IP協(xié)議和TCP協(xié)議的分析

一，TCP/IP協(xié)議棧的概述

    TCP/IP協(xié)議棧是由美國國防部（DoD）在20世紀(jì)60年代創(chuàng)建的（比OSI模型還早），是一種具體實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

    分為4層：網(wǎng)絡(luò)接入層（鏈路層），Internet層（網(wǎng)絡(luò)層），主機(jī)到主機(jī)層（傳輸層），應(yīng)用層

    由于TCP/IP協(xié)議棧涉及的知識點(diǎn)很多，而其中最主要的協(xié)議是IP協(xié)議和TCP協(xié)議，故本文主要是針對IP和TCP協(xié)議來分析，其他的知識點(diǎn)后續(xù)補(bǔ)上。

二，IP協(xié)議

    IP（Internet Protocol，網(wǎng)際協(xié)議）是TCP/IP協(xié)議棧中最重要的協(xié)議（位于網(wǎng)絡(luò)層），用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可靠面向無連接通信，實(shí)現(xiàn)三層數(shù)據(jù)封裝與IP尋址。

    什么是不可靠？

      不可靠的意思就是它不能保證IP數(shù)據(jù)包能百分百到達(dá)目的地

    什么是面向無連接？

      意思是I P并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的處理是相互獨(dú)立的。IP數(shù)據(jù)報(bào)可以不按發(fā)送順序接收。如果一信源向相同的信宿發(fā)送兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)報(bào)（先是 A，然后是B） ，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都是獨(dú)立地進(jìn)行路由選擇，可能選擇不同的路線，因此B可能在A到達(dá)之前先到達(dá)。

1.IP頭部格式

  （1）版本

       4bit，用于標(biāo)記IP協(xié)議的版本。IPv4---->4；IPv6--->6.

  （2）首部長度

       4bit，可表示的最大十進(jìn)制為15.指示IP報(bào)頭長度，指出IP報(bào)頭的結(jié)束位置或數(shù)據(jù)的開始位置

       接收方可知道如何根據(jù)首部長度來解封裝

  （3）服務(wù)類型

       ToS，8bit，提供QoS服務(wù)質(zhì)量技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)流量標(biāo)記

  （4）總長度

       總長度指首部和數(shù)據(jù)之和的長度，單位為字節(jié)。字段16bit。

  （5）標(biāo)識符

       16bit，用于標(biāo)志分片的進(jìn)程

  （6）標(biāo)志符

       3bit，第一個(gè)比特位0：表示保留或未使用；第二個(gè)比特DF位：DF=1，表示該數(shù)據(jù)包不應(yīng)該被分段；DF=0，表示可以根據(jù)需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段。第三個(gè)比特位MF位：表示該分段是最后一個(gè)分段（比特為0）或者后面更多的分段（比特為1）。

  （7）片偏移量

       13bit，用于告知接收方每個(gè)分片距離IP頭部的位置，才能實(shí)現(xiàn)有序的重新組裝

  （8）生存時(shí)間

       8bit，TTL最大值為255；標(biāo)記路徑和防環(huán)。

  （9）協(xié)議

       8bit，標(biāo)記上層協(xié)議

  （10）首部檢驗(yàn)和

       16bit，校驗(yàn)數(shù)據(jù)包的完整性

  （11）源IP地址

        32bit，發(fā)送者的IP地址

  （12）目的IP地址  

        32bit，接收者的IP地址 

  （13）選項(xiàng)

        options，可變長度該字段為可選字段

        常見:記錄路由選項(xiàng)，時(shí)間戳選項(xiàng)以及用來增強(qiáng)traceroute程序的路由選項(xiàng)

  （14）填充

        Padding，可變長度，如果IP報(bào)頭大小不是32比特的整數(shù)倍，則會(huì)在報(bào)頭填充0直至32比特

  （15）數(shù)據(jù)

        可變長度，是在IP包中進(jìn)行傳輸并通過協(xié)議字段進(jìn)行標(biāo)識的數(shù)據(jù)

三，TCP協(xié)議

    TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是TCP/IP協(xié)議棧中算法最多，功能最繁雜的重要的協(xié)議（位于傳輸層）。

1. TCP提供的功能

   面向連接（三次握手，四次揮手）

   可靠傳輸（超時(shí)重傳，快速重傳）

   流量控制（滑動(dòng)窗口，擁塞控制）

   多路復(fù)用（套接字，Socket）

2.原理

 2.1 面向連接（三次握手，四次揮手）

   三次握手：（下圖所示）

注：三次握手是一個(gè)會(huì)話的建立過程，此過程沒有正式的數(shù)據(jù)包的傳送。

    SYN（同步位）用于實(shí)現(xiàn)端口請求，ACK（確認(rèn)位）用于實(shí)現(xiàn)端口回復(fù)

  四次揮手（見下圖）：

問題：為什么關(guān)閉時(shí)要四次，而不是三次呢？

      因?yàn)樵谝环絺鬏敂?shù)據(jù)結(jié)束的時(shí)候，可能另一方還在傳輸數(shù)據(jù)，所以需要四次。

 2.2 可靠傳輸

   見下圖：

    利用Seq（序列號）和ACK（確認(rèn)號）來保證可靠傳輸。

 2.3 流量控制

    利用滑動(dòng)窗口來達(dá)到流量控制

 2.4 多路復(fù)用

    利用套接字socket來實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，socket=ip+port。比如多個(gè)客戶端要連接同一個(gè)服務(wù)器，就需要多路復(fù)用。