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有关网络协议的一些事

TCP/IP协议模型

五层及常用协议
应用层 HTTP、FTP、telnet、ssh
传输层 TCP、UDP
网络层 ICMP、IP、IGMP
数据链路层 ARP、RARP、CSMA/CA
物理层 802.11系列协议
端到端和点到点

应用层和传输层使用端到端协议，也就是说，应用关心的是一端到另一端的通信，比如A访问B的上的一个网站，那么端到端协议解决A和B怎么解析俩者之间的数据，而对这些数据怎么一步一步在A和B之间来回不关心，而网络层正好是解决这个问题，所以说网络层使用点到点协议，这里更为准确的说，A和B不是一台主机，而是主机上的一个进程，由于一台主机上一般会有多个进程，那么A发送的数据到B所在的主机上，为了能够正确的送给B，需要给B一个端口，让B接收到数据

端口号

一般会预留1~1023的端口是保留端口，是给超级用户的进程专门保留的。常见的默认端口 http 80，https 443，mysql 3306，FTP 20 21，Telnet 23，ssh 22，rsync 873，smtp 25，ldap 389，ntp 123

ipv4地址
A 0 7位网络号 24位主机号 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
B 1 0 14位网络号 16位主机号 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
C 1 1 0 21位网络号 8位主机号 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
D 1 1 1 0 28位多播组号 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
E 1 1 1 1 0 27位 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255
子网掩码和网段

ip地址网络号部分对应1，主机号部分对应0，转换后的结果就是子网掩码，所以B类地址对应的子网掩码就是255.255.0.0，其中某一个网段就是128.0.0.1/16,C类地址对应的子网掩码就是255.255.255.0,某一个网段192.168.0.1/24， 看俩个ip是否在同一个网段，将ip与对应的子网掩码按位AND，结果相同就表明这俩个ip在同一子网络，可以直接通信

ICMP

报文格式

不同类型和代码的报文有着不同的格式，但是前四个字节的格式是一致的。

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从上图可以看到，icmp报文分为查询报文和差错报文，对于差错报文，必须在报文数据部分先填充生成该差错报文的IP数据报的首部，包含选项部分，但是一般IP数据报都不包括选项部分，所以是20个字节，然后包括跟在首部的后面8个字节

PING

ping程序使用的icmp的回显请求和回显应答报文

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一般标识符是发送进程的id号。由于防火墙等保护措施的存在，主机之间可能无法进行端口之间的访问，但是icmp报文一般不会被屏蔽，其实也可以被屏蔽，那么就可以通过选项部分自定义数据格式，借助可正常通信第三方主机搭建icmp隧道。

IP网际协议

报文格式

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服务类型： 3bit优先权子字段，4bit服务类型子字段，1bit 0，其中4bit分别代表 最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用，但是多数的TCP/IP协议都不支持该选项，但仍有一些协议，比如OSPF能根据该值进行决策。
标识： 唯一标识主机发送的每一份数据报，当某一报文长度超过MTU时，将对这个报文进行分片，这些分片的标识字段是一样的，通过片偏移字段区分
标志：3ibt，第二位，1表示不分片，0表示分片，第三位，1标识还有更多的片，0表示这就是最后一片
TTL：可以经过的最多跳数
选项部分：由于不是所有的主机和路由器都支持，一般为空

选路

路由表

可以使用netstat -rn或者route -n查看路由表

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Flags UGHDM U该路由可以使用；G该路由是到一个网关，如果没有，说明与目的地址是直连；H该路由是一个主机，搜索路由表时，主机地址必须与目的地址完全匹配，网络地址只要匹配目的地址的网络号和子网号；D该路由是重定向报文连接的；M该路由已被重定向报文修改
RIP 选路信息协议

一句话总结，每个节点将自己的路由表定期发送给相邻的节点，节点在接收到相邻节点的路由表后，更新自己的路由表，问题是，当一个节点突然下线，就会导致需要过很长的时间，所有的路由表才能被通知到

OSPF 开放最短路径优先

路由器主动测试与邻站相连链路的状态，将这些信息发送给其他邻站。邻站将这些信息在自洽系统中传播出去，相对RIP的优势:

  • 直接使用IP报文，而不是UDP，在IP报文的格式中有自己的“协议”，
  • 对于到达一个节点有着相同费用的路径时，OSPF可以平均分配流量
  • 支持子网
  • 没有“坏消息”传递很慢的问题
  • … …
BGP 边界网关协议

TCP

可靠性

tcp是提供可靠的，面向连接的服务，如何保证可靠性？

  • 应用数据被分割为最适合发送的数据块
  • 发送出一个段后，讲启动一个定时器，如果没有及时收到一个确认，将重发这个报文段
  • 当接收到另一端的数据，将发送一个确认
  • 有着首部和数据的校验和，ip只有首部校验和
  • tcp会对分片的报文段重新排序
  • 有着流量控制

报文格式

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URG 紧急指针有效
ACK 确认序列号有效
PSH 接收放应尽快将这个报文交给应用层
RST 重建连接
SYN 同步序列号用来发起一个连接
FIN 发送端完成发送任务

三次握手和四次挥手

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为什么需要三次握手？

因为如果没有第三个报文段，那么接收连接的主机无法确认发起主机是否在线。

为什么要四次挥手？

接收端第一次发送报文是尽快响应，待接收端接收/发送完数据后，发送第二个报文告知发送端自己准备断开连接了；而发送端必须再在放FIN的ack，告知接收端自己确定断开连接了，

为什么发送端发送完FIN的ack后需要等到2MSL时间才关闭连接？

如果最后一个报文没有被接收端接收，那么接收端就会再发送一个FIN，所以不能立即关闭；如果时间少于2 MSL，那么新的五元组就会受到旧的报文段的干扰

Nagle算法

一个TCP连接上，最多只能有一个未被确认的未完成的小分组，在该分组的确认到达之前，不能发送其他的小分组。TCP收集这些小分组，并在确认到达之时，用同一个分组发送出去。

比如，在使用ssh连接远程主机的时候，在命令行里输入命令的时候，总是等待一行命令输入完毕，然后再发送。但是，使用图形界面连接远程主机的时候，鼠标的移动需要实时显示在本机图形界面上，这时就需要关闭nagle算法，比如，nginx配置中的tcp_nodelay on就是用于关闭nagle算法的。

粘包问题：在发送端开启Nagle算法后，那么应用层的数据可能不是完整的，某一个tcp包中的应用层数据前半段是一个完整数据段，后半段是一个数据段的前面部分，这样，在接受端接受到这个数据后，发送给应用层的数据无法被应用层正确处理，只能等待完整数据到齐;另外，如果接收方的应用层处理数据慢与接受速度，那么多个包就会被缓存，这样应用层就会读到多个首尾相连的包。发送关闭Nagle算法，或者接受方在应用程序在处理从缓存读来的分组时，读完一条数据时，就应该循环读下一条数据，直到所有的数据都被处理

滑动窗口

如果每发送一个报文段，都要等待接受端的确认，实在是低效，那么考虑发送多个数据等接受端一次性确认可以提高效率，但是就要考虑究竟发送几个数据才等待确认，发送的数据的顺序如何保证，这是滑动窗口所解决的问题。

发送端有一个发送窗口，接受端有一个接受窗口，发送端可以一直发送报文段，直到可用窗口大小为0,对于已发送但是未被确认的报文，将暂时缓存，预备超时重传，接受端只对按序到达的数据中最高序号发送确认报文，对于未按序接收到的报文，也是先缓存，等待按序的其他报文全部到达后再发送确认。

接受窗口的大小取决于应用、系统、硬件的限制，发送窗口的大小取决于接受窗口，接受端可以在确认报文中指明自己的接受窗口大小，从而控制发送端的发送速率，达到流量控制的效果。 avatar

拥塞窗口

滑动窗口只关心俩端发送和接受能力，但是实际发送时，如果只考虑接受端的性能，不断发送报文段，可能会导致网络拥塞,比如发现一个报文段超时了，那么说明此时的中间网络很拥挤，但是tcp的超时重传机制会让发送端重新发送这个报文段，这就会导致中间网络更加拥挤，所以实际发送报文段的时候，还有一个指标控制报文段的发送，避免中间网络拥挤，这个指标就是拥塞窗口。

控制拥塞的四个算法：

  • 慢启动：一个主机加刚加入一个网络时，拥塞窗口从一个初始值缓缓增大，线性增长，超过RTT后加倍，指数增长，直到超过阈值，一般是65535字节，进入拥塞避免
  • 拥塞避免：每过一个rtt，窗口自增1
  • 拥塞发生：当发现网络拥塞时，即发生丢包，拥塞窗口直接变回初始值，而阈值直接变为发生丢包时的拥塞窗口的一半
  • 快速恢复：当接收端再收到比期望序号大的报文时，会重复发送最近一次确认信号，称为冗余ack，发送端接收到三个相同的冗余ack，便知道哪个报文丢失，于是立即重发该丢失报文，接下来执行拥塞避免算法。

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坚持定时器

由于TCP不会对ack进行确认，如果接收端宣布了滑动窗口为0，则发送端会停止发送报文，直到接收端发送了一个非零的窗口，但是，如果对这个信息的ack丢失了，连接双方会进入死锁的情况，为了避免这种情况，要使用tcp坚持定时器去避免。

当发送TCP收到一个窗口大小为零的确认时，就启动坚持计时器 。 当坚持计时器期限到时，发送TCP就发送一个特殊的报文段， 叫做 探测报文段 。这个报文段只有一个字节的数据。它有一个序号，但它的序号永远不需要确认；甚至在计算对其他部分的数据的确认时该序号也被忽略。探测报文段提醒对端：确认已丢失，必须重传。

坚持计时器的值设置为重传时间的数值。但是，若没有收到从接收端来的响应，则需发送另一个探测报文段，并将坚持计时器的值加倍和复位。发送端继续发送探测报文段，将坚持计时器设定的值加倍和复位，直到这个值增大到门限值（ 通常是60秒 ）为止。在这以后，发送端每隔60秒就发送一个探测报文段，直到窗口重新打开。

UDP

报文格式

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校验和

在进行校验时，UDP数据报和TCP段都会有一个12字节的伪首部，上图中的17是UDP的代码，TCP是6，ICMP是1，IGMP是2。伪首部是为了让数据报能够确保源ip和目的ip正确，并且确保数据被正确的协议所解析。

DNS

报文格式

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