Centos网络管理TCPIP协议栈

Posted 2020-10-18

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Centos网络管理TCPIP协议栈相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

OSI模型的七层结构

层	中文名称	英文名称	速记	描述	PDU 中文	PDU 英文
7	应用层	application		网络进程访问应用层为应用程序进程提供网络服务提供身份验证	消息	message
6	表示层	presention		数据表示确保接收系统可以读出该数据格式化数据构建数据协商用于应用层的数据传输语法提供加密	消息	message
5	会话层	session		主机间通讯建立、管理和终止在应用程序之间的会话	消息	message
4	传输层	transport		传输确保数据传输的可靠性建立、维护和终止虚拟电路通过错误检测和恢复信息流控制作来保障可靠性传输层通过port号，确定应用层协议	段	segment
3	网络层	network		数据传输路由数据包，选择传递数据的最佳路径，支持逻辑寻址和路径选择	包	packet
2	数据链路层	data link		访问介质，定义如何格式化数据以便进行传输及如何控制对网络的访问支持错误检测	帧	frame
1	物理层	physica		二进制传输定义了电气、机械、过程和功能规范	位	bit

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TCP/IP 协议栈

层	中文名称	英文名称	描述	PDU 中文	PDU 英文
4	应用层	application	参考OSI参考模型的567层	消息	message
3	传输层	transport	传输确保数据传输的可靠性建立、维护和终止虚拟电路通过错误检测和恢复信息流控制作来保障可靠性传输层通过port号，确定应用层协议	段	segment
2	internet层	internet	数据传输路由数据包，选择传递数据的最佳路径，支持逻辑寻址和路径选择	包	packet
1	网络访问层	network access	二进制传输定义了电气、机械、过程和功能规范	位	bit

与OSI参考模型对应关系

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Internet层，可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体，因为，真正进行通信的实体是在主机中的进程，是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。IP协议虽然能把数据报文送到目的主机，但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。

UDP，在传送数据前不需要先建立连接，远程的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但是正是因为这样，省去和很多的开销，使得它的速度比较快，比如一些对实时性要求较高的服务，就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。

TCP，提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务，但是正因为这样，不可避免的增加了许多的开销，比如确认，流量控制等。对应的应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

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可靠性 vs.高效性

	可靠	好的效果与性能
协议	TCP	UDP
序列号	是	否

TCP特性

? 工作在传输层

? 面向连接协议

? 全双工协议

? 半关闭

? 错误检查

? 将数据打包成段，排序

? 确认机制

? 数据恢复，重传

? 流量控制，滑动窗口

? 拥塞控制，慢启动和拥塞避免算法

TCP包头

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源端口、目标端口：各占2个字节

计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个=65536个

0-1023：系统端口或特权端口(仅管理员可用) 永久的分配给固定的系统应用使用，

如： 22/tcp(ssh), 80/tcp(http), 443/tcp(https)

1024-49151：用户端口或注册端口，但要求并不严格，分配给程序注册为某应用使用，如： 1433/tcp(SqlServer)， 1521/tcp(oracle),3306/tcp(mysql),11211/tcp/udp (memcached)

49152-65535：如：动态端口或私有端口，客户端程序随机使用的端口

端口范围的定义： /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

序列号：占4个字节

表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号从头开始，再次从 0 开始

确认号：占4个字节

表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送发：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号是这个确认号

数据偏移：占4位

表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位）， 4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节77

URG：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效

ACK：表示是否前面的确认号字段是否有效。 ACK=1，表示有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。 TCP规定，连接建立后， ACK必须为1,带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段

PSH：提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中

RST：如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段

SYN：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1， ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1， ACK=1时，表示对方同意建立连接。 SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才设置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段

FIN：表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段

窗口大小：占2字节

表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量

校验和：占2字节

提供额外的可靠性

紧急指针：占2字节

标记紧急数据在数据字段中的位置

选项部分：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。 TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为： (2^4-1)*4-20=40字节

常见选项：

最大报文段长度： Maxium Segment Size， MSS

窗口扩大： Windows Scaling

时间戳： Timestamps

TCP的三次握手

最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

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服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；

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客户端A进程向服务器发出连接请求报文，这时报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，TCP规定：SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。

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此时，客户端A进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。

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服务器B进程收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=A的序列seqx+1,服务器B进程同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y

第一次握手成功。

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服务器B进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。

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客户端A进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=B的seqy+1，自己的序列号seq=x+1，第二次握手成功。

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此时，TCP连接建立，客户端A进程进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。

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当服务器B进程收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态。第三次握手成功。

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双方的状态都变成ESTABLISTED后，就可以开始通信了，进行数据传输了。

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动态演示

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为什么客户端最后还要发送一次确认呢？

一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

以下为从192.168.4.1向192.168.4.101发起ssh链接进行的TCP三次握手截图

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TCP的四次挥手

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态

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客户端A进程主动发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为A的seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1）

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此时，客户端A进程进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

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服务器B进程收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=A的序列sequ+1，并且带上自己的序列号B的序列seq=v。第一次挥手成功。

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此时，服务器B进程就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。客户端A进程处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受（比如seq=v）。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

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客户端A进程收到服务器B的确认请求后，此时，客户端A进程就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

第二次挥手成功。

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服务器B进程将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=A的序列sequ+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为B的seq=w

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此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

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客户端A进程收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=B的序列seqw+1，而自己的序列号是seq=u+1。第三次挥手成功。

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此时，客户端A进程就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。

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服务器B进程只要收到了客户端A进程发出的确认，立即进入CLOSED状态。服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。第四次挥手成功。

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客户端A进程必须经过2倍MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

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动态演示

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为什么客户端最后还要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。

第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

以下为从192.168.4.1向192.168.4.101发起ssh关闭链接的TCP四次挥手截图

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