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TCP/IP协议介绍

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tcp/ip 四层模型,从上到下依次是应用层,传输层,网络层,网络接口层(数据链路层)
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1. 请求行:
请求行包括请求方法、URL、协议版本,它们之间用空格分隔(所以我们输入的 URL 是不允许带有空格),且都不定长度。
请求方法:常用的 POST (将表单数据存入请求体里面,多数用于上传数据),GET(将请求参数都放置在 URL+? 后,参数之间用 & 连接,用于获取数据),HEAD (服务端只返回响应头,所以处理响应速度快,用于检测请求是否可用)。

2. 请求头
每一行以键值对的形式写入,键值间用 :分割,多个值之间以 ;分割,每行以回车符换行符结束。常见的键有:User-Agent:产生请求的浏览器类型;Accept:客户端可识别的内容类型列表;Host:请求的主机名,允许多个域名同处一个 IP 地址;Range:指定请求实体的一个或者多个子范围,采用多线程下载时可以设置该键。要注意请求头与请求体间有一个空行,它表示通知服务端没有更多请求头了,下面的都是请求体。

3. 请求体
请求数据不在 GET 方法中使用,而是在 POST 方法中使用,POST 方法适用于需要客户填写表单的场合。
http协议响应格式:

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1. 状态行:
状态行包括协议版本,状态码,状态码描述,常见的一个状态行的例子是(HTTP/1.1 200 OK),其中 200 表示请求正常状态码中的第一个数字定义了相应的类别,第一个数字可以取如下所示的 5 个不同的值之一,含义如下。
1XX:信息响应类,表示接收到请求并且继续处理。
2XX:请求处理成功的响应类,表示请求被成功接收和处理,如 HTTP 200 (表示一切正常)。
3XX:重定向响应类,为了完成指定的请求动作,必须接受进一步的请求处理。
4XX:客户端错误,客户请求包含语法错误或者不能正确执行,如 HTTP 400 (表示请求无效)。
5XX:服务端错误,服务器不能正常执行一个正确的 HTTP 请求,如 HTTP 500 (服务器内部出现错误)。

2. 响应头:
与请求头类似,通过键值对的形式向客户端传递关键消息,常见的有:Content-Type:用于向接收方指示实体的介质类型;Content-Range:用于向接收方指示实体的传送范围;Content-Length:用于向接收方指示实体的传送长度;Date:传送系统的日期与时间。

3. 响应体:
服务端真正返回的文本数据,如果客户端请求一个网页的话,该数据段将填充请求的 html 文本。
tcp数据帧格式:

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TCP(Transmission Control Protocol) 即传输控制协议,是一种面向连接的(需通过三次握手来建立 TCP 连接,在主机间建立会话)、可靠的(TCP 通过确认和按顺序传递来确保数据的传递)、基于字节流的传输层通信协议,但 TCP 传输比较慢,开销略高,并且只支持点对点通信。当应用层向 TCP 层发送用于网间传输的 8 字节表示的数据流,TCP 则把数据流分割成适当长度的报文段,最大传输段大小(MSS)通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元(MTU)限制,之后 TCP 把数据包传给 IP 层,由它来通过网络将包传送给接收端实体的 TCP 层。

/*TCP 头定义,共 20 个字节*/
typedef struct_TCP_HEADER
{
    short m_sSourPort;                  //源端口号 16 bit
    short m_sDestPort;                  //目的端口号 16 bit
    unsigned int m_uiSeqNum;            //序列号 32 bit
    unsigned int m_uiAcknowledgeNum;    //确认号 32 bit
    short m_sHeaderLenAndFlag;          //前4位:TCP 头长度;中6位:保留;后6位:标志位
    short m_sWindowSize;                //窗口大小 16 bit
    short m_sCheckSum;                  //校验和 16 bit
    short m_surgentPointer;             //紧急数据偏移量 16 bit
}__attribute__((packed))TCP_HEADER,*PTCP_HEADER;
源端口:2 个字节,是一个大于 1023 的 16 位数字,由基于 TCP 应用程序的用户进程随机选择。

目的端口:2 个字节,指明接收者所用的端口号,一般由应用程序来指定。

顺序号:4 个字节,用来标识从 TCP 源端向 TCP 目的端发送的数据字节流,它表示在这个报文段中的第一个数据字节的顺序号。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动,则 TCP 用顺序号对每个字节进行计数,序号是 32 bit 的无符号数,序号达到 2^32-1 后又从 0 开始。比如我们收到一个数据报中 sq(顺序号) =0,数据报内容为 20 字节,那么下一个数据报的 sq 就应该是 21。当建立一个新的连接时,SYN 标志变为 1,顺序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始顺序号 ISN。

确认序号:4 个字节,包含发送确认的一端所期待收到的下一个顺序号。因此,确认序号应该是上次已经成功收到数据字节顺序号加 1 。比如我们收到的一个数据报的 sq = 0 ,数据报内容为 20 字节,那么我们的 ack(确认序号) 应该是 21 ,用来表明 sq=0 ,内容为 20 字节的数据报已经收到,接下来期望收到的是 sq=21 的数据报。只有 ACK 标志为 1 时确认序号字段才有效。

报文长度:4 位,给出报头中 32 bit 字的数目,需要这个值是因为任选字段的长度是可变的,这个字段占 4 bit,即 TCP 最多有 60 (15*4) 字节的首部。

保留区:6 位,保留给将来使用,目前必须置为 0 。

控制位:6位,控制位包括

URG:为 1 表示紧急指针有效,为 0 则忽略紧急指针值。

ACK:为 1 表示确认号有效,为 0 表示报文中不包含确认信息,忽略确认号字段。

PSH:为 1 表示是带有 PUSH 标志的数据,表示发送端缓存中已经没有待发送的数据,指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层而不用等待缓冲区装满。

RST:用于复位由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。它还可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。一般情况下,如果收到一个 RST 为 1 的报文,那么一定发生了某些问题。

SYN:同步序号,为 1 表示连接请求,用于建立连接和使顺序号同步。

FIN:用于释放连接,为 1 表示发送方已经没有数据发送了,即关闭本方数据流。

窗口大小:2 个字节,表示从确认号开始,本报文的源方可以接收的字节数,即源方接收窗口的大小。窗口大小是一个 16 bit 字段,因而窗口大小最大为  2^16-1 。

校验和:2 个字节,对整个的 TCP 报文段(包括 TCP 头部和 TCP 数据以及伪报文头)进行校验和计算。这是一个强制性的字段,要求由发送方计算和存储,并由接收端进行验证(接收端要与发送端数值结果完全一样,才能证明数据是有效的)。

紧急指针:2 个字节,是一个正的偏移量,和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式,只有当 URG 标志置为 1 时紧急指针才有效。

选项:n*4 字节,常见的可选字段是最长报文大小 MSS(Maximum Segment Size)。每个连接方通常都在通信的第一个报文段 (为建立连接而设置 SYN 标志的那个段) 中指明这个选项,它指明本端所能接收的最大长度的报文段。选项长度不一定是 32 位字的整数倍,所以需要添加填充位,使得报文长度为 32 位字的整数倍。

数据:不定长度,为上层协议封装好的数据。

TCP滑动窗口

发送窗口内的字节都允许被发送,接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认,那么就将发送窗口向右滑动一定距离,直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态;接收窗口的滑动类似,接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机,就向右滑动接收窗口。

接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认,例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35},其中 {31} 按序到达,而 {34, 35} 就不是,因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后,就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

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TCP流量控制与拥塞控制

TCP的流量控制是利用滑动窗口机制实现的,主要控制发送方的发送速率,保证接收方来得及接收。接收方在返回的数据中会包含自己的接收窗口的大小,以控制发送方的数据发送。拥塞控制:拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中,这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。

接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小,从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0,则发送方不能发送数据。

实际上,为了避免此问题的产生,发送端主机会时不时的发送一个叫做窗口探测的数据段,此数据段仅包含一个字节来获取最新的窗口大小信息。

两者的区别:流量控制是为了预防拥塞。如:在马路上行车,交警跟红绿灯是流量控制,当发生拥塞时,如何进行疏散,是拥塞控制。流量控制指点对点通信量的控制。而拥塞控制是全局性的,涉及到所有的主机和降低网络性能的因素。

拥塞解决的两种方法:

发送方控制拥塞窗口的原则是:只要网络没有出现拥塞,拥塞窗口就再增大一些,以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞,拥塞窗口就减小一些,以减少注入到网络中的分组数。

发送方需要维护一个叫做拥塞窗口(cwnd)的状态变量,注意拥塞窗口与发送方窗口的区别:拥塞窗口只是一个状态变量,实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

慢开始+拥塞避免

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UDP(User Datagram Protocol) 即用户数据报协议,在网络中它与 TCP 协议一样用于处理数据包,是一种不可靠(服务不用确认、不对报文排序、不进行流量控制,可能会出现丢失、重复、失序现象)、无连接(在主机间不建立会话)的协议,在 OSI 模型中的第四层--传输层,处于 IP 协议的上一层。由于 UDP 传输不是可靠性服务,所以帧结构较为简单,而且处理与发送速率高,开销要求低,支持点对点和一点对多点的通信,经常用作音频、视频和普通数据的传输协议,因为它们即使偶尔丢失一两个数据包,也不会对接收结果产生太大影响。

/*UDP 头定义,共 8 个字节*/
typedef struct_UDP_HEADER
{
    unsigned short m_usSourPort;     //源端口号 16 bit
    unsigned short m_usDestPort;     //目的端口号 16 bit
    unsigned short m_usLength;      //数据包长度 16 bit
    unsigned short m_usCheckSum;    //校验和 16 bit
}__attribute__((packed))UDP_HEADER,*PUDP_HEADER;
源端口:16 bit (2 个字节),是一个大于 1023 的 16 位数字,由基于 UDP 应用程序的用户进程随机选择。

目的端口:16 bit (2 个字节),指明接收者所用的端口号,一般由应用程序来指定。

数据长度:16 bit (2 个字节),标明 UDP 头部和 UDP 数据的总字节长度。

校验和字段:16 bit (2 个字节),用来对 UDP 头部和 UDP 数据进行校验。与 TCP 不同的是,此字段是可选项,而 TCP 数据段中必须包含校验和字段。

数据:不定长度,为上层协议封装好的数据。

IP数据帧格式:

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IP 协议是 TCP/IP 协议族中最为核心的协议,它提供不可靠的、无连接的服务,也即依赖其他层的协议进行差错控制。在局域网中,IP 协议往往被封装在以太网帧中传送,而所有的 TCP、UDP、ICMP、IGMP 数据都被封装在 IP 数据报中传送。

/*IP 头定义,共 20 个字节*/
typedef struct _IP_HEADER
{
    char m_cVersionAndHeaderLen;    //前4位:版本信息;后4位:头长度
    char m_cTypeOfService;          //服务类型 8 位
    short m_sTotalLenOfPacket;      //数据包长度
    short m_sPacketID;              //数据包标识
    short m_sSliceinfo;             //分片使用
    char m_cTTL;                    //存活时间
    char m_cTypeOfProtocol;         //协议类型
    short m_sCheckSum;              //校验和
    unsigned int m_uiSourIp;        //源IP
    unsigned int m_uiDestIp;        //目的IP
}__attribute__((packed))IP_HEADER,*PIP_HEADER;
版本:4 位,用来表明 IP 协议实现的版本号,当前一般为 IPv4,即 0100,IPv6 的为 0110,这个字段确保可能运行不同 IP 版本的设备之间的兼容性。

首部长度:即报头长度,4 位,以 32 bit 的字来定义 IP 首部的长度,包括可选项。若该字段的最小值是 5 (标准头部长度),即 5*32=160 比特 =20 字节,此字段最大值为15 (有扩展部分),即15*32 =480 比特 = 60 字节。

服务类型:8位,用于携带提供服务质量特征信息的字段,服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。其中前 3 比特位优先权子字段(Precedence,现已被忽略,各种终端都不采用)。第 8 比特保留未用。第 4 至第 7 比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费,当它们取值为 1 时分别代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小花费,这 4 比特的服务类型中只能置其中 1 比特为 1,可以全为 0 ,若全为 0 则表示一般服务,大多数情况下该服务类型会被忽略。

总长度:16 位,指明整个数据报的长度,按字节计算,最大长度为 2^16 字节。

标识:16 位,用来唯一标识主机发送的每一份数据报,IP 软件会在存储器中维持一个计数器,每产生一个数据段,计数器就加 1,并将此值赋给标志字段。但这个“标识”并不是序号,因为 IP 是无连接服务,数据报不存在按序接收问题,如数据报由于超过网络的 MTU (最大传送单元) 而必须分片时,这个标志字段的值就会被复制到所有的数据报的标识字段中,相同的标识字段的值使分片后各数据报片能正确的重装成为原来的数据报。

标志:3 位,分别是 RF、DF、 MF,目前只有 DF,MF 有效,DF(don't fragment),置为 0 时表示可以分段,置为 1 时是不能被分段,MF(more fragment),置为 0 时表示该数据段为最后一个数据段,置为 1 时表示后面还有被分割分段。

段偏移量:13 位,指出较长的分组在分段后,某段在原分组的相对位置。也就是说相对用户字段的起点,该片从何处开始。段偏移以 8 个字节(有 3 位被 flags 占据)为偏移单位,这就是每个分片的长度一定是 8 字节 (64位) 的整数倍。

生存期:8 位,用来设置数据报最多可以经过的路由器数,由发送数据的源主机设置,通常为 32、64、128等,每经过一个路由器,其值减 1 ,直到 0 该数据报被丢弃。

协议:8 位,指明 ip 数据字段中的数据采用上层什么协议封装的,常见的有 ICMP(1)、IGMP(2)、TCP(6)、UDP(17)

首部校验和:16位,填充根据 ip 头部计算得到的校验和码。计算方法是:对头部中每个 16 比特进行二进制反码求和,但不含涉及头部后的数据字段。

源 IP 地址:源 ip 地址,32 位。

目的 IP 地址:目标 ip 地址,32 位。

选项:n*32 位,用来定义一些可选项:如记录路径、时间戳等,但这些选项很少被使用,同时并不是所有主机和路由器都支持这些选项。可选字段的长度必须是 32 比特的整数倍,如果不足,必须填充 0 以达到此长度要求,根据 IHL(首部长度) 可以得到选项的长度。

数据:不定长度,但受限于数据报的最大长度 2^16 ,这是在数据报中要传输的数据,它是一个完整的较高层报文或报文的一个分片。

以太网帧格式:

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在数据链路层中,使用最多的就是以太网,而以太网帧因为历史原因存在多个版本,这里采用 IEEE 802.3 以太帧格式。

前导码:7 个字节,用于数据传输过程中的双方发送与接收的速率的同步。

SFD:帧开始符,1 个字节,用于标识一个以太网帧的开始。

目的 MAC 地址:6 个字节,指明帧的接收者。

源 MAC 地址:6 个字节,指明帧的发送者。

长度:2 个字节,指明该帧数据字段的长度,但不代表数据字段长度能够达到 2^16 字节。

类型:2 个字节,指明帧中数据的协议类型,比如常见的 IPv4 中的 ip 协议采用 0x0800。

数据与填充:46~1500 个字节,包含了上层协议传递下来的数据,如果加入数据字段后帧长度不够 64 字节,会在数据字段加入填充字段达到 64 字节。

校验和:4 个字节,对接收网卡(主要是检测数据与填充字段)提供判断是否传输错误的一种方法,如果发现错误,则丢弃此帧。目前最为流行的用于校验和(FCS)的算法是循环冗余校验(cyclic redundancy check -- CRC)。

CRC计算例子:
现假设选择的CRC生成多项式为G(x)=x^4+x^3+1,要求出二进制序列10110011的CRC校验码。下面是具体的计算过程:
①将多项式转化为二进制序列,由G(x)=x^4+x^3+1可知二进制一种有五位,第4位、第三位和第零位分别为1,则序列为11001
②多项式的位数位5,则在数据帧的后面加上5-1位0,数据帧变为101100110000,然后使用模2除法除以除数11001,得到余数。

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③将计算出来的CRC校验码添加在原始帧的后面,真正的数据帧为101100110100,再把这个数据帧发送到接收端。
④接收端收到数据帧后,模2除11001,验证余数是否为0,如果为0,则说明数据帧没有出错。



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