ip、tcp报头以及三次握手四次断开-9.20
ip报头分析和TCP报头分析
1、相关基础概念：
- MTU：最大传输单元。通讯协议某一层上所能通过的最大数据包大小，单位为byte。最大长度为1500。
- MSS：最大分片大小，MSS = MTU - IP header头部大小 - TCP 头部大小，其中IP header头部大小和TCP 头部大小通常为20字节。
- TTL：跳数，数据包存活时间，指一个数据包在经过一个路由器时，可传递的最长距离（跃点数）。每当数据包经过一个路由器时，其存活次数就会减少1，当其为0时就会被丢弃。
- 关于IPV4的缺点：1.地址太少 2.不算太安全 3.传输质量比IPV6稍弱
2、IP数据报格式：
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ip数据报是由首部加上数据部分组成的。
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首部的每一段的整个长度是32个比特（4个字节），其中固定部分共5段，可变部分1段（可选），所以ip数据报首部长度为4*5=20字节。
若添加了可变部分（使整个首部超过20个字节），则要使MSS相对减小，保证MTU总长度为1500。
首部信息：
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版本（4bit）：ip协议版本，是ipv4还是ipv6
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首部长度（4bit）：描述整个首部有多长
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服务类型（8bit）：指的是传输的数据具体的类型，文本、语音、视频等
- 文本的传输效率最高（比较小），视频的传输效率比较低（比较大）
- 为了使某一种类型的数据可以优先传送可以使用ToS优先级技术调整优先级
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总长度（16bit）：整个数据报文（包括数据部分）的总长度
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标识（16bit）：每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。
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标志（3bit）：用于标志能否进行继续分片，在哪里进行分片的。通常就是当出现可变部分的时候对整个数据报做二次分片。
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片偏移（13bit）：进行二次拆分分片后，某片在原分组中的相对位置。
- 生存时间（TTL）（8bit）：数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。即计算机发出数据时会附带一个TTL值，该值在数据报每经过一个路由器就自减1，等到某路由器接收到该数据报发现其TTL值变为0时不在中转该数据报，而是将其丢弃并向最初发送者返回一个ICMP报文。TTL的设置可以防止数据报无限循环传输。
- 协议（8bit）：此数据报携带的数据使用何种协议，也就是他的上层协议。
- 首部校验和（16bit）：只检验数据报的首部不检验数据部分，目的是验证数据报的首部有无错误。类似于FCS。
- 源ip地址（32bit）
- 目的ip地址（32bit）
3、传输层（TCP和UDP）协议和报头：
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作用：对应用程序产生的数据流进行四层切片，每一个数据切片前面添加传输层报头（包括原应用程序的端口号）
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端口号范围：0-65535
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知名应用端口号（不可使用）：1-1023
- 20、21：FTP文件传输协议 （提供互联网文件资源共享服务）
- 22：安全的远程登录协议 SSH
- 23：telnet协议 不安全远程登陆协议
- 25：简单邮件传输协议（SMTP）
- 53：域名解析协议 （DNS）
- 80：超文本传输协议 （HTTP）
- 443：安全的超文本传输协议 （HTTPS）
- 110：POP3 邮局协议版本3（接收邮件协议）
- 143：imap 因特网信息访问协议（用来从本地邮件客户端访问远程服务器上的邮件）
- 67：DHCP 动态主机配置协议
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非知名端口号（随机使用）：1024-65535
TCP协议：
可靠连接原理功能：流控功能、防止传输乱序、确定传输是否丢包，重传功能、完整性检查
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优点：
- 可靠，稳定。TCP的可靠性体现在TCP在传递数据之前，会通过三次握手建立连接，而且在数据传输时，会有确认、窗口、重传、拥塞控制机制。在数据传输完成后，还会断开连接来节约系统资源。
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缺点：
- 传输效率偏慢，效率一般，消耗带宽高，占用系统资源高。
- 安全性相对较弱，例如DoS攻击、DDoS攻击
- 拒绝三次握手仍要消耗CPU、内存、带宽等资源
- TCP是点到点协议，比较死板，只能单播
TCP报头：
首部的每一段的整个长度是32个比特（4个字节），其中固定部分共5段，可变部分1段（可选），所以TCP报头首部长度为4*5=20字节。
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源端口（16bit）
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目的端口（16bit）
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序号（Sequence Number）（32bit）：用来标识从TCP发送端向接入端发送的数据字节流进行编号。
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确认号（Acknowledgement Number）（32bit）：确认号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。确认号只有在ACK标志为1时才有效。
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数据偏移（4bit）：进行数据段切片时调整数据传输到对应的位置。
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保留（6bit）
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标志位：
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URG（urgent）：紧急标志位，为1时表示紧急指针有效，为0则忽略紧急指针。
在丢包或者重传的时候会触发紧急指针。
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ACK（acknowledgement）：确认标志位，多数情况下空，为1时表示确认号有效，为0表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段。
- 确认数据传输完成。
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PSH（push）：推送标志位，为1表示是带有push标志的数据，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队。
- 留空时推送包，使其为1。
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RST（reset）：重置复位标志，用于重置由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。或者用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
- 在数据传输失败时进行重传或者拒绝请求。
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SYN（synchronous）：同步标志，该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效，用于建立连接过程，在连接请求中，SYN=1和ACK=0表示该数据段没有使用捎带的确认域，而连接应答捎带一个确认，即SYN=1和ACK=1。
- 在进行TCP三次握手时同步才能进行数据传输。
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FIN（finish）：结束标志，带该标志位的数据包用于结束一个TCP会话。
- 完成数据传输。
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窗口大小（16bit）（Window Size）：TCP流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。
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检验和（16bit）（Checksum）：该字段覆盖整个TCP报文端，是个强制性的字段，是由发送端计算和存储，到接收端后，由接收端进行验证。
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紧急指针（16bit）（Urgent Pointer）：指向数据中优先部分的最后一个字节，通知接收方紧急数据的长度，该字段在URG标志置位时有效。
UDP协议：
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优点：
- 效率高、快，比TCP相对安全，无需三次握手和四次断开，被攻击的漏洞少。
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缺点：
- 不稳定、不可靠，网络质量差的时候容易丢包。
UDP报头：
- 源端口（16bit）
- 目的端口（16bit）
- 长度（16bit）：为报头和数据两部分的总字节数。
- 检验和（16bit）（Checksum）：UDP检验和作用于UDP报头和UDP数据的所有位。由发送端计算和存储，由接收端校验。
4、TCP/UDP三次握手四次断开
三次握手：
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第一次握手：客户端向服务器发送同步请求，将SYN同步指针置于“1”，随机选择序列号a，并将该数据包发送给服务器, 此时客户端状态是SYN_SENT状态，服务器的状态为listen监听状态。
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第二次握手：服务器收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器将标志位SYN和ACK都置为1，ack 序号a+1，随机产生一个序列号seq=b，并将该数据包发送给服务器以确认连接请求，服务器进入SYN_RECEIVED状态。
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第三次握手：客户端收到确认后，检查ack序号是否为a+1，标志位ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack序号=b+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack序号是否为b+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器之间可以开始传输数据了。
四次断开：
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客户端想跟服务器断开连接，会给服务器发送结束请求你，即FIN结束包，把FIN指针置于”1“，seq=a, ack=b。 意思就是告诉服务器：我没有数据要发送了，可以断开连接了。此时客户端为FIN_wait1状态。
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服务器收到FIN报文后，发送一个ACK确认报文给客户端，把ACK置于“1” ，seq=b, ack=a+1, 意思是告诉客户端“我已经收到你发的断开请求了。此时服务器为CLOSE_WAIT状态，客户端为FIN_wait2状态。
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服务器把收尾工作做完后，会给客户端再发送一个FIN包，把FIN指针置于”1“，seq=b, ack=a+1。意思是告诉客户端”我也没有数据要发送了，可以断开。此时客户端是超时等待状态TIME_WAIT, 服务端为LAST_ACK状态。
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客户端收到服务器发的FIN报文后，再给服务器发送一个ACK确认报文 ，把ACK置于“1” ，seq=a+1, ack=b+1。此时客户端和服务端的状态都为 CLOSE状态。
参考资料：
TCP/IP 数据包报文格式（IP包、TCP报头、UDP报头）(转） - limanjihe - 博客园 (cnblogs.com)
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