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。如最常用的RS-232规范、10BASE-T的曼彻斯特编码以及RJ-45就属于第一层。所有比物理层高的层都通过事先定义好的接口而与它通话。如以太网的附属单元接口(AUI)，一个DB-15连接器可被用来连接层一和层二。　　
  • 第二层数据链路层　
    数据链路层通过物理网络链路提供可靠的数据传输。不同的数据链路层定义了不同的网络和协议特征，其中包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。物理编址（相对应的是网络编址）定义了设备在数据链路层的编址方式；网络拓扑结构定义了设备的物理连接方式，如总线拓扑结构和环拓扑结构；错误校验向发生传输错误的上层协议告警；数据帧序列重新整理并传输除序列以外的帧；流控可能延缓数据的传输，以使接收设备不会因为在某一时刻接收到超过其处理能力的信息流而崩溃。数据链路层实际上由两个独立的部分组成，介质存取控制（Media Access Control,MAC）和逻辑链路控制层（Logical Link Control,LLC）。MAC描述在共享介质环境中如何进行站的调度、发生和接收数据。MAC确保信息跨链路的可靠传输，对数据传输进行同步，识别错误和控制数据的流向。一般地讲，MAC只在共享介质环境中才是重要的，只有在共享介质环境中多个节点才能连接到同一传输介质上。IEEE MAC规则定义了地址，以标识数据链路层中的多个设备。逻辑链路控制子层管理单一网络链路上的设备间的通信，IEEE 802.2标准定义了LLC。LLC支持无连接服务和面向连接的服务。在数据链路层的信息帧中定义了许多域。这些域使得多种高层协议可以共享一个物理数据链路。
    　　
  • 第三层网络层　　
  • 第四层传输层　　
    传输层向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务。传输层的功能一般包括流控、多路传输、虚电路管理及差错校验和恢复。流控管理设备之间的数据传输，确保传输设备不发送比接收设备处理能力大的数据；多路传输使得多个应用程序的数据可以传输到一个物理链路上；虚电路由传输层建立、维护和终止；差错校验包括为检测传输错误而建立的各种不同结构；而差错恢复包括所采取的行动（如请求数据重发），以便解决发生的任何错误。传输控制协议（TCP）是提供可靠数据传输的TCP/IP协议族中的传输层协议。　　
  • 第五层会话层　　
    会话层建立、管理和终止表示层与实体之间的通信会话。通信会话包括发生在不同网络应用层之间的服务请求和服务应答，这些请求与应答通过会话层的协议实现。它还包括创建检查点，使通信发生中断的时候可以返回到以前的一个状态。　　
  • 第六层表示层　　
    表示层提供多种功能用于应用层数据编码和转化，以确保以一个系统应用层发送的信息可以被另一个系统应用层识别。表示层的编码和转化模式包括公用数据表示格式、性能转化表示格式、公用数据压缩模式和公用数据加密模式。　　公用数据表示格式就是标准的图像、声音和视频格式。通过使用这些标准格式，不同类型的计算机系统可以相互交换数据；转化模式通过使用不同的文本和数据表示，在系统间交换信息，例如ASCII(American Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换码)；标准数据压缩模式确保原始设备上被压缩的数据可以在目标设备上正确的解压；加密模式确保原始设备上加密的数据可以在目标设备上正确地解密。　　表示层协议一般不与特殊的协议栈关联，如QuickTime是Applet计算机的视频和音频的标准，MPEG是ISO的视频压缩与编码标准。常见的图形图像格式PCX、GIF、JPEG是不同的静态图像压缩和编码标准。　　
  • 第七层应用层　　
    应用层是最接近终端用户的OSI层，这就意味着OSI应用层与用户之间是通过应用软件直接相互作用的。注意，应用层并非由计算机上运行的实际应用软件组成，而是由向应用程序提供访问网络资源的API（Application Program Interface，应用程序接口）组成，这类应用软件程序超出了OSI模型的范畴。应用层的功能一般包括标识通信伙伴、定义资源的可用性和同步通信。因为可能丢失通信伙伴，应用层必须为传输数据的应用子程序定义通信伙伴的标识和可用性。定义资源可用性时，应用层为了请求通信而必须判定是否有足够的网络资源。在同步通信中，所有应用程序之间的通信都需要应用层的协同操作。　　OSI的应用层协议包括文件的传输、访问及管理协议(FTAM) ，以及文件虚拟终端协议(VIP)和公用管理系统信息(CMIP)等。

  TCP/IP分层模型（TCP/IP Layening Model）被称作因特网分层模型(Internet Layering Model)、因特网参考模型(Internet Reference Model)。下图表示了TCP/IP分层模型的四层。与OSI模型的对应关系如下

• 第一层网络接口层　
  　网络接口层包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。实际上TCP/IP标准并不定义与ISO数据链路层和物理层相对应的功能。相反，它定义像地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)这样的协议，提供TCP/IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口。　　
  　
• 第二层网络层　　
  网络层对应于OSI七层参考模型的网络层。本层包含IP协议、RIP协议(Routing Information Protocol，路由信息协议)，负责数据的包装、寻址和路由。同时还包含网间控制报文协议(Internet Control Message Protocol,ICMP)用来提供网络诊断信息。　　
• 第三层传输层　　
  传输层对应于OSI七层参考模型的传输层，它提供两种端到端的通信服务。其中TCP协议(Transmission Control Protocol)提供可靠的数据流运输服务，UDP协议(Use Datagram Protocol)提供不可靠的用户数据报服务。
• 第四层应用层　
  应用层对应于OSI七层参考模型的应用层和表达层。因特网的应用层协议包括Finger、Whois、FTP(文件传输协议)、Gopher、HTTP(超文本传输协议)、Telent(远程终端协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、IRC(因特网中继会话)、NNTP（网络新闻传输协议）等

运行在TCP协议上的协议：

• HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议），主要用于普通浏览。
• HTTPS（Hypertext Transfer Protocol over Secure Socket Layer, or HTTP over SSL，安全超文本传输协议）,HTTP协议的安全版本。
• FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议），由名知义，用于文件传输。
• POP3（Post Office Protocol, version 3，邮局协议），收邮件用。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议），用来发送电子邮件。
• TELNET（Teletype over the Network，网络电传），通过一个终端（terminal）登陆到网络。
• SSH（Secure Shell，用于替代安全性差的TELNET），用于加密安全登陆用。

运行在UDP协议上的协议：

• BOOTP（Boot Protocol，启动协议），应用于无盘设备。
• NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），用于网络同步。
• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议），动态配置IP地址。

基本层级了解后我们进行下一步分析，就是经常提到的三次握手和四次回收是什么意思

首先我们了解一下TCP的报文格式

1. 源端口号,16位，发送方的端口号。

2. 目标端口号，16位，发送方的目标端口号。

3. 32为序列号，sequence number，保证网络传输数据的顺序性。

4. 32位确认号，acknowledgment number，用来确认确实有收到相关封包，内容表示期望收到下一个报文的序列号，用来解决丢包的问题。

5. 头部大小，4位，偏移量：最大值为0x0F，即15,单位为32位(bit)，单位也就是4个字节，给出头部占32bit的数目。没有任何选项字段的TCP头部长度为20字节；最多可以有60(15*4)字节的TCP头部。

6. Reserved 4位 ，预留字段，都为0

7. TCP标志位
   1 ) CWR：Congestion window reduced，拥塞窗口减少。拥塞窗口减少标志被发送主机设置，用来表明它接收到了设置ECE标志的TCP包。拥塞窗口是被TCP维护的一个内部变量，用来管理发送窗口大小。（使用的是预留的标志位）

   2）ECN-Echo：显式拥塞提醒回应。当一个IP包的ECN域被路由器设置为11时，接收端而非发送端被通知路径上发生了拥塞。ECN使用TCP头部来告知发送端网络正在经历拥塞，并且告知接收端发送段已经受到了接收端发来的拥塞通告，已经降低了发送速率。（使用的是预留的标志位）

   3）URG（The urgent pointer) ：为1时，紧急指针（urgent pointer）有效，配合紧急指针使用

   4）ACK（Acknowledgement Number）：为1时，确认号有效

   5）PSH（PUSH）: 为1时，接收方应该尽快将这个报文段交给应用层

   6) RST（Restart）：为1时，释放连接，重连。

   7) SYN（Synchronize Sequence Numbers）：为1时，发起一个连接。

   8) FIN（Finish）：为1时，关闭一个连接。

8. 16位窗口大小：占16bit。此字段用来进行流量控制，主要用于解决流控拥塞的问题。单位为字节数，这个值是本机期望一次接收的字节数。

9. 16位校验值: 占16bit。对整个TCP报文段，即TCP头部和TCP数据进行校验和计算，并由目标端进行验证。

10. 16位紧急指针:占16bit。它是一个偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。

11. 32位Tcp选项:一般包含在三次握手中。

我们大概了解一下基本的格式就可以

三次握手

时序图如下，看图来解析

1. 不要将确认序号ack与标志位中的ACK搞混了。
2. 确认方ack=发起方seq+1，两端配对。

（1）第一次握手：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。
（2）第二次握手：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。
（3）第三次握手：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。

这是正常的一个TCP连接，三次握手连接成功。

但是如果不成功呢？举个栗子，我们大家很多人听过DDOS攻击，一种常见的攻击方式是在三次握手过程中，Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。

四次挥手

时序图如下：

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。
（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

其实TCP/IP是一本厚厚的书，简单几句也描述不清，希望可以让大家入门吧。