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基礎(chǔ)知識部分 1、TCP/IP協(xié)議的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型TCP/IP是由一系列協(xié)議組成的協(xié)議組，其名字是由這些協(xié)議的兩個(gè)協(xié)議組成的，即傳輸控制協(xié)議(Transmision Control Protocol——TCP)和網(wǎng)間協(xié)議(Internet Protocol——IP)。TCP/IP與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO指定的開放系統(tǒng)互連參考模型OSI相類似，TCP/IP也采用層次化結(jié)構(gòu)，共分四層，如圖1-2-1所示：
圖1-2-1 傳輸層：提供應(yīng)用程序端到端的通信。主要包括TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）協(xié)議。 傳輸層的主要功能為： 格式化信息流，提供可靠傳輸。傳輸層采用接受確認(rèn)、出錯(cuò)重發(fā)的通信機(jī)制。每一個(gè)分組中都帶有校驗(yàn)和接收端以次來校驗(yàn)接收分組的正確性。 不同應(yīng)用程序間的識別。為了區(qū)別不同的應(yīng)用程序，傳輸層在每個(gè)分組總增加識別信源和信宿應(yīng)用程序的信息。不同的應(yīng)用程序具有不同的端口編號。 網(wǎng)間網(wǎng)層：負(fù)責(zé)相鄰計(jì)算機(jī)之間的通信。它負(fù)責(zé)向傳輸層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報(bào)，屏蔽各種物理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)格式的差別。網(wǎng)間網(wǎng)層協(xié)議包括IP、ICMP、ARP、RARP等。網(wǎng)間網(wǎng)層的主要功能如下： 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。接收來自傳輸層的呼叫請求，將呼叫請求分組裝入IP數(shù)據(jù)報(bào)，填充報(bào)頭，選擇去往目的地址的路徑，然后將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)端口； IP地址功能 尋址。接收來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)，檢查其合法性，然后尋找路由——如果數(shù)據(jù)報(bào)已到達(dá)目的地（本機(jī)），則曲調(diào)報(bào)頭，將剩下的分組交給傳輸層上適當(dāng)?shù)膫鬏攨f(xié)議；如果該數(shù)據(jù)報(bào)還未到達(dá)目的地，則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報(bào)。 尋徑。 處理ICMP報(bào)文，“Internet Control Message Protocol”（Internet控制消息協(xié)議）的縮寫，處理路徑、控制、擁塞等問題。控制消息是指網(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。我們在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常會使用到ICMP協(xié)議，只不過我們覺察不到而已。比如我們經(jīng)常使用的用于檢查網(wǎng)絡(luò)通不通的Ping命令，這個(gè)“Ping”的過程實(shí)際上就是ICMP協(xié)議工作的過程。還有其他的網(wǎng)絡(luò)命令如跟蹤路由的Tracert命令也是基于ICMP協(xié)議的。 網(wǎng)絡(luò)接口層：負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)報(bào)，通過網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)送，或者從網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽出IP數(shù)據(jù)報(bào)，交給IP層。 TCP/IP協(xié)議的組成 TCP/IP協(xié)議是由一組龐大的協(xié)議群組成，其中常用的協(xié)議及其所在的層次說明如下。 (一)、地址解析協(xié)議ARP/RARP ARP實(shí)現(xiàn)IP地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，RARP實(shí)現(xiàn)物理地址到IP地址的轉(zhuǎn)換。他們起著屏蔽物理地址的重要作用。物理地址，即為通常所說的MAC地址。MAC地址長48位（12個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字），IEEE定義了前6個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字表示制造商，后6個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字表示接口數(shù)或其他有用信息。末端設(shè)備一般只有一個(gè)MAC地址。Router和其它連網(wǎng)設(shè)備通常有多個(gè)MAC地址。 (二)、網(wǎng)間互連協(xié)議IP IP協(xié)議是INTERNET網(wǎng)上最重要的協(xié)議軟件之一。它詳細(xì)規(guī)定了INTERNET網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)則。IP負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)上傳誦由TCP或UDP生成的數(shù)據(jù)段。IP協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備使用統(tǒng)一的網(wǎng)間網(wǎng)地址，即IP地址，并且根據(jù)IP地址確定路由和目的主機(jī)。 IP是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（第三層），它包括地址訪問信息和路由數(shù)據(jù)包的控制信息。RFC791中有IP的詳細(xì)說明，IP是Internet協(xié)議簇中的主要網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，它與傳輸控制協(xié)議（TCP）一起，代表了Internet協(xié)議的核心。IP有兩個(gè)主要功能，一是提供通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的無連接和最有效的數(shù)據(jù)報(bào)分發(fā)；二是提供數(shù)據(jù)的分組和重組，以支持最大傳輸單元（MTU）不同的數(shù)據(jù)鏈路。 IP數(shù)據(jù)包格式 IP數(shù)據(jù)包格式如下圖所示。下面對圖中的IP數(shù)據(jù)包格式做幾點(diǎn)說明： 版本：標(biāo)識現(xiàn)在使用的IP版本。 IP報(bào)頭長度（IHL）：在一個(gè)32位的字節(jié)中指示數(shù)據(jù)報(bào)頭的長度。 服務(wù)類型：指定高層協(xié)議希望處理的當(dāng)前數(shù)據(jù)報(bào)的方式，并設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)的重要性級別。 總長度：指定整個(gè)IP數(shù)據(jù)包以字節(jié)計(jì)數(shù)的長度，包括數(shù)據(jù)和報(bào)頭。 標(biāo)識：包含標(biāo)識當(dāng)前數(shù)據(jù)報(bào)的整型值，該域可幫助將數(shù)據(jù)報(bào)組合在一起。 標(biāo)志：由一個(gè)3位的域構(gòu)成，其中兩個(gè)低位（權(quán)值最小）控制分段，最低位標(biāo)識數(shù)據(jù)包是否可被分段，中間位標(biāo)識該數(shù)據(jù)包是否是一系列數(shù)據(jù)包中的最后一個(gè)。第三位或最高位沒有使用。 段位移：指示該段中的數(shù)據(jù)相對于原始數(shù)據(jù)報(bào)中數(shù)據(jù)起點(diǎn)的位置，以便目的地IP進(jìn)程可以正確地重組原始數(shù)據(jù)報(bào)。 生命期：維護(hù)一個(gè)逐步減小到0的計(jì)數(shù)器，0時(shí)丟棄數(shù)據(jù)報(bào)。這樣可以防止數(shù)據(jù)包無休止地循環(huán)。 協(xié)議：指示當(dāng)IP進(jìn)程結(jié)束后，哪一個(gè)高層協(xié)議接收收到的數(shù)據(jù)包。 頭校驗(yàn)和：幫助保證IP頭的完整性。 源地址：標(biāo)識發(fā)送節(jié)點(diǎn)。 目的地址：標(biāo)識接收節(jié)點(diǎn)。 選項(xiàng)：允許IP支持多種選項(xiàng)，如安全。
(四)、傳輸控制協(xié)議TCP TCP的目的是保證可靠數(shù)據(jù)傳輸，提供無差錯(cuò)的通信服務(wù)。它把從上層應(yīng)用程序傳來的數(shù)據(jù)裝配成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)報(bào)，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。TCP是一種可靠的、面向連接的協(xié)議，并可以實(shí)現(xiàn)流控和差錯(cuò)控制。TCP提供的可靠性是利用一種稱為“重傳肯定確認(rèn)(PAR）”機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。TCP是面向連接的，它在兩個(gè)通信主機(jī)之間建立一個(gè)邏輯的端對端連接，通過握手來實(shí)現(xiàn)。TCP的流控是通過窗口來實(shí)現(xiàn)。 TCP提供IP環(huán)境下的數(shù)據(jù)可靠傳輸。TCP對應(yīng)OSI參考模型的傳輸層（第四層）。TCP提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)流傳送、可靠性、有效流控、全雙工操作和多路復(fù)用。 使用數(shù)據(jù)流傳送，TCP發(fā)送以序列號標(biāo)識的非結(jié)構(gòu)化比特流。這種服務(wù)給應(yīng)用帶來了便利，因?yàn)樗鼈儾槐卦趯?shù)據(jù)傳給TCP之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊。TCP將它們分組，并傳給IP發(fā)送。 通過面向連接、端到端和可靠的數(shù)據(jù)包發(fā)送，TCP提供互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?。TCP通過使用轉(zhuǎn)發(fā)確認(rèn)號對字節(jié)排序來實(shí)現(xiàn)可靠性，確認(rèn)號將源節(jié)點(diǎn)希望接收的下一個(gè)字節(jié)指示給目的節(jié)點(diǎn)。在一段指定時(shí)間內(nèi)，沒有確認(rèn)的字節(jié)將重新發(fā)磅。TCP的可靠性機(jī)制允許設(shè)備處理丟失、延遲、重復(fù)或錯(cuò)讀數(shù)據(jù)包。超時(shí)機(jī)制允許設(shè)備檢測丟失的數(shù)據(jù)包并請求重新傳輸。 TCP提供有效的流控，這表示當(dāng)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)時(shí)，接收TCP進(jìn)程指示它們可以接收而不會引起其內(nèi)部緩沖區(qū)溢出的最高序列號。 全雙工操作表示TCP進(jìn)程可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。 最后，TCP的多路復(fù)用表示大量高層對話可以同時(shí)通過一個(gè)單獨(dú)的連接發(fā)送出去。 建立TCP連接： 為了使用可靠的傳輸服務(wù)，TCP主機(jī)之間必須建立面向連接的會話。連接是通過使用“三路握手”機(jī)制建立的。 通過使兩邊使用相同的起始序列號，三路握手機(jī)制可同步一個(gè)連接的兩端。這個(gè)機(jī)制也保證兩邊都為傳輸數(shù)據(jù)作好準(zhǔn)備，并知道另一邊已準(zhǔn)備好要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這樣，在會話建立期間和會話結(jié)束后，數(shù)據(jù)包都不會被傳送或重新傳送。 每個(gè)主機(jī)都隨機(jī)選擇一個(gè)序列號，并用它跟蹤正在發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)流中的字節(jié)。然后，三路握手進(jìn)行下面的動作： 第一個(gè)主機(jī)（主機(jī)A）通過發(fā)送一個(gè)請求連接數(shù)據(jù)包初始化連接，該數(shù)據(jù)包帶有初始序列號（X）和SYN位組。第二個(gè)主機(jī)（主機(jī)B）接收SYN，記錄序列號X，并通過確認(rèn)SYN（使用一個(gè)ACK=X+1）來應(yīng)答。主機(jī)B含有其自己的初始化序列號（SEQ=Y）。SYN=20表示主機(jī)已經(jīng)收到了0 – 19字節(jié)，希望接收字節(jié)20。這個(gè)技術(shù)叫作前向確認(rèn)。然后，主機(jī)A通過前向確認(rèn)，指示主機(jī)A希望接收的下一個(gè)字節(jié)（ACK=Y+1），并確認(rèn)主機(jī)B發(fā)送的所有字節(jié)。 我們來看看這三次對話的簡單過程：主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)出連接請求數(shù)據(jù)包：“我想給你發(fā)數(shù)據(jù)，可以嗎？”，這是第一次對話；主機(jī)B向主機(jī)A發(fā)送同意連接和要求同步（同步就是兩臺主機(jī)一個(gè)在發(fā)送，一個(gè)在接收，協(xié)調(diào)工作）的數(shù)據(jù)包：“可以，你什么時(shí)候發(fā)？”，這是第二次對話；主機(jī)A再發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包確認(rèn)主機(jī)B的要求同步：“我現(xiàn)在就發(fā)，你接著吧！”，這是第三次對話。三次“對話”的目的是使數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收同步，經(jīng)過三次“對話”之后，主機(jī)A才向主機(jī)B正式發(fā)送數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)傳輸開始。 確認(rèn)和重傳輸（PAR）： 一個(gè)簡單的傳輸協(xié)議可能會提供可靠的流控技術(shù)，使用該技術(shù)，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，啟動定時(shí)器，然后在發(fā)送新的數(shù)據(jù)包之前等待一個(gè)確認(rèn)消息。如果在定時(shí)器歸0之前還沒有收到確認(rèn)消息，源節(jié)點(diǎn)就重新傳輸該數(shù)據(jù)包。這種技術(shù)就叫確認(rèn)和重傳輸。 通過給每個(gè)數(shù)據(jù)包設(shè)備一個(gè)序列號，主機(jī)可用PAR跟蹤丟失或重復(fù)的數(shù)據(jù)包。重復(fù)數(shù)據(jù)包可能是因網(wǎng)絡(luò)延時(shí)而過早重傳輸引起的。該序列號在確認(rèn)消息中發(fā)回，因此可被跟蹤。 PAR是對帶寬的一種低效使用方法，因?yàn)橹鳈C(jī)在發(fā)送一個(gè)新的數(shù)據(jù)包之前，必須等待一個(gè)確認(rèn)消息，并且在同一時(shí)間只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包。 TCP滑行窗口： 與PAR相比，TCP滑行窗口提供了對網(wǎng)絡(luò)帶寬更有效的使用方法，它使主機(jī)在等待一個(gè)確認(rèn)消息的同時(shí)，可以發(fā)送多個(gè)字節(jié)組或數(shù)據(jù)包。 在TCP中，接收者在每個(gè)數(shù)據(jù)包中指定當(dāng)前窗口大小。因?yàn)門CP提供面向比特流的連接，窗口大小以字節(jié)數(shù)表示。這意味著窗口就是發(fā)送者在等待確認(rèn)消息的同時(shí)可發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。在連接建立階段即可指定初始窗口大小，但它隨著發(fā)送數(shù)據(jù)變化，以提供流控，例如一個(gè)0大小的窗口表示“沒有數(shù)據(jù)發(fā)送”。 在TCP滑行窗口操作中，發(fā)送者有一系列字節(jié)（序列號為1到10）要發(fā)送給接收者，而接收者的滑行窗口大小為5。那么發(fā)送者將圍繞前五個(gè)字節(jié)設(shè)置一個(gè)窗口，并將它們同時(shí)發(fā)送。然后等待一個(gè)確認(rèn)消息。 接收者會使用ACK=6響應(yīng)，指示它已經(jīng)接收到節(jié)字1 – 5，正等待第6個(gè)字節(jié)。同樣，接收者將指示窗口大小為5。發(fā)送者將滑行窗口向右移動5個(gè)字節(jié)，發(fā)磅字節(jié)6 – 10。接收者使用ACK=11響應(yīng)，指示它們期望接收序列號為11的字節(jié)。在這個(gè)數(shù)據(jù)包中，接收者可能指示其窗口大小為0（如果其內(nèi)部緩沖區(qū)已滿）。這時(shí)，發(fā)送者就不能再發(fā)送任何字節(jié)，直到接收者發(fā)送另一數(shù)據(jù)包，其中的窗口大小比0大。 TCP數(shù)據(jù)包格式： 下圖給出了一個(gè)TCP數(shù)據(jù)包的基本格式。 32位
TCP數(shù)據(jù)包的基本格式 下面對圖所示的TCP數(shù)據(jù)包基本格式做幾點(diǎn)說明： 源端口和目的端口：標(biāo)識高層源和目的進(jìn)程接受TCP服務(wù)的點(diǎn)。 序列號：通常指當(dāng)前消息中的數(shù)據(jù)第一個(gè)字節(jié)中設(shè)置的數(shù)值。在連接建立階段，這個(gè)域也用于標(biāo)識在要進(jìn)行的傳輸中使用的初始化序列號。 確認(rèn)號：包含數(shù)據(jù)包的發(fā)送者希望接收的數(shù)據(jù)中的下一個(gè)字節(jié)的序列號。 數(shù)據(jù)偏移：指向TCP頭中的一個(gè)32位的數(shù)值。 保留：用于將來使用。 標(biāo)志：攜帶各種控制信息，包括用于建立連接的SYN和ACK位及用于結(jié)束連接的FIN位。 窗口：指定發(fā)送者的接收窗口大小（也就是可用于接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)空間）。 校驗(yàn)和：指示頭在傳輸是否被破壞。 緊急指針：指向數(shù)據(jù)包中的第一個(gè)緊急數(shù)據(jù)字節(jié)。 選項(xiàng)：指定TCP的各種選項(xiàng)。 數(shù)據(jù)：包含上層信息。 IP地址結(jié)構(gòu)與表示 |
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