IP協議和TCP協議的分析

一，TCP/IP協議棧的概述

    TCP/IP協議棧是由美國國防部（DoD）在20世紀60年代創建的（比OSI模型還早），是一種具體實現標準。

    分為4層：網絡接入層（鏈路層），Internet層（網絡層），主機到主機層（傳輸層），應用層

    由于TCP/IP協議棧涉及的知識點很多，而其中最主要的協議是IP協議和TCP協議，故本文主要是針對IP和TCP協議來分析，其他的知識點后續補上。

二，IP協議

    IP（Internet Protocol，網際協議）是TCP/IP協議棧中最重要的協議（位于網絡層），用于實現數據的不可靠面向無連接通信，實現三層數據封裝與IP尋址。

    什么是不可靠？

      不可靠的意思就是它不能保證IP數據包能百分百到達目的地

    什么是面向無連接？

      意思是I P并不維護任何關于后續數據報的狀態信息。每個數據報的處理是相互獨立的。IP數據報可以不按發送順序接收。如果一信源向相同的信宿發送兩個連續的數據報（先是 A，然后是B） ，每個數據報都是獨立地進行路由選擇，可能選擇不同的路線，因此B可能在A到達之前先到達。

1.IP頭部格式

  （1）版本

       4bit，用于標記IP協議的版本。IPv4---->4；IPv6--->6.

  （2）首部長度

       4bit，可表示的最大十進制為15.指示IP報頭長度，指出IP報頭的結束位置或數據的開始位置

       接收方可知道如何根據首部長度來解封裝

  （3）服務類型

       ToS，8bit，提供QoS服務質量技術用于實現流量標記

  （4）總長度

       總長度指首部和數據之和的長度，單位為字節。字段16bit。

  （5）標識符

       16bit，用于標志分片的進程

  （6）標志符

       3bit，第一個比特位0：表示保留或未使用；第二個比特DF位：DF=1，表示該數據包不應該被分段；DF=0，表示可以根據需要對數據包進行分段。第三個比特位MF位：表示該分段是最后一個分段（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分片距離IP頭部的位置，才能實現有序的重新組裝

  （8）生存時間

       8bit，TTL最大值為255；標記路徑和防環。

  （9）協議

       8bit，標記上層協議

  （10）首部檢驗和

       16bit，校驗數據包的完整性

  （11）源IP地址

        32bit，發送者的IP地址

  （12）目的IP地址  

        32bit，接收者的IP地址 

  （13）選項

        options，可變長度該字段為可選字段

        常見:記錄路由選項，時間戳選項以及用來增強traceroute程序的路由選項

  （14）填充

        Padding，可變長度，如果IP報頭大小不是32比特的整數倍，則會在報頭填充0直至32比特

  （15）數據

        可變長度，是在IP包中進行傳輸并通過協議字段進行標識的數據

三，TCP協議

    TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）是TCP/IP協議棧中算法最多，功能最繁雜的重要的協議（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（超時重傳，快速重傳）

   流量控制（滑動窗口，擁塞控制）

   多路復用（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：三次握手是一個會話的建立過程，此過程沒有正式的數據包的傳送。

    SYN（同步位）用于實現端口請求，ACK（確認位）用于實現端口回復

  四次揮手（見下圖）：

問題：為什么關閉時要四次，而不是三次呢？

      因為在一方傳輸數據結束的時候，可能另一方還在傳輸數據，所以需要四次。

 2.2 可靠傳輸

   見下圖：

    利用Seq（序列號）和ACK（確認號）來保證可靠傳輸。

 2.3 流量控制

    利用滑動窗口來達到流量控制

 2.4 多路復用

    利用套接字socket來實現多路復用，socket=ip+port。比如多個客戶端要連接同一個服務器，就需要多路復用。