七TCP/IP协议

Posted 2020-06-19 写代码是一种艺术，甚于蒙娜丽莎的微笑！

1、定义：

TCP/IP模型也被称作DoD模型(Department of Defense Model)。TCP/IP字面上代表了两个协议：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议）。

TCP/IP协议不是TCP和IP这两个协议的合称，而是指因特网整个TCP/IP协议族。从协议分层模型方面来讲，TCP/IP由四个层次组成:网络接口层、网络层、传输层、应用层。

TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型，OSI(Open System Interconnect)是传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型，其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层(网络接口层)、网络层(网络层)、传输层、会话层、表示层和应用层(应用层)。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。由于ARPNET的设计者注重的是网络互联，允许通信子网(网络接口层)采用已有的或是将来有的各种协议，所以这个层次中没有提供专门的协议。实际上，TCP/IP协议可以通过网络接口层连接到任何网络上，例如X.25交换网或IEEE802局域网。

参考：TCP/IP协议(360百科) 

2、IP协议

IP协议是在网络层的协议，它主要完成数据包的发送作用。下面这个表是IP4的数据包格式：

0      4       8       16                      32
-----------------------------------------------
|版本   |首部长度|服务类型|    数据包总长       |
-----------------------------------------------
|    标识                 |DF |MF| 碎片偏移      |
-----------------------------------------------
|   生存时间    |  协议   |  首部较验和         |
-----------------------------------------------
|               源IP地址                        |
-----------------------------------------------
|               目的IP地址                      |
-----------------------------------------------
|               选项                            |
==============================
|               数据                            |
----------------------------------------------- 

IP的结构定义

struct ip
  {
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
        unsigned int ip_hl:4;           /* header length */
        unsigned int ip_v:4;            /* version */
#endif
#if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
        unsigned int ip_v:4;            /* version */
        unsigned int ip_hl:4;           /* header length */
#endif
        u_int8_t ip_tos;                /* type of service */
        u_short ip_len;                 /* total length */
        u_short ip_id;                  /* identification */
        u_short ip_off;                 /* fragment offset field */
#define IP_RF 0x8000                    /* reserved fragment flag */
#define IP_DF 0x4000                    /* dont fragment flag */
#define IP_MF 0x2000                    /* more fragments flag */
#define IP_OFFMASK 0x1fff               /* mask for fragmenting bits */
        u_int8_t ip_ttl;                /* time to live */
        u_int8_t ip_p;                  /* protocol */
        u_short ip_sum;                 /* checksum */
        struct in_addr ip_src, ip_dst;  /* source and dest address */
  };

ip_vIP 协议的版本号，这里是4。现在IPV6已经出来了

ip_hlIP 包首部长度，这个值以4字节为单位。IP协议首部的固定长度为20个字节，如果IP包没有选项，那么这个值为5。

ip_tos 服务类型，说明提供的优先权。

ip_len 说明IP数据的长度，以字节为单位。

ip_id 标识这个IP数据包。

ip_off 碎片偏移，这和上面ID一起用来重组碎片的。

ip_ttl 生存时间。没经过一个路由的时候减一，直到为0时被抛弃。

ip_p协议 表示创建这个IP数据包的高层协议，如TCP、UDP协议。

ip_sum 首部校验和，提供对首部数据的校验。

ip_src、ip_dst 发送者和接收者的IP地址。

3、ICMP协议

ICMP是消息控制协议，也处于网络层。在网络上传递IP数据包时，如果发生了错误，那么就会用ICMP协议来报告错误。

ICMP包的结构如下:

0              8               16                              32
-----------------------------------------------------
|       类型    |       代码    |       校验和                  |
-----------------------------------------------------
|               数据            |       数据                    |
-----------------------------------------------------

ICMP在中的定义：

struct icmphdr
{
  u_int8_t type;                /* message type */
  u_int8_t code;                /* type sub-code */
  u_int16_t checksum;
  union
  {
    struct
    {
      u_int16_t id;
      u_int16_t sequence;
    } echo;                     /* echo datagram */
    u_int32_t   gateway;        /* gateway address */
    struct
    {
      u_int16_t __unused;
      u_int16_t mtu;
    } frag;                     /* path mtu discovery */
  } un;
};

4、UDP协议

UDP协议是建立在IP协议基础之上的，用在传输层的协议。UDP和IP协议一样是不可靠的数据报服务。UDP的头格式为:

0                      16                      32
---------------------------------------------------
|       UDP源端口       |       UDP目的端口     |
---------------------------------------------------
|       UDP数据报长度   |       UDP数据报校验   |
---------------------------------------------------

UDP结构在中的定义为: 

struct udphdr {
  u_int16_t     source;
  u_int16_t     dest;
  u_int16_t     len;
  u_int16_t     check;
};

5、TCP协议

TCP协议也是建立在IP协议之上的，不过TCP协议是可靠的，按照顺序发送的，TCP的数据结构比前面的结构都要复杂。

0       4       8  10           16              24              32
-------------------------------------------------------------------
|               源端口          |               目的端口        |
-------------------------------------------------------------------
|                               序列号                          |
------------------------------------------------------------------
|                               确认号                          |
------------------------------------------------------------------
|        |            |U|A|P|S|F|                               |
|首部长度| 保留       |R|C|S|Y|I|       窗口                    |
|        |            |G|K|H|N|N|                               |
-----------------------------------------------------------------
|               校验和          |               紧急指针        |
-----------------------------------------------------------------
|                       选项                    |    填充字节   |
-----------------------------------------------------------------

TCP的结构在中定义为: 

struct tcphdr
  {
    u_int16_t source;
    u_int16_t dest;
    u_int32_t seq;
    u_int32_t ack_seq;
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
    u_int16_t res1:4;
    u_int16_t doff:4;
    u_int16_t fin:1;
    u_int16_t syn:1;
    u_int16_t rst:1;
    u_int16_t psh:1;
    u_int16_t ack:1;
    u_int16_t urg:1;
    u_int16_t res2:2;
#elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
    u_int16_t doff:4;
    u_int16_t res1:4;
    u_int16_t res2:2;
    u_int16_t urg:1;
    u_int16_t ack:1;
    u_int16_t psh:1;
    u_int16_t rst:1;
    u_int16_t syn:1;
    u_int16_t fin:1;
#endif
    u_int16_t window;
    u_int16_t check;
    u_int16_t urg_prt;
};     

source 发送TCP数据的源端口 。
dest 接受TCP数据的目的端口。

seq 标识该TCP所包含的数据字节的开始序列号。

ack_seq 确认序列号，表示接受方下一次接受的数据序列号。

doff 数据首部长度，和IP协议一样，以4字节为单位，一般的时候为5。

urg 如果设置紧急数据指针，则该位为1。

ack 如果确认号正确，那么为1。

psh 如果设置为1，那么接收方收到数据后，立即交给上一层程序。

rst 为1的时候，表示请求重新连接。

syn 为1的时候，表示请求建立连接。

fin 为1的时候，表示亲戚关闭连接。

window窗口 告诉接收者可以接收的大小。

check 对TCP数据进行较核。

urg_ptr 如果urg=1，那么指出紧急数据对于历史数据开始的序列号的偏移值。

6、TCP连接的建立

TCP协议是一种可靠的连接，为了保证连接的可靠性，TCP的连接要分为几个步骤。我们把这个连接过程称为"三次握手"。

下面我们从一个实例来分析建立连接的过程。

第一步客户机向服务器发送一个TCP数据包，表示请求建立连接。 为此，客户端将数据包的SYN位设置为1，并且设置序列号seq=1000(我们假设为1000)。

第二步服务器收到了数据包，并从SYN位为1知道这是一个建立请求的连接，于是服务器也向客户端发送一个TCP数据包。因为是响应客户机的请求， 于是服务器设置ACK为1，sak_seq=1001(1000+1)同时设置自己的序列号。seq=2000(我们假设为2000)。

第三步客户机收到了服务器的TCP，并从ACK为1和ack_seq=1001知道是从服务器来的确认信息。于是客户机也向服务器发送确认信息，
客户机设置ACK=1，和ack_seq=2001，seq=1001，发送给服务器，至此客户端完成连接。

最后一步服务器受到确认信息，也完成连接。

通过上面几个步骤，一个TCP连接就建立了。当然在建立过程中可能出现错误，不过TCP协议可以保证自己去处理错误的。

说一说其中的一种错误：
听说过DOS吗?(可不是操作系统啊)。今年春节的时候，美国的五大网站一起受到攻击。攻击者用的就是DOS(拒绝式服务)方式。概括的说一下原理：

客户机先进行第一个步骤，服务器收到后，进行第二个步骤。按照正常的TCP连接，客户机应该进行第三个步骤。不过攻击者实际上并不进行第三个步骤，因为客户端在进行第一个步骤的时候，修改了自己的IP地址，就是说将一个实际上不存在的IP填充在自己IP 数据包的发送者的IP一栏。这样因为服务器发的IP地址没有人接收，所以服务端会收不到第三个步骤的确认信号。这样服务器端会在那边一直等待，直到超时。这样当有大量的客户发出请求后，服务端会有大量等待，直到所有的资源被用光， 而不能再接收客户机的请求。这样当正常的用户向服务器发出请求时，由于没有了资源而不能成功。