Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

  • A+
所属分类:Linux  Linux基础  Linux网络
摘要

TCP/IP 是供已连接因特网的计算机进行通信的通信协议。
TCP/IP 指传输控制协议/网际协议 (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)。
TCP/IP 定义了电子设备(比如计算机)如何连入因特网,以及数据如何在它们之间传输的标准。

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

 

通过上面的简易图我们可以知道,当主机1和主机2不在一个广播域内需要通过路由来完成通信的时候,主机1会在数据包上加上额外增加两个包,一个包内是源IP(主机1自身的IP)和目标IP(主机2的IP),一个包内是源MAC(主机1自身的MAC)和目标MAC(网管的MAC),当数据包通过网管进入路由后,路由会去掉之前放了MAC的包然后再添加一个数据包,包内有网关出口的mac(源MAC)和目标MAC(主机2的MAC)。当数据包进入主机2的时候,主机2会拆封MAC数据包然后把目标MAC和自己MAC验证通过后再拆掉放了IP信息的包,然后验证目标IP和自己本身的IP,都通过之后会确定只是 主机1发送给自己的数据包。这就是数据包在两主机间传递的建议过程。

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

如上图所示,当数据包警告一次一次拆除mac和前导码,一次一次加上mac和前导码,终于来到了主机2上了,第一步拆除前导码(不是自己的怎么能进自己的网卡到系统呢?),然后MAC是自己的把这个拆除,再发现IP也是自己的继续拆掉,然后得知目标端口是自己主机上某个进程上的(如果没发现对应进程,那么这次通信就失败了),OK,把这个数据包给这个进程,这就是进程间通信的过程。

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

大家是不是觉得上面说了那些就认为明白了通信过程?其实不然,如果像上面那样主机2怎么知道主机1所想请求的是什么呢?用web服务来说主机2怎么能知道主机1是想访问什么页面呢?所以在数据包上还需要标记需要请求的资源,这就是应用层协议了。

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

IP Header

 

版本号(Version):长度4比特。标识目前采用的IP协议的版本号。一般的值为0100(IPv4),0110(IPv6)

IP包头长度(Header Length):长度4比特。这个字段的作用是为了描述IP包头的长度,因为在IP包头中有变长的可选部分。该部分占4个bit位,单位为32bit(4个字节),即本区域值= IP头部长度(单位为bit)/(8*4),因此,一个IP包头的长度最长为“1111”,即15*4=60个字节。IP包头最小长度为20字节。

服务类型(Type of Service):长度8比特。8位 按位被如下定义 PPP DTRC0
PPP:定义包的优先级,取值越大数据越重要
000 普通 (Routine)
001 优先的 (Priority)
010 立即的发送 (Immediate)
011 闪电式的 (Flash)
100 比闪电还闪电式的 (Flash Override)
101 CRI/TIC/ECP(找不到这个词的翻译)
110 网间控制 (Internetwork Control)
111 网络控制 (Network Control)

D 时延: 0:普通 1:延迟尽量小
T 吞吐量: 0:普通 1:流量尽量大
R 可靠性: 0:普通 1:可靠性尽量大
M 传输成本: 0:普通 1:成本尽量小
0 最后一位被保留,恒定为0

IP包总长(Total Length):长度16比特。 以字节为单位计算的IP包的长度 (包括头部和数据),所以IP包最大长度65535字节。

标识符(Identifier):长度16比特。该字段和Flags和Fragment Offest字段联合使用,对较大的上层数据包进行分段(fragment)操作。路由器将一个包拆分后,所有拆分开的小包被标记相同的值,以便目的端设备能够区分哪个包属于被拆分开的包的一部分。

标记(Flags):长度3比特。该字段第一位不使用。第二位是DF(Don't Fragment)位,DF位设为1时表明路由器不能对该上层数据包分段。如果一个上层数据包无法在不分段的情况下进行转发,则路由器会丢弃该上层数据包并返回一个错误信息。第三位是MF(More Fragments)位,当路由器对一个上层数据包分段,则路由器会在除了最后一个分段的IP包的包头中将MF位设为1。

片偏移(Fragment Offset):长度13比特。表示该IP包在该组分片包中位置,接收端靠此来组装还原IP包。

生存时间(TTL):长度8比特。当IP包进行传送时,先会对该字段赋予某个特定的值。当IP包经过每一个沿途的路由器的时候,每个沿途的路由器会将IP包的TTL值减少1。如果TTL减少为0,则该IP包会被丢弃。这个字段可以防止由于路由环路而导致IP包在网络中不停被转发。

协议(Protocol):长度8比特。标识了上层所使用的协议。
以下是比较常用的协议号:
1 ICMP
2 IGMP
6 TCP
17 UDP
88 IGRP
89 OSPF

头部校验(Header Checksum):长度16位。用来做IP头部的正确性检测,但不包含数据部分。 因为每个路由器要改变TTL的值,所以路由器会为每个通过的数据包重新计算这个值。

起源和目标地址(Source and Destination Addresses):这两个地段都是32比特。标识了这个IP包的起源和目标地址。要注意除非使用NAT,否则整个传输的过程中,这两个地址不会改变。

至此,IP包头基本的20字节已介绍完毕,此后部分属于可选项,不是必须的部分。

可选项(Options):这是一个可变长的字段。该字段属于可选项,主要用于测试,由起源设备根据需要改写。可选项目包含以下内容:

松散源路由(Loose source routing):给出一连串路由器接口的IP地址。IP包必须沿着这些IP地址传送,但是允许在相继的两个IP地址之间跳过多个路由器。

严格源路由(Strict source routing):给出一连串路由器接口的IP地址。IP包必须沿着这些IP地址传送,如果下一跳不在IP地址表中则表示发生错误。

路由记录(Record route):当IP包离开每个路由器的时候记录路由器的出站接口的IP地址。

时间戳(Timestamps):当IP包离开每个路由器的时候记录时间。

填充(Padding):因为IP包头长度(Header Length)部分的单位为32bit,所以IP包头的长度必须为32bit的整数倍。因此,在可选项后面,IP协议会填充若干个0,以达到32bit的整数倍。


Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程


Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

TCP Header

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

 

TCP三次握手

1:SYN=1,ACK=0,FIN=0

2:SYN=1,ACK=1,FIN=0

3:SYN=0,ACK=1,FIN=0


以下对TCP连接3次握手 断开4次握手解释的摘选自Simple life的博客

先来看看如何建立连接的。

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

首先Client端发送连接请求报文,Server段接受连接后回复ACK报文,并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文,并分配资源,这样TCP连接就建立了。

那如何断开连接呢?简单的过程如下:

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

【注意】中断连接端可以是Client端,也可以是Server端。

假设Client端发起中断连接请求,也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后,意思是说"我Client端没有数据要发给你了",但是如果你还有数据没有发送完成,则不必急着关闭Socket,可以继续发送数据。所以你先发送ACK,"告诉Client端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态,继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成,则向Client端发送FIN报文,"告诉Client端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后,"就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕Server端不知道要关闭,所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态,如果Server端没有收到ACK则可以重传。“,Server端收到ACK后,"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,我Client端也可以关闭连接了。Ok,TCP连接就这样关闭了!

整个过程Client端所经历的状态如下:

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

而Server端所经历的过程如下

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

【注意】 在TIME_WAIT状态中,如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了,它将重新发送。TIME_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭,并且所有的资源(包括端口号)都被释放。

【问题1】为什么连接的时候是三次握手,关闭的时候却是四次握手?
答:因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后,可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的,SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时,当Server端收到FIN报文时,很可能并不会立即关闭SOCKET,所以只能先回复一个ACK报文,告诉Client端,"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态?

答:虽然按道理,四个报文都发送完毕,我们可以直接进入CLOSE状态了,但是我们必须假象网络是不可靠的,有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。

 

 

Linux基础入门之TCP/IP网络基础知识之主机间通信过程

lookback

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: