TCP/IP协议

Posted 2021-01-02

TCP/IP协议

---

    一、TCP/IP 来由       

        在世界上各地，各种各样的电脑运行着各自不同的操作系统为大家服务，这些电脑在表达同一种信息的时候所使用的方法是千差万别。计算机使用者意识到，计算机只是单兵作战并不会发挥太大的作用。只有把它们联合起来，电脑才会发挥出它最大的潜力。于是人们就想方设法的用电线把电脑连接到了一起。

        但是简单的连到一起是远远不够的，就好像语言不同的两个人互相见了面，完全不能交流信息。因而他们需要定义一些共通的东西来进行交流，TCP/IP就是为此而生。

    二、TCP/IP 定义

        TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是传输控制协议和网络协议的简称，它定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。

        TCP/IP 不是一个协议，而是一个协议族的统称，里面包括了 IP 协议、ICMP 协议、TCP 协议、以及 http、ftp、pop3、https 协议等。网络中的计算机都采用这套协议族进行互联。

    三、TCP/IP模型框架

        (1)应用层：应用程序通过这一层访问网络，常见 FTP、HTTP、DNS 和 TELNET 协议；

        (2)传输层：TCP 协议和 UDP 协议；

        (3)网络层：IP 协议，ARP、RARP 协议，ICMP 协议等；

        (4)网络接口层：是 TCP/IP 协议的基层，负责数据帧的发送和接收。

    四、TCP/IP数据报文

            源端口(Source Port)：16bit, 表示报文发送方的端口号

            目的端口(Destination port): 16bit，表示报文接收方的端口号

            数据序号(seq)，32位，TCP为发送的每一个字节都编一个号码，这里存储当前数据包数据第一个字节的序号。

            确认序号(ack)，32位，为了安全，TCP告诉接受者希望他下次接到数据包的第一个字节的序号。

            URG(Urgent)：表示紧急(The urgent pointer) 指针是否有效。

            ACK(Acknowledgment)：1表示这是一个确认的TCP包， 0则不是确认包。

            PSH(Push)：该标志置位时，一般是表示发送端缓存中已经没有待发送的数据，接收端不将该数据进行队列处理，而是尽可能快将数据转由应用处理。

            RST(Reset)：用于复位相应的TCP连接。通常在发生异常或者错误的时候会触发复位TCP连接。

            SYN(Synchronize)：表示同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)是否有效。该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。它提示TCP连接的服务端检查序列编号，该序列编号为TCP连接发起端(一般是客户端)的初始序列编号。在这里，可以把TCP序列编号看作是一个范围从0到4，294，967，295的32位计数器。通过TCP连接交换的数据中每一个字节都经过序列编号。在TCP报头中的序列编号栏包括了TCP分段中第一个字节的序列编号。

            FIN(Finish)：带有该标志置位的数据包用来结束一个TCP会话，但对应端口仍处于开放状态，准备接收后续数据。当FIN标志有效的时候我们称呼这个包为FIN包。

    五、TCP/IP的建立连接协议（三次握手）

        

        1）第一次握手：客户将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=x，并将该数据包发送给服务器，客户进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。
        2）第二次握手：服务器收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，服务器将标志位SYN和ACK都置为1，ack=x+1，随机产生一个值seq=y，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，服务器进入SYN_RCVD状态。
        3）第三次握手：客户收到确认后，检查ack是否为x+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，并将该数据包发送给服务器，服务器检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户与服务器之间可以开始传输数据。

  六、TCP/IP的终止连接协议（四次挥手）

        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。

    （1）第一次挥手：客户发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送，客户进入FIN_WAIT_1状态。
    （2）第二次挥手：服务器收到FIN后，发送一个ACK给客户，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），服务器进入CLOSE_WAIT状态。
    （3）第三次挥手：服务器发送一个FIN，用来关闭服务器到Client的数据传送，服务器进入LAST_ACK状态。

    （4）第四次挥手：客户收到FIN后，客户进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给服务器，确认序号为收到序号+1，服务器进入CLOSED状态，完成四次挥手。

        上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，具体流程如下图：

    （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也发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入FIN_WAIT_1状态

    （3）第三次挥手：Client发送一个ACK给Server，ack=J+1,Client进入CLOSING状态，并且Server收到后进入TIME_WAIT状态

    （4）第四次挥手：Server也发送一个ACK给Client，ack=J+1,Server进入CLOSING状态，并且Client收到后进入TIME_WAIT状态。

    

    七、两台主机网络掩码不一致可能导致ping不通的问题

        假设PCB 172.18.0.6的掩码是255.255.0.0，PCA172.18.5.7的掩码是255.255.255.0，他俩为啥ping不通，当172.28.0.6给172.18.5.7发数据包的时候，172.18.0.6是按照255.255.0.0来判断172.18.5.7和自己是不是一个网段。可就是ping不同

        ping操作其实是一次双向通信过程

        其次，ping操作的实际内涵是什么？看下面的步骤：

            (1)由本机构造一个ICMP请求包，发送给目的主机；

            (2)目的主机处理后构造一个ICMP响应包，返回给本机；

            (3)本机根据是否收到响应包，以及响应包的内容得到本次ping的结果，并交由显示器呈现给用户。

        也就是说，一次成功的ping操作其实是一次完整的双向通信过程，并非只要本机能将请求发送出去就算好了的。数据包要能出得去，更要回得来。

        分析一下错误过程：

        1.当PCB构造好ICMP请求包打算发送给PCB时，其处理过程应当如下：

        PCB首先将PCA的IP地址172.18.5.7与自己的掩码255.255.0.0做与运算，得到它所认为的PCA的网络号：id=172.18.0.0

        然后用这个newid与自己的网络号id=172.18.0.0 作比较，发现一样；

        PCB把构造好的ICMP请求包直接交付给PCA 。

        PCA处理后构造完成ICMP响应包，打算回给PCB，其处理过程和前文PCA向PCB发送请求包一致，结果是PCA发送响应包失败。
       呈现给你的直观现象就是 PCB ping PCA 不通，系统给出的响应应该是请求超时，原因在于响应回不来。

        2.当PCA构造好ICMP请求包打算发送给PCB时，其处理过程应当如下：

        PCA首先将PCB的IP地址172.18.0.6与自己的掩码255.255.255.0做与运算，得到它所认为的PCB的网络号:id=172.18.1.0,然后用这个newid与自己的网络号id=172.18.0.0 作比较，发现不一样；

        PCA把构造好的ICMP请求包交付给网关，但网关不存在，于是请求发送失败。

       呈现给你的直观现象就是 PCA ping PCB 不通，系统给出的响应应该是：目标主机不可达，原因在于请求出不去。