TCP/IP基础
1） IP：网络互联协议，是计算机网络互联通信而设计的协议；
如图1.2.1：IPv4包头
版本（version）：标识了数据包的IP版本号，4位，IPv4(0100) IPv6(0110);
报头长度（header length）:4位，表示32位字长的IP报头长度；
服务类型（type of service）：用来指定特殊的数据处理方式，8位，在字段上被划分为两个子字段：优先权和ToS;优先权用来设置数据包的优先级，而ToS允许按照吞吐量、时延、可靠性等选择传输服务，ToS通常被置0；
总长度(total length)：数据包总长度字段的长度为16位，以八位组为单位计，其中包括IP包头。
标识符（identifier）：字段长度为16位，通常与标记字段和分段偏移字段一起用作数据包的分段。如果数据包的原始长度超过MTU，就必须将数据包分段为更小的数据包。
标记字段（flag）：长度为3位，其中第一位没有使用。第二位DF=1时，表示路由器不能对数据包进行分段处理。可以用于在网络上测试MTU值；
分段偏移（fragment offset）：字段为13位，以8个8位组为单位，用于指明分段起始点相对于报头起始点的偏移量；
生存时间（time to live）：字段长度为8位，被设定为某个特定值，当数据包沿逐个路由器传输时，每个路由器都会降低TTL的值，当TTL=0时，数据包将被路由器丢弃，并向源发送错误信息；
报头校验和（header checksum）：针对IP报头的纠错字段。不计算被封装的数据，UDP/TCP/ICMP等都有各自的校验和。如果没有错误，则16位应该都为1；
源地址和目的地址：分别表征发送数据发收双方的源点和目的点的IP地址；
可选项（option）：是一个长度可选的字段，被添加在报头中包括源点产生的信息和其他路由器的信息，通常用于测试。
2） IPv4：IPv4地址长度为32位，包含4个字节，通常用点分十进制表示；
组成：网络号+主机号
如图1.2.2
网络号：表示某个IP地址段，标识的是网络中的某个子网；可由IP地址和地址掩码做&计算得到
主机号：表示网络中的某台主机；
地址掩码：表示整个数据链路的地址，一般由IP地址的网络号部分全部置1，主机部分全部置0计算所得；
子网：基于整个网络下分的subnet，通常是一个主A、B、C类地址的一个子集；通常可由IP地址&子网掩码计算得到；
子网号：主机位全为0；
广播地址：主机位全为1的地址；
网络分类：按主机地址的数量网络通常被分为大型、中型、小型网络；相应的IP地址也被分为A、B、C类地址；
如表1.2.3
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规则（第1个8位组） |
Max/min |
十进制 |
掩码 |
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A类：第一位恒为0 |
00000000=0 01111111=127 |
1~126， |
255.0.0.0 |
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B类：第一、二位恒为10 |
10000000=128 10111111=191 |
128~191 |
255.255.0.0 |
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C类：第一、二、三位恒为110 |
11000000=192 11011111=223 |
192~223 |
255.255.255.0 |
注：127.0.0.0为设备使用回环地址段，发送到该地址的数据将会被直接发送回发送进程而不离开此设备；
VLSM（可变长子网掩码）:为了使用CIDR和通过route summary来控制路由表的大小，以最有效的方式使用地址空间，VLSM采取在A/B/C类地址的基础上从主机位中截取几位作为网络号，以增加网络号的方式；
CIDR(无类域间路由)：为解决IPv4地址耗尽的瓶颈采用的一种措施，路由策略完全基于整个32bit的IP地址来操作；
例如：
C类地址：192.168.1.0/24 255.255.255.0
在C类的地址上我们采取从主机号中借去一位作为网络号
主机：11000000.10101000.00000001.00000000 192.168.1.1-254/24
Mask: 11111111.11111111.11111111.00000000 255.255.255.0
借出一位作为网络号后：
主机：11000000.10101000.00000001.00000000 192.168.1.1-126/25
Mask：11111111.11111111.11111111.10000000 255.255.255.128
主机：11000000.10101000.00000001.10000000 192.168.1.129-254/25
Mask：11111111.11111111.11111111.10000000 255.255.255.128
ARP(地址解析协议): 是根据主机IP地址获取MAC地址的一个协议；
MAC(媒体控制控制)：设备物理地址，用来确定网络中设备的位置；
APR的工作过程：
主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；
主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；
当主机A要与主机B通信时，地址解析协议可以将主机B的IP地址（192.168.1.2）解析成主机B的MAC地址，以下为工作流程：
第1步：根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。
第2步：如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。
第3步：主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。
第4步：主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。
第5步：当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。
如图1.2.4：ARP报文格式
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ARP报文格式 |
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硬件类型 |
协议类型 |
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硬件地址长度 |
协议长度 |
操作类型 |
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发送方硬件地址（0-3字节） |
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发送方硬件地址（4-5字节） |
发送方IP地址（0-1字节） |
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发送方IP地址（2-3字节） |
目标硬件地址（0-1字节） |
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目标硬件地址（2-5字节） |
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目标IP地址（0-3字节） |
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硬件类型：指明了发送方想知道的硬件接口类型，以太网的值为1；
协议类型：指明了发送方提供的高层协议类型，IP为0800（16进制）；
硬件地址长度和协议长度：指明了硬件地址和高层协议地址的长度，这样ARP报文就可以在任意硬件和任意协议的网络中使用；
操作类型：用来表示这个报文的类型，ARP请求为1，ARP响应为2，RARP请求为3，RARP响应为4；
发送方硬件地址（0-3字节）：源主机硬件地址的前3个字节；
发送方硬件地址（4-5字节）：源主机硬件地址的后3个字节；
发送方IP地址（0-1字节）：源主机硬件地址的前2个字节；
发送方IP地址（2-3字节）：源主机硬件地址的后2个字节；
目标硬件地址（0-1字节）：目的主机硬件地址的前2个字节；
目标硬件地址（2-5字节）：目的主机硬件地址的后4个字节；
目标IP地址（0-3字节）：目的主机的IP地址。
TCP协议(传输控制协议)：TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务；
TCP是面向连接的，故TCP的连接的双方在彼此交换数据前必须先建立一个TCP连接。
TCP通过以下的方式来提供可靠性：
- 应用数据在连接中被分割成TCP认为最适合发送的数据块，TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）；
- 当TCP发出一个segment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；
- 当TCP收到对端的数据时，将发送一个确认，通常推迟几分之一秒发送，而不是立即发送确认；
- TCP将保持它首部和数据的校验和，这是一个端到端的校验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化，如果校验和有差错，那么TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此segment（希望发端超时并重发）；
- Segment作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，故segment的到达也可能会失序。如有必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，把数据以正确的顺序交给应用层；
- TCP接收端对于重复的数据将会丢弃；
- TCP连接的每一方都有固定的缓存空间，TCP的接收端只允许对端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，用以防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；以此提供TCP流量控制；
TCP的首部：
如图1.2.5：IP数据报中的TCP数据封装
如图1.2.6：TCP首部的数据格式
源端口（Source Port），目标端口（Destination Port） ：各2字节
源端口号，标识主机上发起传送的应用程序；目的端口标识主机上传送要到达的应用程序。源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进程。这两个值加上I P首部中的源端I P地址和目的端I P地址唯一确定一个TCP连接。一个I P地址和一个端口号有时也称为一个插口（socket），插口对（socket pair）(包含客户I P地址、客户端口号、服务器 I P地址和服务器端口号的四元组 )可唯一确定互联网络中每个TCP连接的双方。IP+TCP端口唯一确定一个TCP连接。
TCP协议通过使用"端口"来标识源端和目标端的应用进程。 端口号可以使用0到65535之间的任何数字。在收到服务请求时，操作系统动态地为客户端的应用程序分配端口号。在服务器端，每种服务在"众所周知的端 口"（Well-Know Port）为用户提供服务。
封包序号（Sequence Number）： 4字节
由于 TCP 封包必须要带入 IP 封包当中，所以如果 TCP 数据太大时(大于 IP 封包的容许程度)， 就得要进行分段。这个 Sequence Number 就是记录每个封包的序号，可以让收受端重新将 TCP 的数据组合起来。
序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
确认号（Acknowledge Number）： 4字节
为了确认主机端确实有收到我们 client 端所送出的封包数据，我们 client 端当然希望能够收到主机方面的响应，那就是这个 Acknowledge Number 的用途了。 当 client 端收到这个确认码时，就能够确定之前传递的封包已经被正确的收下了。这个号是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
数据偏移（Data Offset）：4比特
和IP数据包头部一样，也有个Options字段，长度是不固定的，而为了要确认整个TCP封包大小，就需要这个标志来说明整个封包区段的起始位置。
这个字段指出TCP报文段的数据起始处距离 TCP报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位不是字节而是32bit字（4字节为计算单位）。
没有任何选项字段的TCP头部长度为20字节；最多可以有60字节的TCP头部。
保留字段（Reserved）： 占6比特
保留为今后使用，但目前应置为0。
状态控制码（Code，Control Flag）
标志位字段（U、A、P、R、S、F）：占6比特。各 比特的含义如下:
URG：紧急比特（urgent）,当URG＝1时，表明紧急指针字段有效,代表该封包为紧急封包。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)， 且上图中的 Urgent Pointer 字段也会被启用。
ACK：确认比特（Acknowledge）。只有当ACK＝1时确认号字段才有效,代表这个封包为确认封包。当ACK＝0时，确认号无效。
PSH：（Push function）若为1时，代表要求对方立即传送缓冲区内的其他对应封包，而无需等缓冲满了才送。
RST：复位比特(Reset) ,当RST＝1时，表明TCP连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
SYN：同步比特(Synchronous)，SYN置为1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文,通常带有 SYN 标志的封包表示『主动』要连接到对方的意思。。
FIN：终止比特(Final)，用来释放一个连接。当FIN＝1时，表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
滑动窗口（Window）： 占2字节
窗口字段用来控制对方发送的数据量，可以告知对方目前本身有的缓冲器容量(Receive Buffer) 还可以接收封包。当 Window=0 时，代表缓冲器已经额满，所以应该要暂停传输数据。单位为字节。TCP连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限,这个值是本机期望一次接收的字节数。
TCP校验和(Checksum) ： 占2字节
当数据要由发送端送出前，会进行一个检验的动作，并将该动作的检验值标注在这个字段上； 而接收者收到这个封包之后，会再次的对封包进行验证，并且比对原发送的 Checksum 值是否相符，如果相符就接受，若不符就会假设该封包已经损毁，进而要求对方重新发送此封包！在计算检验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。
紧急指针(Urgent Pointer) ：占2字节
这个字段是在 Code 字段内的 URG = 1 时才会产生作用。可以告知紧急数据所在的位置(紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号)。
选项（Options） ：长度可变。
TCP首部可以有多达40字节的可选信息，用于把附加信息传递给终点，或用来对齐其它选项。
目前此字段仅应用于表示接收端可以接收的最大数据区段容量，若此字段不使用， 表示可以使用任意数据区段的大小。 这个字段较少使用。
TCP首部的主要选项：
最大报文段长度MSS(Maximum Segment Size)是TCP报文段中的数据字段的最大长度。MSS告诉对方TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节。”
填充字段(Padding)
如同 IP 封包需要有固定的 32bits 表头一样， Options 由于字段为非固定， 所以也需要 Padding 字段来加以补齐才行。同样也是 32 bits 的整数。这是为了使整个首部长度是4字节的整数倍。
TCP连接的建立和终止过程
建立一个TCP连接需要三次握手，而终止一个链接需要经过4次握手，这由TCP的半关闭（half-close）造成的。TCP连接是全双工的（即数据在两个方向上能同时传递），故每个方向上必须单独进行关闭。当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接，当一端收到一个FIN，它必须通知应用层另一端已经终止那个方向的数据发送。而发生FIN通常是应用层进行关闭的结果。
如图1.2.7：
连接建立三次握手：
- 当一端发送SYN请求建立TCP连接时，发送端执行active open，另一端执行passive open，发送端为连接选择一个初始序号（ISN），ISN随时间而发生变化，故每个连接都将具有不同的ISN；
- 服务器发回包含本服务器初始序号的SYN报文段作为应答，同时将确认序号设置为client的ISN加1作为对发送端client的SYN的确认；
- 发送端必须发送server服务器端的ISN序号加1作为端服务器SYN报文段的确认；
连接终止4次握手：
- 首先执行关闭的一端（一般是client）将执行主动关闭（active close），而另一方（一般是server）将执行被动关闭（passive close）；active close端发送第一个FIN；
- 当server收到这个FIN后，返回给客户端一个ack，用来确认收到关闭请求，确认序号为收到的序号加1；同时向server的应用程序传送一个文件结束符；
- 接收到结束符后，应用程序会关闭它的连接，同时向client发回一个FIN，表示关闭server到client的连接，client将回复一个收到确认，ack ，确认序号为收到序号加1；
- 连接通常是由客户端发起的，第一个SYN由客户端传到服务器端。每一端都能主动发送FIN关闭这个连接，但是一般由客户端决定何时终止连接，因为客户进程通常由用户交互控制，用户会键入类似“quit”的命令来终止进程；
