為什么會(huì)有TCP/IP協(xié)議
在世界上各地，各種各樣的電腦運(yùn)行著各自不同的操作系統(tǒng)為大家服務(wù)，這些電腦在表達(dá)同一種信息的時(shí)候所使用的方法是千差萬(wàn)別。就好像圣經(jīng)中上帝打亂了各地人的口音，讓他們無(wú)法合作一樣。計(jì)算機(jī)使用者意識(shí)到，計(jì)算機(jī)只是單兵作戰(zhàn)并不會(huì)發(fā)揮太大的作用。只有把它們聯(lián)合起來(lái)，電腦才會(huì)發(fā)揮出它最大的潛力。于是人們就想方設(shè)法的用電線把電腦連接到了一起。
但是簡(jiǎn)單的連到一起是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，就好像語(yǔ)言不同的兩個(gè)人互相見了面，完全不能交流信息。因而他們需要定義一些共通的東西來(lái)進(jìn)行交流，TCP/IP就是為此而生。TCP/IP不是一個(gè)協(xié)議，而是一個(gè)協(xié)議族的統(tǒng)稱。里面包括了IP協(xié)議，IMCP協(xié)議，TCP協(xié)議，以及我們更加熟悉的http、ftp、pop3協(xié)議等等。電腦有了這些，就好像學(xué)會(huì)了外語(yǔ)一樣，就可以和其他的計(jì)算機(jī)終端做自由的交流了。
TCP/IP協(xié)議分層
TCP/IP協(xié)議族按照層次由上到下，層層包裝。
應(yīng)用層:
向用戶提供一組常用的應(yīng)用程序，比如電子郵件、文件傳輸訪問、遠(yuǎn)程登錄等。遠(yuǎn)程登錄TELNET使用TELNET協(xié)議提供在網(wǎng)絡(luò)其它主機(jī)上注冊(cè)的接口。TELNET會(huì)話提供了基于字符的虛擬終端。文件傳輸訪問FTP使用FTP協(xié)議來(lái)提供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)機(jī)器間的文件拷貝功能。
傳輸層:
提供應(yīng)用程序間的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠傳輸。為實(shí)現(xiàn)后者，傳輸層協(xié)議規(guī)定接收端必須發(fā)回確認(rèn)，并且假如分組丟失，必須重新發(fā)送。
網(wǎng)絡(luò)層?：
負(fù)責(zé)相鄰計(jì)算機(jī)之間的通信。其功能包括三方面。
一、處理來(lái)自傳輸層的分組發(fā)送請(qǐng)求，收到請(qǐng)求后，將分組裝入IP數(shù)據(jù)報(bào)，填充報(bào)頭，選擇去往信宿機(jī)的路徑，然后將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口。
二、處理輸入數(shù)據(jù)報(bào)：首先檢查其合法性，然后進(jìn)行尋徑--假如該數(shù)據(jù)報(bào)已到達(dá)信宿機(jī)，則去掉報(bào)頭，將剩下部分交給適當(dāng)?shù)膫鬏攨f(xié)議；假如該數(shù)據(jù)報(bào)尚未到達(dá)信宿，則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報(bào)。
三、處理路徑、流控、擁塞等問題。
網(wǎng)絡(luò)接口層：
這是TCP/IP軟件的最低層，負(fù)責(zé)接收IP數(shù)據(jù)報(bào)并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送之，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。
IP 是無(wú)連接的
IP 用于計(jì)算機(jī)之間的通信。
IP 是無(wú)連接的通信協(xié)議。它不會(huì)占用兩個(gè)正在通信的計(jì)算機(jī)之間的通信線路。這樣，IP 就降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)線路的需求。每條線可以同時(shí)滿足許多不同的計(jì)算機(jī)之間的通信需要。
通過 IP，消息（或者其他數(shù)據(jù)）被分割為小的獨(dú)立的包，并通過因特網(wǎng)在計(jì)算機(jī)之間傳送。
IP 負(fù)責(zé)將每個(gè)包路由至它的目的地。
IP地址
每個(gè)計(jì)算機(jī)必須有一個(gè) IP 地址才能夠連入因特網(wǎng)。
每個(gè) IP 包必須有一個(gè)地址才能夠發(fā)送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。
網(wǎng)絡(luò)上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須有一個(gè)獨(dú)立的Internet地址（也叫做IP地址）?，F(xiàn)在，通常使用的IP地址是一個(gè)32bit的數(shù)字，也就是我們常說的IPv4標(biāo)準(zhǔn)，這32bit的數(shù)字分成四組，也就是常見的255.255.255.255的樣式。IPv4標(biāo)準(zhǔn)上，地址被分為五類，我們常用的是B類地址。具體的分類請(qǐng)參考其他文檔。需要注意的是IP地址是網(wǎng)絡(luò)號(hào)+主機(jī)號(hào)的組合，這非常重要。
CP/IP 使用 32 個(gè)比特來(lái)編址。一個(gè)計(jì)算機(jī)字節(jié)是 8 比特。所以 TCP/IP 使用了 4 個(gè)字節(jié)。
一個(gè)計(jì)算機(jī)字節(jié)可以包含 256 個(gè)不同的值：
00000000、00000001、00000010、00000011、00000100、00000101、00000110、00000111、00001000 ....... 直到 11111111。
現(xiàn)在，你知道了為什么 TCP/IP 地址是介于 0 到 255 之間的 4 個(gè)數(shù)字。
TCP 使用固定的連接
TCP 用于應(yīng)用程序之間的通信。
當(dāng)應(yīng)用程序希望通過 TCP 與另一個(gè)應(yīng)用程序通信時(shí)，它會(huì)發(fā)送一個(gè)通信請(qǐng)求。這個(gè)請(qǐng)求必須被送到一個(gè)確切的地址。在雙方“握手”之后，TCP 將在兩個(gè)應(yīng)用程序之間建立一個(gè)全雙工 (full-duplex) 的通信。
這個(gè)全雙工的通信將占用兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間的通信線路，直到它被一方或雙方關(guān)閉為止。
UDP 和 TCP 很相似，但是更簡(jiǎn)單，同時(shí)可靠性低于 TCP。
IP 路由器
當(dāng)一個(gè) IP 包從一臺(tái)計(jì)算機(jī)被發(fā)送，它會(huì)到達(dá)一個(gè) IP 路由器。
IP 路由器負(fù)責(zé)將這個(gè)包路由至它的目的地，直接地或者通過其他的路由器。
在一個(gè)相同的通信中，一個(gè)包所經(jīng)由的路徑可能會(huì)和其他的包不同。而路由器負(fù)責(zé)根據(jù)通信量、網(wǎng)絡(luò)中的錯(cuò)誤或者其他參數(shù)來(lái)進(jìn)行正確地尋址。
域名
12 個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字很難記憶。使用一個(gè)名稱更容易。
用于 TCP/IP 地址的名字被稱為域名。w3school.com.cn 就是一個(gè)域名。
當(dāng)你鍵入一個(gè)像?http://www.w3school.com.cn?這樣的域名，域名會(huì)被一種 DNS 程序翻譯為數(shù)字。
在全世界，數(shù)量龐大的 DNS 服務(wù)器被連入因特網(wǎng)。DNS 服務(wù)器負(fù)責(zé)將域名翻譯為 TCP/IP 地址，同時(shí)負(fù)責(zé)使用新的域名信息更新彼此的系統(tǒng)。
當(dāng)一個(gè)新的域名連同其 TCP/IP 地址一同注冊(cè)后，全世界的 DNS 服務(wù)器都會(huì)對(duì)此信息進(jìn)行更新。
TCP/IP
TCP/IP 意味著 TCP 和 IP 在一起協(xié)同工作。
TCP 負(fù)責(zé)應(yīng)用軟件（比如你的瀏覽器）和網(wǎng)絡(luò)軟件之間的通信。
IP 負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)之間的通信。
TCP 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分割并裝入 IP 包，然后在它們到達(dá)的時(shí)候重新組合它們。
IP 負(fù)責(zé)將包發(fā)送至接受者。
TCP報(bào)文格式
16位源端口號(hào)：16位的源端口中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是標(biāo)識(shí)報(bào)文的返回地址。
16位目的端口號(hào)：16位的目的端口域定義傳輸?shù)哪康?。這個(gè)端口指明報(bào)文接收計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序地址接口。
32位序號(hào)：32位的序列號(hào)由接收端計(jì)算機(jī)使用，重新分段的報(bào)文成最初形式。當(dāng)SYN出現(xiàn)，序列碼實(shí)際上是初始序列碼（Initial Sequence Number，ISN），而第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)是ISN+1。這個(gè)序列號(hào)（序列碼）可用來(lái)補(bǔ)償傳輸中的不一致。
32位確認(rèn)序號(hào)：32位的序列號(hào)由接收端計(jì)算機(jī)使用，重組分段的報(bào)文成最初形式。如果設(shè)置了ACK控制位，這個(gè)值表示一個(gè)準(zhǔn)備接收的包的序列碼。
4位首部長(zhǎng)度：4位包括TCP頭大小，指示何處數(shù)據(jù)開始。
保留（6位）：6位值域，這些位必須是0。為了將來(lái)定義新的用途而保留。
標(biāo)志：6位標(biāo)志域。表示為：緊急標(biāo)志、有意義的應(yīng)答標(biāo)志、推、重置連接標(biāo)志、同步序列號(hào)標(biāo)志、完成發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志。按照順序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。
16位窗口大?。河脕?lái)表示想收到的每個(gè)TCP數(shù)據(jù)段的大小。TCP的流量控制由連接的每一端通過聲明的窗口大小來(lái)提供。窗口大小為字節(jié)數(shù)，起始于確認(rèn)序號(hào)字段指明的值，這個(gè)值是接收端正期望接收的字節(jié)。窗口大小是一個(gè)16字節(jié)字段，因而窗口大小最大為65535字節(jié)。
16位校驗(yàn)和：16位TCP頭。源機(jī)器基于數(shù)據(jù)內(nèi)容計(jì)算一個(gè)數(shù)值，收信息機(jī)要與源機(jī)器數(shù)值 結(jié)果完全一樣，從而證明數(shù)據(jù)的有效性。檢驗(yàn)和覆蓋了整個(gè)的TCP報(bào)文段：這是一個(gè)強(qiáng)制性的字段，一定是由發(fā)送端計(jì)算和存儲(chǔ)，并由接收端進(jìn)行驗(yàn)證的。
16位緊急指針：指向后面是優(yōu)先數(shù)據(jù)的字節(jié)，在URG標(biāo)志設(shè)置了時(shí)才有效。如果URG標(biāo)志沒有被設(shè)置，緊急域作為填充。加快處理標(biāo)示為緊急的數(shù)據(jù)段。
選項(xiàng)：長(zhǎng)度不定，但長(zhǎng)度必須為1個(gè)字節(jié)。如果沒有選項(xiàng)就表示這個(gè)1字節(jié)的域等于0。
數(shù)據(jù)：該TCP協(xié)議包負(fù)載的數(shù)據(jù)。
在上述字段中，6位標(biāo)志域的各個(gè)選項(xiàng)功能如下。
URG：緊急標(biāo)志。緊急標(biāo)志為"1"表明該位有效。
ACK：確認(rèn)標(biāo)志。表明確認(rèn)編號(hào)欄有效。大多數(shù)情況下該標(biāo)志位是置位的。TCP報(bào)頭內(nèi)的確認(rèn)編號(hào)欄內(nèi)包含的確認(rèn)編號(hào)（w+1）為下一個(gè)預(yù)期的序列編號(hào)，同時(shí)提示遠(yuǎn)端系統(tǒng)已經(jīng)成功接收所有數(shù)據(jù)。
PSH：推標(biāo)志。該標(biāo)志置位時(shí)，接收端不將該數(shù)據(jù)進(jìn)行隊(duì)列處理，而是盡可能快地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)由應(yīng)用處理。在處理Telnet或rlogin等交互模式的連接時(shí)，該標(biāo)志總是置位的。
RST：復(fù)位標(biāo)志。用于復(fù)位相應(yīng)的TCP連接。
SYN：同步標(biāo)志。表明同步序列編號(hào)欄有效。該標(biāo)志僅在三次握手建立TCP連接時(shí)有效。它提示TCP連接的服務(wù)端檢查序列編號(hào)，該序列編號(hào)為TCP連接初始端（一般是客戶端）的初始序列編號(hào)。在這里，可以把TCP序列編號(hào)看作是一個(gè)范圍從0到4，294，967，295的32位計(jì)數(shù)器。通過TCP連接交換的數(shù)據(jù)中每一個(gè)字節(jié)都經(jīng)過序列編號(hào)。在TCP報(bào)頭中的序列編號(hào)欄包括了TCP分段中第一個(gè)字節(jié)的序列編號(hào)。
FIN：結(jié)束標(biāo)志。
TCP三次握手
所謂三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP連接，就是指建立一個(gè)TCP連接時(shí)，需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送3個(gè)包以確認(rèn)連接的建立。在socket編程中，這一過程由客戶端執(zhí)行connect來(lái)觸發(fā)，整個(gè)流程如下圖所示：
（1）第一次握手：Client將標(biāo)志位SYN置為1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值seq=J，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Server，Client進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)，等待Server確認(rèn)。
（2）第二次握手：Server收到數(shù)據(jù)包后由標(biāo)志位SYN=1知道Client請(qǐng)求建立連接，Server將標(biāo)志位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值seq=K，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Client以確認(rèn)連接請(qǐng)求，Server進(jìn)入SYN_RCVD狀態(tài)。
（3）第三次握手：Client收到確認(rèn)后，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標(biāo)志位ACK置為1，ack=K+1，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Server，Server檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，Client和Server進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手，隨后Client與Server之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。
簡(jiǎn)單來(lái)說，就是
1、建立連接時(shí)，客戶端發(fā)送SYN包（SYN=i）到服務(wù)器，并進(jìn)入到SYN-SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn)
2、服務(wù)器收到SYN包，必須確認(rèn)客戶的SYN（ack=i+1）,同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包（SYN=k）,即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN-RECV狀態(tài)
3、客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)報(bào)ACK（ack=k+1）,此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手，客戶端與服務(wù)器開始傳送數(shù)據(jù)。
SYN攻擊：
在三次握手過程中，Server發(fā)送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP連接稱為半連接（half-open connect），此時(shí)Server處于SYN_RCVD狀態(tài)，當(dāng)收到ACK后，Server轉(zhuǎn)入ESTABLISHED狀態(tài)。SYN攻擊就是Client在短時(shí)間內(nèi)偽造大量不存在的IP地址，并向Server不斷地發(fā)送SYN包，Server回復(fù)確認(rèn)包，并等待Client的確認(rèn)，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不斷重發(fā)直至超時(shí)，這些偽造的SYN包將產(chǎn)時(shí)間占用未連接隊(duì)列，導(dǎo)致正常的SYN請(qǐng)求因?yàn)殛?duì)列滿而被丟棄，從而引起網(wǎng)絡(luò)堵塞甚至系統(tǒng)癱瘓。SYN攻擊時(shí)一種典型的DDOS攻擊，檢測(cè)SYN攻擊的方式非常簡(jiǎn)單，即當(dāng)Server上有大量半連接狀態(tài)且源IP地址是隨機(jī)的，則可以斷定遭到SYN攻擊了，使用如下命令可以讓之現(xiàn)行：
#netstat -nap | grep SYN_RECV
TCP四次揮手
所謂四次揮手（Four-Way Wavehand）即終止TCP連接，就是指斷開一個(gè)TCP連接時(shí)，需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送4個(gè)包以確認(rèn)連接的斷開。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務(wù)端任一方執(zhí)行close來(lái)觸發(fā)，整個(gè)流程如下圖所示：
由于TCP連接時(shí)全雙工的，因此，每個(gè)方向都必須要單獨(dú)進(jìn)行關(guān)閉，這一原則是當(dāng)一方完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后，發(fā)送一個(gè)FIN來(lái)終止這一方向的連接，收到一個(gè)FIN只是意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)了，即不會(huì)再收到數(shù)據(jù)了，但是在這個(gè)TCP連接上仍然能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，直到這一方向也發(fā)送了FIN。首先進(jìn)行關(guān)閉的一方將執(zhí)行主動(dòng)關(guān)閉，而另一方則執(zhí)行被動(dòng)關(guān)閉，上圖描述的即是如此。
（1）第一次揮手：Client發(fā)送一個(gè)FIN，用來(lái)關(guān)閉Client到Server的數(shù)據(jù)傳送，Client進(jìn)入FIN_WAIT_1狀態(tài)。
（2）第二次揮手：Server收到FIN后，發(fā)送一個(gè)ACK給Client，確認(rèn)序號(hào)為收到序號(hào)+1（與SYN相同，一個(gè)FIN占用一個(gè)序號(hào)），Server進(jìn)入CLOSE_WAIT狀態(tài)。
（3）第三次揮手：Server發(fā)送一個(gè)FIN，用來(lái)關(guān)閉Server到Client的數(shù)據(jù)傳送，Server進(jìn)入LAST_ACK狀態(tài)。
（4）第四次揮手：Client收到FIN后，Client進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)，接著發(fā)送一個(gè)ACK給Server，確認(rèn)序號(hào)為收到序號(hào)+1，Server進(jìn)入CLOSED狀態(tài)，完成四次揮手。
為什么建立連接是三次握手，而關(guān)閉連接卻是四次揮手呢？
這是因?yàn)榉?wù)端在LISTEN狀態(tài)下，收到建立連接請(qǐng)求的SYN報(bào)文后，把ACK和SYN放在一個(gè)報(bào)文里發(fā)送給客戶端。而關(guān)閉連接時(shí)，當(dāng)收到對(duì)方的FIN報(bào)文時(shí)，僅僅表示對(duì)方不再發(fā)送數(shù)據(jù)了但是還能接收數(shù)據(jù)，己方也未必全部數(shù)據(jù)都發(fā)送給對(duì)方了，所以己方可以立即close，也可以發(fā)送一些數(shù)據(jù)給對(duì)方后，再發(fā)送FIN報(bào)文給對(duì)方來(lái)表示同意現(xiàn)在關(guān)閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會(huì)分開發(fā)送。
為什么TIME_WAIT狀態(tài)需要經(jīng)過2MSL(最大報(bào)文段生存時(shí)間)才能返回到CLOSE狀態(tài)？
原因有二：
一、保證TCP協(xié)議的全雙工連接能夠可靠關(guān)閉
二、保證這次連接的重復(fù)數(shù)據(jù)段從網(wǎng)絡(luò)中消失
先說第一點(diǎn)，如果Client直接CLOSED了，那么由于IP協(xié)議的不可靠性或者是其它網(wǎng)絡(luò)原因，導(dǎo)致Server沒有收到Client最后回復(fù)的ACK。那么Server就會(huì)在超時(shí)之后繼續(xù)發(fā)送FIN，此時(shí)由于Client已經(jīng)CLOSED了，就找不到與重發(fā)的FIN對(duì)應(yīng)的連接，最后Server就會(huì)收到RST而不是ACK，Server就會(huì)以為是連接錯(cuò)誤把問題報(bào)告給高層。這樣的情況雖然不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，但是卻導(dǎo)致TCP協(xié)議不符合可靠連接的要求。所以，Client不是直接進(jìn)入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，當(dāng)再次收到FIN的時(shí)候，能夠保證對(duì)方收到ACK，最后正確的關(guān)閉連接。
再說第二點(diǎn)，如果Client直接CLOSED，然后又再向Server發(fā)起一個(gè)新連接，我們不能保證這個(gè)新連接與剛關(guān)閉的連接的端口號(hào)是不同的。也就是說有可能新連接和老連接的端口號(hào)是相同的。一般來(lái)說不會(huì)發(fā)生什么問題，但是還是有特殊情況出現(xiàn)：假設(shè)新連接和已經(jīng)關(guān)閉的老連接端口號(hào)是一樣的，如果前一次連接的某些數(shù)據(jù)仍然滯留在網(wǎng)絡(luò)中，這些延遲數(shù)據(jù)在建立新連接之后才到達(dá)Server，由于新連接和老連接的端口號(hào)是一樣的，又因?yàn)門CP協(xié)議判斷不同連接的依據(jù)是socket pair，于是，TCP協(xié)議就認(rèn)為那個(gè)延遲的數(shù)據(jù)是屬于新連接的，這樣就和真正的新連接的數(shù)據(jù)包發(fā)生混淆了。所以TCP連接還要在TIME_WAIT狀態(tài)等待2倍MSL，這樣可以保證本次連接的所有數(shù)據(jù)都從網(wǎng)絡(luò)中消失。
