网络协议之TCP,UDP,IP

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TCP

什么是 TCP ?

TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

  • 面向连接:一定是「一对一」才能连接,不能像 UDP 协议可以一个主机同时向多个主机发送消息,也就是一对多是无法做到的;
  • 可靠的:无论网络链路中出现了怎样的链路变化,TCP 都可以保证一个报文一定能够到达接收端;
  • 字节流:消息是「没有边界」的,所以无论我们消息有多大都可以进行传输。并且消息是「有序的」,当「前一个」消息没有收到的时候,即使它先收到了后面的字节,那么也不能扔给应用层去处理,同时对「重复」的报文会自动丢弃。

什么是 TCP 连接?

简单来说就是,用于保证可靠性和流量控制维护的某些状态信息,这些信息的组合,包括Socket、序列号和窗口大小称为连接。

所以我们可以知道,建立一个 TCP 连接是需要客户端与服务器端达成上述三个信息的共识。

  • Socket:由 IP 地址和端口号组成
  • 序列号:用来解决乱序问题等
  • 窗口大小:用来做流量控制

如何确定唯一的一个 TCP 连接呢?

TCP 四元组可以确定唯一的一个连接,四元组包括如下:

  • 源地址
  • 源端口
  • 目标地址
  • 目标端口

源地址和目标地址的字段(32位)是在 IP 头部中,作用是通过 IP 协议发送报文给对方主机。

源端口和目标端口的字段(16位)是在 TCP 头部中,作用是告诉 TCP 协议应该把报文发给哪个进程。

TCP头格式

字段名称长度(比特)含 义
源端口号16发送网络包的程序的端口号
目标端口号16接收网络包的程序的端口号
序号(Sequence Number32Sequence Number是包的序号,用来解决网络包乱序(reordering)问题。
确认序号(Acknowledgement Number32Acknowledgement Number就是ACK——用于确认收到,用来解决不丢包的问题
首部长度4表示数据部分的起始位置,也可以认为表示头部的长度
保留6该字段为保留,现在未使用
控制位6该字段中的每个比特分别表示以下通信控制含义。
URG:为1表示高优先级数据包,紧急指针字段有效。
ACK:为1表示确认序号字段有效,一般表示数据已被接收方收到。
PSH:为1表示是带有PUSH标志的数据,指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层而不用等待缓冲区装满。
RST:为1表示出现严重差错。可能需要重现创建TCP连接。还可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
SYN:为1表示这是连接请求或是连接接受请求,用于创建连接和使顺序号同步。
FIN:为1表示发送方没有数据要传输了,要求释放连接。
窗口大小16接收方告知发送方窗口大小(即无需等待确认可一起发送的数据量)
校验和16用来检查是否出现错误
紧急指针16表示应紧急处理的数据位置
选项可变长度除了上面的固定头部字段之外,还可以添加可选字段,但除了连接操作之外,很少使用可选字段

TCP 三次握手和四次挥手

三次握手

  1. 第一个报文—— SYN 报文

    • 客户端会随机初始化序号(client_isn,在这里是seq = x),将此序号置于 TCP 头字段的「序号」字段中,同时把 SYN 标志位置为 1 ,表示 SYN 报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端,表示向服务端发起连接,该报文不包含应用层数据,之后客户端处于 SYN-SENT 状态。
  2. 第二个报文 —— SYN + ACK 报文

    • 服务端收到客户端的 SYN 报文后,首先服务端也随机初始化自己的序号(server_isn,在这里是seq = y),将此序号填入 TCP 头字段的「序号」字段中,其次把 TCP 头字段的「确认序号」字段填入 client_isn + 1, 接着把 SYNACK 标志位置为 1。最后把该报文发给客户端,该报文也不包含应用层数据,之后服务端处于 SYN-RCVD 状态。
  3. 第三个报文 —— ACK 报文

    • 客户端收到服务端报文后,还要向服务端回应最后一个应答报文,首先该应答报文 TCP 头字段 ACK 标志位置为 1 ,其次「确认序号」字段填入 server_isn + 1 ,最后把报文发送给服务端,这次报文可以携带客户到服务器的数据,之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。
    • 服务器收到客户端的应答报文后,也进入 ESTABLISHED 状态。

注意:

我们看到有两个中间状态,syn_sentsyn_rcvd,这两个状态叫着「半打开」状态,就是向对方发送了,但是还没来得及看到对方的回应。

syn_sent 是主动打开方的「半打开」状态,syn_rcvd 是被动打开方的「半打开」状态。客户端是主动打开方,服务器是被动打开方。

  • syn_sent: syn package has been sent 已发送 syn 包
  • syn_rcvd: syn package has been received 已收到 syn 包

四次挥手

  • 客户端打算关闭连接,此时会发送一个 TCP 头字段 FIN 标志位被置为 1 的报文,也即 FIN 报文,之后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
  • 服务端收到该报文后,就向客户端发送 ACK 应答报文,接着服务端进入 CLOSED_WAIT 状态。
  • 客户端收到服务端的 ACK 应答报文后,之后进入 FIN_WAIT_2 状态。
  • 等待服务端处理完数据后,也向客户端发送 FIN 报文,之后服务端进入 LAST_ACK 状态。
  • 客户端收到服务端的 FIN 报文后,回一个 ACK 应答报文,之后进入 TIME_WAIT 状态。
  • 服务器收到了 ACK 应答报文后,就进入了 CLOSED 状态,至此服务端已经完成连接的关闭。
  • 客户端在经过 2MSL(4分钟)时间后,自动进入 CLOSED 状态,至此客户端也完成连接的关闭。

你可以看到,每个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK,因此通常被称为四次挥手

这里一点需要注意是:主动关闭连接的,才有 TIME_WAIT 状态。

四次挥手也并不总是四次挥手,中间的两个动作有时候是可以合并一起进行的,这个时候就成了三次挥手,主动关闭方就会从fin_wait_1状态直接进入到time_wait状态,跳过了fin_wait_2状态。

数据传输

重传机制

超时重传

重传机制的一种方式,就是在发送数据时,设定一个定时器,当超过指定的时间后,没有收到对方的 ACK 确认应答报文,就会重发该数据。

TCP 会在以下两种情况发生超时重传:

  • 数据包丢失
  • 确认应答(ACK)丢失

快速重传

TCP 还有另外一种快速重传(Fast Retransmit)机制,它不以时间为驱动,而是以数据驱动重传。

在上图,发送方发出了 1,2,3,4,5 份数据:

  • 第一份 Seq1 先送到了,于是就 Ack 回 2;
  • 结果 Seq2 因为某些原因没收到,Seq3 到达了,于是还是 Ack 回 2;
  • 后面的 Seq4 和 Seq5 都到了,但还是 Ack 回 2,因为 Seq2 还是没有收到;
  • 发送端收到了三个 Ack = 2 的确认,知道了 Seq2 还没有收到,就会在定时器过期之前,重传丢失的 Seq2。
  • 最后,收到了 Seq2,此时因为 Seq3,Seq4,Seq5 都收到了,于是 Ack 回 6 。

快速重传机制只解决了一个问题,就是超时时间的问题,但是它依然面临着另外一个问题。就是重传的时候,是重传之前的一个,还是重传所有的问题。

SACK 方法

SACK( Selective Acknowledgment 选择性确认),这种方式需要在 TCP 头部「选项」字段里加一个 SACK ,它可以将缓存的地图发送给发送方,这样发送方就可以知道哪些数据收到了,哪些数据没收到,知道了这些信息,就可以只重传丢失的数据

如下图,发送方收到了三次同样的 ACK 确认报文,于是就会触发快速重发机制,通过 SACK 信息发现只有 200~299 这段数据丢失,则重发时,就只选择了这个 TCP 段进行重复。

Duplicate SACK

Duplicate SACK 又称 D-SACK,其主要使用了 SACK 来告诉「发送方」有哪些数据被重复接收了。

  1. ACK 丢包

  • 「接收方」发给「发送方」的两个 ACK 确认应答都丢失了,所以发送方超时后,重传第一个数据包(3000 ~ 3499)
  • 于是「接收方」发现数据是重复收到的,于是回了一个 SACK = 3000~3500,告诉「发送方」 3000~3500 的数据早已被接收了,因为 ACK 都到了 4000 了,已经意味着 4000 之前的所有数据都已收到,所以这个 SACK 就代表着 D-SACK
  • 这样「发送方」就知道了,数据没有丢,是「接收方」的 ACK 确认报文丢了。
  1. 网络延时

可见,D-SACK 有这么几个好处:

  1. 可以让「发送方」知道,是发出去的包丢了,还是接收方回应的 ACK 包丢了;
  2. 可以知道是不是「发送方」的数据包被网络延迟了;
  3. 可以知道网络中是不是把「发送方」的数据包给复制了。

滑动窗口

为解决这个问题,TCP 引入了窗口这个概念。即使在往返时间较长的情况下,它也不会降低网络通信的效率。

那么有了窗口,就可以指定窗口大小,窗口大小就是指无需等待确认应答,而可以继续发送数据的最大值

窗口的实现实际上是操作系统开辟的一个缓存空间,发送方主机在等到确认应答返回之前,必须在缓冲区中保留已发送的数据。如果按期收到确认应答,此时数据就可以从缓存区清除。

假设窗口大小为 3 个 TCP 段,那么发送方就可以「连续发送」 3 个 TCP 段,并且中途若有 ACK 丢失,可以通过「下一个确认应答进行确认」。如下图:

只要发送方收到了 ACK 700 确认应答,就意味着 700 之前的所有数据「接收方」都收到了。这个模式就叫累计确认或者累计应答

窗口大小由哪一方决定?

TCP 头里有一个字段叫 Window,也就是窗口大小。

这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据,而不会导致接收端处理不过来。

所以,通常窗口的大小是由接收方的窗口大小来决定的。

发送方发送的数据大小不能超过接收方的窗口大小,否则接收方就无法正常接收到数据。

发送方的滑动窗口

我们先来看看发送方的窗口,下图就是发送方缓存的数据,根据处理的情况分成四个部分,其中深蓝色方框是发送窗口,紫色方框是可用窗口:

  • #1 是已发送并收到 ACK确认的数据:1~31 字节;
  • #2 是已发送但未收到 ACK确认的数据:32~45 字节;
  • #3 是未发送但总大小在接收方处理范围内(接收方还有空间):46~51字节;
  • #4 是未发送但总大小超过接收方处理范围(接收方没有空间):52字节以后。

在下图,当发送方把数据「全部」都一下发送出去后,可用窗口的大小就为 0 了,表明可用窗口耗尽,在没收到 ACK 确认之前是无法继续发送数据了。

在下图,当收到之前发送的数据 32~36 字节的 ACK 确认应答后,如果发送窗口的大小没有变化,则滑动窗口往右边移动 5 个字节,因为有 5 个字节的数据被应答确认,接下来 52~56 字节又变成了可用窗口,那么后续也就可以发送 52~56 这 5 个字节的数据了。

程序是如何表示发送方的四个部分的呢?

TCP 滑动窗口方案使用三个指针来跟踪在四个传输类别中的每一个类别中的字节。其中两个指针是绝对指针(指特定的序列号),一个是相对指针(需要做偏移)。

  • SND.WND:表示发送窗口的大小(大小是由接收方指定的);
  • SND.UNA:是一个绝对指针,它指向的是已发送但未收到确认的第一个字节的序列号,也就是 #2 的第一个字节;
  • SND.NXT:也是一个绝对指针,它指向未发送但可发送范围的第一个字节的序列号,也就是 #3 的第一个字节;
  • 指向 #4 的第一个字节是个相对指针,它需要 SND.UNA 指针加上 SND.WND 大小的偏移量,就可以指向 #4 的第一个字节了。

那么可用窗口大小的计算就可以是:

可用窗口大 = SND.WND -(SND.NXT - SND.UNA)

接收方的滑动窗口

接下来我们看看接收方的窗口,接收窗口相对简单一些,根据处理的情况划分成三个部分:

  • #1 + #2 是已成功接收并确认的数据(等待应用进程读取);
  • #3 是未收到数据但可以接收的数据;
  • #4 未收到数据并不可以接收的数据。

其中三个接收部分,使用两个指针进行划分:

  • RCV.WND:表示接收窗口的大小,它会通告给发送方。
  • RCV.NXT:是一个指针,它指向期望从发送方发送来的下一个数据字节的序列号,也就是 #3 的第一个字节。
  • 指向 #4 的第一个字节是个相对指针,它需要 RCV.NXT 指针加上 RCV.WND 大小的偏移量,就可以指向 #4 的第一个字节了。

接收窗口和发送窗口的大小是相等的吗?

并不是完全相等,接收窗口的大小是约等于发送窗口的大小的。

因为滑动窗口并不是一成不变的。比如,当接收方的应用进程读取数据的速度非常快的话,这样的话接收窗口可以很快的就空缺出来。那么新的接收窗口大小,是通过 TCP 报文中的 Windows 字段来告诉发送方。那么这个传输过程是存在时延的,所以接收窗口和发送窗口是约等于的关系。

流量控制

发送方不能无脑的发数据给接收方,要考虑接收方处理能力。

如果一直无脑的发数据给对方,但对方处理不过来,那么就会导致触发重发机制,从而导致网络流量的无端的浪费。

为了解决这种现象发生,TCP 提供一种机制可以让「发送方」根据「接收方」的实际接收能力控制发送的数据量,这就是所谓的流量控制。

根据上图的流量控制,说明下每个过程:

  1. 客户端向服务端发送请求数据报文。这里要说明下,本次例子是把服务端作为发送方,所以没有画出服务端的接收窗口。
  2. 服务端收到请求报文后,发送确认报文和 80 字节的数据,于是可用窗口 Usable 减少为 120 字节,同时 SND.NXT 指针也向右偏移 80 字节后,指向 321,这意味着下次发送数据的时候,序列号是 321。
  3. 客户端收到 80 字节数据后,于是接收窗口往右移动 80 字节,RCV.NXT 也就指向 321,这意味着客户端期望的下一个报文的序列号是 321,接着发送确认报文给服务端。
  4. 服务端再次发送了 120 字节数据,于是可用窗口耗尽为 0,服务端无法再继续发送数据。
  5. 客户端收到 120 字节的数据后,于是接收窗口往右移动 120 字节,RCV.NXT 也就指向 441,接着发送确认报文给服务端。
  6. 服务端收到对 80 字节数据的确认报文后,SND.UNA 指针往右偏移后指向 321,于是可用窗口 Usable 增大到 80。
  7. 服务端收到对 120 字节数据的确认报文后,SND.UNA 指针往右偏移后指向 441,于是可用窗口 Usable 增大到 200。
  8. 服务端可以继续发送了,于是发送了 160 字节的数据后,SND.NXT 指向 601,于是可用窗口 Usable 减少到 40。
  9. 客户端收到 160 字节后,接收窗口往右移动了 160 字节,RCV.NXT 也就是指向了 601,接着发送确认报文给服务端。
  10. 服务端收到对 160 字节数据的确认报文后,发送窗口往右移动了 160 字节,于是 SND.UNA 指针偏移了 160 后指向 601,可用窗口 Usable 也就增大至了 200。
拥塞控制

为什么要有拥塞控制呀,不是有流量控制了吗?

前面的流量控制是避免「发送方」的数据填满「接收方」的缓存,但是并不知道网络的中发生了什么。

一般来说,计算机网络都处在一个共享的环境。因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。

在网络出现拥堵时,如果继续发送大量数据包,可能会导致数据包时延、丢失等,这时 TCP 就会重传数据,但是一重传就会导致网络的负担更重,于是会导致更大的延迟以及更多的丢包,这个情况就会进入恶性循环被不断地放大….

所以,TCP 不能忽略网络上发生的事,它被设计成一个无私的协议,当网络发送拥塞时,TCP 会自我牺牲,降低发送的数据量。

于是,就有了拥塞控制,控制的目的就是避免「发送方」的数据填满整个网络。

为了在「发送方」调节所要发送数据的量,定义了一个叫做「拥塞窗口」的概念。

什么是拥塞窗口?和发送窗口有什么关系呢?

拥塞窗口 cwnd是发送方维护的一个的状态变量,它会根据网络的拥塞程度动态变化的

我们在前面提到过发送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是约等于的关系,那么由于加入了拥塞窗口的概念后,此时发送窗口的值是swnd = min(cwnd, rwnd),也就是拥塞窗口和接收窗口中的最小值。

拥塞窗口 cwnd 变化的规则:

  • 只要网络中没有出现拥塞,cwnd 就会增大;
  • 但网络中出现了拥塞,cwnd 就减少;

那么怎么知道当前网络是否出现了拥塞呢?

其实只要「发送方」没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文,也就是发生了超时重传,就会认为网络出现了用拥塞。

拥塞控制有哪些控制算法?

拥塞控制主要是四个算法:

  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 拥塞发生
  • 快速恢复

慢启动

TCP 在刚建立连接完成后,首先是有个慢启动的过程,这个慢启动的意思就是一点一点的提高发送数据包的数量,如果一上来就发大量的数据,这不是给网络添堵吗?

慢启动的算法记住一个规则就行:当发送方每收到一个 ACK,拥塞窗口 cwnd 的大小就会加 1。

这里假定拥塞窗口 cwnd 和发送窗口 swnd 相等,下面举个栗子:

  • 连接建立完成后,一开始初始化 cwnd = 1,表示可以传一个 MSS 大小的数据。
  • 当收到一个 ACK 确认应答后,cwnd 增加 1,于是一次能够发送 2 个
  • 当收到 2 个的 ACK 确认应答后, cwnd 增加 2,于是就可以比之前多发2 个,所以这一次能够发送 4 个
  • 当这 4 个的 ACK 确认到来的时候,每个确认 cwnd 增加 1, 4 个确认 cwnd 增加 4,于是就可以比之前多发 4 个,所以这一次能够发送 8 个。

可以看出慢启动算法,发包的个数是指数性的增长

那慢启动涨到什么时候是个头呢?

有一个叫慢启动门限 ssthresh (slow start threshold)状态变量。

  • cwnd < ssthresh 时,使用慢启动算法。
  • cwnd >= ssthresh 时,就会使用「拥塞避免算法」。

拥塞避免

前面说道,当拥塞窗口 cwnd 「超过」慢启动门限 ssthresh 就会进入拥塞避免算法。

一般来说 ssthresh 的大小是 65535 字节。

那么进入拥塞避免算法后,它的规则是:每当收到一个 ACK 时,cwnd 增加 1/cwnd。

接上前面的慢启动的栗子,现假定 ssthresh8

  • 当 8 个 ACK 应答确认到来时,每个确认增加 1/8,8 个 ACK 确认 cwnd 一共增加 1,于是这一次能够发送 9 个 MSS 大小的数据,变成了线性增长。

所以,我们可以发现,拥塞避免算法就是将原本慢启动算法的指数增长变成了线性增长,还是增长阶段,但是增长速度缓慢了一些。

就这么一直增长着后,网络就会慢慢进入了拥塞的状况了,于是就会出现丢包现象,这时就需要对丢失的数据包进行重传。

当触发了重传机制,也就进入了「拥塞发生算法」。

拥塞发生

当网络出现拥塞,也就是会发生数据包重传,重传机制主要有两种:

  • 超时重传
  • 快速重传

这两种使用的拥塞发送算法是不同的,接下来分别来说说。

发生超时重传的拥塞发生算法

这个时候,ssthresh 和 cwnd 的值会发生变化:

  • ssthresh 设为 cwnd/2
  • cwnd 重置为 1

接着,就重新开始慢启动,慢启动是会突然减少数据流的。这真是一旦「超时重传」,马上回到解放前。但是这种方式太激进了,反应也很强烈,会造成网络卡顿。

发生快速重传的拥塞发生算法

还有更好的方式,前面我们讲过「快速重传算法」。当接收方发现丢了一个中间包的时候,发送三次前一个包的 ACK,于是发送端就会快速地重传,不必等待超时再重传。

TCP 认为这种情况不严重,因为大部分没丢,只丢了一小部分,则 ssthreshcwnd 变化如下:

  • cwnd = cwnd/2 ,也就是设置为原来的一半;
  • ssthresh = cwnd;
  • 进入快速恢复算法

快速恢复

快速重传和快速恢复算法一般同时使用,快速恢复算法是认为,你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也不那么糟糕,所以没有必要像 RTO 超时那么强烈。

正如前面所说,进入快速恢复之前,cwndssthresh 已被更新了:

  • cwnd = cwnd/2 ,也就是设置为原来的一半;
  • ssthresh = cwnd;

然后,进入快速恢复算法如下:

  • 拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 ( 3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了);
  • 重传丢失的数据包;
  • 如果再收到重复的 ACK,那么 cwnd 增加 1;
  • 如果收到新数据的 ACK 后,把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh 的值,原因是该 ACK 确认了新的数据,说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到,该恢复过程已经结束,可以回到恢复之前的状态了,也即再次进入拥塞避免状态。

也就是没有像「超时重传」一夜回到解放前,而是还在比较高的值,后续呈线性增长。

拥塞算法示意图

握手相关问题

为什么是三次握手,不是两次?不是四次?

原因一:避免历史连接

简单来说,三次握手的 首要原因是为了防止旧的重复连接初始化造成混乱。

  • 客户端连续发送多次 SYN 建立连接的报文,在网络拥堵情况下:

    • 一个「旧 SYN 报文」比「最新的 SYN 」 报文早到达了服务端;
    • 那么此时服务端就会回一个 SYN + ACK 报文给客户端;
    • 客户端收到后可以根据自身的上下文,判断这是一个历史连接(序列号过期或超时),那么客户端就会发送 RST 报文给服务端,表示中止这一次连接。

    如果是两次握手连接,就不能判断当前连接是否是历史连接,三次握手则可以在客户端(发送方)准备发送第三次报文时,客户端因有足够的上下文来判断当前连接是否是历史连接:

    • 如果是历史连接(序列号过期或超时),则第三次握手发送的报文是 RST 报文,以此中止历史连接;
    • 如果不是历史连接,则第三次发送的报文是 ACK 报文,通信双方就会成功建立连接;

    所以,TCP 使用三次握手建立连接的最主要原因是防止历史连接初始化了连接。

原因二:同步双方初始序号

TCP 协议的通信双方, 都必须维护一个「序号」, 序列号是可靠传输的一个关键因素,它的作用:

  • 接收方可以去除重复的数据;
  • 接收方可以根据数据包的序号按序接收;
  • 可以标识发送出去的数据包中, 哪些是已经被对方收到的。

可见,序号在 TCP 连接中占据着非常重要的作用,所以当客户端发送携带「初始序号」的 SYN 报文的时候,需要服务端回一个 ACK 应答报文,表示客户端的 SYN 报文已被服务端成功接收,那当服务端发送「初始序号」给客户端的时候,依然也要得到客户端的应答回应,这样一来一回,才能确保双方的初始序列号能被可靠的同步。

四次握手其实也能够可靠的同步双方的初始化序号,但由于第二步和第三步可以优化成一步,所以就成了「三次握手」。

而两次握手只保证了一方的初始序列号能被对方成功接收,没办法保证双方的初始序列号都能被确认接收。

原因三:避免资源浪费

如果只有「两次握手」,当客户端的 SYN 请求连接在网络中阻塞,客户端没有接收到 ACK 报文,就会重新发送 SYN ,由于没有第三次握手,服务器不清楚客户端是否收到了自己发送的建立连接的 ACK 确认信号,所以每收到一个 SYN 就只能先主动建立一个连接,这会造成什么情况呢?

如果客户端的 SYN 阻塞了,重复发送多次 SYN 报文,那么服务器在收到请求后就会建立多个冗余的无效链接,造成不必要的资源浪费。

即两次握手会造成消息滞留情况下,服务器重复接受无用的连接请求 SYN 报文,而造成重复分配资源。

小结

TCP 建立连接时,通过三次握手能防止历史连接的建立,能减少双方不必要的资源开销,能帮助双方同步初始化序列号。序列号能够保证数据包不重复、不丢弃和按序传输。

不使用「两次握手」和「四次握手」的原因:

  • 「两次握手」:无法防止历史连接的建立,会造成双方资源的浪费,也无法可靠的同步双方序列号;
  • 「四次握手」:三次握手就已经理论上最少可靠连接建立,所以不需要使用更多的通信次数。

什么是 SYN 攻击?如何避免 SYN 攻击?

SYN 攻击

我们都知道 TCP 连接建立是需要三次握手,假设攻击者短时间伪造不同 IP 地址的 SYN 报文,服务端每接收到一个 SYN 报文,就进入SYN_RCVD 状态,但服务端发送出去的 ACK + SYN 报文,无法得到未知 IP 主机的 ACK 应答,久而久之就会占满服务端的 SYN 接收队列(未连接队列),使得服务器不能为正常用户服务。

避免 SYN 攻击方式一

其中一种解决方式是通过修改 Linux 内核参数,控制队列大小和当队列满时应做什么处理。

  • 当网卡接收数据包的速度大于内核处理的速度时,会有一个队列保存这些数据包。控制该队列的最大值如下参数:

    net.core.netdev_max_backlog
    复制代码
  • SYN_RCVD 状态连接的最大个数:

    net.ipv4.tcp_max_syn_backlog
    复制代码
  • 超出处理能时,对新的 SYN 直接回报 RST,丢弃连接:

    net.ipv4.tcp_abort_on_overflow
    复制代码

避免 SYN 攻击方式二

我们先来看下 Linux 内核的 SYN (未完成连接建立)队列与 Accpet (已完成连接建立)队列是如何工作的?

正常流程:

  • 当服务端接收到客户端的 SYN 报文时,会将其加入到内核的「 SYN 队列」;
  • 接着发送 SYN + ACK 给客户端,等待客户端回应 ACK 报文;
  • 服务端接收到 ACK 报文后,从「 SYN 队列」移除放入到「 Accept 队列」;
  • 应用通过调用 accpet() socket 接口,从「 Accept 队列」取出连接。

应用程序过慢:

  • 如果应用程序过慢时,就会导致「 Accept 队列」被占满。

受到 SYN 攻击:

  • 如果不断受到 SYN 攻击,就会导致「 SYN 队列」被占满。

tcp_syncookies 的方式可以应对 SYN 攻击的方法:

net.ipv4.tcp_syncookies = 1
复制代码

tcp_syncookies 应对 SYN 攻击

  • 当 「 SYN 队列」满之后,后续服务器收到 SYN 包,不进入「 SYN 队列」;
  • 计算出一个 cookie 值,再以 SYN + ACK 中的「序列号」返回客户端;
  • 服务端接收到客户端的应答报文时,服务器会检查这个 ACK 包的合法性。如果合法,直接放入到「 Accept 队列」;
  • 最后应用通过调用 accpet() socket 接口,从「 Accept 队列」取出的连接。

挥手相关问题

为什么挥手需要四次?

  • 关闭连接时,客户端向服务端发送 FIN 时,仅仅表示客户端不再发送数据了但是还能接收数据。
  • 服务器收到客户端的 FIN 报文时,先回一个 ACK 应答报文,而服务端可能还有数据需要处理和发送,等服务端不再发送数据时,才发送 FIN 报文给客户端来表示同意现在关闭连接。

从上面过程可知,服务端通常需要等待完成数据的发送和处理,所以服务端的 ACKFIN 一般都会分开发送,从而比三次握手导致多了一次。

为什么 TIME_WAIT 等待的时间是 2MSL?

MSL 是 Maximum Segment Lifetime,报文最大生存时间,它是任何报文在网络上存在的最长时间,超过这个时间报文将被丢弃。因为 TCP 报文基于是 IP 协议的,而 IP 头中有一个 TTL 字段,是 IP 数据报可以经过的最大路由数,每经过一个处理他的路由器此值就减 1,当此值为 0 则数据报将被丢弃,同时发送 ICMP 报文通知源主机。

MSL 与 TTL 的区别: MSL 的单位是时间,而 TTL 是经过路由跳数。所以 MSL 应该要大于等于 TTL 消耗为 0 的时间,以确保报文已被自然消亡。

TIME_WAIT 等待 2 倍的 MSL,比较合理的解释是: 网络中可能存在来自发送方的数据包,当这些发送方的数据包被接收方处理后又会向对方发送响应,所以一来一回需要等待 2 倍的时间

比如如果被动关闭方没有收到断开连接的最后的 ACK 报文,就会触发超时重发 Fin 报文,另一方接收到 FIN 后,会重发 ACK 给被动关闭方, 一来一去正好 2 个 MSL。

2MSL 的时间是从客户端接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的。如果在 TIME-WAIT 时间内,因为客户端的 ACK 没有传输到服务端,客户端又接收到了服务端重发的 FIN 报文,那么 2MSL 时间将重新计时

在 Linux 系统里 2MSL 默认是 60 秒,那么一个 MSL 也就是 30 秒。Linux 系统停留在 TIME_WAIT 的时间为固定的 60 秒

其定义在 Linux 内核代码里的名称为 TCP_TIMEWAIT_LEN:

#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) /* how long to wait to destroy TIME-WAIT state, about 60 seconds  */
复制代码

如果要修改 TIME_WAIT 的时间长度,只能修改 Linux 内核代码里 TCP_TIMEWAIT_LEN 的值,并重新编译 Linux 内核。

为什么需要 TIME_WAIT 状态?

主动发起关闭连接的一方,才会有 TIME-WAIT 状态。

需要 TIME-WAIT 状态,主要是两个原因:

  • 防止具有相同「四元组」的「旧」数据包被收到;
  • 保证「被动关闭连接」的一方能被正确的关闭,即保证最后的 ACK 能让被动关闭方接收,从而帮助其正常关闭;

原因一:防止旧连接的数据包

接收到历史数据的异常

  • 如上图黄色框框服务端在关闭连接之前发送的 SEQ = 301 报文,被网络延迟了。
  • 这时有相同端口的 TCP 连接被复用后,被延迟的 SEQ = 301 抵达了客户端,那么客户端是有可能正常接收这个过期的报文,这就会产生数据错乱等严重的问题。

所以,TCP 就设计出了这么一个机制,经过 2MSL 这个时间,足以让两个方向上的数据包都被丢弃,使得原来连接的数据包在网络中都自然消失,再出现的数据包一定都是新建立连接所产生的。

原因二:保证连接正确关闭

在 RFC 793 指出 TIME-WAIT 另一个重要的作用是:

TIME-WAIT - represents waiting for enough time to pass to be sure the remote TCP received the acknowledgment of its connection termination request.

也就是说,TIME-WAIT 作用是等待足够的时间以确保最后的 ACK 能让被动关闭方接收,从而帮助其正常关闭。

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短,断开连接会造成什么问题呢?

  • 如上图红色框框客户端四次挥手的最后一个 ACK 报文如果在网络中被丢失了,此时如果客户端 TIME-WAIT 过短或没有,则就直接进入了 CLOSED 状态了,那么服务端则会一直处在 LASE_ACK 状态。
  • 当客户端发起建立连接的 SYN 请求报文后,服务端会发送 RST 报文给客户端,连接建立的过程就会被终止。

如果 TIME-WAIT 等待足够长的情况就会遇到两种情况:

  • 服务端正常收到四次挥手的最后一个 ACK 报文,则服务端正常关闭连接。
  • 服务端没有收到四次挥手的最后一个 ACK 报文时,则会重发 FIN 关闭连接报文并等待新的 ACK 报文。

所以客户端在 TIME-WAIT 状态等待 2MSL 时间后,就可以保证双方的连接都可以正常的关闭。

如果已经建立了连接,但是客户端突然出现故障了怎么办?

TCP 有一个机制是保活机制。这个机制的原理是这样的:

定义一个时间段,在这个时间段内,如果没有任何连接相关的活动,TCP 保活机制会开始作用,每隔一个时间间隔,发送一个探测报文,该探测报文包含的数据非常少,如果连续几个探测报文都没有得到响应,则认为当前的 TCP 连接已经死亡,系统内核将错误信息通知给上层应用程序。

在 Linux 内核可以有对应的参数可以设置保活时间、保活探测的次数、保活探测的时间间隔,以下都为默认值:

net.ipv4.tcp_keepalive_time=7200
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=75  
net.ipv4.tcp_keepalive_probes=9
复制代码
  • tcp_keepalive_time=7200:表示保活时间是 7200 秒(2小时),也就 2 小时内如果没有任何连接相关的活动,则会启动保活机制
  • tcp_keepalive_intvl=75:表示每次检测间隔 75 秒;
  • tcp_keepalive_probes=9:表示检测 9 次无响应,认为对方是不可达的,从而中断本次的连接。

也就是说在 Linux 系统中,最少需要经过 2 小时 11 分 15 秒才可以发现一个「死亡」连接。

这个时间是有点长的,我们也可以根据实际的需求,对以上的保活相关的参数进行设置。

如果开启了 TCP 保活,需要考虑以下几种情况:

第一种,对端程序是正常工作的。当 TCP 保活的探测报文发送给对端, 对端会正常响应,这样 TCP 保活时间会被重置,等待下一个 TCP 保活时间的到来。

第二种,对端程序崩溃并重启。当 TCP 保活的探测报文发送给对端后,对端是可以响应的,但由于没有该连接的有效信息,会产生一个 RST 报文,这样很快就会发现 TCP 连接已经被重置。

第三种,是对端程序崩溃,或对端由于其他原因导致报文不可达。当 TCP 保活的探测报文发送给对端后,石沉大海,没有响应,连续几次,达到保活探测次数后,TCP 会报告该 TCP 连接已经死亡

UDP

UDP头部格式

UDP 头部格式

  • 目标和源端口:主要是告诉 UDP 协议应该把报文发给哪个进程。
  • 包长度:该字段保存了 UDP 首部的长度跟数据的长度之和。
  • 校验和:校验和是为了提供可靠的 UDP 首部和数据而设计。

UDP 和 TCP 有什么区别呢?

1. 连接

  • TCP 是面向连接的传输层协议,传输数据前先要建立连接。
  • UDP 是不需要连接,即刻传输数据。

2. 服务对象

  • TCP 是一对一的两点服务,即一条连接只有两个端点。
  • UDP 支持一对一、一对多、多对多的交互通信。

3. 可靠性

  • TCP 是可靠交付数据的,数据可以无差错、不丢失、不重复、按需到达。
  • UDP 是尽最大努力交付,不保证可靠交付数据。

4. 拥塞控制、流量控制

  • TCP 有拥塞控制和流量控制机制,保证数据传输的安全性。
  • UDP 则没有,即使网络非常拥堵了,也不会影响 UDP 的发送速率。

5. 首部开销

  • TCP 首部长度较长,会有一定的开销,首部在没有使用「选项」字段时是 20 个字节,如果使用了「选项」字段则会变长的。
  • UDP 首部只有 8 个字节,并且是固定不变的,开销较小。

6. 传输方式

  • TCP 是流式传输,没有边界,但保证顺序和可靠。
  • UDP 是一个包一个包的发送,是有边界的,但可能会丢包和乱序。

7. 分片不同

  • TCP 的数据大小如果大于 MSS 大小,则会在传输层进行分片,目标主机收到后,也同样在传输层组装 TCP 数据包,如果中途丢失了一个分片,只需要传输丢失的这个分片。
  • UDP 的数据大小如果大于 MTU 大小,则会在 IP 层进行分片,目标主机收到后,在 IP 层组装完数据,接着再传给传输层,但是如果中途丢了一个分片,则就需要重传所有的数据包,这样传输效率非常差,所以通常 UDP 的报文应该小于 MTU。

UDP 和 TCP 应用场景

由于 TCP 是面向连接,能保证数据的可靠性交付,因此经常用于:

  • FTP 文件传输
  • HTTP / HTTPS

由于 UDP 面向无连接,它可以随时发送数据,再加上UDP本身的处理既简单又高效,因此经常用于:

  • 包总量较少的通信,如 DNSSNMP
  • 视频、音频等多媒体通信
  • 广播通信

IP

IP的作用

IP 在 TCP/IP 参考模型中处于第三层,也就是网络层

网络层的主要作用是:实现主机与主机之间的通信,也叫点对点(end to end)通信。

IPv4表示

IP 地址(IPv4 地址)由 32 位正整数来表示,IP 地址在计算机是以二进制的方式处理的。

而人类为了方便记忆采用了点分十进制的标记方式,也就是将 32 位 IP 地址以每 8 位为组,共分为 4 组,每组以「.」隔开,再将每组转换成十进制。

IP 分类

互联网诞生之初,IP 地址显得很充裕,于是计算机科学家们设计了分类地址

IP 地址分类成了 5 种类型,分别是 A 类、B 类、C 类、D 类、E 类。

上图中黄色部分为分类号,用以区分 IP 地址类别。

什么是 A、B、C 类地址?

其中对于 A、B、C 类主要分为两个部分,分别是网络号和主机号

A、B、C 分类地址最大主机个数是如何计算的呢?

最大主机个数,就是要看主机号的位数,如 C 类地址的主机号占 8 位,那么 C 类地址的最大主机个数:

为什么要减 2 呢?

因为在 IP 地址中,有两个 IP 是特殊的,分别是主机号全为 1 和 全为 0 地址。

  • 主机号全为 1 指定某个网络下的所有主机,用于广播
  • 主机号全为 0 指定某个网络

因此,在分配过程中,应该去掉这两种情况。

广播地址用于什么?

广播地址用于在同一个链路中相互连接的主机之间发送数据包

当主机号全为 1 时,就表示该网络的广播地址。例如把 172.20.0.0/16 用二进制表示如下:

10101100.00010100.00000000.00000000

将这个地址的主机部分全部改为 1,则形成广播地址:

10101100.00010100.11111111.11111111

再将这个地址用十进制表示,则为 172.20.255.255

广播地址可以分为本地广播和直接广播两种。

  • 在本网络内广播的叫做本地广播。例如网络地址为 192.168.0.0/24 的情况下,广播地址是 192.168.0.255 。因为这个广播地址的 IP 包会被路由器屏蔽,所以不会到达 192.168.0.0/24 以外的其他链路上。
  • 在不同网络之间的广播叫做直接广播。例如网络地址为 192.168.0.0/24 的主机向 192.168.1.255/24 的目标地址发送 IP 包。收到这个包的路由器,将数据转发给 192.168.1.0/24,从而使得所有 192.168.1.1~192.168.1.254 的主机都能收到这个包(由于直接广播有一定的安全问题,多数情况下会在路由器上设置为不转发。) 。

什么是 D、E 类地址?

而 D 类和 E 类地址是没有主机号的,所以不可用于主机 IP,D 类常被用于多播,E 类是预留的分类,暂时未使用。

多播地址用于什么?

由于广播无法穿透路由,若想给其他网段发送同样的包,就可以使用可以穿透路由的多播。

多播使用的 D 类地址,其前四位是 1110 就表示是多播地址,而剩下的 28 位是多播的组编号。

从 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 都是多播的可用范围,其划分为以下三类:

  • 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 为预留的组播地址,只能在局域网中,路由器是不会进行转发的。
  • 224.0.1.0 ~ 238.255.255.255 为用户可用的组播地址,可以用于 Internet 上。
  • 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 为本地管理组播地址,可供内部网在内部使用,仅在特定的本地范围内有效。

IP 分类的优点

不管是路由器还是主机解析到一个 IP 地址时候,我们判断其 IP 地址的首位是否为 0,为 0 则为 A 类地址,那么就能很快的找出网络地址和主机地址。

其余分类判断方式参考如下图:

所以,这种分类地址的优点就是简单明了、选路(基于网络地址)简单

IP 分类的缺点

缺点一

同一网络下没有地址层次,比如一个公司里用了 B 类地址,但是可能需要根据生产环境、测试环境、开发环境来划分地址层次,而这种 IP 分类是没有地址层次划分的功能,所以这就缺少地址的灵活性

缺点二

A、B、C类有个尴尬处境,就是不能很好的与现实网络匹配

  • C 类地址能包含的最大主机数量实在太少了,只有 254 个,估计一个网吧都不够用。
  • 而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了,6 万多台机器放在一个网络下面,一般的企业基本达不到这个规模,闲着的地址就是浪费。

IPv6

IPv6 的亮点

IPv6 不仅仅只是可分配的地址变多了,它还有非常多的亮点。

  • IPv6 可自动配置,即使没有 DHCP 服务器也可以实现自动分配IP地址,真是便捷到即插即用啊。
  • IPv6 包头包首部长度采用固定的值 40 字节,去掉了包头校验和,简化了首部结构,减轻了路由器负荷,大大提高了传输的性能
  • IPv6 有应对伪造 IP 地址的网络安全功能以及防止线路窃听的功能,大大提升了安全性

IPv6 地址的标识方法

IPv4 地址长度共 32 位,是以每 8 位作为一组,并用点分十进制的表示方式。

IPv6 地址长度是 128 位,是以每 16 位作为一组,每组用冒号 「:」 隔开。

如果出现连续的 0 时还可以将这些 0 省略,并用两个冒号 「::」隔开。但是,一个 IP 地址中只允许出现一次两个连续的冒号。

IPv6 地址的结构

IPv6 类似 IPv4,也是通过 IP 地址的前几位标识 IP 地址的种类。

IPv6 的地址主要有以下类型地址:

  • 单播地址,用于一对一的通信
  • 组播地址,用于一对多的通信
  • 任播地址,用于通信最近的节点,最近的节点是由路由协议决定
  • 没有广播地址

IPv6 单播地址类型

对于一对一通信的 IPv6 地址,主要划分了三类单播地址,每类地址的有效范围都不同。

  • 在同一链路单播通信,不经过路由器,可以使用链路本地单播地址,IPv4 没有此类型
  • 在内网里单播通信,可以使用唯一本地地址,相当于 IPv4 的私有 IP
  • 在互联网通信,可以使用全局单播地址,相当于 IPv4 的公有 IP

IPv4 首部与 IPv6 首部

IPv6 相比 IPv4 的首部改进:

  • 取消了首部校验和字段。 因为在数据链路层和传输层都会校验,因此 IPv6 直接取消了 IP 的校验。
  • 取消了分片/重新组装相关字段。 分片与重组是耗时的过程,IPv6 不允许在中间路由器进行分片与重组,这种操作只能在源与目标主机,这将大大提高了路由器转发的速度。
  • 取消选项字段。 选项字段不再是标准 IP 首部的一部分了,但它并没有消失,而是可能出现在 IPv6 首部中的「下一个首部」指出的位置上。删除该选项字段使的 IPv6 的首部成为固定长度的 40 字节。

DNS

DNS 域名解析,DNS 可以将域名网址自动转换为具体的 IP 地址。

域名解析的工作流程

浏览器首先看一下自己的缓存里有没有,如果没有就向操作系统的缓存要,还没有就检查本机域名解析文件 hosts,如果还是没有,就会 DNS 服务器进行查询,查询的过程如下:

  1. 客户端首先会发出一个 DNS 请求,问 www.server.com 的 IP 是啥,并发给本地 DNS 服务器(也就是客户端的 TCP/IP 设置中填写的 DNS 服务器地址)。
  2. 本地域名服务器收到客户端的请求后,如果缓存里的表格能找到 www.server.com,则它直接返回 IP 地址。如果没有,本地 DNS 会去问它的根域名服务器:“老大, 能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗?” 根域名服务器是最高层次的,它不直接用于域名解析,但能指明一条道路。
  3. 根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求后,发现后置是 .com,说:“www.server.com 这个域名归 .com 区域管理”,我给你 .com 顶级域名服务器地址给你,你去问问它吧。”
  4. 本地 DNS 收到顶级域名服务器的地址后,发起请求问“老二, 你能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗?”
  5. 顶级域名服务器说:“我给你负责 www.server.com 区域的权威 DNS 服务器的地址,你去问它应该能问到”。
  6. 本地 DNS 于是转向问权威 DNS 服务器:“老三,www.server.com对应的IP是啥呀?” server.com 的权威 DNS 服务器,它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢?就是我的域名我做主。
  7. 权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
  8. 本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端,客户端和目标建立连接。

ARP

在传输一个 IP 数据报的时候,确定了源 IP 地址和目标 IP 地址后,就会通过主机「路由表」确定 IP 数据包下一跳。然而,网络层的下一层是数据链路层,所以我们还要知道「下一跳」的 MAC 地址。

由于主机的路由表中可以找到下一跳的 IP 地址,所以可以通过 ARP 协议,求得下一跳的 MAC 地址。

ARP 如何知道对方 MAC 地址的呢?

  • 主机会通过广播发送 ARP 请求,这个包中包含了想要知道的 MAC 地址的主机 IP 地址。
  • 当同个链路中的所有设备收到 ARP 请求时,会去拆开 ARP 请求包里的内容,如果 ARP 请求包中的目标 IP 地址与自己的 IP 地址一致,那么这个设备就将自己的 MAC 地址塞入 ARP 响应包返回给主机。

操作系统通常会把第一次通过 ARP 获取的 MAC 地址缓存起来,以便下次直接从缓存中找到对应 IP 地址的 MAC 地址。

不过,MAC 地址的缓存是有一定期限的,超过这个期限,缓存的内容将被清除。

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