TCP/IP协议组——完整工作过程分析

Posted 2021-04-25 IT 侯

1.什么是TCP/IP

TCP/IP是一套用于网络通信的协议集合或者系统。TCP/IP协议模型就有OSI模型分为7层。但其实一般我们所谈到的都是四层的TCP/IP协议栈。

网络接口层：主要是指一些物理层层次的接口，比如电缆等

传输层：为网络提供了流量控制，错误控制和确认服务。传输层有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）

应用层：为文件传输，网络排错和Internet操作提供具体的程序应用

2.数据包

在TCP/IP协议中数据由上至下将数据封装成包，然后再由下至上的拆包。那么数据又是怎么打包的呢？ 

在装包的时候，每一层都会增加一些信息用于传输，这部分信息叫做报头。当上层数据到达本层的时候，会将数据加上报头打包在一起形成新的数据包继续往下一层传递。拆包的时候就是反着来了，就像俄罗斯套娃一样，拆完最外面一层得到需要的报头，向上传递。下图是用户A向用户B发邮件的过程：

 

接下来由上至下的分析整个TCP/IP协议的工作过程

 

1.应用层

应用层作为TCP/IP协议的最上层，其实是我们接触最多的。

由于在传输层的传输协议大致分成了TCP和UDP，所以在应用层对应的协议也就分成了两部分。

 

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。

 

Http协议的工作流程

一次Http操作称为一个事务，其整个工作流程如下：

比如客户端浏览器请求浏览页面：www.baidu.com。其实这是一个默认路径，因为平常默认会省略协议名、端口号，访问主页的时候路径也会省略，所以完整路径写法是http://www.baidu.com:80/index.html。这就是我们常说的URL统一资源定位符，用来定位我们访问资源在服务器上的位置。

从这个URL中可以分解出协议名、主机名、端口号、访问对象的路径

• 协议名：http

• 主机名：www.baidu.com

• 端口号：80（http协议的默认端口）

• 路径：/index.html

在这时候需要域名系统DNS协议解析域名，得到主机的ip。

2）封装http请求数据包

将以上部分（我们想要访问的服务器页面资源）结合自己的本机信息生成一个请求数据报文，封装成一个HTTP请求数据包。至于http的请求数据报文什么样，点击这个。

 

DNS协议工作流程

1）通过域名访问网页

2）计算机会先将域名发送到一个解析域名的服务器上

•      在其服务器上有很多服务器，能解析各种各样的域名，比如有专门解析.org的，解析.com的，解析.net的。等等，最主要的有一个根域名服务器

 

2.传输层

http封装请求数据包以后传给传输层，tcp协议部分开始运作。这里将数据包和TCP报头生成TCP报文，打包成新的数据包。

TCP报文结构：

0                                          15			16                                              31
源端口号（Source Port）			目标端口号（Sestination Port）
序列号（Sequence Number）
确认应答（Acknowledgement Number)
首部长度	保留	控制位	窗口大小
检验和			紧急指针
选项（长度可变）				填充
数据部分（data)

为了完成三次挥手四次握手，这里需要知道序列号seq、确认应答序号ack（小写字母）、控制位：

 

序列号seq：

　　　　因为在TCP是面向字节流的，他会将报文都分成一个个字节，给每个字节进行序号编写，比如一个报文有900个字节组成，那么就会编成1-900个序号，然后分几部分来进行传输，

　　　　比如第一次传，序列号就是1，传了50个字节， 那么第二次传，序列号就为51，所以序列号就是传输的数据的第一个字节相对所有的字节的位置。

确认应答ack：

　　　　如刚说的例子，第一次传了50个字节给对方，对方也会回应你，其中带有确认应答，就是告诉你下一次要传第51个字节来了，所以这个确认应答就是告诉对方下一次要传第多少个字节了。也就是说告诉序列号下一次从哪里开始

控制位目前有6个

　　　　URG:紧急，当URG为1时，表名紧急指针字段有效，标识该报文是一个紧急报文，传送到目标主机后，不用排队，应该让该报文尽量往下排，让其早点让应用程序给接受。

　　　　ACK:确认，当ACK为1时，确认序号才有效。当ACK为0时，确认序号没用。

　　　　PSH：推送，当为1时，当遇到此报文时，会减少数据向上交付，本来想应用进程交付数据是要等到一定的缓存大小才发送的，但是遇到它，就不用在等足够多的数据才向上交付，而是让应用进程早点拿到此报文，这个要和紧急分清楚，紧急是插队，但是提交缓存大小的数据不变，这个推送就要排队，但是遇到他的时候，会减少交付的缓存数据，提前交付。

　　　　RST:复位，报文遇到很严重的差错时，比如TCP连接出错等，会将RST置为1，然后释放连接，全部重新来过。

　　　　SYN：同步，在进行连接的时候，也就是三次握手时用得到，下面会具体讲到，配合ACK一起使用

　　　　FIN：终止，在释放连接时，也就是四次挥手时用的。

三次握手：

在通信之前，会先通过三次握手的机制来确认两端口之间的连接是否可用。而UDP是不需要确认的，直接传

最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

某个时刻客户端和服务器要进行通信，此时双方都有备好的端口，服务器的端口会处于监听状态，等待客户端的连接。

怎么知道服务器端口号的？

    http在访问url中已经拿到！

怎么知道客户端要连接进来，服务器才进入listen状态？

    TCP老早就创建了传输控制块TCB，时刻待命准备接受客户端的连接请求，此时服务器就被动地进入了listen状态。

 

第一次握手：

客户端想要连接，创建传输控制块TCB，状态变为主动打开。发送给服务器不包含数据内容的连接请求报文。该请求报文首部中同步位SYN=1，同时选择一个初始序列号seq=x（携带了x个字节）。然后客户端进入 SYN-SENT （同步已发送）状态，告诉服务器我想和你同步连接。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。

第二次握手：

TCP服务器收到连接请求报文，如果同意连接则发送确认报文。为了保证下次客户端发送报文时seq序列号是正确的，需要发送确认号ack=x+1，同时确认号ack要生效必须发送ACK=1，再加上同步位SYN=1，序列号seq=y（携带Y个字节），然后服务器也进 入SYN-RCVD (同步已收到) 状态，完成同步连接。这个报文也是SYN报文，也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。 

第三次握手：

 客户端收到确认后还要再向服务器发送确认报文。确认报文已经不是请求报文SYN了，不再包含SYN同步位。发送的内容有序列号seq=x+1（和第二次握手的ACK对应），确认号ack=y+1，ACK=1。客户端发送确认报文以后进入ESTABLISHED（已建立）状态，服务器接收到确认报文以后也进入ESTABLISHED状态。此时TCP连接完成建立。

然后就可以发送TCP接收到Http的数据包后生成的新数据包了！

 

但是貌似看起来两次握手请求就可以完成事，为什么非要三次握手呢？

主要是为了防止已经失效的连接请求报文突然又传到了服务器，从而产生错误。

如果是两次握手，假设一种情景：客户端发送了第一个请求连接报文并未丢失，只是因为网络问题在网络节点中滞留太久了。由于客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到。于是再发送一条请求连接报文，此时一路畅通完成两次握手建立连接，传输数据，关闭连接。然后那个前一条龟速的请求报文终于走到了服务器，再次和服务器建立连接，这就造成了不必要的资源浪费。

如果是三次握手，就算那一条龟速的请求报文最后到达了服务器，然后服务器也发送了确认连接报文，但是此时客户端已经不会再发出确认报文了，服务器也接受不到确认报文，于是无法建立连接。

四次挥手：

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

第一次挥手：

客户端从ESTABLISHED状态变为主动关闭状态，客户端发送请求释放连接报文给服务器，FIN=1，seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

第二次挥手：

服务器接收到客户端发来的请求释放报文以后，发送确认报文告诉客户端我收到了你的请求，内容差不多就是seq=v，ack=u+1，ACK=1，此时服务器进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。

为什么是CLOSE-WAIT状态？可能自己服务器这端还有数据没有发送完，所以这个时候整个TCP的连接就变成了半关闭状态。服务器还能发送数据，客户端也能接收数据，但客户端不能再发送数据了，只能发送确认报文。

客户端接收到服务器传来的确认报文以后，进入 FIN-WAIT-1（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放的报文（在这之前，还需要接受服务器没有发送完的最后的数据）。 

第三次挥手：

服务器所有的数据都发送完了，认为可以关闭连接了，于是向客户端发送连接释放报文，内容FIN=1，seq=w，ack=u+1（客户端没发送消息，所以提醒客户端下一次还是从u+1开始发送序列），ACK=1。此时服务器进入了 LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端发送确认报文。

第四次挥手：

客户端接收到了服务器发送的连接释放报文，必须发出确认。确认报文seq=u+1，ack=w+1，ACK=1。此时客户端进入 TIME-WAIT （时间等待）状态，但是没有立马关闭。此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

因为这个确认报文可能丢失。服务器收不到确认报文心想这可能是我没传到或者丢失了啊，于是服务器再传一个FIN，然后客户端再重新发送一个确认报文。然后刷新2∗∗MSL时间。直到这个时间内收不到FIN连接释放报文，客户端撤销TCB进入CLOSE状态。

而服务器，在接收到确认报文的时候就立马变为CLOSE状态了。所以服务器结束TCP连接的时间略早于客户端。

 

万一确认连接以后客户端故障怎么办？

TCP设有一个保活计时器。显然客户端故障时服务器不会智障般等下去，白白浪费资源。服务器每次收到一次客户端的请求以后都会刷新这个保活计时器，时间通常设置为2小时。若2个小时依旧没有收到客户端的任何数据，服务器会发送一个探测报文段，每隔75分钟发一个，如果连发十个都没有数据反应，那么服务器就知道客户端故障了，关闭连接。

 

3.网络层

TCP数据包到了这一层，再加上IP报文生成新的IP数据包

传输层	TCP，UDP
网络层	ICMP，IP，RARP，ARP
数据链路层	各种网络接口

ICMP（Internet Control Message Protocol：互联网控制消息协议）：主要负责网络层和传输层的数据交换，是为了更有效地转发IP数据报文和提高数据报文交付成功的机会，是介于传输层和网络层之间的协议。

IP协议（Internet Protocol：网际协议）：是TCP/IP协议族中最为核心的协议。它提供不可靠、无连接的服务，也即依赖其他层的协议进行差错控制。

报文结构格式（了解更多）：

0             4                 8                      16           19             24              31

版本	首部长度	区分服务	总长度
标识			标志	片位移
生存时间		协议	首部检验和
源地址
目的地址
选项字段（长度可变）
数据部分

 

4.网络接口层（更多）

其实这里还可以分为数据链路层和物理层

这一层主要涉及到一些物理传输，比如以太网，无线局域网，电缆等

IP数据包到了这层就不一样了啊！数据链路会在IP数据报的首尾加上首部和尾部代表数据包的结束，封装成帧。首部和尾部都是8位2进制表示，可以一样也可以不一样。

那么具体数据包在链路层是怎么传递的呢？

注意：不考虑物理层怎么传输就是直接跳过物理层看数据链路层，所以说成在数据链路层之间的传输，其实是考虑问题的轻重才这么说的，不要误解。

 链路：一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点，通俗的将，就是一根线，其中不经过任何东西，这样的就是链路，一条链路只是一条通路的一个组成部分

　　数据链路：除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。通俗讲，就是经过了一些交换机呀，什么的。

　　　　　　　最终到达目的地，所有路段就是数据链路，而数据链路中就包含了多段链路。

　　适配器：也就是网卡，就是用来实现数据链路上一些协议。

       帧：数据链路层上传送的就是帧

如果再往下到物理层呢？就成为比特流传输了。 

到达此处，一个请求就完成了由应用层到物理层的传递。在各种交换机中找到最后的服务器地址。然后再把数据封装反着来一遍。再将请求一步步封装传出去，同样的方式由客户端拿到数据，Http协议解析读取显示。

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