http://blog.csdn.net/peter517/article/details/8953741/
2013
本書(shū)以UNIX為背景，緊貼實(shí)際介紹了數據鏈層、網(wǎng)絡(luò )層、運輸層
一、整體概念
1.各層協(xié)議的關(guān)系，只討論四層
各層常見(jiàn)的協(xié)議：
網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議：IP協(xié)議、ICMP協(xié)議、ARP協(xié)議、RARP協(xié)議。
傳輸層協(xié)議：TCP協(xié)議、UDP協(xié)議。
應用層協(xié)議：FTP、Telnet、SMTP、HTTP、RIP、NFS、DNS。
STMP、POP3、IMAP都是郵件服務(wù)協(xié)議，STMP主要負責發(fā)送和轉發(fā)，POP3和IMAP負責接收
具體如下：
2.各層之間的數據
二、數據鏈路層
三、IP層
1.報文格式
●版本（Version）字段：占4比特。用來(lái)表明IP協(xié)議實(shí)現的版本號，當前一般為IPv4，即0100。
●報頭長(cháng)度（Internet Header Length，IHL）字段：占4比特（以4字節為單位）。是頭部占32比特的數字，包括可選項。普通IP數據報（沒(méi)有任何選項），該字段的值是5，即160比特=20字節。此字段最大值為60字節。
●服務(wù)類(lèi)型（Type of Service ，TOS）字段：占8比特。其中前3比特為優(yōu)先權子字段（Precedence，現已被忽略）。第8比特保留未用。第4至第7比特分別代表延遲、吞吐量、可靠性和花費。當它們取值為1時(shí)分別代表要求最小時(shí)延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費用。這4比特的服務(wù)類(lèi)型中只能置其中1比特為1?？梢匀珵?，若全為0則表示一般服務(wù)。服務(wù)類(lèi)型字段聲明了數據報被網(wǎng)絡(luò )系統傳輸時(shí)可以被怎樣處理。例如：TELNET協(xié)議可能要求有最小的延遲，FTP協(xié)議（數據）可能要求有最大吞吐量，SNMP協(xié)議可能要求有最高可靠性，NNTP（Network News Transfer Protocol，網(wǎng)絡(luò )新聞傳輸協(xié)議）可能要求最小費用，而ICMP協(xié)議可能無(wú)特殊要求（4比特全為0）。實(shí)際上，大部分主機會(huì )忽略這個(gè)字段，但一些動(dòng)態(tài)路由協(xié)議如OSPF（Open Shortest Path First Protocol）、IS-IS（Intermediate System to Intermediate System Protocol）可以根據這些字段的值進(jìn)行路由決策。
●總長(cháng)度字段：占16比特。指明整個(gè)數據報的長(cháng)度（以字節為單位）。最大長(cháng)度為65535字節。
●標識字段：占16比特。用來(lái)唯一地標識主機發(fā)送的每一份數據報。通常每發(fā)一份報文，它的值會(huì )加1。
●標志位字段：占3比特。標志一份數據報是否要求分段。
●段偏移字段：占13比特。如果一份數據報要求分段的話(huà)，此字段指明該段偏移距原始數據報開(kāi)始的位置。
●生存期（TTL：Time to Live）字段：占8比特。用來(lái)設置數據報最多可以經(jīng)過(guò)的路由器數。由發(fā)送數據的源主機設置，通常為32、64、128等。每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器，其值減1，直到0時(shí)該數據報被丟棄。
●協(xié)議字段：占8比特。指明IP層所封裝的上層協(xié)議類(lèi)型，如ICMP（1）、IGMP（2） 、TCP（6）、UDP（17）等。
●頭部校驗和字段：占16比特。內容是根據IP頭部計算得到的校驗和碼。計算方法是：對頭部中每個(gè)16比特進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和。（和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不對頭部后的數據進(jìn)行校驗）。
●源IP地址、目標IP地址字段：各占32比特。用來(lái)標明發(fā)送IP數據報文的源主機地址和接收IP報文的目標主機地址。
可選項字段：占32比特。用來(lái)定義一些任選項：如記錄路徑、時(shí)間戳等。這些選項很少被使用，同時(shí)并不是所有主機和路由器都支持這些選項?？蛇x項字段的長(cháng)度必須是32比特的整數倍，如果不足，必須填充0以達到此長(cháng)度要求。
2.ip分片
鏈路層具有最大傳輸單元MTU這個(gè)特性，它限制了數據幀的最大長(cháng)度，不同的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型都有一個(gè)上限值。以太網(wǎng)的MTU是1500。如果IP層有數據包要傳，而且數據包的長(cháng)度超過(guò)了MTU，那么IP層就要對數據包進(jìn)行分片（fragmentation）操作，使每一片的長(cháng)度都小于或等于MTU。我們假設要傳輸一個(gè)UDP數據包，以太網(wǎng)的MTU為1500字節，一般IP首部為20字節，UDP首部為8字節，數據的凈荷（payload）部分預留是1500-20-8=1472字節。如果數據部分大于1472字節，就會(huì )出現分片現象。
傳輸層的首部只出現在第一片數據中，ip的每個(gè)片段都包含一個(gè)首部，其中有一個(gè)偏移量屬性，表示該片段在整個(gè)數據中的位置
TCP也會(huì )進(jìn)行分片，TCP分段產(chǎn)生原因是MSS（TCP數據包每次能夠傳輸的最大數據分段），TCP協(xié)議在實(shí)現的時(shí)候往往用MTU值代替（需要減去IP數據包包頭的大小20Bytes和TCP數據段的包頭20Bytes）所以一般MSS值1460，故采用TCP協(xié)議進(jìn)行數據傳輸，是不會(huì )造成IP分片的。若數據過(guò)大，只會(huì )在傳輸層進(jìn)行數據分段，到了IP層就不用分片。而我們常提到的IP分片是由于UDP傳輸協(xié)議造成的，因為UDP傳輸協(xié)議并未限定傳輸數據報的大小。
3.路由器內部選路協(xié)議
路由器內部選路協(xié)議即是在路由器路由表給定的情況下進(jìn)行選路
路由器或者主機將會(huì )用如下的方式來(lái)處理某一個(gè)IP數據包：
如果IP數據包的TTL（生命周期）以到，則該IP數據包就被拋棄。
a.搜索匹配的主機地址：搜索路由表，尋找與目的IP地址完全匹配的表項（網(wǎng)絡(luò )號和主機號都匹配）。如果找到，則把報文發(fā)送給指定的下一跳路由器。
b.搜索匹配的網(wǎng)絡(luò )地址：搜索路由表，尋找與目的IP地址的網(wǎng)絡(luò )號相匹配的表項。如果找到，則把報文發(fā)送給指定的下一跳路由器。
c.搜索默認表項：尋找默認路由表項。如果找到，則把報文發(fā)送給表項指定的下一跳路由器。
4.路由器外部選路協(xié)議
路由器內部選路協(xié)議即是更新路由表
DV和LS
5.ICMP協(xié)議
為提高IP數據包交付成功的機會(huì )，網(wǎng)際層使用了因特網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP(Internet Control Message Protocol)。ICMP允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關(guān)異常情況的報告，ICMP是因特網(wǎng)標準協(xié)議，但不是高層協(xié)議，而是網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議。ICMP報文作為IP層數據包的數據，加上數據包的首部，組成數據包發(fā)送出去。
ICMP主要完成以下2個(gè)功能：
(1)不能到達目的地警告：如果網(wǎng)絡(luò )上的主機檢測到其目的是不可達的，不管是因為目的地址與網(wǎng)絡(luò )上的機器操作不匹配，還是因為連接錯誤，它都將向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)“目的地址不可達”的報文。
(2)重定向路由：網(wǎng)關(guān)發(fā)送ICMP重定向報文，以告訴發(fā)送方使用另一個(gè)網(wǎng)關(guān)。比如，網(wǎng)關(guān)A接收來(lái)自某主機的一個(gè)報文，該報文要發(fā)送到某一指定的網(wǎng)絡(luò )，如果網(wǎng)關(guān)A知道主機如果使用網(wǎng)關(guān)B能夠更快地到達目的網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)關(guān)A就將發(fā)送一個(gè)ICMP重定向報文，告訴發(fā)送主機將報文發(fā)送到網(wǎng)關(guān)B。
這種機制使得所有智能特性放在的路由器，主機只要通過(guò)重定向報文逐步學(xué)習來(lái)完善路由器選路
6.IGMP協(xié)議
它讓一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )上的所有系統知道主機當前所在的多播組。多播路由器需要這些信息以便知道多播數據報應該向哪些接口轉發(fā)。正如ICMP一樣， IGMP 也被當作IP 層的一部分。IGMP報文通過(guò)IP數據報進(jìn)行傳輸。
四、運輸層
1.tcp首部格式
序列號用來(lái)標識從TCP發(fā)端向TCP收端發(fā)送的數據字節流，它表示在這個(gè)報文段中的第一個(gè)數據字節。反過(guò)來(lái)，確認序列號是表示TCP發(fā)端期望從TCP收端收到的下一個(gè)字節。
首部長(cháng)度給出首部中32bit字的數目，跟IP首部一樣，TCP最多有60字節的首部。
接下來(lái)是6個(gè)標志比特，它們中的多個(gè)可以被同時(shí)設置為1：
URG：緊急指針有效，與后面的緊急指針結合起來(lái)
ACK：確認序號有效
PSH：接收方盡快將這個(gè)報文段交給應用層
RST：重建連接
SYN：同步序號用來(lái)發(fā)起一個(gè)連接
FIN：發(fā)端完成發(fā)送任務(wù)，將要關(guān)閉連接
檢驗和的計算方法和UDP中的檢驗和一樣，也要加上偽首部，也要填充奇數字節，與UDP不同的是，TCP強制要求計算檢驗和，而UDP的檢驗和是可選的。
窗口大小表明接收端當前的接收能力，以字節為單位，16位窗口限制了最大值為65535字節，在選項字段中，有一個(gè)窗口刻度選項，允許這個(gè)值按比例放大。
緊急指針是一個(gè)正的偏移量，和序號中的值相加表示緊急指針最后一個(gè)字節的序號。
選項字段可以包括最長(cháng)報文大?。∕SS），這是最常見(jiàn)的可選字段。每個(gè)連接方通常都在通信的第一個(gè)報文段中指明這個(gè)選項，表明本端所能接收的最大長(cháng)度的報文段；還有上面我們提到的窗口擴大選項以及時(shí)間戳選項，我們將在后面看到時(shí)間戳選項的作用。
2.UDP格式
| offset (bits) | 0 – 15 | 16 – 31 |
|---|
| 0 | Source Port Number | Destination Port Number |
|---|
| 32 | Length | Checksum |
|---|
| 64+ |
Data
|
|---|
3.三次握手
這里之所以需要三次是因為，無(wú)論是客戶(hù)端還是服務(wù)端，都需要對自己發(fā)出的包文進(jìn)行確認
狀態(tài)轉移圖：
4.TCP的傳輸控制
a.流量控制：根據發(fā)送方和接收反方的緩存空間，控制端到端的流量，以免會(huì )產(chǎn)生發(fā)送過(guò)快導致收端溢出，或者因收端處理太快而浪費時(shí)間的狀態(tài)。用的策略是：滑動(dòng)窗口，以字節為單位，與網(wǎng)絡(luò )大環(huán)境無(wú)關(guān)
滑動(dòng)窗口有兩種操作：
合攏：表示已經(jīng)收到相應字節的確認了（左邊界向右邊界移動(dòng)）
展開(kāi)：表示允許緩存發(fā)送更多的字節（右邊界向右移動(dòng)）
某些時(shí)候，由于發(fā)端或收端的數據很慢，會(huì )引起大量的1字節數據窗口，浪費很多資源，有以下兩種情況：
（1）發(fā)端的進(jìn)程產(chǎn)生數據很慢時(shí)候，時(shí)不時(shí)的來(lái)個(gè)1字節數據，那么TCP就會(huì )1字節1字節的發(fā)送，效率很低。
解決方法（Nagle算法）：TCP連接上只能有一個(gè)未被確認的小分組，在該分組確認前不能發(fā)送其它小分組
- 將第一塊數據發(fā)出去
- 然后等到發(fā)送緩存有足夠多的數據（最大報文段長(cháng)度），或者等到收端確認的ACK時(shí)再發(fā)送數據。
- 重復b的過(guò)程
（2）收端進(jìn)程由于消耗數據很慢，所以可能會(huì )有這么一種情況，收端會(huì )發(fā)送其窗口大小為1的信息，然后有是1字節的傳輸
解決辦法（2種）
- Clark方法：在接收緩存的一半變空，或者有足夠空間放最大報文長(cháng)度之前，宣告接收窗口大小為0
- 推遲確認：在對收到的報文段確認之前等待到足夠的接收緩存，或者等待到一個(gè)時(shí)間段
b.擁塞控制：根據網(wǎng)絡(luò )的擁塞情況，控制兩端的流量，擁塞的三種策略：慢啟動(dòng)（指數增大），擁塞避免（加法增大），擁塞檢測（除2減少，或叫做乘法減少），與網(wǎng)絡(luò )大環(huán)境有關(guān)
擁塞窗口機制
擁塞窗口：發(fā)送方使用的流量控制，每收到一個(gè)ACK，就增加一個(gè)報文段
通告窗口：接收方使用的流量控制
發(fā)送方取擁塞窗口和通告窗口的最小值最為發(fā)送上限
（1）慢啟動(dòng)：指數增大
/* ssthresh是慢開(kāi)始門(mén)限，cwnd是擁塞窗口 */
cwnd = 1;(1表示一個(gè)MSS報文段，滑動(dòng)窗口是一個(gè)字節)
while （ cwnd < ssthresh )
if（ 發(fā)出的報文段確認 ）
cwd *= 2;
（2）擁塞避免：加法增大
當到達ssthresh之后，就是加法階段了，每收到一個(gè)確認，cwd += 1；
（3）擁塞檢測：乘法減少（除2減少）
當報文需要重傳時(shí)，說(shuō)明擁塞可能發(fā)生了，由于重傳有2種情況，所以也分兩種處理
由于沒(méi)有收到ACK，超時(shí)重傳，這是擁塞的可能性比較大，如下做強反映調整
- ssthresh /= 2;
- cwnd = 1；
- 重新慢啟動(dòng)過(guò)程
由于收到3個(gè)重復的ACK的重傳，采取弱反映：
- ssthresh /= 2;
- cwnd = ssthresh;
- 開(kāi)始擁塞避免過(guò)程
c.差錯控制：保證數據：按序，沒(méi)有差錯，沒(méi)有部分丟失，沒(méi)有重復的交給應用層。方法就是：校驗和，確認，超時(shí)重傳
（1）校驗和（段內部）：和UDP的做法一樣，也要偽首部，和UDP不同的是這個(gè)功能在TCP中是必須的
（2）確認：ACK的確認機制（下面是一些原則）
- ACK報文不需要確認，也不消耗序號
- 當一端發(fā)送數據時(shí)，盡量包含捎帶確認。
- 收端推遲發(fā)送ACK報文段，如果僅有一個(gè)未確認的按序報文段；延遲到500ms，或者有第二個(gè)報文段接收時(shí)（下一條），或者有數據要發(fā)送時(shí)（下一條）
- 任何時(shí)候,不能有兩個(gè)（以上）未確認的報文段（就是說(shuō)如果收端有兩個(gè)未確認的按序報文段，就馬上發(fā)送ACK報文段進(jìn)行確認）
- 當收到一個(gè)序號比期望序號還大的報文段時(shí)，馬上發(fā)送ACK，讓發(fā)端進(jìn)行快重傳
- 收到重復的報文段，就立即發(fā)送確認(解決ACK丟失問(wèn)題)
（3）確認類(lèi)型
- 累計確認：收端忽略掉所有失序報文，告知發(fā)端他期待下一個(gè)收到的序號，叫做肯定累計ACK?？隙ㄊ钦f(shuō)：丟棄的，丟失的，重復的都不報告。（累積是什么意思？累積就是我連著(zhù)發(fā)送了兩個(gè)1024的數據包，收到一個(gè)(只一個(gè))ACK確認包，序號為2049，則表示我發(fā)送的兩個(gè)1024的數據都已收到了）
- 選擇確認（SACK）：在某些新TCP實(shí)現里面實(shí)現了這個(gè)東西，報告失序和重復的數據，作偽TCP首部選項字段的一部分。
（4）重傳（兩種情況） ： 重傳定時(shí)器時(shí)間到 或者 發(fā)端收到重復的三個(gè)ACK（快重傳）
5.TCP三種計時(shí)器
A：重傳計時(shí)器 為了控制丟失的或丟棄的數據段，TCP采用重傳記時(shí)器來(lái)保障的
當發(fā)送方發(fā)送一個(gè)數據后，就立即啟用重傳記時(shí)器。1：如果在記時(shí)器截止時(shí)間前收到了確認，就撤消。 2：如果沒(méi)有收到就重新發(fā)送數據。同時(shí)也起用記時(shí)器。
B：堅持計時(shí)器：為了對付零窗口，假如接受端宣布窗口關(guān)閉了，發(fā)送端則停止發(fā)送數據了，直到接收端從新開(kāi)始打開(kāi)并發(fā)送一個(gè)確認。 但這個(gè)確認有可能丟棄。這樣就會(huì )造成發(fā)送端在“死等待”。雙方進(jìn)入死鎖狀態(tài)。為了防止這種現象的發(fā)生，發(fā)送端就起用了堅持記時(shí)器，等記時(shí)器到期限時(shí)，就會(huì )主動(dòng)的發(fā)送探測包文。
C：?；钣嫊r(shí)器 ?；钣洉r(shí)器是用來(lái)防止在兩個(gè)tcp之間的連接長(cháng)時(shí)間空閑。假如客戶(hù)打開(kāi)服務(wù)器的連接就傳了一部分數據。然后就不傳輸了，不管客戶(hù)是什么原因，這個(gè)連接還是打開(kāi)的。如果永遠這樣，就浪費資源了。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們使用了?；钣洉r(shí)器。如果超過(guò)兩個(gè)小時(shí)了，還沒(méi)有信息傳輸，則會(huì )發(fā)探測數據段，連續發(fā)10個(gè)（每個(gè)隔75s） 假如還是沒(méi)有，就關(guān)閉
6.TCP關(guān)閉狀態(tài)轉移
幾個(gè)重要的狀態(tài)：
FIN_WAIT_2：
上面已經(jīng)詳細解釋了這種狀態(tài)，實(shí)際上FIN_WAIT_2狀態(tài)下的SOCKET，表示半連接，也即有一方要求close連接，但另外還告訴對方，我暫時(shí)還有點(diǎn)數據需要傳送給你（如圖中的服務(wù)器），稍后再關(guān)閉連接。
CLOSE_WAIT:
這種狀態(tài)的含義其實(shí)是表示在等待關(guān)閉。怎么理解呢？當對方close一個(gè)SOCKET后發(fā)送FIN報文給自己，你系統毫無(wú)疑問(wèn)地會(huì )回應一個(gè)ACK報文給對方，此時(shí)則進(jìn)入到CLOSE_WAIT狀態(tài)。接下來(lái)呢，實(shí)際上你真正需要考慮的事情是察看你是否還有數據發(fā)送給對方，如果沒(méi)有的話(huà)，那么你也就可以close這個(gè)SOCKET，發(fā)送FIN報文給對方，也即關(guān)閉連接。所以你在CLOSE_WAIT狀態(tài)下，需要完成的事情是等待你去關(guān)閉連接
TIME_WAIT
保證發(fā)送端的最后一個(gè)ACK可以被正確的接收到
RST：（Reset the connection）用于復位因某種原因引起出現的錯誤連接，也用來(lái)拒絕非法數據和請求。會(huì )直接關(guān)閉連接
五、應用層
常見(jiàn)的基于TCP協(xié)議的應用有：HTTP、SMTP、Telnet、FTP等
常見(jiàn)的基于UDP協(xié)議的應用有：DNS、SNMP等
具體的如下圖所示：
