计算机网络之传输层概述UDP协议以及TCP协议特点和报文段408_1

Posted 2021-08-28 bfhonor

一、传输层

（一）传输层概述

• 只有主机才有的层次。
  
• 传输层的功能：
  ①、传输层提供进程和进程之间的逻辑通信。【网络层提供主机之间的逻辑通信。】
  ②、复用和分用
  ③、传输层对收到的报文进行差错检测。
  ④、传输层的两种协议【TCP/UDP】。

1. 传输层的两个协议

2. 传输层的寻址与端口

• 复用：应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传输到网络层。
• 分用：传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程。
• 端口（逻辑端口/软件端口）：是传输层的SAP，标识主机中的应用进程。
• 端口号只有本地意义，在因特网中不同计算机的相同端口是没有联系的。
• 端口号长度为16bit，能表示65536个不同的端口号。
  
  
• 在网络中采用发送方和接收方的套接字组合来识别端点，套接字唯一标识了网络中的一个主机和它上面的一个进程。
• 套接字Socket =（主机IP地址，端口号）

（二）UDP协议

1. 用户数据报协议UDP概述

• UDP只在IP数据报服务之上增加了很少功能，即复用分用和差错检测功能。
• UDP的主要特点：
  ①、UDP是无连接的，减少开销和发送数据之前的时延。
  ②、UDP使用最大努力交付，即不保证可靠交付。
  ③、UDP是面向报文的，适合一次性传输少量数据的网络应用。
  ④、UDP无拥塞控制，适合很多实时应用。
  ⑤、UDP首部开销小，8B，TCP20B。
  

2. UDP首部格式

• 分用时，找不到对应的目的端口号，就丢弃报文，并给发送方发送ICMP“端口不可达”差错报告报文。

3. UDP校验

（1）在发送端：

1. 填上伪首部
2. 全0填充检验和字段
3. 全0填充数据部分（UDP数据报要看成许多4B的字串接起来）
4. 伪首部+首部+数据部分采用二进制反码求和
5. 把和求反码填入检验和字段
6. 去掉伪首部，发送

（2）在接收端：

1. 填上伪首部
2. 伪首部+首部+数据部分采用二进制反码求和
3. 结果全为1则无差错，否则丢弃数据报/交给应用层附上出差错的警告。

（三）TCP协议特点和TCP报文段

1. TCP协议的特点

1. TCP是面向连接（虚连接）的传输层协议。【打call】
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。
3. TCP提供可靠交付的服务，无差错、不丢失、不重复、按序到达。【可靠有序，不丢不重】
4. TCP提供全双工通信。
   ①、发送缓存：准备发送的数据&已发送但尚未收到确认的数据
   ②、接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据&不按序到达的数据
5. TCP面向字节流：TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。
   流：流入到进程或从进程流出的字节序列。
   

2. ❗❗❗TCP报文段首部格式❗❗❗

• 序号：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的第一个字节的序号。
• 确认号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。
• 数据偏移（首部长度）：TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以4B位单位，即1个数值是4B。

（1）6个控制位

• 紧急位URG：URG=1时，标明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用。
  
• 确认位ACK：ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。
• 推送位PSH：PSH=1时，接收方尽快交付接收应用进程，不再等到缓存填满再向上交付。
• 复位RST：RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输链接。
• 同步位SYN：SYN=1时，表明是一个连接请求/连接接受报文。
• 终止位FIN：FIN=1时，表明此报文段发送方数据已发完，要求释放连接。
• 窗口：指的是发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量。
• 检验和：检验首部+数据，检验时要加上12B伪首部，第四个字段为6。
• 紧急指针：URG=1时才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数。
• 选项：最大报文段长度MSS、窗口扩大、时间戳、选择确认…

3. TCP连接管理

• TCP连接传输三个阶段：
  
• TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。

（1）TCP的连接建立

• 假设运行在一台主机（客户）上的一个进程想与另一台主机（服务器）上的一个进程建立一条连接，客户应用进程首先通知客户TCP，他想建立一个与服务器上某个进程之间的连接，客户中的TCP会用以下步骤与服务器中的TCP建立一条TCP连接：
  
• ROUND 1：客户端发送连接请求报文段，无应用层数据。【SYN=1，seq=x(随机)】
• ROUND 2：服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，无应用层数据。【SYN=1，ACK=1，seq=y(随机)，ack=x+1】
• ROUND 3：客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，可以携带数据。【SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1】

（2）SYN洪泛攻击

• SYN洪泛攻击发生在OSI第四层，这种方式利用TCP协议的特性，就是三次握手。攻击者发送TCP SYN，SYN是TCP三次握手中的第一个数据包，而当服务器返回ACK后，该攻击者就不对其进行再确认，那这个TCP连接就处于挂起状态，也就是所谓的半连接状态，服务器收不到再确认的话，还会重复发送ACK给攻击者。这样更加会浪费服务器的资源。攻击者就对服务器发送非常大量的这种TCP连接，由于每一个都没法完成三次握手，所以在服务器上，这些TCP连接会因为挂起状态而消耗CPU和内存，最后服务器可能死机，就无法为正常用户提供服务了。【SYN cookie】

（3）TCP的连接释放

• 参与一条TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接，连接结束后，主机中的“资源”（缓存和变量）将被释放。
  
• ROUND 1：客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接。【FIN=1，seq=u】
• ROUND 2：服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了——半关闭状态。【ACK=1，seq=v，ack=u+1】
• ROUND 3：服务器端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接。【FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1】
• ROUND 4：客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。 【ACK=1，seq=u+1，ack=w+1】