TCP/IP

Posted 2020-11-13 pacino12134

 

1、TCP/IP模型

 

 

TCP/IP协议通信的过程其实就是数据入栈出栈的过程。入栈就是数据发送方每层不断的封装首部和尾部，添加一些传输的信息，保证能传输到目的地、出站就是数据接收方每层不断的拆除首部和尾部，得到最终的传输数据。

下图是以http协议来说明：

 

二、数据链路层

物理层负责的是0、1比特流与物理设备电压高低、光的闪灭之间的互换。

数据链路层负责的就是将这些0、1序列划分为数据帧，然后从一个节点（主机）传输到另一个节点（主机）。这些节点是通过MAC来唯一标识的（MAC，物理地址，一个主机有一个MAC地址）。

 

封装成帧：把网络层数据报加头和尾，封装成帧，帧头包括了源MAC地址和目的MAC地址；

透明传输：0比特填充、转义字符；

可靠传输：在出错率很低的链路上很少用（因为一根线连着彼此，当然不会出错），在无线链路WLAN会保证可靠传输；

差错检测（CRC）：接受者检测错误，如果发现错误，就丢弃该帧；

 

三、网络层

1、IP协议

IP协议是TCP/IP协议的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGMP的数据都以IP数据格式传输。

要注意的是，IP不是可靠的协议，这是说，IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制，这被认为是上层协议：TCP或UDP要做的事情。

1.1 IP地址

数据链路层中通过MAC地址来识别两个不同的节点，在IP层（网络层）通过IP地址来识别。

32位IP地址分为网络位和地址位，这样可以减少路由器中路由表记录的数目，有了网络地址，就可以限定拥有相同网络地址的终端都在一个范围内，那么路由表就只需要维护一条这个网络地址的方向，就可以找到相应的这些终端了。

A类地址：0.0.0.0~126.255.255.255，子网掩码：255.0.0.0（可以通过子网划分，改变子网掩码）。A类地址分配给规模特别大的网络使用。

• 127表示的是回环测试相应的地址，所以实际范围是1-126,。
• 回送地址：127.0.0.1。 也是本机地址，等效于localhost或本机IP。一般用于测试使用。例如：ping 127.0.0.1来测试本机TCP/IP是否正常。
• 私有地址范围：10.0.0.0～10.255.255.255

B类地址：128.0.0.0~191.255.255.255，默认子网掩码为：255.255.0.0。B类地址分配给一般的中型网络。

• 私有地址范围：172.16.0.0～172.31.255.255

C类地址：192.0.0.0~223.255.255.255，默认网络掩码为：255.255.255.0。C类地址分配给小型网络，如一般的局域网和校园网，它可连接的主机数量是最少的，采用把所属的用户分为若干的网段进行管理。

• 私有地址范围：192.168.0.0～192.168.255.255

D类地址（广播地址）：224.0.0.0到239.255.255.255。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。

E类地址保留给将来使用：240.0.0.0到255.255.255.254。

全0和全1都不能用：

• 全零（“0．0．0．0”）地址对应于当前主机，表示该地址是本地宿主机，不能传送。
• 全“1”的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址。

1.2 子网

在主机号中拿一部分作为子网号，进而把两级IP地址划分为三级IP地址。

IP地址：{< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

1.2.1 子网作用

子网掩码是一个应用于TCPIP网络的32位二进制值，必须结合IP地址使用。

子网掩码与32位于IP地址32位对应，方法就是如果某位是网络地址，那么子网掩码就是1，否则就是0.

子网掩码可以通过与IP地址相与计算，分理处IP地址的网络地址和主机地址，用于判断IP地址是在局域网上还是广域网上。

子网掩码一般用于将网络进一步划分为若干子网，避免主机过多而拥堵或过少而IP浪费。

1.2.2 为什么要用子网掩码

可以分离出IP地址的网络位和主机位。为什么要分离？因为两台计算机要通讯，首先要判断是否处于同一个广播域内，即网络地址是否相同。如果网络地址相同，表明接收方在本网络，那么就可以把数据报直接发送到目标主机，否则就需要通过路由网关将数据报转发送到目的地。

1.2.3 子网掩码的分类

（1）缺省子网掩码（未划分子网）

子网掩码32位与IP地址32位对应,如果某位是网络地址，则子网掩码为1，否则为0。

A类网络缺省子网掩码：255.0.0.0
B类网络缺省子网掩码：255.255.0.0
C类网络缺省子网掩码：255.255.255.0

（2）自定义子网掩码（用于划分子网）

将一个网络划分为若干个子网，每个子网拥有不同的网络地址或子网地址。因为IP是有限的，实际上我们是将主机地址分为了两个部分：子网网络地址、子网主机地址。

未做子网划分的ip地址：网络地址 + 主机地址

做子网划分的IP地址：网络地址 + （子网网络地址 + 子网主机地址）

1.2.4 子网掩码与IP地址的关系

子网掩码是用来判断任意两台计算机的IP地址是否属于同一子网络的根据。具体就是两台计算机的IP地址与子网掩码进行与计算，得到的结果相同则说明是处于同一个子网络的，可以进行直接的通讯。

IP地址与子网掩码相与，得到网络位；将子网掩码取反后再和IP地址相与，得到主机位。

1.2.5 为什么要划分子网

比如A类地址中，每个A类网络可能有很多台主机，他们处于一个广播域内。在同一个广播域内有这么多主机是不可能的，网络会因为广播通信而饱和。另一方面，IP地址资源越来越少，为实现更小的广播域，就需要进一步划分成更小的网络。划分子网后，通过使用掩码，将子网隐藏起来，使得从外部看网络没有变化，这就是子网掩码。

1.2.6 子网划分

子网划分就是借用几个主机位来充当子网的网络地址，从而将原网络划分成若干子网。

划分子网时，随着借用主机位数增多，子网数目也增多，但每个子网中可用的主机数就逐渐减少。

如C类地址，原有8位主机位，而且全0和全1不能用，所以一共有2^8-2即254个主机地址，默认子网掩码是255.255.255.0。

借用一位主机位，产生2^1-2=0个子网，每个子网有2^7个主机地址；

借用2位主机位，产生2^2-1=2个子网，每个子网有2^6个主机位；

......

 

 

1.2.7 子网掩码的计算

1、利用子网数来计算

在求子网掩码之前必须先搞清楚要划分的子网数目，以及每个子网内的所需主机数目。

1. 将子网数目转化为二进制来表示
2. 取得该二进制的位数，为 N
3. 取得该 IP地址的类子网掩码，将其主机地址部分的的前N位置 1 即得出该IP地址划分子网的子网掩码。

如欲将C类IP地址192.168.10.0划分成4个子网：

1. 4=100
2. 该二进制为三位数，N = 3
3. 将C类地址的子网掩码255.255.255.0的主机地址前3位置 1，得到子网掩码255.255.255.224。

 

 

2、利用主机数来计算

1. 将主机数目转化为二进制来表示
2. 如果主机数小于或等于254（注意去掉保留的两个IP地址），则取得该主机的二进制位数。
3. 将该类IP地址的主机地址位数全部置1，然后从后向前的将N位全部置为 0，即为子网掩码值。

如欲将B类IP地址192.168.10.0划分成若干子网，每个子网内有主机25台：
1) 25=11001
2)该二进制为十位数，N = 5
3)将该B类地址的子网掩码 255.255.255.0的主机地址全部置 1，得到255.255.255.255，然后再从后向前将后5位置0，即为：11111111.11111111.11111111.11100000，即255.255.252.224。

 

1.3 IP协议头

 

 

八位的TTL（ Time To Live）字段。这个字段规定该数据包在穿过多少个路由之后才会被抛弃。某个IP数据包每穿过一个路由器，该数据包的TTL数值就会减少1，当该数据包的TTL成为零，它就会被自动抛弃。

这个字段的最大值也就是255，也就是说一个协议包也就在路由器里面穿行255次就会被抛弃了，根据系统的不同，这个数字也不一样，一般是32或者是64。

2、ARP和RARP协议

ARP （地址解析协议，Address Resolution Protocol）是根据IP地址获取MAC地址的一种协议。

主机本来不知道这个IP对应的是哪个主机的哪个端口，当主机要送一个IP包的时候，会先查一下自己的ARP高速缓存（就是一个IP-MAC地址对应表缓存）。如果查到的IP-MAC值对不存在，那么主机向网络发送一个ARP协议广播包，这个包里面就有要查询的IP地址，接收到这份广播包的所有地址都会查询自己的IP地址，只有相同IP地址的接收到广播请求的主机或路由器，发回一个ARP应答分组，应答中包含它的IP地址和物理地址，并保存在发送ARP广播的主机的ARP缓存中。其他主机或路由器都丢弃此分组。

广播主机拿到ARP包后会更新自己的ARP缓存。发送广播的主机就会用新的ARP缓存数据准备好数据链路层的数据包发送工作。

RARP协议的工作与此相反

3、ICMP协议（Internet Control Message Protocol，网络控制报文协议）

IP协议并不是一个可靠的协议，它不保证数据被送达，那么，自然的，保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成。其中一个重要的模块就是ICMP(网络控制报文)协议。

ICMP不是高层协议，而是IP层的协议。

当传送IP数据包发生错误。比如主机不可达，路由不可达等等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会，这也就是为什么说建立在IP层以上的协议是可能做到安全的原因。

四、ping

ping可以说是ICMP的最著名的应用，是TCP/IP协议的一部分。

利用“ping”命令可以检查网络是否连通，可以很好地帮助我们分析和判定网络故障。

例如：当我们某一个网站上不去的时候。通常会ping一下这个网站。ping会回显出一些有用的信息。

ping这个单词源自声纳定位，而这个程序的作用也确实如此，它利用ICMP协议包来侦测另一个主机是否可达。原理是用类型码为0的ICMP发请求，受到请求的主机则用类型码为8的ICMP回应。

ping程序来计算间隔时间，并计算有多少个包被送达。用户就可以判断网络大致的情况。我们可以看到， ping给出来了传送的时间和TTL的数据。

五、Traceroute

Traceroute是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具，也是最便利的工具。

原理就是它收到目的主机的IP地址之后，首先给IP地址发送一个TTL=1的UDP数据包，而经过的第一个路由器收到这个数据包以后，就自动把TTL减1，而TTL变成0后，路由器就把这个包给丢弃了，同时产生一个主机不可达的ICMP数据报给主机。主机收到这个数据包以后，再发一个TTL=2的UDP数据报给目的主机，然后第二个路由器就又会返回一个ICMP数据报，如此往复，知道到达目的主机，这样traceroute就拿到了所有路由器的IP。

 

六、TCP/UDP

TCP/UDP都是是传输层协议，但是两者具有不同的特性，同时也具有不同的应用场景。

面向报文的传输方式就是应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，也就是一次就发送一个报文。因此应用程序需要选择合适大小的报文，如果报文太长，那么IP层就需要分片，降低效率，若太短了，是IP太小。

面向字节流的传输方式就是，虽然应用程序和TCP交互是一次一个数据块（大小不等），但TCP把应用程序看成是一连串的无结构的字节流，TCP有一个缓冲，当应用程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。

TCP和UDP的应用

 

什么时候用TCP？

对网络通讯质量要求高的时候，比如：整个数据要准确无误的传递给对方，这往往用于一些要求可靠的应用，比如HTTP、HTTPS、FTP等传输文件的协议，POP、SMTP等邮件传输的协议。

什么时候用UDP？

当对网络通讯质量要求不高的时候，要求网络通讯速度能尽量的快，这时就可以使用UDP。

七、DNS

DNS（Domain Name System，域名系统），因特网上作为域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使用户更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。通过主机名，最终得到该主机名对应的IP地址的过程叫做域名解析（或主机名解析）。DNS协议运行在UDP协议之上，使用端口号53。

八、TCP连接的建立和终止

1、三次握手

TCP面向连接的，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须要在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，连接是通过三次握手进行初始化的。三次握手的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP窗口大小信息。

第一次握手，建立连接，客户端发送连接请求报文，将SYN（同步）=1，Seq（Sequence Number，序列号）=x。然后客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。

第二次握手，服务器收到SYN报文段。

• 服务器需要对这个报文段继续确认，设置ACK（Acknowledgement Number） = x+1；
• 同时自己还要再发送SYN请求信息，将SYN=1，Seq=y；
• 服务器端将上述所有信息放到一个报文段内（SYN+ACK+Seq报文段），一起发送给客户端，此时服务器进入SYN_SEND状态。

第三次，客户端收到服务器的SYN+ACK报文段。然后将ACK=y+1