计算机网络

一、计算机网络的体系结构
二、传输层TCP三次握手、四次挥手
- 三次握手
- 四次挥手
三、TCP的头部结构
四、TCP的流量控制、拥塞控制、超时重传
五、网络层IP头部结构
六、IPv4分类方式及子网掩码、默认路由等概念
七、应用层的一些协议

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一、计算机网络的体系结构

五层网络结构传输层有两个重要的协议：TCP和UDP

TCP：可靠传输，面向连接

UDP：不可靠传输，无连接

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二、传输层TCP三次握手、四次挥手

三次握手

TCP协议中，主动发起请求的一端称为『客户端』，被动连接的一端称为『服务端』。不管是客户端还是服务端，TCP连接建立完后都能发送和接收数据。

刚开始的时候，服务器和客户端都为CLOSED状态。在通信开始前，双方都得创建各自的传输控制块（TCB）。

服务器创建完TCB后遍进入LISTEN状态，此时准备接收客户端发来的连接请求。

1.第一次握手

客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段的头部中同步SYN=1，确认ACK=0，同时选择一个初始序号seq=x。请求发送后，客户端便进入SYN-SENT状态。

SYN=1，ACK=0表示该报文段为连接请求报文

x为本次TCP通信的字节流的初始序号

TCP规定：SYN=1的报文段不能有数据部分，但要消耗掉一个序号

2.第二次握手

服务端收到连接请求报文段后，如果同意连接，会发送一个应答：SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1。发送完应答后服务端进入SYN-RCVD状态。

SYN=1，ACK=1表示该报文段为连接同意的应答报文

seq=y表示服务端作为发送者时，发送字节流中的第一个字节序号

ack=x+1表示服务端希望客户端发送的下一个数据报初始序号是从x+1开始

3.第三次握手

客户端收到服务端连接同意的应答后，还会向服务端发送一个确认报文段，表示：服务端发来的连接同意应答已经成功收到。该报文段的头部为：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1。

客户端发完这个报文段后便进入ESTABLISHED状态，服务端收到这个应答后也进入ESTABLISHED状态，此时连接的建立完成！

TCP建立连接为什么是三次握手，而不是两次或四次？

首先应该清楚一点：不论握手多少次都不能确认一条信道一定是“可靠”的，但通过3次握手可以至少确认它是“可用”的，再往上加握手次数不过是提高它是“可用”的这个结论的可信度。

也就是说任意次的握手都是“不可靠”的，握手成功只能说明握手时的通信是正常的，并不能保证握手后的通信是正常的。握手只能保证尽可能的可靠，而不可能保证绝对可靠。

1.那为什么不是两次握手？

是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，造成服务端资源的浪费。

这句话怎样理解？

在一次TCP连接中，客户端A向服务端B发送连接请求SYN报文段，假如这个报文段没有及时被服务端B接收，而是滞留在网络的某处，于是客户端A超时重传，再次发送请求连接并且顺利与服务端B建立了连接，交换数据后断开连接。

滞留在网络中的某处的陈旧报文就变成了失效的连接请求报文。

但如果这个失效的请求SYN报文段，现在又突然传送到了服务端B处，设想这时是使用两次握手而不是三次握手，服务端B就以为客户端A现在建立请求连接，于是服务端B发出确认，新的连接就建立了，服务端B分配资源，等待客户端A传送数据，但客户端A并没有想要建立TCP连接，不会理会服务端B发送的应答，也不会向服务端B传送数据，于是服务端B就白白等待，空耗资源。

使用三次握手可以避免这个情况。服务端B收到客户端A的失效的陈旧SYN报文段，向客户端A发送SYN报文段，选择自己的序号seq=y，确认收到客户端A的SYN报文段，确认号ack=x+1。第三次握手客户端A收到B的SYN报文段后，从确认号就可得知不应理睬这个SYN报文段（因为A现在并没有发送seq=x的报文段）。

这时，客户端A会发送复位报文段，这个复位报文段中，RST=1，ACK=1，确认号ack=y+1。

服务端B收到A的复位报文，就知道不建立TCP连接，不会分配资源等待A发送数据。

2.为什么不是四次握手？

既然两次握手不可以，那四次握手，五次握手呢？

因为三次握手已经能说明握手时的通信是正常的，四次握手、五次握手就显得浪费了。

四次挥手

TCP连接的释放一共需要四步，这也是四次挥手的由来。

TCP连接是双向的，在四次挥手中，前两次挥手用于断开一个方向的连接，后两次挥手用于断开另一方向的连接。

1.第一次挥手

客户端数据发送完成，则它向服务端发送连接释放请求。该请求只有报文头，头中携带的主要参数为：FIN=1，seq=u。此时，客户端将进入FIN-WAIT-1状态。TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

FIN=1表示该报文段是一个连接释放请求

seq=u，u-1是客户端向服务端发送的最后一个字节的序号

2.第二次挥手

服务器收到客户端连接释放报文，通知相应的高层应用进程，告诉它客户端向服务器这个方向的连接已经释放了。

此时服务端进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，并向客户端发出连接释放的应答，其报文头包含：ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v。

ACK=1：除TCP连接请求报文段以外，TCP通信过程中所有数据报的ACK都为1，表示应答

seq=v，v是服务端释放应答报文段第一个字节序号

ack=u+1表示希望收到从第u+1个字节开始的报文段，并且已经成功接收了前u个字节

客户端收到该应答后，进入FIN-WAIT-2状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

第二次挥手完成后，客户端到服务端方向的连接已经释放，服务端不会再接收客户端的数据，客户端也没有数据要发送了。但服务端到客户端方向的连接仍然存在，服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

3.第三次挥手

服务端将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，其报文头包含：FIN=1，ack=u+1，由于在CLOS-WAIT状态，服务端很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

4.第四次挥手

客户端收到服务器的连接释放报文后，向服务端发出确认应答，报文头：ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。

该状态会持续2MSL（最长报文段寿命）时间，这个期间TCP连接还未释放，若该时间段内没有服务端的重发请求的话，客户端就进入CLOSED状态，撤销TCB。

服务端只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

为什么客户端最后还要等待2MSL？

第一：为了保证服务端能收到客户端的确认应答。

若客户端发完确认应答后直接进入CLOSED状态，那么如果该应答丢失，服务端等待超时后就会重新发送连接释放请求，但此时客户端已经关闭了，不会作出任何响应，因此服务端就无法正常关闭。

第二：防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。

客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

TCP关闭连接是为什么是四次挥手？

关闭连接时，服务器收到客户端的FIN报文时，仅仅表示客户端不再发送数据了但是还能接收数据，并且服务端也未必全部数据都发送给对方了，所以服务端可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，服务端的ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

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三、TCP的头部结构

TCP报文格式

TCP报文各段说明：

源端口和目的端口:　　各占 2 字节.端口是传输层与应用层的服务接口.传输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现
序号:　　占 4 字节.TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号.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:　　占 4 字节,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/首部长度:　　占 4 位,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.“数据偏移”的单位是 32 位字(以 4 字节为计算单位)
保留:　　占 6 位,保留为今后使用,但目前应置为 0
紧急URG:　　当 URG=1 时,表明紧急指针字段有效.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)
确认ACK:　　只有当 ACK=1 时确认号字段才有效.当 ACK=0 时,确认号无效
PSH(PuSH):　　接收 TCP 收到 PSH = 1 的报文段,就尽快地交付接收应用进程,而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付
RST (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
同步 SYN:　　同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文
终止 FIN:　　用来释放一个连接.FIN=1 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
检验和:　　占 2 字节.检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分.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:　　占 16 位,指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）
选项:　　长度可变.TCP 最初只规定了一种选项,即最大报文段长度 MSS.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.” MSS(Maximum Segment Size)是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度.数据字段加上 TCP 首部才等于整个的 TCP 报文段
填充:　　这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍
其他选项:
窗口扩大:　　占 3 字节,其中有一个字节表示移位值 S.新的窗口值等于TCP 首部中的窗口位数增大到(16 + S),相当于把窗口值向左移动 S 位后获得实际的窗口大小
时间戳:　　占10 字节,其中最主要的字段时间戳值字段(4字节)和时间戳回送回答字段(4字节)
选择确认:　　接收方收到了和前面的字节流不连续的两2字节.如果这些字节的序号都在接收窗口之内,那么接收方就先收下这些数据,但要把这些信息准确地告诉发送方,使发送方不要再重复发送这些已收到的数据上图中有几个字段需要重点介绍下：

（1）序号：seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。

（2）确认序号：ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，ack=seq+1。

（3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：

ACK：确认序号有效。
FIN：释放一个连接。
PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
RST：重置连接。
SYN：发起一个新连接。
URG：紧急指针（urgent pointer）有效。

需要注意的是：不要将确认序号ack与标志位中的ACK搞混了。确认方ack=发起方seq+1，两端配对。

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四、TCP的流量控制、拥塞控制、超时重传

这里湖科大视频讲的非常好

https://mooc2-ans.chaoxing.com/mycourse/stu?courseid=222640205&clazzid=50594404&cpi=220747447&enc=ac5742041ffa03d7d879a9ed1dabbda7&t=1654418409125&pageHeader=3

TCP的拥塞控制

TCP流量控制

TCP流量控制和滑动窗口