网络之传输层

传输层（transport）：

    传输层的作用是为会话层提供一个端到端的透明的数据传输服务。它是一个端到端的层次，为网络体系结构中的关键一层。高层用户合一直接利用传输层提供的服务进行端到端的数据传输。

　　在传输层有两个重要的协议TCP协议和UDP协议，我们在学习中主要讲解TCP协议，因为TCP协议可靠，很很多的机制保证我们的数据完整，但是UDP则不然，但是无论是那种协议，包括在上层和下层的协议，都不是安全的，在网络中，没有安全的协议。

　　我们可以看出来，在传输层TCP和UDP的是很重要的，虽然我们在传输数据的过程中，既可以使用TCP也可以使用UDP，但是，由于他们的功能不同，导致很多重要的数据传输都是用的TCP，而不是UDP，我们接下来要通过对他们的包头进行分析，来说明这一点。现在，我们先看看他俩有什么区别。

	可靠性	有效性
连接方式	面向连接	非面向连接
协议	TCP	UDP
是否排序	是	否
用途	电子邮件 文件共享 下载	语音信息 视频信息

现在我们对于TCP会详细的介绍，对于UTP我们仅作为了解，因为，UDP的包头信息真的很简单。

TCP特性：

　 工作在传输层面向连接协议

　　全双工协议

　　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

接下来，我们从TCP的包头信息开始说起：

源端口、目标端口：

　　计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个。并且，客服端是随机的，服务端针对于每种服务使固定的 

序列号：

　　表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从 0 开始。

    此时就有一个问题，这样的话，我们怎么确定那个包在前，那个包在后呢？这就不得不说我们的选项位了，选项里面有三种不同的功能，其中一种是时间戳，即便是我们的序号一样，时间戳不一样，我们包的顺序就不一样，就不会造成混乱。 

确认号：

表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送发：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号是这个确认号。

数据偏移：

表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位）， 4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节。

URG：

表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效

ACK：

表示是否前面的确认号字段是否有效。 ACK=1，表示有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。 TCP规定，连接建立后， ACK必须为1,带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段

PSH：

提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数

据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中

RST：

如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩

溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段

SYN：

在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1， ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1， ACK=1时，表示对方同意建立连接。 SYN=1

，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段

FIN：

表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即

告诉对方："我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了"，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段。

窗口大小：

表示现在充许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量 

校验和：提供额外的可靠性

紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置

选项部分：

其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。 TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为： (2^4-1)*4-20=40字节

常见选项：

    最大报文段长度： Maxium Segment Size， MSS

    窗口扩大： Windows Scaling

    时间戳： Timestamps

 1 最大报文段长度

指明自己期望对方发送TCP报文段时那个数据字段的长度。默认是536字节。数据字段的长度加上TCP首部的长度才等于整个TCP报文段的长度。 MSS不宜设的太大也不宜设的太小。若选择太小，极端情况下， TCP报文段只含有1字节数据，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，网络的利用率就不会超过1/41。若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的TCP报文段。当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。因此MSS应尽可能大，只要在IP层传输时不需要再分片就行。在连接建立过程中，双方都把自己能够支持的MSS接入这一字段。 MSS只出现在SYN报文中。即： MSS出现在SYN=1的报文段中。

2 窗口扩大

为了扩大窗口，由于TCP首部的窗口大小字段长度是16位，所以其表示的最大数是65535。但是随着时延和带宽比较大的通信产生（如卫星通信），需要更大的窗口来满足性能和吞吐率，所以产生了这个窗口扩大选项。

3 时间戳

可以用来计算RTT(往返时间)，发送方发送TCP报文时，把当前的时间值放入时间戳字段，接收方收到后发送确认报文时，把这个时间戳字段的值复制到确认报文中，当发送方收到确认报文后即可计算出RTT。也可以用来防止回绕序号PAWS，也可以说可以用来区分相同序列号的不同报文。因为序列号用32为表示，每2^32个序列号就会产生回绕，那么使用时间戳字段就很容易区分相同序列号的不同报文。

TCP协议的PORT

传输层通过port号，确定应用层协议

Port number:

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）

udp： User Datagram Protocol，无连接的协议（0-65535）

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， 22/tcp(ssh), 80/tcp(http), 443/tcp(https)

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：

　　1433/tcp(SqlServer)

　　1521/tcp(oracle)

　　3306/tcp(mysql)

　　11211/tcp/udp (memcached)

　　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： /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

TCP建立连接的三次握手

　　我们对TCP包头有了了解，我们要TCP协议的作用是使用它来提供可靠地数据传输，那么，如何传输的呢，我们接下来对TCP的连接过程和终断过程进行学习。

　　我们在传输或访问过程只要使用到TCP，就会遇到上面的过程，客户端一般情况下是关闭着的，但是服务器不是，因为服务器随时都有可能有用户去访问，如果是关闭着，客户端就有可能访问不到。所以，服务器端就有一个监听模式，不断监听是否有用户访问。

第一次握手

　　当我们访问服务器时，客户端会向指定的服务器发起请求，发送一个TCP报文，SYN为1和一个随机数据包seq。

第二次握手

　　当我们的服务器收到TCP报文后，知道有人想要创建连接，就向源发送一个确认ACK=1，一个请求SYN=1，源数据包号+1，和一个随机数据包seq=y。

第三次握手

       当客户机收到服务器发来的确认报文后，同样会发送一个ACK=1，上次的随机数据包seq+1，确认数据包y+1（服务器上次的发的seq=y），此时就算是正式建立连接，开始传输数据了。

 

一般是客户端向服务器发起，因为客户端端口号不是固定的，所以一般服务器不向客户端发起连接。

恶意攻击者发送第一次握手，而不发送第三次握手，导致服务器端不停地发送第二次握手的回应，导致资源大量消耗在恶意攻击者上，最后可导致服务器宕机。 

TCP断开连接的四次握手

我们数据传输完成后就会断开连接，TCP断开连接的过程比建立连接的过程还要复杂，我们可以看一下他们是如何断开连接的。

我们以客户端主动断开连接为例说明四次握手的过程。

第一次握手

    客户端主动发起断开请求FIN=1发送数据包序号u。

第二次握手

    服务器端收到客户端的断开请求，发送确认包并继续发送未发完的数据包v，希望收到下一个数据包u+1

第三次握手

    服务器端发送确认断开请求FIN=1，ACK=1，继续发送数据包w

第四次握手

    客户端收到服务器端发来的确认断开请求并发送数据包u+1，希望得到数据包W=1，然后，客户端进入TIME-WAIT状态，继续接收未收完的数据包，然后关闭客户端。

我们在上面看到，在创建连接或者断开连接，客户端和服务器都会有各种状态，上面只是我们最常见的状态，但并不是在创建或断开连接时只有这些状态，我们下面看看它还有其他什么状态。

有限状态机

　　CLOSED 没有任何连接状态

　　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

　　CLOSE-WAIT 被动关闭,收到对方发来的关闭连接请求，并已确认

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

客户端的典型状态转移

客户端通过connect系统调用主动与服务器建立连接connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段，使连接转移到SYN_SENT状态。此后connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回：

1、如果connect连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍被处于TIME_WAIT状态的连接所占用（见后文），则服务器将给客户端发送一个复位报文段，connect调用失败。

2、如果目标端口存在，但connect在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则connect调用失败。connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态。

当客户端执行主动关闭时，它将向服务器发送一个结束报文段，同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段，则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，

服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接（发送结束报文段），则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态

客户端从FIN_WAIT_1状态可能直接进入TIME_WAIT状态（不经过FIN_WAIT_2状态），前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段（而不是先收到确认报文段，再收到结束报文段）

处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段，才能转移至TIME_WAIT状态，否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据，连接长时间地停留在FIN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在：客户端执行半关闭后，未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管，可称之为孤儿连接（和孤儿进程类似）。

Linux为了防止孤儿连接长时间存留在内核中，定义了两个内核参数：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目

/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间

 

客户端先发送一个FIN给服务端，自己进入了FIN_WAIT_1状态，这时等待接收服务端的报文，该报文会有三种可能：

只有服务端的ACK

只有服务端的FIN

基于服务端的ACK，又有FIN

1、只收到服务器的ACK，客户端会进入FIN_WAIT_2状态，后续当收到服务端的FIN时，回应发送一个ACK，会进入到TIME_WAIT状态，这个状态会持续2MSL(TCP报文段在网络中的最大生存时间,RFC 1122标准的建议值是2min).客户端等待2MSL，是为了当最后一个ACK丢失时，可以再发送一次。因为服务端在等待超时后会再发送一个FIN给客户端，进而客户端知道ACK已丢失

2、只有服务端的FIN时，回应一个ACK给服务端，进入CLOSING状态，然后接收到服务端的ACK时，进入TIME_WAIT状态

3、同时收到服务端的ACK和FIN，直接进入TIME_WAIT状态

 

TCP超时重传

　　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

　　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。

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）

什么是窗口

　　我们在TCP报文中发现了一个窗口选项，那么这个窗口是干嘛用的呢，我们来说一下。当客户端和服务器建立连接以后，我们开始传输数据，但是我们的数据如果是以下面的一种方式传输，即客户端发一次数据，服务器确认一次，发一次，确认一次，这样的话，效率是相当低的。此时的窗口数是1

　　有没有更好的数据传输方式呢，有，我们可以定制窗口的大小，让客户端一次发送很多次数据，让服务器端确认一次，这样就比窗口数为1的要好得多。

　　但是，这样还是有问题的，万一我们此时的计算机资源本来就很紧张，一次发送很多的数据，在传输过程中发生问题该怎么办呢，或者我们的计算机资源很充足，但是用小窗口传送数据就无法充分利用计算机资源，这是我们该如何呢？

　　其实，窗口的大小不是固定的，是根据计算机资源的具体情况变化的，计算机资源紧张时，窗口就会变得小一些，如果计算机资源充足，窗口就会开的大一些，提高效率。

拥塞控制

TCP为提高网络利用率，降低丢包率，并保证网络资源对每条数据流的公平性。即所谓的拥塞控制

TCP拥塞控制的标准文档是RFC 5681，其中详细介绍了拥塞控制的四个部分：慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快速恢复（fast recovery）。拥塞控制算法在Linux下有多种实现，比如reno算法、 vegas算法和cubic算法等。它们或者部分或者全部实现了上述四个部分

当前所使用的拥塞控制算法

/proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control

 

TCP端口号

TCP的序号与确认号

UDP特性

对于UDP我们不做过多的说明，我们要知道的是UDP的一些特性：

　　工作在传输层

　　提供不可靠的网络访问

　　非面向连接协议

　　有限的错误检查

　　传输性能高

　　无数据恢复特性

UDP包头