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一、TCP/IP模型

上圖以HTTP協(xié)議為例，具體說(shuō)明。

二、數(shù)據(jù)鏈路層

• 封裝成幀: 把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)加頭和尾，封裝成幀,幀頭中包括源MAC地址和目的MAC地址。

• 透明傳輸:零比特填充、轉(zhuǎn)義字符。

• 可靠傳輸: 在出錯(cuò)率很低的鏈路上很少用，但是無(wú)線鏈路WLAN會(huì)保證可靠傳輸。

• 差錯(cuò)檢測(cè)(CRC):接收者檢測(cè)錯(cuò)誤,如果發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，丟棄該幀。

三、網(wǎng)絡(luò)層

1.IP協(xié)議

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGMP的數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)格式傳輸。要注意的是，IP不是可靠的協(xié)議，這是說(shuō)，IP協(xié)議沒(méi)有提供一種數(shù)據(jù)未傳達(dá)以后的處理機(jī)制，這被認(rèn)為是上層協(xié)議：TCP或UDP要做的事情。

1.1 IP地址

1.2 IP協(xié)議頭

2.ARP及RARP協(xié)議

3. ICMP協(xié)議

IP協(xié)議并不是一個(gè)可靠的協(xié)議，它不保證數(shù)據(jù)被送達(dá)，那么，自然的，保證數(shù)據(jù)送達(dá)的工作應(yīng)該由其他的模塊來(lái)完成。其中一個(gè)重要的模塊就是ICMP(網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文)協(xié)議。ICMP不是高層協(xié)議，而是IP層的協(xié)議。

當(dāng)傳送IP數(shù)據(jù)包發(fā)生錯(cuò)誤。比如主機(jī)不可達(dá)，路由不可達(dá)等等，ICMP協(xié)議將會(huì)把錯(cuò)誤信息封包，然后傳送回給主機(jī)。給主機(jī)一個(gè)處理錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，這 也就是為什么說(shuō)建立在IP層以上的協(xié)議是可能做到安全的原因。

四、ping

ping可以說(shuō)是ICMP的最著名的應(yīng)用，是TCP/IP協(xié)議的一部分。利用“ping”命令可以檢查網(wǎng)絡(luò)是否連通，可以很好地幫助我們分析和判定網(wǎng)絡(luò)故障。

例如：當(dāng)我們某一個(gè)網(wǎng)站上不去的時(shí)候。通常會(huì)ping一下這個(gè)網(wǎng)站。ping會(huì)回顯出一些有用的信息。一般的信息如下:

五、Traceroute

Traceroute是用來(lái)偵測(cè)主機(jī)到目的主機(jī)之間所經(jīng)路由情況的重要工具，也是最便利的工具。

Traceroute的原理是非常非常的有意思，它收到到目的主機(jī)的IP后，首先給目的主機(jī)發(fā)送一個(gè)TTL=1的UDP數(shù)據(jù)包，而經(jīng)過(guò)的第一個(gè)路由器收到這個(gè)數(shù)據(jù)包以后，就自動(dòng)把TTL減1，而TTL變?yōu)?以后，路由器就把這個(gè)包給拋棄了，并同時(shí)產(chǎn)生 一個(gè)主機(jī)不可達(dá)的ICMP數(shù)據(jù)報(bào)給主機(jī)。主機(jī)收到這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)以后再發(fā)一個(gè)TTL=2的UDP數(shù)據(jù)報(bào)給目的主機(jī)，然后刺激第二個(gè)路由器給主機(jī)發(fā)ICMP數(shù)據(jù) 報(bào)。如此往復(fù)直到到達(dá)目的主機(jī)。這樣，traceroute就拿到了所有的路由器IP。

六、TCP/UDP

面向報(bào)文

面向報(bào)文的傳輸方式是應(yīng)用層交給UDP多長(zhǎng)的報(bào)文，UDP就照樣發(fā)送，即一次發(fā)送一個(gè)報(bào)文。因此，應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報(bào)文。若報(bào)文太長(zhǎng)，則IP層需要分片，降低效率。若太短，會(huì)是IP太小。

面向字節(jié)流

什么時(shí)候應(yīng)該使用TCP？

什么時(shí)候應(yīng)該使用UDP？

七、DNS

八、TCP連接的建立與終止

1.三次握手

為什么要三次握手？

2.四次揮手

當(dāng)客戶端和服務(wù)器通過(guò)三次握手建立了TCP連接以后，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完畢，肯定是要斷開(kāi)TCP連接的啊。那對(duì)于TCP的斷開(kāi)連接，這里就有了神秘的“四次分手”。

第一次分手：主機(jī)1（可以使客戶端，也可以是服務(wù)器端），設(shè)置Sequence Number，向主機(jī)2發(fā)送一個(gè)FIN報(bào)文段；此時(shí)，主機(jī)1進(jìn)入FIN_WAIT_1狀態(tài)；這表示主機(jī)1沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送給主機(jī)2了；

第二次分手：主機(jī)2收到了主機(jī)1發(fā)送的FIN報(bào)文段，向主機(jī)1回一個(gè)ACK報(bào)文段，Acknowledgment Number為Sequence Number加1；主機(jī)1進(jìn)入FIN_WAIT_2狀態(tài)；主機(jī)2告訴主機(jī)1，我“同意”你的關(guān)閉請(qǐng)求；
第三次分手：主機(jī)2向主機(jī)1發(fā)送FIN報(bào)文段，請(qǐng)求關(guān)閉連接，同時(shí)主機(jī)2進(jìn)入LAST_ACK狀態(tài)；

第四次分手：主機(jī)1收到主機(jī)2發(fā)送的FIN報(bào)文段，向主機(jī)2發(fā)送ACK報(bào)文段，然后主機(jī)1進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)；主機(jī)2收到主機(jī)1的ACK報(bào)文段以后，就關(guān)閉連接；此時(shí)，主機(jī)1等待2MSL后依然沒(méi)有收到回復(fù)，則證明Server端已正常關(guān)閉，那好，主機(jī)1也可以關(guān)閉連接了。

為什么要四次分手？

為什么要等待2MSL？

MSL：報(bào)文段最大生存時(shí)間，它是任何報(bào)文段被丟棄前在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最長(zhǎng)時(shí)間。原因有二：

• 保證TCP協(xié)議的全雙工連接能夠可靠關(guān)閉

• 保證這次連接的重復(fù)數(shù)據(jù)段從網(wǎng)絡(luò)中消失

第一點(diǎn)：如果主機(jī)1直接CLOSED了，那么由于IP協(xié)議的不可靠性或者是其它網(wǎng)絡(luò)原因，導(dǎo)致主機(jī)2沒(méi)有收到主機(jī)1最后回復(fù)的ACK。那么主機(jī)2就會(huì)在超時(shí)之后繼續(xù)發(fā)送FIN，此時(shí)由于主機(jī)1已經(jīng)CLOSED了，就找不到與重發(fā)的FIN對(duì)應(yīng)的連接。所以，主機(jī)1不是直接進(jìn)入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，當(dāng)再次收到FIN的時(shí)候，能夠保證對(duì)方收到ACK，最后正確的關(guān)閉連接。

第二點(diǎn)：如果主機(jī)1直接CLOSED，然后又再向主機(jī)2發(fā)起一個(gè)新連接，我們不能保證這個(gè)新連接與剛關(guān)閉的連接的端口號(hào)是不同的。也就是說(shuō)有可能新連接和老連接的端口號(hào)是相同的。一般來(lái)說(shuō)不會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題，但是還是有特殊情況出現(xiàn)：假設(shè)新連接和已經(jīng)關(guān)閉的老連接端口號(hào)是一樣的，如果前一次連接的某些數(shù)據(jù)仍然滯留在網(wǎng)絡(luò)中，這些延遲數(shù)據(jù)在建立新連接之后才到達(dá)主機(jī)2，由于新連接和老連接的端口號(hào)是一樣的，TCP協(xié)議就認(rèn)為那個(gè)延遲的數(shù)據(jù)是屬于新連接的，這樣就和真正的新連接的數(shù)據(jù)包發(fā)生混淆了。所以TCP連接還要在TIME_WAIT狀態(tài)等待2倍MSL，這樣可以保證本次連接的所有數(shù)據(jù)都從網(wǎng)絡(luò)中消失。

九、TCP流量控制

如果發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)送得過(guò)快，接收方可能會(huì)來(lái)不及接收，這就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。所謂流量控制就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，要讓接收方來(lái)得及接收。

利用滑動(dòng)窗口機(jī)制可以很方便地在TCP連接上實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送方的流量控制。

設(shè)A向B發(fā)送數(shù)據(jù)。在連接建立時(shí)，B告訴了A：“我的接收窗口是 rwnd = 400 ”(這里的 rwnd 表示 receiver window) 。因此，發(fā)送方的發(fā)送窗口不能超過(guò)接收方給出的接收窗口的數(shù)值。請(qǐng)注意，TCP的窗口單位是字節(jié)，不是報(bào)文段。假設(shè)每一個(gè)報(bào)文段為100字節(jié)長(zhǎng)，而數(shù)據(jù)報(bào)文段序號(hào)的初始值設(shè)為1。大寫ACK表示首部中的確認(rèn)位ACK，小寫ack表示確認(rèn)字段的值ack。

從圖中可以看出，B進(jìn)行了三次流量控制。第一次把窗口減少到 rwnd = 300 ，第二次又減到了 rwnd = 100 ，最后減到 rwnd = 0 ，即不允許發(fā)送方再發(fā)送數(shù)據(jù)了。這種使發(fā)送方暫停發(fā)送的狀態(tài)將持續(xù)到主機(jī)B重新發(fā)出一個(gè)新的窗口值為止。B向A發(fā)送的三個(gè)報(bào)文段都設(shè)置了 ACK = 1 ，只有在ACK=1時(shí)確認(rèn)號(hào)字段才有意義。

TCP為每一個(gè)連接設(shè)有一個(gè)持續(xù)計(jì)時(shí)器(persistence timer)。只要TCP連接的一方收到對(duì)方的零窗口通知，就啟動(dòng)持續(xù)計(jì)時(shí)器。若持續(xù)計(jì)時(shí)器設(shè)置的時(shí)間到期，就發(fā)送一個(gè)零窗口控測(cè)報(bào)文段（攜1字節(jié)的數(shù)據(jù)），那么收到這個(gè)報(bào)文段的一方就重新設(shè)置持續(xù)計(jì)時(shí)器。

十、TCP擁塞控制

發(fā)送方維持一個(gè)擁塞窗口 cwnd ( congestion window )的狀態(tài)變量。擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動(dòng)態(tài)地在變化。發(fā)送方讓自己的發(fā)送窗口等于擁塞窗口。

發(fā)送方控制擁塞窗口的原則是：只要網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些，以便把更多的分組發(fā)送出去。但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。

慢開(kāi)始算法：

當(dāng)主機(jī)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果立即所大量數(shù)據(jù)字節(jié)注入到網(wǎng)絡(luò)，那么就有可能引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，因?yàn)楝F(xiàn)在并不清楚網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷情況。因此，較好的方法是 先探測(cè)一下，即由小到大逐漸增大發(fā)送窗口，也就是說(shuō)，由小到大逐漸增大擁塞窗口數(shù)值。

通常在剛剛開(kāi)始發(fā)送報(bào)文段時(shí)，先把擁塞窗口 cwnd 設(shè)置為一個(gè)最大報(bào)文段MSS的數(shù)值。而在每收到一個(gè)對(duì)新的報(bào)文段的確認(rèn)后，把擁塞窗口增加至多一個(gè)MSS的數(shù)值。用這樣的方法逐步增大發(fā)送方的擁塞窗口 cwnd ，可以使分組注入到網(wǎng)絡(luò)的速率更加合理。

每經(jīng)過(guò)一個(gè)傳輸輪次，擁塞窗口 cwnd 就加倍。一個(gè)傳輸輪次所經(jīng)歷的時(shí)間其實(shí)就是往返時(shí)間RTT。不過(guò)“傳輸輪次”更加強(qiáng)調(diào)：把擁塞窗口cwnd所允許發(fā)送的報(bào)文段都連續(xù)發(fā)送出去，并收到了對(duì)已發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)的確認(rèn)。

另，慢開(kāi)始的“慢”并不是指cwnd的增長(zhǎng)速率慢，而是指在TCP開(kāi)始發(fā)送報(bào)文段時(shí)先設(shè)置cwnd=1，使得發(fā)送方在開(kāi)始時(shí)只發(fā)送一個(gè)報(bào)文段（目的是試探一下網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況），然后再逐漸增大cwnd。

為了防止擁塞窗口cwnd增長(zhǎng)過(guò)大引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，還需要設(shè)置一個(gè)慢開(kāi)始門限ssthresh狀態(tài)變量。慢開(kāi)始門限ssthresh的用法如下：

• 當(dāng) cwnd < ssthresh 時(shí)，使用上述的慢開(kāi)始算法。

• 當(dāng) cwnd > ssthresh 時(shí)，停止使用慢開(kāi)始算法而改用擁塞避免算法。

• 當(dāng) cwnd = ssthresh 時(shí)，既可使用慢開(kāi)始算法，也可使用擁塞控制避免算法。擁塞避免

擁塞避免

讓擁塞窗口cwnd緩慢地增大，即每經(jīng)過(guò)一個(gè)往返時(shí)間RTT就把發(fā)送方的擁塞窗口cwnd加1，而不是加倍。這樣擁塞窗口cwnd按線性規(guī)律緩慢增長(zhǎng)，比慢開(kāi)始算法的擁塞窗口增長(zhǎng)速率緩慢得多。

無(wú)論在慢開(kāi)始階段還是在擁塞避免階段，只要發(fā)送方判斷網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞（其根據(jù)就是沒(méi)有收到確認(rèn)），就要把慢開(kāi)始門限ssthresh設(shè)置為出現(xiàn)擁塞時(shí)的發(fā)送 方窗口值的一半（但不能小于2）。然后把擁塞窗口cwnd重新設(shè)置為1，執(zhí)行慢開(kāi)始算法。

這樣做的目的就是要迅速減少主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，使得發(fā)生 擁塞的路由器有足夠時(shí)間把隊(duì)列中積壓的分組處理完畢。

如下圖，用具體數(shù)值說(shuō)明了上述擁塞控制的過(guò)程。現(xiàn)在發(fā)送窗口的大小和擁塞窗口一樣大。

2.快重傳和快恢復(fù)

快重傳

快重傳算法首先要求接收方每收到一個(gè)失序的報(bào)文段后就立即發(fā)出重復(fù)確認(rèn)（為的是使發(fā)送方及早知道有報(bào)文段沒(méi)有到達(dá)對(duì)方）而不要等到自己發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行捎帶確認(rèn)。

接收方收到了M1和M2后都分別發(fā)出了確認(rèn)?，F(xiàn)在假定接收方?jīng)]有收到M3但接著收到了M4。

顯然，接收方不能確認(rèn)M4，因?yàn)镸4是收到的失序報(bào)文段。根據(jù) 可靠傳輸原理，接收方可以什么都不做，也可以在適當(dāng)時(shí)機(jī)發(fā)送一次對(duì)M2的確認(rèn)。

但按照快重傳算法的規(guī)定，接收方應(yīng)及時(shí)發(fā)送對(duì)M2的重復(fù)確認(rèn)，這樣做可以讓 發(fā)送方及早知道報(bào)文段M3沒(méi)有到達(dá)接收方。發(fā)送方接著發(fā)送了M5和M6。接收方收到這兩個(gè)報(bào)文后，也還要再次發(fā)出對(duì)M2的重復(fù)確認(rèn)。這樣，發(fā)送方共收到了 接收方的四個(gè)對(duì)M2的確認(rèn)，其中后三個(gè)都是重復(fù)確認(rèn)。

快重傳算法還規(guī)定，發(fā)送方只要一連收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)就應(yīng)當(dāng)立即重傳對(duì)方尚未收到的報(bào)文段M3，而不必 繼續(xù)等待M3設(shè)置的重傳計(jì)時(shí)器到期。

由于發(fā)送方盡早重傳未被確認(rèn)的報(bào)文段，因此采用快重傳后可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高約20%。

快恢復(fù)

• 當(dāng)發(fā)送方連續(xù)收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)，就執(zhí)行“乘法減小”算法，把慢開(kāi)始門限ssthresh減半。
• 與慢開(kāi)始不同之處是現(xiàn)在不執(zhí)行慢開(kāi)始算法（即擁塞窗口cwnd現(xiàn)在不設(shè)置為1），而是把cwnd值設(shè)置為 慢開(kāi)始門限ssthresh減半后的數(shù)值，然后開(kāi)始執(zhí)行擁塞避免算法（“加法增大”），使擁塞窗口緩慢地線性增大。