【原】網(wǎng)絡(luò)編程必備：深入理解TCP/IP協(xié)議棧（含posix API實(shí)現(xiàn)）

深度Linux 2023-07-15 發(fā)布于湖南

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前言：TCP/IP協(xié)議并不是單純的倆個(gè)協(xié)議，而是一個(gè)很大的協(xié)議棧的總稱。TCP/IP 協(xié)議棧是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信的核心骨架，它定義了電子設(shè)備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間進(jìn)行傳輸。TCP/IP 協(xié)議采用4層結(jié)構(gòu)，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層，每一層都呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來(lái)完成自己的需求。下面我們來(lái)看TCP/IP的四層結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有OSI七層協(xié)議和TCP/IP四層協(xié)議，還有一個(gè)五層協(xié)議，其實(shí)四層協(xié)議可以看做是七層協(xié)議的簡(jiǎn)化版。

一、TCP/IP整體概念

1.1物理介質(zhì)

物理介質(zhì)就是把電腦連接起來(lái)的物理手段，常見的有光纖、雙絞線，以及無(wú)線電波，它決定了電信號(hào)(0和1)的傳輸方式，物理介質(zhì)的不同決定了電信號(hào)的傳輸帶寬、速率、傳輸距離以及抗干擾性等等。TCP/IP協(xié)議棧分為四層，每一層都由特定的協(xié)議與對(duì)方進(jìn)行通信，而協(xié)議之間的通信最終都要轉(zhuǎn)化為 0 和 1 的電信號(hào)，通過(guò)物理介質(zhì)進(jìn)行傳輸才能到達(dá)對(duì)方的電腦，因此物理介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)通信的基石。

下面我們先通過(guò)一張圖先來(lái)大概了解一下TCP/IP協(xié)議的基本框架以及數(shù)據(jù)的處理流程：

當(dāng)通過(guò)http發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的相關(guān)協(xié)議依次對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行包裝并攜帶對(duì)應(yīng)的首部，最終在鏈路層生成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過(guò)物理介質(zhì)傳輸給對(duì)方主機(jī)，對(duì)方接收到數(shù)據(jù)包以后，然后再一層一層采用對(duì)應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行拆包，最后把應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序處理。

網(wǎng)絡(luò)通信就好比送快遞，商品外面的一層層包裹就是各種協(xié)議，協(xié)議包含了商品信息、收貨地址、收件人、聯(lián)系方式等，然后還需要配送車、配送站、快遞員，商品才能最終到達(dá)用戶手中。

一般情況下，快遞是不能直達(dá)的，需要先轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的配送站，然后由配送站再進(jìn)行派件。

配送車就是物理介質(zhì)，配送站就是網(wǎng)關(guān)，快遞員就是路由器，收貨地址就是IP地址，聯(lián)系方式就是MAC地址。

快遞員負(fù)責(zé)把包裹轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)配送站，配送站根據(jù)收獲地址里的省市區(qū)，確認(rèn)是否需要繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他配送站，當(dāng)包裹到達(dá)了目標(biāo)配送站以后，配送站再根據(jù)聯(lián)系方式找到收件人進(jìn)行派件。

1.2鏈路層

網(wǎng)絡(luò)通信就是把有特定意義的數(shù)據(jù)通過(guò)物理介質(zhì)傳送給對(duì)方，單純的發(fā)送 0 和 1 是沒有意義的，要傳輸有意義的數(shù)據(jù)，就需要以字節(jié)為單位對(duì) 0 和 1 進(jìn)行分組，并且要標(biāo)識(shí)好每一組電信號(hào)的信息特征，然后按照分組的順序依次發(fā)送。以太網(wǎng)規(guī)定一組電信號(hào)就是一個(gè)數(shù)據(jù)包，一個(gè)數(shù)據(jù)包被稱為一幀，制定這個(gè)規(guī)則的協(xié)議就是以太網(wǎng)協(xié)議。

以太網(wǎng)規(guī)協(xié)議定，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都必須安裝網(wǎng)絡(luò)適配器，即網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)包必須是從一塊網(wǎng)卡傳送到另一塊網(wǎng)卡。而網(wǎng)卡地址就是數(shù)據(jù)包的發(fā)送地址和接收地址，也就是幀首部所包含的MAC地址，MAC地址是每塊網(wǎng)卡的身份標(biāo)識(shí)，就如同我們身份證上的身份證號(hào)碼，具有全球唯一性。

有了MAC地址以后，以太網(wǎng)采用廣播形式，把數(shù)據(jù)包發(fā)給該子網(wǎng)內(nèi)所有主機(jī)，子網(wǎng)內(nèi)每臺(tái)主機(jī)在接收到這個(gè)包以后，都會(huì)讀取首部里的目標(biāo)MAC地址，然后和自己的MAC地址進(jìn)行對(duì)比，如果相同就做下一步處理，如果不同，就丟棄這個(gè)包。

所以鏈路層的主要工作就是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分組并形成具有特定意義的數(shù)據(jù)幀，然后以廣播的形式通過(guò)物理介質(zhì)發(fā)送給接收方。

1.3網(wǎng)絡(luò)層

對(duì)于上面的過(guò)程，肯定會(huì)產(chǎn)生下面幾個(gè)疑問(wèn)：

1.發(fā)送者如何知道接收者的MAC地址？

2.發(fā)送者如何知道接收者和自己同屬一個(gè)子網(wǎng)？

3.如果接收者和自己不在同一個(gè)子網(wǎng)，數(shù)據(jù)包如何發(fā)給對(duì)方？

為了解決這些問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)層引入了三個(gè)協(xié)議，分別是IP協(xié)議、ARP協(xié)議、路由協(xié)議。IP協(xié)議制定了IP地址來(lái)判斷倆個(gè)主機(jī)是否屬于同一個(gè)子網(wǎng)。ARP協(xié)議根據(jù)IP地址獲取MAC地址。路由協(xié)議根據(jù)信道情況，選擇并設(shè)定路由，以最佳路徑來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

所以，網(wǎng)絡(luò)層的主要工作是定義網(wǎng)絡(luò)地址，區(qū)分網(wǎng)段，子網(wǎng)內(nèi)MAC尋址，對(duì)于不同子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由。

1.4傳輸層

鏈路層定義了主機(jī)的身份，即MAC地址，而網(wǎng)絡(luò)層定義了IP地址，明確了主機(jī)所在的網(wǎng)段，有了這兩個(gè)地址，數(shù)據(jù)包就從可以從一個(gè)主機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)主機(jī)。但實(shí)際上數(shù)據(jù)包是從一個(gè)主機(jī)的某個(gè)應(yīng)用程序發(fā)出，然后由對(duì)方主機(jī)的應(yīng)用程序（進(jìn)程）接收。而每臺(tái)電腦都有可能同時(shí)運(yùn)行著很多個(gè)應(yīng)用程序（進(jìn)程），所以當(dāng)數(shù)據(jù)包被發(fā)送到主機(jī)上以后，是無(wú)法確定哪個(gè)應(yīng)用程序（進(jìn)程）要接收這個(gè)包。傳輸層提供了進(jìn)程間的邏輯通信，傳輸層向高層用戶屏蔽了下面網(wǎng)絡(luò)層的核心細(xì)節(jié)，使應(yīng)用程序看起來(lái)像是在兩個(gè)傳輸層實(shí)體之間有一條端到端的邏輯通信信道。

1.5應(yīng)用層

理論上講，有了以上三層協(xié)議的支持，數(shù)據(jù)已經(jīng)可以從一個(gè)主機(jī)上的應(yīng)用程序傳輸?shù)搅硪慌_(tái)主機(jī)的應(yīng)用程序了，但此時(shí)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是字節(jié)流，不能很好的被程序識(shí)別，操作性差。因此，應(yīng)用層定義了各種各樣的協(xié)議來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)格式，常見的有 HTTP、FTP、SMTP 等。

1.6四層協(xié)議整體流程

鏈路層：對(duì)0和1進(jìn)行分組，定義數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)主機(jī)的物理地址，傳輸數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層：定義IP地址，確認(rèn)主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)位置，并通過(guò)IP進(jìn)行MAC尋址，對(duì)外網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)；傳輸層：定義端口，確認(rèn)主機(jī)上應(yīng)用程序的身份，并將數(shù)據(jù)包交給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序；應(yīng)用層：定義數(shù)據(jù)格式，并按照對(duì)應(yīng)的格式解讀數(shù)據(jù)。

用一句話來(lái)概括就是：當(dāng)你輸入一個(gè)網(wǎng)址并按下回車鍵的時(shí)候，首先，應(yīng)用層協(xié)議對(duì)該請(qǐng)求包做了格式定義；緊接著傳輸層協(xié)議加上了雙方的端口號(hào)，確認(rèn)了雙方通信的應(yīng)用程序；然后網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加上了雙方的IP地址，確認(rèn)了雙方的網(wǎng)絡(luò)位置；最后鏈路層協(xié)議加上了雙方的MAC地址，確認(rèn)了雙方的物理位置，同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，形成數(shù)據(jù)幀，采用廣播方式，通過(guò)傳輸介質(zhì)發(fā)送給對(duì)方主機(jī)。而對(duì)于不同網(wǎng)段，該數(shù)據(jù)包首先會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)路由器，經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)后，最終被發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)。目標(biāo)機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，采用對(duì)應(yīng)的協(xié)議，對(duì)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝，然后再通過(guò)一層一層的協(xié)議進(jìn)行解析，最終被應(yīng)用層的協(xié)議解析并交給服務(wù)器處理。

二、傳輸層

傳輸層（Transport Layer）是ISO OSI協(xié)議的第四層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸。該層是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，第一個(gè)端到端的層次，具有緩沖作用。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量不能滿足要求時(shí)，它將服務(wù)加以提高，以滿足高層的要求；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量較好時(shí)，它只用很少的工作。傳輸層還可進(jìn)行復(fù)用，即在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接上創(chuàng)建多個(gè)邏輯連接。

傳輸層在終端用戶之間提供透明的數(shù)據(jù)傳輸，向上層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。傳輸層在給定的鏈路上通過(guò)流量控、分段/重組和差錯(cuò)控制。一些協(xié)議是面向鏈接的。這就意味著傳輸層能保持對(duì)分段的跟蹤，并且重傳那些失敗的分段。

傳輸層作用

傳輸層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程間的端到端(end-to-end)通信
向應(yīng)用層提供通信服務(wù)

多路分解與復(fù)用

多路復(fù)用：所有應(yīng)用進(jìn)程的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸層傳輸?shù)絀P層；
多路分解：傳輸層收到的數(shù)據(jù)交付給相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)程。

2.1用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP

端到端的、盡力而為的、無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù) 1.無(wú)連接的 2.盡最大努力交付，即不保證可靠交付 3.面向報(bào)文的（在IP的功能上簡(jiǎn)單擴(kuò)展了端到端） 4.沒有擁塞控制 5.支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一和多對(duì)多的交互通信（需要組播的通信都是建立在UDP之上）

2.2傳輸控制協(xié)議TCP

端到端的、可靠的、面向連接的字節(jié)流服務(wù) a).面向連接：先建立邏輯連接，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)流傳輸，通信結(jié)束后撤銷連接 b).面向字節(jié)流 c).點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的全雙工通信 d).可靠傳輸：對(duì)一個(gè)連接上傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)編號(hào)，通過(guò)接收確認(rèn)和重傳來(lái)保證可靠傳輸 c).流量控制：防止發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)超出接收方的接收能力。

多路復(fù)用：源、目的端口連接管理：序號(hào)、確認(rèn)號(hào)、SYN、FIN 可靠傳輸：序號(hào)、確認(rèn)號(hào) 流量控制：接收窗口擁塞控制：未在TCP首部中體現(xiàn)（序號(hào)、確認(rèn)號(hào)、接收窗口）。

2.3連接管理

每條TCP連接是一對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)的字節(jié)流
每條TCP連接者兩個(gè)端點(diǎn)，即套接字(sokect)={IP : port}
每條TCP連接由兩個(gè)端點(diǎn)唯一標(biāo)識(shí)，TCP連接={socket1, socket2} = {{IP1 : port1}, {IP2 : port2}}
TCP連接有3個(gè)階段：連接建立、數(shù)據(jù)傳輸、連接釋放

1）TCP連接建立的目的

①使通信雙方確知對(duì)方的存在 ②雙方確定自己的初始序列號(hào)，并通知對(duì)方 ③允許雙方協(xié)商一些參數(shù)（最大報(bào)文長(zhǎng)度、窗口大小等） ④對(duì)傳輸實(shí)體資源進(jìn)行分配

2）TCP連接建立的方式

采用客戶端服務(wù)器方式（C/S），主動(dòng)發(fā)起連接建立的應(yīng)用進(jìn)程叫做客戶端，被動(dòng)等待連接建立的叫服務(wù)器端。

3）連接建立（三次握手）

①服務(wù)器進(jìn)程B被動(dòng)打開連接，進(jìn)入LISTEN（收聽）狀態(tài)，等待客戶端發(fā)出請(qǐng)求 ②客戶進(jìn)程A主動(dòng)打開連接，向B發(fā)送連接請(qǐng)求報(bào)文段（報(bào)文段不挾帶數(shù)據(jù)），SYN=1，序號(hào)=x，進(jìn)入SYN-SENT（同步已發(fā)送）狀態(tài) ③服務(wù)器進(jìn)程B收到請(qǐng)求后，向A發(fā)送確認(rèn)報(bào)文段（報(bào)文段不挾帶數(shù)據(jù)），SYN=1，ACK=1，確認(rèn)號(hào)=x+1，序號(hào)=y，進(jìn)入SYN-RCVD（同步收到）狀態(tài) ④客戶進(jìn)程A收到確認(rèn)后，向B發(fā)送確認(rèn)報(bào)文段（報(bào)文段可以攜帶數(shù)據(jù)，不攜帶數(shù)據(jù)時(shí)不消耗序號(hào)，下一個(gè)序號(hào)依然是x+1），ACK=1，確認(rèn)號(hào)=y+1，序號(hào)=x+1，進(jìn)入ESTABLISHED（已建立連接）狀態(tài)，B收到確認(rèn)后，也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)

為什么A需要向B發(fā)送最后一個(gè)確認(rèn)報(bào)文段：為了防止“已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段”突然又傳到B發(fā)生錯(cuò)誤，以至于B一直等待A發(fā)送數(shù)據(jù)，B的資源被浪費(fèi)。

4）連接釋放（四次揮手）

①A，B都處于ESTABLISHED狀態(tài)； ②客戶進(jìn)程A主動(dòng)關(guān)閉連接，向B發(fā)送連接釋放請(qǐng)求報(bào)文段（報(bào)文段不挾帶數(shù)據(jù)），F(xiàn)IN=1，序列號(hào)=u，進(jìn)入FIN-WAIT-1（終止等待1）狀態(tài)； ③B收到A的連接釋放報(bào)文段后，應(yīng)答確認(rèn)，ACK=1，確認(rèn)號(hào)=u+1，序號(hào)=v，進(jìn)入CLOSE-WAIT (關(guān)閉等待)狀態(tài)，B仍然可以向A發(fā)送數(shù)據(jù)，A進(jìn)入FIN-WAIT-2（終止等待2）狀態(tài)； ④若B已經(jīng)沒有向A的數(shù)據(jù)，其應(yīng)用進(jìn)程通知TCP連接釋放，B向A發(fā)送連接釋放報(bào)文段，F(xiàn)IN=1，ACK=1，確認(rèn)號(hào)=u+1，序號(hào)=w，進(jìn)入LAST-ACK（最后確認(rèn)）狀態(tài)； ⑤A收到B的鏈接釋放報(bào)文段后，應(yīng)答確認(rèn)，ACK=1，確認(rèn)號(hào)=w+1，序號(hào)=u+1，進(jìn)入TIME-TIME-WAIT（時(shí)間等待）狀態(tài)，B收到A的確認(rèn)后，進(jìn)入CLOSED狀態(tài)

A必須經(jīng)過(guò)時(shí)間等待計(jì)時(shí)器設(shè)置的時(shí)間2MSL（默認(rèn)2分鐘）后，進(jìn)入CLOSED狀態(tài)：確保A發(fā)送的最后一個(gè)ACK報(bào)文段能夠到達(dá)B；防止“已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段”出現(xiàn)在本連接中。

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可靠傳輸

發(fā)送方的TCP：維護(hù)一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)
維護(hù)3個(gè)指針：LastByteAcked、LastByteSent、LastByteWritten
發(fā)送窗口=min（通知窗口，擁塞窗口）
累積確認(rèn)(Cumulative ACK) ：對(duì)按序到達(dá)的最后一個(gè)報(bào)文段進(jìn)行確認(rèn)
選擇確認(rèn)(Selective ACK) ：確認(rèn)接收到的不連續(xù)的數(shù)據(jù)塊的邊界（使用首部的SACK選項(xiàng)，不影響確認(rèn)號(hào)字段的使用）

流量控制

目的：為了防止發(fā)送方給慢接收方發(fā)數(shù)據(jù)造成接受崩潰，緩沖區(qū)溢出原理：接收方通知發(fā)送方自己的接受窗口大小，發(fā)送方的發(fā)送窗口≤接收方的接受窗口
問(wèn)題：B向A發(fā)送了零窗口報(bào)文段后，B的接受緩存有了一些存儲(chǔ)空間，于是B向A發(fā)送了rwnd=400的報(bào)文段，然而報(bào)文段在傳送過(guò)程中丟失，這樣A一直等待B發(fā)送的非零窗口通知，B一直等待A發(fā)送數(shù)據(jù)，從而形成死鎖局面。

解決：TCP為每一個(gè)連接設(shè)置一個(gè)持續(xù)計(jì)時(shí)器，只要TCP鏈接一方收到零窗口通知，就啟動(dòng)持續(xù)計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器到期，發(fā)送零窗口探測(cè)報(bào)文段，而對(duì)方就在確認(rèn)這個(gè)探測(cè)報(bào)文段時(shí)給出現(xiàn)在的窗口值，①如果窗口仍然是零，那么重新設(shè)置持續(xù)計(jì)時(shí)器；②否則死鎖的僵局就可以打破。

2.4自適應(yīng)重傳

1）超時(shí)重傳

報(bào)文段的往返時(shí)間：RTT 加權(quán)平均往返時(shí)間：RTTS RTT的偏差加權(quán)平均值：RTTD 超時(shí)重傳時(shí)間：RTO RTTS = (1 - α) * RTTS + α * 新的RTT樣本值（α一般為1/8） RTTD = (1 - β) * RTTD + β * | RTTS - 新的RTT樣本值 | （β一般為1/4） RTO = RTTS + 4 * RTTD

Karn算法：①每次超時(shí)重傳一個(gè)報(bào)文段時(shí)，停止計(jì)算新RTT樣本值 ②每次超時(shí)重傳一個(gè)報(bào)文段時(shí)，就把超時(shí)重傳時(shí)間RTO增大y倍（一般為2倍） ③當(dāng)不發(fā)生報(bào)文段重傳時(shí)，才計(jì)算RTTS和超時(shí)重傳時(shí)間RTO

2）快速重傳

原因：超時(shí)重傳作為TCP最基本的重傳機(jī)制，效率較低。

超時(shí)的粗粒度實(shí)現(xiàn)方法導(dǎo)致連接在等待一個(gè)定時(shí)器超時(shí)時(shí)，很長(zhǎng)一段時(shí)間連接無(wú)效。

基本思想：①接收方：當(dāng)報(bào)文段到達(dá)，立刻回復(fù)ACK，即使該序號(hào)已被確認(rèn)過(guò) ②發(fā)送方：收到一個(gè)重復(fù)ACK（同一個(gè)確認(rèn)的再一次重傳稱為重復(fù)確認(rèn)），就知道接收方必定收到亂序到達(dá)的報(bào)文段，表明其前面的分組可能丟失。收到3個(gè)重復(fù)ACK時(shí)，立刻觸發(fā)重傳。

2.5擁塞控制

1）窗口大小

MaxWindow = min (cwnd, AdvertisedWindow) 擁塞窗口cwnd (Congestion Windows)：擁塞控制算法決定，可以同時(shí)發(fā)出的最大字節(jié)數(shù)以防止造成網(wǎng)絡(luò)擁塞通知窗口 (AdvertisedWindow)：接收方?jīng)Q定，可以同時(shí)發(fā)出的最大字節(jié)數(shù)以防止超出接收方的接收能力。

2）擁塞控制算法

①慢啟動(dòng) 把初始擁塞窗口 cwnd 設(shè)置為不超過(guò)2至4個(gè)SMSS（最大報(bào)文段長(zhǎng)度），在每收到一個(gè)對(duì)新的報(bào)文段的確認(rèn)后，把cwnd增加1個(gè) SMSS 的數(shù)值數(shù)（每經(jīng)過(guò)一個(gè)傳輸輪次，cwnd就加倍）設(shè)置一個(gè)慢開始門限ssthresh 當(dāng)cwnd < ssthresh時(shí)，使用慢開始算法當(dāng)cwnd ≥ ssthresh時(shí)，使用擁塞避免算法。

②擁塞避免（加法增大）：每經(jīng)過(guò)一個(gè)往返時(shí)間RTT把發(fā)送方的cwnd加1，使得cwnd慢性增加 ③快重傳（乘法減?。菏盏?個(gè)重復(fù)ACK立即觸發(fā)重傳 ④快恢復(fù)（在快重傳之后）

ssthresh減小為當(dāng)前cwnd的一半：ssthresh = cwnd / 2
新?lián)砣翱?cwnd = 新的 ssthresh
執(zhí)行擁塞避免 (AIMD)，使cwnd緩慢線性增大

三、應(yīng)用層

3.1概念

5層因特網(wǎng)協(xié)議棧：應(yīng)用層 -> 傳輸層 -> 網(wǎng)絡(luò)層 -> 數(shù)據(jù)鏈路層 -> 物理層

7層OSI參考模型：應(yīng)用層 ->表示層 -> 會(huì)話層 -> 傳輸層 -> 網(wǎng)絡(luò)層 -> 數(shù)據(jù)鏈路層 -> 物理層

為什么我們要在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中分層次？

因?yàn)槿绻麅膳_(tái)計(jì)算機(jī)能夠相互通信的話，實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來(lái)是非常困難操作的。我們分層的目的就是為了將困難的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，并且如果我們分層了，我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候就可以僅僅關(guān)注我們需要關(guān)注的層次，而不用理會(huì)其他層

如果需要改動(dòng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們只需要把變動(dòng)的層替換即可，并不用涉及到其他的層次。這與我們程序設(shè)計(jì)中的低耦合是一個(gè)概念。

每層作用如下：

物理層：通過(guò)媒介傳輸比特,確定機(jī)械及電氣規(guī)范（比特Bit），通過(guò)電頻的高低來(lái)傳輸0和1這樣的電信號(hào)
數(shù)據(jù)鏈路層：將比特組裝成幀和點(diǎn)到點(diǎn)的傳遞（幀F(xiàn)rame），將無(wú)規(guī)則的0和一同通過(guò)一套規(guī)則來(lái)分組傳輸，于是出現(xiàn)了以太網(wǎng)協(xié)議。以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定：一組電信號(hào)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包稱為幀，每一個(gè)幀由標(biāo)頭（Head）和數(shù)據(jù)（Data）兩部分組成，標(biāo)頭部分的大小為18字節(jié)
網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包從源到宿的傳遞和網(wǎng)際互連（包PackeT）
傳輸層：提供端到端的可靠報(bào)文傳遞和錯(cuò)誤恢復(fù)（段Segment）
會(huì)話層：建立、管理和終止會(huì)話（會(huì)話協(xié)議數(shù)據(jù)單元SPDU）
表示層：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯、加密和壓縮（表示協(xié)議數(shù)據(jù)單元PPDU）
應(yīng)用層：允許訪問(wèn)OSI環(huán)境的手段（應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU）

每一層的協(xié)議如下：

物理層：RJ45、CLOCK、IEEE802.3 （中繼器，集線器，網(wǎng)關(guān)）
數(shù)據(jù)鏈路：PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC （網(wǎng)橋，交換機(jī)）
網(wǎng)絡(luò)層：IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP、（路由器）
傳輸層：TCP、UDP、SPX
會(huì)話層：NFS、SQL、NETBIOS、RPC
表示層：JPEG、MPEG、ASII
應(yīng)用層：FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS

3.2DNS域名系統(tǒng)

NS（Domain Name System）提供了什么服務(wù)？

一個(gè)由分層的DNS服務(wù)器（DNS Server）實(shí)現(xiàn)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)
使得主機(jī)能夠查詢分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用協(xié)議
DNS協(xié)議是運(yùn)行在UDP之上，用53號(hào)端口

分布式、層次數(shù)據(jù)庫(kù)：

根DNS服務(wù)器：全球有四百多個(gè)根DNS服務(wù)器，由13個(gè)不同的組織管理，根服務(wù)器提供TLD服務(wù)器的IP地址。
頂級(jí)域(TLD)DNS服務(wù)器：頂級(jí)域（如：com、org、net和org）和所有的國(guó)家頂級(jí)域（uk、fr、cn、jp）都有TLD服務(wù)器。TLD服務(wù)器提供了權(quán)威DNS服務(wù)器的IP地址
權(quán)威DNS服務(wù)器：再因特網(wǎng)上具有公共可訪問(wèn)的主機(jī)（就是你的服務(wù)器主機(jī)地址），權(quán)威DNS服務(wù)器將主機(jī)名映射為IP地址
本地DNS服務(wù)器：不屬于DNS服務(wù)器的層次結(jié)構(gòu)，但是也是必不可少的。當(dāng)我們發(fā)出DNS請(qǐng)求時(shí)，該請(qǐng)求先被發(fā)送到本地DNS服務(wù)器，它起著代理的作用

域名解析過(guò)程：

假設(shè)我們（主機(jī)是http://a.xyz.com）獲取http://www.baidu.com的IP地址，同時(shí)本地DNS服務(wù)器為http://dns.xyz.com。首先我們的主機(jī)向本地DNS服務(wù)器發(fā)送一個(gè)DNS查詢報(bào)文（報(bào)文包含被查詢的主機(jī)名），然后本地DNS服務(wù)器將該報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到根DNS服務(wù)器，根DNS服務(wù)器發(fā)現(xiàn)了com前綴，然后向本地DNS服務(wù)器返回com的頂級(jí)域（TLD）DNS服務(wù)器的IP地址列表。本地DNS服務(wù)區(qū)再向這些TLD服務(wù)器發(fā)送查詢報(bào)文，TLD服務(wù)器注意到了http://baidu.com前綴，然后將負(fù)責(zé)http://www.baidu.com的權(quán)威DNS服務(wù)器的IP地址返回給本地DNS服務(wù)器，最后，本地DNS服務(wù)器向該IP地址進(jìn)行發(fā)送報(bào)文查詢，權(quán)威DNS服務(wù)器返回了http://www.baidu.com的IP地址給本地DNS服務(wù)器，本地DNS服務(wù)器再將該DNS發(fā)送到我們主機(jī)，我們開始訪問(wèn)該IP地址。

遞歸查詢過(guò)程如下：

迭代查詢過(guò)程如下：

理論上來(lái)講，任何DNS查詢既可以是遞歸也可以是迭代的。在實(shí)踐中，查詢通常是從請(qǐng)求主機(jī)到本地DNS服務(wù)器的查詢時(shí)遞歸的，其余查詢時(shí)迭代的

主機(jī)向本地域名服務(wù)器的查詢一般都是采用遞歸查詢：如果主機(jī)所詢問(wèn)的本地域名服務(wù)器不知道被查詢域名的 IP 地址，那么本地域名服務(wù)器就以 DNS 客戶的身份，向其他根域名服務(wù)器繼續(xù)發(fā)出查詢請(qǐng)求報(bào)文。
本地域名服務(wù)器向根域名服務(wù)器的查詢通常是采用迭代查詢：當(dāng)根域名服務(wù)器收到本地域名服務(wù)器的迭代查詢請(qǐng)求報(bào)文時(shí)，要么給出所要查詢的 IP 地址，要么告訴本地域名服務(wù)器：“你下一步應(yīng)當(dāng)向哪一個(gè)域名服務(wù)器進(jìn)行查詢”。然后讓本地域名服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)的查詢。

3.3FTP協(xié)議以及端口

文件傳輸協(xié)議FTP（File Transfer Protocol）是世界上使用最廣泛的文件傳輸協(xié)議。FTP 提供交互式的訪問(wèn)，允許客戶指明文件的類型與格式，并允許文件具有存取權(quán)限

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)制文件的復(fù)雜性：

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的格式的不同
文件的目錄結(jié)構(gòu)和文件命名的規(guī)定不同
對(duì)于相同的文件存取功能，操作系統(tǒng)使用的命令不同
訪問(wèn)控制方法不同

因此，F(xiàn)TP協(xié)議出現(xiàn)了。

FTP協(xié)議連接過(guò)程：

打開熟知端口（端口號(hào)為 21），使客戶進(jìn)程能夠連接上
等待客戶進(jìn)程發(fā)出連接請(qǐng)求
啟動(dòng)從屬進(jìn)程來(lái)處理客戶進(jìn)程發(fā)來(lái)的請(qǐng)求。從屬進(jìn)程對(duì)客戶進(jìn)程的請(qǐng)求處理完畢后即終止，但從屬進(jìn)程在運(yùn)行期間根據(jù)需要還可能創(chuàng)建其他一些子進(jìn)程
回到等待狀態(tài)，繼續(xù)接受其他客戶進(jìn)程發(fā)來(lái)的請(qǐng)求。主進(jìn)程與從屬進(jìn)程的處理是并發(fā)地進(jìn)行
當(dāng)客戶進(jìn)程向服務(wù)器進(jìn)程發(fā)出建立連接請(qǐng)求時(shí)，要尋找連接服務(wù)器進(jìn)程的熟知端口 (21)，同時(shí)還要告訴服務(wù)器進(jìn)程自己的另一個(gè)端口號(hào)碼，用于建立數(shù)據(jù)傳送連接
接著，服務(wù)器進(jìn)程用自己傳送數(shù)據(jù)的熟知端口 (20) 與客戶進(jìn)程所提供的端口號(hào)碼建立數(shù)據(jù)傳送連接
由于 FTP 使用了兩個(gè)不同的端口號(hào)，所以數(shù)據(jù)連接（20）與控制連接（21）不會(huì)發(fā)生混亂

FTP是使用了兩個(gè)TCP連接的：

使協(xié)議更加簡(jiǎn)單和跟容易實(shí)現(xiàn)
在傳輸文件時(shí)還可以利用控制連接（如：客戶發(fā)送請(qǐng)求終止傳輸）

3.4DHCP動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議

DHCP：DHCP（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）是一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。指的是由服務(wù)器控制一段IP地址范圍，客戶機(jī)登錄服務(wù)器時(shí)就可以自動(dòng)獲得服務(wù)器分配的IP地址和子網(wǎng)掩碼?；ヂ?lián)網(wǎng)廣泛使用的動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 提供了即插即用連網(wǎng) (plug-and-play networking) 的機(jī)制。

DHCP是使用UDP協(xié)議工作，他的用途如下：

為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動(dòng)分配IP地址
為用戶或者內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員作為對(duì)所有計(jì)算機(jī)做中央管理的手段
為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)用戶接受IP租約

并不是每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上都有DHCP服務(wù)器，這樣會(huì)使得DHCP服務(wù)器的數(shù)量太多了?，F(xiàn)在是每個(gè)網(wǎng)絡(luò)至少有一個(gè)DHCP中繼代理，他配置了DHCP服務(wù)器的IP地址信息

在生活中，DHCP必不可少，為我們帶來(lái)了便利，當(dāng)通過(guò)WiFi連上一個(gè)陌生的子網(wǎng)，但是我們并沒有做重新為主機(jī)配置IP地址的工作，這樣子就可直接上網(wǎng)！假如沒有DHCP協(xié)議的幫助：

而在DHCP協(xié)議的支持下：

DHCP工作流程：

DHCP服務(wù)器管理著一個(gè)包含一系列IP地址的地址池
每當(dāng)一臺(tái)新的主機(jī)加入時(shí)，DHCP服務(wù)器就從其當(dāng)前可用地址池中分配一個(gè)任意的地址給它
而每當(dāng)一臺(tái)主機(jī)離開的時(shí)候，其IP地址就被回收到地址池中

3.5簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP

簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP（Simple Net Manage Protocol）是TCP/IP協(xié)議簇的一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)管理包括對(duì)硬件、軟件和人力的使用、綜合與協(xié)調(diào)，以便對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)試、配置、分析、評(píng)價(jià)和控制，這樣就能以合理的價(jià)格滿足網(wǎng)絡(luò)的一些需求，如實(shí)時(shí)運(yùn)行性能，服務(wù)質(zhì)量等。網(wǎng)絡(luò)管理常簡(jiǎn)稱為網(wǎng)管。

含義：

網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議簡(jiǎn)稱為網(wǎng)管協(xié)議。
需要注意的是，并不是網(wǎng)管協(xié)議本身來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)管協(xié)議是管理程序和代理程序之間進(jìn)行通信的規(guī)則。

CS模式：

管理程序和代理程序按客戶服務(wù)器方式工作。
管理程序運(yùn)行 SNMP 客戶程序，向某個(gè)代理程序發(fā)出請(qǐng)求（或命令），代理程序運(yùn)行 SNMP 服務(wù)器程序，返回響應(yīng)（或執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作）。

功能：

SNMP 最重要的指導(dǎo)思想就是要盡可能簡(jiǎn)單。
SNMP 的基本功能包括監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)性能、檢測(cè)分析網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)和配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

過(guò)程：

整個(gè)系統(tǒng)必須有一個(gè)管理站。
管理進(jìn)程和代理進(jìn)程利用 SNMP 報(bào)文進(jìn)行通信，而 SNMP 報(bào)文又使用 UDP 來(lái)傳送。
若網(wǎng)絡(luò)元素使用的不是 SNMP 而是另一種網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，SNMP 協(xié)議就無(wú)法控制該網(wǎng)絡(luò)元素。這時(shí)可使用委托代理 (proxy agent)。委托代理能提供如協(xié)議轉(zhuǎn)換和過(guò)濾操作等功能對(duì)被管對(duì)象進(jìn)行管理。
SNMP 定義了管理站和代理之間所交換的分組格式。所交換的分組包含各代理中的對(duì)象（變量）名及其狀態(tài)（值）。
SNMP 負(fù)責(zé)讀取和改變這些數(shù)值。

3.6電子郵件協(xié)議SMTP、POP3、IMAP

SMTP是因特網(wǎng)電子郵件中主要的應(yīng)用層協(xié)議，只用TCP可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，SMTP的端口號(hào)是25號(hào)。因特網(wǎng)電子郵件的主要組成部分：

用戶代理（user agent）
郵件服務(wù)器（mail server）
簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議（Simple Mail Transfer Protocol ）

郵件發(fā)送過(guò)程：從發(fā)送的用戶代理開始，傳輸郵件到發(fā)送方的郵件服務(wù)器，再傳輸?shù)浇邮辗降泥]件服務(wù)器，然后在這里被分發(fā)到接收方的郵箱中。如果用戶要讀取該郵件時(shí)，使用用戶名和口令來(lái)鑒別用戶。

POP3（第三版的郵局協(xié)議Post Office Protocol - Version 3）：

POP3是一個(gè)極為簡(jiǎn)單的郵件訪問(wèn)協(xié)議（由于其簡(jiǎn)單，所以權(quán)限有限）
當(dāng)用戶打開了一個(gè)到郵件服務(wù)器的端口110上的TCP連接后，POP3就開始工作了，按照三個(gè)階段：特許、事務(wù)處理以及更新

IMAP（因特網(wǎng)郵件訪問(wèn)協(xié)議Internet Mail Access Protocol）：

允許用戶代理獲取報(bào)文某些部分的命令
IMAP協(xié)議為用戶提供了創(chuàng)建文件夾及移動(dòng)文件的命令

注意：

不要將郵件讀取協(xié)議 POP 或 IMAP 與郵件傳送協(xié)議 SMTP 弄混。
發(fā)信人的用戶代理向源郵件服務(wù)器發(fā)送郵件，以及源郵件服務(wù)器向目的郵件服務(wù)器發(fā)送郵件，都是使用 SMTP 協(xié)議。
而 POP3 協(xié)議或 IMAP 協(xié)議則是用戶從目的郵件服務(wù)器上讀取郵件所使用的協(xié)議。

四、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

IP協(xié)議屬于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，所有的TCP, UDP, ICMP, IGMP數(shù)據(jù)都通過(guò)IP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸。IP提供了一種不可靠，無(wú)連接的數(shù)據(jù)包交付服務(wù)。依賴其他層的協(xié)議進(jìn)行差錯(cuò)控制。不可靠: IP數(shù)據(jù)報(bào)不保證能成功的到達(dá)目的地，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤則選擇丟棄該數(shù)據(jù)，然后發(fā)送ICMP消息報(bào)給信源端無(wú)連接: IP不提供任何后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)處理都是獨(dú)立的。如果一個(gè)信源發(fā)送了連續(xù)的兩個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)選擇獨(dú)立的路由，兩個(gè)數(shù)據(jù)可能不同時(shí)到達(dá)。IP通信雙方都不長(zhǎng)久地維持對(duì)方的任何信息。這樣上層協(xié)議每次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，都必須明確指定對(duì)方的IP地址。

4.1ipv4數(shù)據(jù)報(bào)

1.版本號(hào)：占四位，就是IP協(xié)議的版本，通信雙方的IP協(xié)議必須要達(dá)到一致，IPv4的版本就是4.

2.首部長(zhǎng)度：占四位，因?yàn)殚L(zhǎng)度為四比特，所以首部長(zhǎng)度的最大值為1111，15，又因?yàn)槭撞块L(zhǎng)度代表的單位長(zhǎng)度為32個(gè)字（也就是4個(gè)字節(jié)），所以首部長(zhǎng)度的最小值就是0101，當(dāng)然，也確實(shí)如此，大部分的ip頭部中首部字節(jié)都是0101.也就是5*4=20個(gè)字節(jié)，如果是最大值15的話，ip首部的最大值就是60個(gè)字節(jié)，所以記好了，ipv4首部長(zhǎng)度的最大值就是60，當(dāng)然當(dāng)中我們又能發(fā)現(xiàn)，IPv4的首段長(zhǎng)度一定是4字節(jié)的整數(shù)倍，要是不是怎么辦呢？別急，后面的填充字段會(huì)自動(dòng)填充補(bǔ)齊到4字節(jié)的整數(shù)倍的。

3.區(qū)分服務(wù)：這個(gè)沒有什么用處，也沒有什么好講的了，只要自動(dòng)這玩意占八位，一個(gè)字節(jié)就可以了。

4.總長(zhǎng)度：占16位，這個(gè)的意思就是ip數(shù)據(jù)報(bào)中首部和數(shù)據(jù)的總和的長(zhǎng)度，因?yàn)檎?6位，所以很好理解，總長(zhǎng)度的最大值就是2的16次方減一，65535，這玩意也對(duì)應(yīng)著還有一個(gè)很簡(jiǎn)單的概念，最大傳輸單元mtu，意味著一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度就只能裝下65535個(gè)字節(jié)，要是傳輸?shù)拈L(zhǎng)度超過(guò)這個(gè)怎么辦，很簡(jiǎn)單，分片。

5.標(biāo)識(shí)：占16位，標(biāo)識(shí)這玩意很好理解，IP在存儲(chǔ)器中維持一個(gè)計(jì)數(shù)器，每產(chǎn)生一個(gè) 數(shù)據(jù)報(bào)，計(jì)數(shù)器就加1,并將此值賦給標(biāo)識(shí)字段。但這個(gè)標(biāo)識(shí)并不是平常的序號(hào)，因?yàn)镮P是無(wú)連接服務(wù)，數(shù)據(jù)報(bào)不存在按序接收的問(wèn)題。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)由于長(zhǎng)度超過(guò)網(wǎng)絡(luò)的MTU而必須分片時(shí)，這個(gè)標(biāo)識(shí)字段的值就被復(fù)制到所有的數(shù)據(jù)報(bào)片的標(biāo)識(shí)字段中，等到重組的時(shí)候，相同標(biāo)識(shí)符的值的數(shù)據(jù)報(bào)就會(huì)被重新組裝成一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。

6.標(biāo)志：占三位，一般有用的是前兩位，最低位叫做MF，MF=1表示后面還有若干個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，MF=0表示這已經(jīng)是最后一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)了。中間位叫做DF，DF表示不能進(jìn)行分片，DF=0才可以進(jìn)行分片操作。

7.片偏移：占13位，片偏移就是，在原來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)分片以后，該片在原分組中的相對(duì)位置，片偏移中的基本單位是8字節(jié)，所以，也就是說(shuō)，只要是分片，每個(gè)分片的長(zhǎng)度都是8字節(jié)的整數(shù)倍，最后一個(gè)分片不夠八字節(jié)的一樣是填充。

8.生存時(shí)間ttl：占8位，（time to live），表明數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中的壽命，這個(gè)值被設(shè)定成跳數(shù)，顧名思義，就是這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)可以經(jīng)過(guò)多少個(gè)路由器的數(shù)量，每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器，該值就減一，減到為零的時(shí)候就被拋棄，顯而易見，這個(gè)跳數(shù)的最大值就是2的8次方減一，255.

9.協(xié)議：就是用來(lái)指明數(shù)據(jù)報(bào)攜帶了哪種協(xié)議，占8位。

10.首部效驗(yàn)和：占16位，這個(gè)字段用來(lái)效驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)首段，下面給出簡(jiǎn)單的計(jì)算方法：

首先在發(fā)送端的時(shí)候，將效驗(yàn)和全部置為0，然后把數(shù)據(jù)報(bào)首段數(shù)據(jù)全部進(jìn)行反碼相加，得到的值為效驗(yàn)和，放入首段效驗(yàn)和里面，然后接收端將數(shù)據(jù)報(bào)首段數(shù)據(jù)和效驗(yàn)和一起全部反碼相加，最后若是得到零，則保留，若是不為零，則說(shuō)明數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生了改變，則丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)。

11.IP源地址：占32位，將IP地址看作是32位數(shù)值則需要將網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序轉(zhuǎn)化位主機(jī)字節(jié)順序。轉(zhuǎn)化的方法是：將每4個(gè)字節(jié)首尾互換，將2、3字節(jié)互換。

12.目的地址：也占32位，轉(zhuǎn)換方法和來(lái)源IP地址一樣。

13.選項(xiàng)：可變長(zhǎng)的可選信息，最多包含40字節(jié)。選項(xiàng)字段很少被使用?？捎玫腎P可選項(xiàng)有：a. 記錄路由: 記錄數(shù)據(jù)包途徑的所有路由的IP，這樣可以追蹤數(shù)據(jù)包的傳遞路徑 b. 時(shí)間戳: 記錄每個(gè)路由器數(shù)據(jù)報(bào)被轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間或者時(shí)間與IP地址對(duì)，這樣就可以測(cè)量途徑路由之間數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸?shù)臅r(shí)間 c. 松散路由選擇: 指定路由器的IP地址列表數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中必須經(jīng)過(guò)所有的路由器 d. 嚴(yán)格路由選擇: 數(shù)據(jù)包只能經(jīng)過(guò)被指定的IP地址列表的路由器 e. 上層協(xié)議(如TCP/UDP)的頭部信息

13.到了可變部分IPv4的頭部基本上就已經(jīng)講完了，增加頭部的可變選項(xiàng)實(shí)際上就是增加了數(shù)據(jù)報(bào)的功能，可變選項(xiàng)在實(shí)際上是很少用到的。

4.2分片

當(dāng)IP數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度超過(guò)幀的MTU時(shí)，它將被分片傳輸。分片可能發(fā)生在發(fā)送端，也可能發(fā)生在中轉(zhuǎn)路由器上，而且可能在傳輸過(guò)程中多次分片，但只有在最終的目標(biāo)機(jī)器上，這些分片才會(huì)被內(nèi)核中的IP模塊重新組裝。IP頭部中的如下三個(gè)字段給IP的分片和重組提供了足夠的信息：數(shù)據(jù)報(bào)標(biāo)識(shí)、標(biāo)志和片偏移。一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)的每個(gè)分片都具有自己的IP頭部，它們具有相同的標(biāo)識(shí)值，但具有不同的片偏移。并且除了最后一個(gè)分片外，其他分片都將設(shè)置MF標(biāo)志。此外，每個(gè)分片的IP頭部的總長(zhǎng)度字段將被設(shè)置位該分片的長(zhǎng)度。

4.3IP路由

路由是什么：我們知道，IP地址是網(wǎng)絡(luò)世界里的門牌號(hào)。你可以通過(guò)IP地址訪問(wèn)遠(yuǎn)在天邊的網(wǎng)站,那么數(shù)據(jù)是如何到達(dá)網(wǎng)站的呢？靠的就是路徑上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由。路由，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是指導(dǎo)IP報(bào)文該去哪的指示牌。

一般說(shuō)來(lái)，主機(jī)會(huì)在以下兩個(gè)時(shí)機(jī)進(jìn)行路由查詢

1.收到報(bào)文時(shí)，查詢路由決定是上送本機(jī)(LOCAL IN)，或者從哪個(gè)出接口轉(zhuǎn)發(fā)(FORWARD)
2.本機(jī)發(fā)送報(bào)文時(shí)，查詢報(bào)文出接口注意，轉(zhuǎn)發(fā)需要開啟 net/ipv4/ip_forward

路由表長(zhǎng)什么樣以一個(gè)典型的主機(jī)為例，tristan有一個(gè)外部網(wǎng)卡enp1s0和一個(gè)內(nèi)部還回網(wǎng)卡lo。

通過(guò)route -n我們可以看到主機(jī)上簡(jiǎn)要的路由表信息(當(dāng)然通過(guò)ip route也可以)，那么上面的路由信息中的每一表項(xiàng)代表什么意思呢？

如果報(bào)文的目的IP地址在164.69.136.0/24這個(gè)網(wǎng)段，那么它應(yīng)該從enp1s0進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
如果報(bào)文的目的IP地址在169.254.0.0/8這個(gè)網(wǎng)段，那么它應(yīng)該從enp1s0進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
其他情況下(0.0.0.0/0)，報(bào)文從enp1s0轉(zhuǎn)發(fā)，下一跳IP地址是192.168.99.254

4.4IP轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)主機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，首先檢查目的地址：

如果是自己（自己某一個(gè)接口所配置的IP地址或IP廣播或者組播地址），則交給協(xié)議字段或者IPv6頭部的下一個(gè)頭部字段指定的協(xié)議模塊處理。
如果不是：

如果IP層被配置為路由器，則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報(bào)。
否則默默丟棄，必要時(shí)生成ICMP報(bào)文給發(fā)送者。

轉(zhuǎn)發(fā)不會(huì)改變數(shù)據(jù)報(bào)的IP地址，只是通過(guò)設(shè)置鏈路層地址來(lái)完成交付的過(guò)程：

發(fā)送者定義好源IP和目的IP，如果目的IP不在本地，則將鏈路層的目的MAC地址設(shè)置為路由器，由路由器代為轉(zhuǎn)發(fā)。
每一跳路由器在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，都會(huì)將源MAC地址設(shè)置為自己，目的MAC地址設(shè)置為下一跳路由器。

4.5IP地址介紹

ip地址組成 : IP地址由4部分?jǐn)?shù)字組成，每部分?jǐn)?shù)字對(duì)應(yīng)于8位二進(jìn)制數(shù)字，各部分之間用小數(shù)點(diǎn)分開這是點(diǎn)分2進(jìn)制如果換算為10進(jìn)制我們稱為點(diǎn)分10進(jìn)制.每個(gè)ip地址由兩部分組成網(wǎng)絡(luò)地址(NetID)和主機(jī)地址(HostID).網(wǎng)絡(luò)地址表示其屬于互聯(lián)網(wǎng)中的哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而主機(jī)地址則表示其屬于該網(wǎng)絡(luò)中的哪一臺(tái)主機(jī)。

A類地址:范圍從0-127，0是保留的并且表示所有IP地址，而127也是保留的地址，并且是用于測(cè)試環(huán)回用的。因此 A類地址的范圍其實(shí)是從1-126之間?！　∪纾?0.0.0.1，第一段號(hào)碼為網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼，剩下的三段號(hào)碼為本地計(jì)算機(jī)的號(hào)碼。轉(zhuǎn)換為2進(jìn)制來(lái)說(shuō)，一個(gè)A類IP地址由1字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址和3字節(jié)主機(jī)地址組成，網(wǎng)絡(luò)地址的最高位必須是“0”，地址范圍從1.0.0.1 到126.0.0.0?？捎玫腁類網(wǎng)絡(luò)有126個(gè)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)能容納1千多萬(wàn)個(gè)主機(jī)（2的24次方的-2主機(jī)數(shù)目）。以子網(wǎng)掩碼來(lái)進(jìn)行區(qū)別：：255.0.0.0 127.0.0.0到127.255.255.255是保留地址，用做循環(huán)測(cè)試用的

B類地址：范圍從128-191，如172.168.1.1，第一和第二段號(hào)碼為網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼，剩下的2段號(hào)碼為本地計(jì)算機(jī)的號(hào)碼。轉(zhuǎn)換為2進(jìn)制來(lái)說(shuō)，一個(gè)B類IP地址由2個(gè)字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址和2個(gè)字節(jié)的主機(jī)地址組成，網(wǎng)絡(luò)地址的最高位必須是“10”，地址范圍從128.0.0.0到191.255.255.255?？捎玫腂類網(wǎng)絡(luò)有16382個(gè)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)能容納6萬(wàn)多個(gè)主機(jī) 。(2的16次方-2) 以子網(wǎng)掩碼來(lái)進(jìn)行區(qū)別：255.255.0.0 169.254.0.0到169.254.255.255是保留地址。如果你的IP地址是自動(dòng)獲取IP地址，而你在網(wǎng)絡(luò)上又沒有找到可用的DHCP服務(wù)器，這時(shí)你將會(huì)從169.254.0.0到169.254.255.255中臨時(shí)獲得一個(gè)IP地址。

C類地址：范圍從192-223，如192.168.1.1，第一，第二，第三段號(hào)碼為網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼，剩下的最后一段號(hào)碼為本地計(jì)算機(jī)的號(hào)碼。轉(zhuǎn)換為2進(jìn)制來(lái)說(shuō)，一個(gè)C類IP地址由3字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址和1字節(jié)的主機(jī)地址組成，網(wǎng)絡(luò)地址的最高位必須是“110”。范圍從192.0.0.0到223.255.255.255。C類網(wǎng)絡(luò)可達(dá)209萬(wàn)余個(gè)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)能容納254個(gè)主機(jī)。(2的8次方-2) 以子網(wǎng)掩碼來(lái)進(jìn)行區(qū)別：255.255.255.0

D類地址：范圍從224-239，D類IP地址第一個(gè)字節(jié)以“1110”開始，它是一個(gè)專門保留的地址。它并不指向特定的網(wǎng)絡(luò)，目前這一類地址被用在多點(diǎn)廣播（Multicast）中。多點(diǎn)廣播地址用來(lái)一次尋址一組計(jì)算機(jī)，它標(biāo)識(shí)共享同一協(xié)議的一組計(jì)算機(jī)。224.0.0.0-239.255.255.255 組播地址

E類地址：范圍從240-254，以“11110”開始，為將來(lái)使用保留。全零（“0．0．0．0”）地址對(duì)應(yīng)于當(dāng)前主機(jī)。全“1”的IP地址（“255．255．255．255”）是當(dāng)前子網(wǎng)的廣播地址。240.0.0.0-255.255.255.254 保留地址

子網(wǎng)掩碼就是為了區(qū)分ip地址的中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)的。

私有地址所謂的私有地址就是在互聯(lián)網(wǎng)上不使用，而被用在局域網(wǎng)絡(luò)中的地址在A類地址中，10.0.0.0到10.255.255.255是私有地址在B類地址中，172.16.0.0到172.31.255.255是私有地址。在C類地址中，192.168.0.0到192.168.255.255是私有地址。