12-1 TCP/IP协议栈

Posted 2021-03-25 kjalbert

TCP/IP协议栈

有限状态机FSM:Finite State Machine

• CLOSED 没有任何连接状态
• LISTEN 侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求
• SYN-SENT 在发送连接请求后，等待对方确认
• SYN-RECEIVED 在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认
• ESTABLISHED 代表传输连接建立，双方进入数据传送状态
• FIN-WAIT-1 主动关闭,主机已发送关闭连接请求，等待对方确认
• FIN-WAIT-2 主动关闭,主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求
• TIME-WAIT 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失
• CLOSE-WAIT 被动关闭,收到对方发来的关闭连接请求，并已确认
• LAST-ACK 被动关闭,等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失
• CLOSING 双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认
• 客户端先发送一个FIN给服务端，自己进入了FIN_WAIT_1状态，这时等待接收服务端的报文，该报文会有三种可能：
  • 只有服务端的ACK
  • 只有服务端的FIN
  • 基于服务端的ACK，又有FIN
• 1、只收到服务器的ACK，客户端会进入FIN_WAIT_2状态，后续当收到服务端的FIN时，回应发送一个ACK，会进入到TIME_WAIT状态，这个状态会持续2MSL(TCP报文段在网络中的最大生存时间, RFC 1122标准的建议值是2min).客户端等待2MSL，是为了当最后一个ACK丢失时，可以再发送一次。因为服务端在等待超时后会再发送一个FIN给客户端，进而客户端知道ACK已丢失
• 2、只有服务端的FIN时，回应一个ACK给服务端，进入CLOSING状态，然后接收到服务端的ACK时，进入TIME_WAIT状态
• 3、同时收到服务端的ACK和FIN，直接进入TIME_WAIT状态

客户端的典型状态转移

• 客户端通过connect系统调用主动与服务器建立连接connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段，使连接转移到SYN_SENT状态
• 此后connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回：
• 1、如果connect连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍
  被处于TIME_WAIT状态的连接所占用（见后文），则服务器将给客户端发送一个复位报文段，connect调用失败。
• 2、如果目标端口存在，但connect在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则connect调用失败。
• connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态
• 当客户端执行主动关闭时，它将向服务器发送一个结束报文段，同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段，则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接（发送结束报文段），则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态
• 客户端从FIN_WAIT_1状态可能直接进入TIME_WAIT状态（不经过FIN_WAIT_2状态），前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段（而不是先收到确认报文段，再收到结束报文段）
• 处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段，才能转移至TIME_WAIT状态，否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据，连接长时间地停留在FIN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在：客户端执行半关闭后，未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管，可称之为孤儿连接（和孤儿进程类似）
• Linux为了防止孤儿连接长时间存留在内核中，定义了两个内核参数：
  • /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目
  • /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间

sync半连接和accept全连接队列：
ss -lnt：

• /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 未完成连接队列大小，建议调整大小为1024以上
• /proc/sys/net/core/somaxconn 完成连接队列大小，建议调整大小为1024以上

TCP超时重传

• 异常网络状况下（开始出现超时或丢包），TCP控制数据传输以保证其承诺的可靠服务
• TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认的TCP报文段。为此，TCP模块为每个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。如果超时时间内未收到接收方的应答，TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。至于下次重传的超时时间如何选择，以及最多执行多少次重传，就是TCP的重传策略
• 与TCP超时重传相关的两个内核参数：
• /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1，指定在底层IP接管之前TCP最少执行的重传次数，默认值是3
• /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2，指定连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数，默认值15（一般对应13～30min）

拥塞控制

• 网络中的带宽、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可承受的能力，网络的性能就会变坏。此情况称为拥塞
• TCP为提高网络利用率，降低丢包率，并保证网络资源对每条数据流的公平性。即所谓的拥塞控制
• TCP拥塞控制的标准文档是RFC 5681，其中详细介绍了拥塞控制的四个部分：
  • 慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快速恢复（fast recovery）。拥塞控制算法在Linux下有多种实现，比如reno算法、vegas算法和cubic算法等。它们或者部分或者全部实现了上述四个部分
• 当前所使用的拥塞控制算法
  • /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control

UDP特性

• 工作在传输层
• 提供不可靠的网络访问
• 非面向连接协议
• 有限的错误检查
• 传输性能高
• 无数据恢复特性
• 更多关于udp的内核参数，可参看man 7 udp

UDP包头

ARP

ARP是将ip转换为MAC地址的协议：
通过ip neigh ；arp -n ；
查看arp表

反向ARP

IP协议

Internet协议特征

• 运行于 OSI 网络层
• 面向无连接的协议
• 独立处理数据包
• 分层编址
• 尽力而为传输
• 无数据恢复功能

IP PDU报头

• 版本:占4位,指 IP 协议的版本目前的IP协议版本号为4
• 首部长度:占4位,可表示的最大数值是15个单位，一个单位为4字节，因此IP 的首部长度的最大值是60字节
• 区分服务:占8位,用来获得更好的服务,在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未被使用过.后改名为区分服务.只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作用.一般的情况下不使用
• 总长度:占16位,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为65535 字节.总长度必须不超过最大传送单元 MTU
• 标识:占16位,它是一个计数器,通常，每发送一个报文，该值会加1， 也用于数据包分片，在同一个包的若干分片中，该值是相同的
• 标志(flag):占3位,目前只有后两位有意义
• DF： Don’t Fragment 中间的一位，只有当 DF=0 时才允许分片
• MF： More Fragment 最后一位，MF=1表示后面还有分片,MF=0 表示最后
• 片偏移:占13位,指较长的分组在分片后，该分片在原分组中的相对位置.片偏移以8个字节为偏移单位
• 生存时间:占8位,记为TTL (Time To Live) 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值,TTL 字段是由发送端初始设置一个 8 bit字段.推荐的初始值由分配数字RFC 指定,当前值为 64.发送 ICMP 回显应答时经常把 TTL 设为最大值 255
• 协议:占8位,指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程, 1表示为 ICMP 协议, 2表示为 IGMP 协议, 6表示为TCP 协议, 17表示为 UDP 协议
• 首部检验和:占16位,只检验数据报的首部不检验数据部分.这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法
• 源地址和目的地址:都各占4字节,分别记录源地址和目的地址

IP地址

• 它们可唯一标识 IP 网络中的每台设备
• 每台主机（计算机、网络设备、外围设备）必须具有唯一的地址
• IP地址由两部分组成
• 网络ID：
  • 标识网络
  • 每个网段分配一个网络ID
• 主机 ID：
  • 标识单个主机
  • 由组织分配给各设备

IP地址分类

• A类：
  • 0 000 0000 - 0 111 1111: 1-127
  • 网络数：126, 127
  • 每个网络中的主机数：2^24-2
  • 默认子网掩码：255.0.0.0
  • 私网地址：10.0.0.0
• B类：
  • 10 00 0000 - 10 11 1111：128-191
  • 网络数：2^14
  • 每个网络中的主机数：2^16-2
  • 默认子网掩码：255.255.0.0
  • 私网地址：172.16.0.0-172.31.0.0
• C类：
  • 110 0 0000 - 110 1 1111: 192-223
  • 网络数：2^21
  • 每个网络中的主机数：2^8-2
  • 默认子网掩码：255.255.255.0
  • 私网地址：192.168.0.0-192.168.255.0
• D类：组播
  • 1110 0000 - 1110 1111: 224-239
• E类：保留未使用
  • 240-255

特殊地质

• 0.0.0.0
  • 0.0.0.0不是一个真正意义上的IP地址。它表示所有不清楚的主机和目的网络
• 255.255.255.255
  • 限制广播地址。对本机来说，这个地址指本网段内(同一广播域)的所有主机
• 127.0.0.1～127.255.255.254
  • 本机回环地址，主要用于测试。在传输介质上永远不应该出现目的地址为“127.0.0.1”的 数据包
• 224.0.0.0到239.255.255.255
  • 组播地址，224.0.0.1特指所有主机，224.0.0.2特指所有路由器。224.0.0.5指OSPF 路由器，地址多用于一些特定的程序以及多媒体程序
• 169.254.x.x
  • 如果Windows主机使用了DHCP自动分配IP地址，而又无法从DHCP服务器获取地址，系统会为主机分配这样地址

子网掩码

网络号扩展8位：

子网掩码的八位对应

128	64	32	16	8	4	2	1	netmask
1	0	0	0	0	0	0	0	128
1	1	0	0	0	0	0	0	192
1	1	1	0	0	0	0	0	224
1	1	1	1	0	0	0	0	240
1	1	1	1	1	0	0	0	248
1	1	1	1	1	1	0	0	252
1	1	1	1	1	1	1	0	254
1	1	1	1	1	1	1	1	255

网络号与主机号计算

将IP地址和子网掩码相与，结果即为网络号
子网掩码的0位对应IP的位数，即为主机号

一个网络内最多有多少主机，使用2的子网掩码0位数的次方-2即可算出
需要划分多少子网，需要的情况下，

跨网络通信

• 跨网络通信：路由
• 路由分类：
  • 主机路由
  • 网络路由
  • 默认路由
• 优先级：精度越高，优先级越高

动态主机配置协议dhcp

动态请求地址

基本网络配置

• 将Linux主机接入到网络，需要配置网络相关设置
• 一般包括如下内容：
  • 主机名
  • IP/netmask
  • 路由：默认网关
  • DNS服务器
    • 主DNS服务器
    • 次DNS服务器
    • 第三DNS服务器

CentOS 6网卡名称：

• 接口命名方式：CentOS 6
  • 以太网：eth[0,1,2,...]
  • ppp：ppp[0,1,2,...]
• 网络接口识别并命名相关的udev配置文件：
  • /etc/udev/rules.d/70-persistent-net.rules
• 查看网卡：
  • dmesg |grep –i eth
  • ethtool -i eth0
• 卸载网卡驱动：
  • modprobe -r e1000
  • rmmod e1000
• 装载网卡驱动：
  • modprobe e1000

网络配置方式

• 静态指定:
  • ifconfig, route, netstat
  • ip: object {link, addr, route}, ss, tc
  • system-config-network-tui，setup
  • 配置文件
• 动态分配：
  • DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol

配置网络接口

• ifconfig命令
  • ifconfig [interface]
  • ifconfig -a
  • ifconfig IFACE [up|down]
  • ifconfig interface [aftype] options | address ...
  • ifconfig IFACE IP/netmask [up]
  • ifconfig IFACE IP netmask NETMASK
  • 注意：立即生效
  • 启用混杂模式：[-]promisc