一、整体概念

 

1.各层协议的关系，只讨论四层

各层常见的协议：

 

网络层协议：IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议。

传输层协议：TCP协议、UDP协议。

应用层协议：FTP、Telnet、SMTP、HTTP、RIP、NFS、DNS。

 

STMP、POP3、IMAP都是邮件服务协议，STMP主要负责发送和转发，POP3和IMAP负责接收

 

具体如下：

 

2.各层之间的数据

 

二、数据链路层

 

 

三、IP层

 

1.报文格式

 

●版本（Version）字段：占4比特。用来表明IP协议实现的版本号，当前一般为IPv4，即0100。

 

●报头长度（Internet Header Length，IHL）字段：占4比特（以4字节为单位）。是头部占32比特的数字，包括可选项。普通IP数据报（没有任何选项），该字段的值是5，即160比特=20字节。此字段最大值为60字节。

 

●服务类型（Type of Service ，TOS）字段：占8比特。其中前3比特为优先权子字段（Precedence，现已被忽略）。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费。当它们取值为1时分别代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。这4比特的服务类型中只能置其中1比特为1。可以全为0，若全为0则表示一般服务。服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。例如：TELNET协议可能要求有最小的延迟，FTP协议（数据）可能要求有最大吞吐量，SNMP协议可能要求有最高可靠性，NNTP（Network News Transfer Protocol，网络新闻传输协议）可能要求最小费用，而ICMP协议可能无特殊要求（4比特全为0）。实际上，大部分主机会忽略这个字段，但一些动态路由协议如OSPF（Open Shortest Path First Protocol）、IS-IS（Intermediate System to Intermediate System Protocol）可以根据这些字段的值进行路由决策。

 

●总长度字段：占16比特。指明整个数据报的长度（以字节为单位）。最大长度为65535字节。

 

●标识字段：占16比特。用来唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发一份报文，它的值会加1。

 

●标志位字段：占3比特。标志一份数据报是否要求分段。

 

●段偏移字段：占13比特。如果一份数据报要求分段的话，此字段指明该段偏移距原始数据报开始的位置。

 

●生存期（TTL：Time to Live）字段：占8比特。用来设置数据报最多可以经过的路由器数。由发送数据的源主机设置，通常为32、64、128等。每经过一个路由器，其值减1，直到0时该数据报被丢弃。

 

●协议字段：占8比特。指明IP层所封装的上层协议类型，如ICMP（1）、IGMP（2） 、TCP（6）、UDP（17）等。

 

●头部校验和字段：占16比特。内容是根据IP头部计算得到的校验和码。计算方法是：对头部中每个16比特进行二进制反码求和。（和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不对头部后的数据进行校验）。

 

●源IP地址、目标IP地址字段：各占32比特。用来标明发送IP数据报文的源主机地址和接收IP报文的目标主机地址。

可选项字段：占32比特。用来定义一些任选项：如记录路径、时间戳等。这些选项很少被使用，同时并不是所有主机和路由器都支持这些选项。可选项字段的长度必须是32比特的整数倍，如果不足，必须填充0以达到此长度要求。

 

2.ip分片

 

链路层具有最大传输单元MTU这个特性，它限制了数据帧的最大长度，不同的网络类型都有一个上限值。以太网的MTU是1500。如果IP层有数据包要传，而且数据包的长度超过了MTU，那么IP层就要对数据包进行分片（fragmentation）操作，使每一片的长度都小于或等于MTU。我们假设要传输一个UDP数据包，以太网的MTU为1500字节，一般IP首部为20字节，UDP首部为8字节，数据的净荷（payload）部分预留是1500-20-8=1472字节。如果数据部分大于1472字节，就会出现分片现象。

 

传输层的首部只出现在第一片数据中，ip的每个片段都包含一个首部，其中有一个偏移量属性，表示该片段在整个数据中的位置

 

TCP也会进行分片，TCP分段产生原因是MSS（TCP数据包每次能够传输的最大数据分段），TCP协议在实现的时候往往用MTU值代替（需要减去IP数据包包头的大小20Bytes和TCP数据段的包头20Bytes）所以一般MSS值1460，故采用TCP协议进行数据传输，是不会造成IP分片的。若数据过大，只会在传输层进行数据分段，到了IP层就不用分片。而我们常提到的IP分片是由于UDP传输协议造成的，因为UDP传输协议并未限定传输数据报的大小。

 

3.路由器内部选路协议

 

路由器内部选路协议即是在路由器路由表给定的情况下进行选路

路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个IP数据包：

 

如果IP数据包的TTL（生命周期）以到，则该IP数据包就被抛弃。

 

a.搜索匹配的主机地址：搜索路由表，寻找与目的IP地址完全匹配的表项（网络号和主机号都匹配）。如果找到，则把报文发送给指定的下一跳路由器。

b.搜索匹配的网络地址：搜索路由表，寻找与目的IP地址的网络号相匹配的表项。如果找到，则把报文发送给指定的下一跳路由器。

c.搜索默认表项：寻找默认路由表项。如果找到，则把报文发送给表项指定的下一跳路由器。

 

4.路由器外部选路协议

 

路由器内部选路协议即是更新路由表

DV和LS

 

5.ICMP协议

 

为提高IP数据包交付成功的机会，网际层使用了因特网控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告，ICMP是因特网标准协议，但不是高层协议，而是网络层协议。ICMP报文作为IP层数据包的数据，加上数据包的首部，组成数据包发送出去。

ICMP主要完成以下2个功能：

 

(1)不能到达目的地警告：如果网络上的主机检测到其目的是不可达的，不管是因为目的地址与网络上的机器操作不匹配，还是因为连接错误，它都将向发送方发送一个“目的地址不可达”的报文。

 

(2)重定向路由：网关发送ICMP重定向报文，以告诉发送方使用另一个网关。比如，网关A接收来自某主机的一个报文，该报文要发送到某一指定的网络，如果网关A知道主机如果使用网关B能够更快地到达目的网络，网关A就将发送一个ICMP重定向报文，告诉发送主机将报文发送到网关B。

 

这种机制使得所有智能特性放在的路由器，主机只要通过重定向报文逐步学习来完善路由器选路

 

6.IGMP协议

 

它让一个物理网络上的所有系统知道主机当前所在的多播组。多播路由器需要这些信息以便知道多播数据报应该向哪些接口转发。正如ICMP一样， IGMP 也被当作IP 层的一部分。IGMP报文通过IP数据报进行传输。

 

 

 

 

四、运输层

 

1.tcp首部格式

 

 

序列号用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。反过来，确认序列号是表示TCP发端期望从TCP收端收到的下一个字节。

 

首部长度给出首部中32bit字的数目，跟IP首部一样，TCP最多有60字节的首部。

 

接下来是6个标志比特，它们中的多个可以被同时设置为1：

URG：紧急指针有效，与后面的紧急指针结合起来

ACK：确认序号有效

PSH：接收方尽快将这个报文段交给应用层

RST：重建连接

SYN：同步序号用来发起一个连接

FIN：发端完成发送任务，将要关闭连接

 

检验和的计算方法和UDP中的检验和一样，也要加上伪首部，也要填充奇数字节，与UDP不同的是，TCP强制要求计算检验和，而UDP的检验和是可选的。

 

窗口大小表明接收端当前的接收能力，以字节为单位，16位窗口限制了最大值为65535字节，在选项字段中，有一个窗口刻度选项，允许这个值按比例放大。

 

紧急指针是一个正的偏移量，和序号中的值相加表示紧急指针最后一个字节的序号。

 

选项字段可以包括最长报文大小（MSS），这是最常见的可选字段。每个连接方通常都在通信的第一个报文段中指明这个选项，表明本端所能接收的最大长度的报文段；还有上面我们提到的窗口扩大选项以及时间戳选项，我们将在后面看到时间戳选项的作用。

 

 

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

这里之所以需要三次是因为，无论是客户端还是服务端，都需要对自己发出的包文进行确认

 

状态转移图：

4.TCP的传输控制

 

a.流量控制：根据发送方和接收反方的缓存空间，控制端到端的流量，以免会产生发送过快导致收端溢出，或者因收端处理太快而浪费时间的状态。用的策略是：滑动窗口，以字节为单位，与网络大环境无关

 

滑动窗口有两种操作：

 

合拢：表示已经收到相应字节的确认了（左边界向右边界移动）

展开：表示允许缓存发送更多的字节（右边界向右移动）

 

某些时候，由于发端或收端的数据很慢，会引起大量的1字节数据窗口，浪费很多资源，有以下两种情况：

 

（1）发端的进程产生数据很慢时候，时不时的来个1字节数据，那么TCP就会1字节1字节的发送，效率很低。

解决方法（Nagle算法）：TCP连接上只能有一个未被确认的小分组，在该分组确认前不能发送其它小分组

• 将第一块数据发出去
• 然后等到发送缓存有足够多的数据（最大报文段长度），或者等到收端确认的ACK时再发送数据。
• 重复b的过程

（2）收端进程由于消耗数据很慢，所以可能会有这么一种情况，收端会发送其窗口大小为1的信息，然后有是1字节的传输

解决办法（2种）

• Clark方法：在接收缓存的一半变空，或者有足够空间放最大报文长度之前，宣告接收窗口大小为0
• 推迟确认：在对收到的报文段确认之前等待到足够的接收缓存，或者等待到一个时间段

 

 

b.拥塞控制：根据网络的拥塞情况，控制两端的流量，拥塞的三种策略：慢启动（指数增大），拥塞避免（加法增大），拥塞检测（除2减少，或叫做乘法减少），与网络大环境有关

 

拥塞窗口机制

 

拥塞窗口：发送方使用的流量控制，每收到一个ACK，就增加一个报文段

通告窗口：接收方使用的流量控制

 

发送方取拥塞窗口和通告窗口的最小值最为发送上限

 

（1）慢启动：指数增大

/* ssthresh是慢开始门限，cwnd是拥塞窗口 */

cwnd = 1;(1表示一个MSS报文段，滑动窗口是一个字节)

while （ cwnd < ssthresh )

    if（ 发出的报文段确认 ）

       cwd *= 2;

 

（2）拥塞避免：加法增大

当到达ssthresh之后，就是加法阶段了，每收到一个确认，cwd += 1；       

 

（3）拥塞检测：乘法减少（除2减少）

当报文需要重传时，说明拥塞可能发生了，由于重传有2种情况，所以也分两种处理

 

  由于没有收到ACK，超时重传，这是拥塞的可能性比较大，如下做强反映调整

• ssthresh /= 2;
• cwnd = 1；
• 重新慢启动过程

  由于收到3个重复的ACK的重传，采取弱反映：

• ssthresh /= 2;
• cwnd = ssthresh;
• 开始拥塞避免过程

 

c.差错控制：保证数据：按序，没有差错，没有部分丢失，没有重复的交给应用层。方法就是：校验和，确认，超时重传

 

（1）校验和（段内部）：和UDP的做法一样，也要伪首部，和UDP不同的是这个功能在TCP中是必须的

 

（2）确认：ACK的确认机制（下面是一些原则）

• ACK报文不需要确认，也不消耗序号
• 当一端发送数据时，尽量包含捎带确认。
• 收端推迟发送ACK报文段，如果仅有一个未确认的按序报文段；延迟到500ms，或者有第二个报文段接收时（下一条），或者有数据要发送时（下一条）
• 任何时候,不能有两个（以上）未确认的报文段（就是说如果收端有两个未确认的按序报文段，就马上发送ACK报文段进行确认）
• 当收到一个序号比期望序号还大的报文段时，马上发送ACK，让发端进行快重传
• 收到重复的报文段，就立即发送确认(解决ACK丢失问题)

（3）确认类型

• 累计确认：收端忽略掉所有失序报文，告知发端他期待下一个收到的序号，叫做肯定累计ACK。肯定是说：丢弃的，丢失的，重复的都不报告。（累积是什么意思？累积就是我连着发送了两个1024的数据包，收到一个(只一个)ACK确认包，序号为2049，则表示我发送的两个1024的数据都已收到了）
• 选择确认（SACK）：在某些新TCP实现里面实现了这个东西，报告失序和重复的数据，作伪TCP首部选项字段的一部分。

（4）重传（两种情况） ： 重传定时器时间到 或者 发端收到重复的三个ACK（快重传）

 

 

5.TCP三种计时器

 

A：重传计时器  为了控制丢失的或丢弃的数据段，TCP采用重传记时器来保障的

当发送方发送一个数据后，就立即启用重传记时器。1：如果在记时器截止时间前收到了确认，就撤消。  2：如果没有收到就重新发送数据。同时也起用记时器。

 

B：坚持计时器：为了对付零窗口，假如接受端宣布窗口关闭了，发送端则停止发送数据了，直到接收端从新开始打开并发送一个确认。 但这个确认有可能丢弃。这样就会造成发送端在“死等待”。双方进入死锁状态。为了防止这种现象的发生，发送端就起用了坚持记时器，等记时器到期限时，就会主动的发送探测包文。

 

C：保活计时器  保活记时器是用来防止在两个tcp之间的连接长时间空闲。假如客户打开服务器的连接就传了一部分数据。然后就不传输了，不管客户是什么原因，这个连接还是打开的。如果永远这样，就浪费资源了。为解决这个问题，我们使用了保活记时器。如果超过两个小时了，还没有信息传输，则会发探测数据段，连续发10个（每个隔75s） 假如还是没有，就关闭

 

 

6.TCP关闭状态转移

 

 

 

几个重要的状态：

 

FIN_WAIT_2：

上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你（如图中的服务器），稍后再关闭连接。

 

CLOSE_WAIT: 

这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接

 

TIME_WAIT

保证发送端的最后一个ACK可以被正确的接收到

 

RST：（Reset the connection）用于复位因某种原因引起出现的错误连接，也用来拒绝非法数据和请求。会直接关闭连接

 

五、应用层

 

常见的基于TCP协议的应用有：HTTP、SMTP、Telnet、FTP等

常见的基于UDP协议的应用有：DNS、SNMP等

 

具体的如下图所示：