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在计算机网络与信息通讯领域里#xff0c;人们经常提及 “协议” 一词。互联网中常用的协议有HTTP、TCP、IP等。
协议的必要性
简单来说#xff0c;协议就是计算机与计算机之间通过网络通信时#xff0c;事先达成的一种 “约定”。这种“约定”使不同厂商的设备…一、协议
在计算机网络与信息通讯领域里人们经常提及 “协议” 一词。互联网中常用的协议有HTTP、TCP、IP等。
协议的必要性
简单来说协议就是计算机与计算机之间通过网络通信时事先达成的一种 “约定”。这种“约定”使不同厂商的设备、不同的CPU以及不同操作系统组成的计算机之间只要遵循相同的协议就能够实现通信。这就好比一个中国人说汉语一个外国人说英语使用不同的国家语言进行沟通怎么也无法理解。如果两个人约定好 都说中文或英文就可以互相沟通通信。协议分为很多种每一种协议都明确界定了它的行为规范。两台计算机必须能够支持相同的协议并遵循相同协议进行处理这样才能实现相互通信。
二、协议分层
TCP/IP协议
TCP/IP 是用于因特网 (Internet) 的通信协议。 TCP/IP 通信协议是对计算机必须遵守的规则的描述只有遵守这些规则计算机之间才能进行通信。
TCP (Transmission Control Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)协议属于传输层协议。其中TCP提供IP环境下的数据可靠传输它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复 用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。通俗说它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道然后再进行数据发送而UDP则不为IP提供可靠性、 流控或差错恢复功能。一般来说TCP对应的是可靠性要求高的应用而UDP对应的则是可靠性要求低、传输经济的应用。 TCP支持的应用协议主要有Telnet、FTP、SMTP等 UDP支持的应用层协议主要有NFS网络文件系统、SNMP简单网络管理协议、DNS主域名称系统、TFTP通用文件传输协议等。 TCP/IP协议与低层的数据链路层和物理层无关这也是TCP/IP的重要特点 TCP(Transimision Control Protocal)传输控制协议可靠的、面向连接的协议传输效率低UDP(User Datagram Protocal)用户数据报协议不可靠的、无连接的服务传输效率高
TCP/IP协议族
TCP/IP是基于TCP和IP这两个最初的协议之上的不同的通信协议的大集合 协议的分层
网络协议通常分不同层次进行开发每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族比如TCP/IP是一组不同层次上的多个协议的组合。 传统上来说 TCP/IP 被认为是一个四层协议, 而ISO国际标准化组织制定了一个国际标准OSI七层协议模型OSI协议以OSI参考模型为基础界定了每个阶层的协议和每个阶层之间接口相关的标准。 分层的作用 应用层
应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层协议的代表包括Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。
表示层
将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式或将来自下一层的数据转换为上层能够处理的格式。数据的表示、安全、压缩。
会话层
负责建立和断开通信连接数据流动的逻辑通路以及数据的分割等数据传输相关的管理。
传输层
管理两个节点之间的数据传输。负责可靠传输确保数据被可靠地传送到目标地址。
网络层
地址管理与路由选择, 在这一层数据的单位称为数据包packet路由器。
数据链路层
互连设备之间传送和识别数据帧交换机。
物理层
以0、 1代表电压的高低灯光的闪灭在这一层数据的单位称为比特bit,中继器、集线器、还有我们通常说的双绞线也工作在物理层。
七层通信 发送方由第七层到第一层 由上到下按照顺序传送数据每个分层在处理上层传递的数据时附上当前层协议所必须的 首部信息。接收方由第一层到第七层 由下到上按照顺序传递数据每个分层对接收到的数据进行 首部与内容分离在转发给上一层。最终将发送的数据恢复为原始数据。
三、传输方式的分类
网络通信科根据数据发送方法进行多种分类分类方法很多下面列举几种常见的
面向有连接型和面向无连接型 1.1 面向有连接型 发送数据之前需要在收发主机之间建立一条通信线路在通信传输前后专门进行建立和断开连接的处理如果与对端之间无法通信可避免发送无谓的数据
1.2面向无连接型 四、报文、帧、数据包等的区别
报文message是网络中交换与传输的数据单元也是网络传输的单元。报文包含了将要发送的完整的数据信息其长短不需一致。报文在传输过程中会不断地封装成分组、包、帧来传输封装的方式就是添加一些控制信息组成的首部那些就是报文头。 应用层报文message一般指完整的信息传输层实现报文交付位于应用层的信息分组称为报文 传输层报文段segment组成报文的每个分组 网络层分组packet是网络传输中的二进制格式单元数据包datapacket是TCP/IP通信协议传输中的数据单位通过网络传输的数据基本单元包含一个报头和数据本身其中报头描述了数据的目的地及其与其他数据之间的关系可以理解为数据传输的分组我们将通过网络传输的基本数据单元称为数据报Datagram 链路层帧frame数据链路层的协议数据单元为了保证数据的可靠传输把用户数据封装成帧 物理层PDUbit协议数据单元 抓包抓到的是传输层的包packet/frame/Datagram/segment是存在于同条记录中的这些是基于所在协议层的不同取了不同的名字。
五、TCP报文
数据包 IP 数据包在以太网数据包的负载里面TCP数据包在IP数据包的负载里。 TCP 首部各字段的意义和作用
TCP首部最小为20字节这20字节分为5行每行4个字节也就是32个位。
源端口和目的端口 Port
源端口号16位的源端口中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是标识报文的返回地址。目的端口号16位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口。计算机通过端口号识别访问哪个服务,比如http服务或ftp服务发送方端口号是进行随机端口目标端口号决定了接收方哪个程序来接收 分别占用16位也就是端口号最大是2^16所以端口号的范围是0~65536
端口号的分配
知名端口号一般位于1 --- 255 之间256 --- 1023的端口号通常是由Unix系统占用系统占用1024 ---5000 是大多数TCP、IP实现的临时分配大于5000的一般是给其他服务预留的Internet上并不常用的服务
序号 Sequence Number
TCP用序列号对数据包进行标记以便在到达目的地后重新重装假设当前的序列号为 s发送数据长度为 l则下次发送数据时的序列号为 s l。在建立连接时通常由计算机生成一个随机数作为序列号的初始值。
确认号 Acknowledgemt Number
占 4 个字节表示期望收到对方下一个报文段的序号值。 TCP 的可靠性是建立在「每一个数据报文都需要确认收到」的基础之上的。
就是说通讯的任何一方在收到对方的一个报文之后都要发送一个相对应的「确认报文」来表达确认收到。 那么确认报文就会包含确认号。 例如通讯的一方收到了第一个 25kb 的报文该报文的 序号值0那么就需要回复一个确认报文其中的确认号 25600.
数据偏移 Offset
占 0.5 个字节 (4 位)。 这个字段实际上是指出了 TCP 报文段的首部长度 它指出了 TCP报文段的数据起始处 距离 TCP报文的起始处 有多远。注意 数据起始处 和 报文起始处 的意思
一个数据偏移量 4 byte由于 4 位二进制数能表示的最大十进制数字是 15因此数据偏移的最大值是 60 byte这也侧面限制了 TCP 首部的最大长度。
保留 Reserved
占 0.75 个字节 (6 位)。 保留为今后使用但目前应置为 0。
标志位 TCP Flags
标志位一共有 6 个分别占 1 位共 6 位 。 每一位的值只有 0 和 1分别表达不同意思。
ACK确认序号有效RST重置连接SYN发起了一个新连接FIN释放一个连接
确认 ACK (Acknowlegemt)
当 ACK 1 的时候确认号Acknowledgemt Number有效。 一般称携带 ACK 标志的 TCP 报文段为「确认报文段」。为0表示数据段不包含确认信息确认号被忽略。
TCP 规定在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 设置为 1。
推送 PSH (Push)
当 PSH 1 的时候表示该报文段高优先级接收方 TCP 应该尽快推送给接收应用程序而不用等到整个 TCP 缓存都填满了后再交付。
复位 RST (Reset)
当 RST 1 的时候表示 TCP 连接中出现严重错误需要释放并重新建立连接。 一般称携带 RST 标志的 TCP 报文段为「复位报文段」。
同步 SYN (SYNchronization)
当 SYN 1 的时候表明这是一个请求连接报文段。 一般称携带 SYN 标志的 TCP 报文段为「同步报文段」。 在 TCP 三次握手中的第一个报文就是同步报文段在连接建立时用来同步序号。
对方若同意建立连接则应在响应的报文段中使 SYN 1 和 ACK 1。
终止 FIN (Finis)
当 FIN 1 时表示此报文段的发送方的数据已经发送完毕并要求释放 TCP 连接。
一般称携带 FIN 的报文段为「结束报文段」。
在 TCP 四次挥手释放连接的时候就会用到该标志。
窗口大小 Window Size
占 2 字节。
该字段明确指出了现在允许对方发送的数据量它告诉对方本端的 TCP 接收缓冲区还能容纳多少字节的数据这样对方就可以控制发送数据的速度。 窗口大小的值是指从本报文段首部中的确认号算起接收方目前允许对方发送的数据量。
例如假如确认号是 701 窗口字段是 1000。这就表明从 701 号算起发送此报文段的一方还有接收 1000 字节序号是 701 ~ 1700 个字节的数据的接收缓存空间。
校验和 TCP Checksum
占 2 个字节。 由发送端填充接收端对 TCP 报文段执行 CRC 算法以检验 TCP 报文段在传输过程中是否损坏如果损坏这丢弃。
检验范围包括首部和数据两部分这也是 TCP 可靠传输的一个重要保障。
紧急指针 Urgent Pointer
占 2 个字节。 仅在 URG 1 时才有意义它指出本报文段中的紧急数据的字节数。 当 URG 1 时发送方 TCP 就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。
因此紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。
六、三次握手四次挥手
需要了解的信息
ACK TCP协议规定只有ACK1时有效也规定连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1SYN(SYNchronization) 在连接建立时用来同步序号。当SYN1而ACK0时表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接则应在响应报文中使SYN1和ACK1. 因此, SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。FIN finis即完终结的意思 用来释放一个连接。当 FIN 1 时表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕并要求释放连接。
三次握手 建立连接
TCPTransmission Control Protocol传输控制协议是 面向连接的协议也就是说在收发数据之前必须先和对方建立连接
一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来其中的过程非常复杂只简单的 描述下这三次对话的简单过程主机A向主机B发出连接请求数据包“我想给你发数据可以吗”这是第一次对话主机B向主机A发送同意连接和要求同步 同步就是两台主机一个在发送一个在接收协调工作的数据包“可以你什么时候发”这是第二次对话主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同 步“我现在就发你接着吧”这是第三次对话。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步经过三次“对话”之后主机A才向主机B正式发送数 据。 首先由Client发出请求连接即 SYN1 ACK0 (请看头字段的介绍), TCP规定SYN1时不能携带数据但要消耗一个序号,因此声明自己的32位序号是 seqx然后 Server 进行回复确认即 SYN1 ACK1 seqy, ackx1, 再然后 Client 再进行一次确认但不用SYN 了这时即为 ACK1, seqx1, acky1.
四次挥手 释放连接 当客户A 没有东西要发送时就要释放 A 这边的连接A会发送一个报文没有数据其中 FIN 设置为1, 服务器B收到后会给应用程序一个信这时A那边的连接已经关闭即A不再发送信息但仍可接收信息。 A收到B的确认后进入等待状态等待B请求释放连接 B数据发送完成后就向A请求连接释放也是用FIN1 表示 并且用 ack u1(如图 A收到后回复一个确认信息并进入 TIME_WAIT 状态 等待 2MSL 时间。
关于 TIME_WAIT 过渡到 CLOSED 状态说明 从 TIME_WAIT 进入 CLOSED 需要经过 2MSL其中 MSL 就叫做 最长报文段寿命Maxinum Segment Lifetime根据 RFC 793 建议该值这是为 2 分钟也就是说需要经过 4 分钟才进入 CLOSED 状态。
