TCP:IP 协议栈基础

TCP/IP 协议栈

概念介绍：

  • Transmission Control Protocol/Internet Protocol 传输控制协议/英特网互联协议 TCP/IP是一个协议栈，包括TCP，IP，UDP，ICMP，RIP，FTP，SMTP，ARP，TELNET等许多协议 最早发源于美国国防部（DOD）的因特网的前身ARPA网项目，1983.1.1日，TCP/IP 取代了旧的网络控制协议NCP，成为今天的互联网和局域网的基石和标准，由互联网工程任务组负责和维护 OSI七层协议栈是世界标准协议，但企业中应用较多的是tcp/ip四层协议 共定义了四层，和ISO参考模型的分层对应关系
    • 应用层（dns,ftp...) 对应 OSI参考模型的上三层 及 应用层，表示层，会话层
    • 传输层（tcp，udp） 对应 传输层
    • 网络层（ip） 对应 网络层
    • 网络接口层 对应 数据链路层和物理层
graph LR; a((TCP/IP 四层协议)) ---对应--- b{OSI 七层协议} a1(应用层) ---对应--- b1(应用层/表示层/会话层) a2(传输层) ---对应--- b2(传输层) a3(网络层) ---对应--- b3(网络层) a4(网络接口层) ---对应--- b4(数据链路层/物理层)

七层协议图示

  • cat /etc/service 查看各种服务端口

  • 应用层：向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件，文件传输访问，远程登录等。远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。

  • 传输层：提供应用程序间的通信。其功能包括：

    • 1.格式化信息流；
    • 2.提供可靠传输。
    • 为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送

  • 网络层：负责相邻计算机之间通信。其功能包括三方面：

    • 1，处理来自传输层的分组发送要求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报文头，选择去往目标主机路径，然后将数据报发往适当的网络接口。
    • 2，处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径-假如该数据报已经到达目标主机，则去掉报文头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据未到达目标主机，则转发该数据报。
    • 3，处理路径，控流，拥塞等问题

  • 网络接口层：这是TCP/IP软件的最底层，负责接收ip数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出ip数据报交给IP层

  • 应用层协议： 在传输层之上就是应用层。传输层的UDP报文和TCP报文段的数据部分就是应用层交付的数据。 DNS-53，FTP-20/21，SMTP-25，HTTP-80，HTPPS-443，RIP，NFS-2049，SNMP-25 Telnet-23,Tftp-69,

  • 传输层： tcp：面向连接，可靠的有顺序的连接协议；例如邮件 udp：不可靠的连接；例如：语音，视频通话，直播等

  • TCP特性：

    • 工作在传输层

    • 面向连接协议

    • 全双工协议（双向同时传数据）

    • 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：模拟结构，层层封装 (网络链路层首部封装(网络层首部封装(传输层封装(应用层)))) TCP协议 PORT 传输层通过port号，确定应用层协议

  • tcp：传输控制协议，面向连接的协议；通信前需要建立虚拟链路；结束后拆除链路；0-65535个端

  • udp：无连接的协议；0-65535个端口

  • IANA：互联网数字分配机构（负责域名，数字资源，协议分配）

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

  • 49152-65535：动态端口或私有端口，客户端程序随机使用的端口 其范围的定义文件：/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

  • TCP三次握手 客户端/服务状态转换：

    • 客户端：closed----->syn-sent(同步已发送)---->estab-lished(以建立连接)
    • 服务端：closed---->listen---->syn-rcvd(同步收到)---->estab-lished

  • TCP四次挥手 客户端/服务端状态转换：

    • 客户端：estab-lished(建立状态)----> fin-wait-1(终止等待1) ----> fin-wait-2(终止等待2) ----> time-wait(等待2MSL 30s，时间等待) ----> closed
    • 服务端：estab-lished---->close-wait(关闭等待)---->last-ack(最后确认)---->closed

  • 有限状态机FSM：Finite State Machine （11种）

    • closed 没有任何连接的状态
    • listen 侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求
    • syn-sent 在发送连接请求后，等待对方确认
    • syn-received 在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认
    • established 代表传输连接建立，双方进入数据传送状态
    • fin-wait-1 主动关闭，主机已发送关闭连接请求，等待对方确认
    • fin-wait-2 主动关闭，主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求
    • time-wait 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失，一般2MSL为30s
    • close-wait 被动关闭，收到对方发来的关闭连接请求，并以确认
    • last-ack 被动关闭，等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失
    • closing 双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认

  • TCP超时重传

    • 1.异常网络状况下（开始出现超时或丢包），TCP控制数据传输以保证其承诺的可靠服务
    • 2.TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认的TCP报文段。为此，TCP模块为每个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。如果超时时间内未收到接收方的应答，TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。至于下次重传的超时时间如何选择，以及最多执行多少次重传，就是TCP的重传策略
    • 3.与TCP超时重传相关的两个内核参数：
      • /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1,指定在底层IP接管之前TCP最少执行的重传次数，默认值是3
      • /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2,指定连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数，默认值15（一般对应13-30min）

  • 网络层协议/Internet层

  • 网络层协议包括ip，icmp，ARP（地址解析协议ip地址解析为mac地址），RARP协议

  • Internet 层协议特征

    • 运行于OSI网络层
    • 面向无连接的协议
    • 独立处理数据包
    • 分层编址
    • 尽力而为传输
    • 无数据恢复功能

  • icmp协议:ping命令 设置禁止ping ：echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/icmp_echo_ignore_allicmp

  • arp协议:arping命令 例arping -I ens33 192.168.31.1（模拟arp发出广播,知道该IP地址的mac地址）

  • ARP协议：发出arp广播解析IP地址对应的mac地址，第一次成功通信后记录mac-ip对应关系到内存中，下次直接以单播通信

TCP 协议如何保证可靠传输

  1. 应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。
  2. TCP 给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。
  3. 校验和： TCP 将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
  4. TCP 的接收端会丢弃重复的数据。
  5. 流量控制： TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。 （TCP 利用滑动窗口实现流量控制）
  6. 拥塞控制： 当网络拥塞时，减少数据的发送。
  7. ARQ协议： 也是为了实现可靠传输的，它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
  8. 超时重传： 当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

三次握手--四次挥手--超时重传

  • 报文结构
udp、tcp报文结构
  • 三次握手

三次握手

  • 四次挥手

    四次挥手

  • 超时重传

    超时重传机制

面试题

  • 1.tcp和udp的区别
    • 答：tcp是面向连接的，可靠的，基于字节流的传输层协议。而udp是一个面向无连接的协议，tcp是有状态的可控制的具备重传功能的协议
  • 2.tcp的三次握手和四次挥手的主机状态
    • 同上
  • 3.为什么不是两次握手？
    • 答：缺少第三次握手会使服务端无法确认客户端的接收能力
  • 4.为什么不是四次握手？
    • 答：三次足够确认状态，再多也可以就是多余
  • 5.第三次握手中可以携带数据吗？
    • 答：第三次握手时可以携带数据，前两次不能携带。第三次握手时客户端已经处于established状态，并且已经能够确认服务器的接收，发送能力正常，这个时候相对安全，可以携带数据
  • 6.四次挥手时等待2MSL的意义？
    • 答：如果不等待，客户端直接跑路，当服务器还有很多数据包要给客户端，并且已经在路上的时候，之前客户端请求端口被其他应用占有后会接收到此无用数据，会造成数据包混乱。
  • 7.为什么不是1MSL而是2MSL？
    • 答：一个MSL确保四次挥手中主动关闭方最后的ACK报文能够到达对方，一个MSL确保对端没有收到ACK重传的FIN报文可以最终到达对端，这就是2MSL的意义。
  • 8.为什么不是三次挥手？
    • 答：因为服务端接收到FIN后不会立即返回FIN，必须要等服务器端的所有报文发送完之后才会发送。因此第二次挥手代表已经接收到FIN报文，延迟一段时间才会主动发FIN报文，因此造成4次挥手。 如果是三次挥手呢？等于说服务端将ACK和FIN的发送合并为一次挥手，这个时候长时间的延迟会导致客户端误以为FIN为接收，会不断进行重试
posted @ 2025-07-10 10:36  星河霓虹  阅读(75)  评论(0)    收藏  举报