為什麽會有TCP/IP協議

在世界上各地，各種各樣的電腦運行著各自不同的操作系統為大家服務，這些電腦在表達同一種信息的時候所使用的方法是千差萬別。就好像聖經中上帝打亂了各地人的口音，讓他們無法合作一樣。計算機使用者意識到，計算機只是單兵作戰並不會發揮太大的作用。只有把它們聯合起來，電腦才會發揮出它最大的潛力。於是人們就想方設法的用電線把電腦連接到了一起。

但是簡單的連到一起是遠遠不夠的，就好像語言不同的兩個人互相見了面，完全不能交流信息。因而他們需要定義一些共通的東西來進行交流，TCP/IP就是為此而生。TCP/IP不是一個協議，而是一個協議族的統稱。裏面包括了IP協議，IMCP協議，TCP協議，以及我們更加熟悉的http、ftp、pop3協議等等。電腦有了這些，就好像學會了外語一樣，就可以和其他的計算機終端做自由的交流了。

TCP/IP協議族按照層次由上到下，層層包裝。

應用層:
向用戶提供一組常用的應用程序，比如電子郵件、文件傳輸訪問、遠程登錄等。遠程登錄TELNET使用TELNET協議提供在網絡其它主機上註冊的接口。TELNET會話提供了基於字符的虛擬終端。文件傳輸訪問FTP使用FTP協議來提供網絡內機器間的文件拷貝功能。

傳輸層:
提供應用程序間的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠傳輸。為實現後者，傳輸層協議規定接收端必須發回確認，並且假如分組丟失，必須重新發送。

網絡層 ：
負責相鄰計算機之間的通信。其功能包括三方面。
一、處理來自傳輸層的分組發送請求，收到請求後，將分組裝入IP數據報，填充報頭，選擇去往信宿機的路徑，然後將數據報發往適當的網絡接口。

二、處理輸入數據報：首先檢查其合法性，然後進行尋徑--假如該數據報已到達信宿機，則去掉報頭，將剩下部分交給適當的傳輸協議；假如該數據報尚未到達信宿，則轉發該數據報。

三、處理路徑、流控、擁塞等問題。

網絡接口層：
這是TCP/IP軟件的最低層，負責接收IP數據報並通過網絡發送之，或者從網絡上接收物理幀，抽出IP數據報，交給IP層。

IP 是無連接的

IP 用於計算機之間的通信。

IP 是無連接的通信協議。它不會占用兩個正在通信的計算機之間的通信線路。這樣，IP 就降低了對網絡線路的需求。每條線可以同時滿足許多不同的計算機之間的通信需要。

通過 IP，消息（或者其他數據）被分割為小的獨立的包，並通過因特網在計算機之間傳送。

IP 負責將每個包路由至它的目的地。

IP地址

每個計算機必須有一個 IP 地址才能夠連入因特網。

每個 IP 包必須有一個地址才能夠發送到另一臺計算機。

網絡上每一個節點都必須有一個獨立的Internet地址（也叫做IP地址）。現在，通常使用的IP地址是一個32bit的數字，也就是我們常說的IPv4標準，這32bit的數字分成四組，也就是常見的255.255.255.255的樣式。IPv4標準上，地址被分為五類，我們常用的是B類地址。具體的分類請參考其他文檔。需要註意的是IP地址是網絡號+主機號的組合，這非常重要。

CP/IP 使用 32 個比特來編址。一個計算機字節是 8 比特。所以 TCP/IP 使用了 4 個字節。
一個計算機字節可以包含 256 個不同的值：
00000000、00000001、00000010、00000011、00000100、00000101、00000110、00000111、00001000 ....... 直到 11111111。
現在，你知道了為什麽 TCP/IP 地址是介於 0 到 255 之間的 4 個數字。

IP地址

每個計算機必須有一個 IP 地址才能夠連入因特網。

每個 IP 包必須有一個地址才能夠發送到另一臺計算機。

網絡上每一個節點都必須有一個獨立的Internet地址（也叫做IP地址）。現在，通常使用的IP地址是一個32bit的數字，也就是我們常說的IPv4標準，這32bit的數字分成四組，也就是常見的255.255.255.255的樣式。IPv4標準上，地址被分為五類，我們常用的是B類地址。具體的分類請參考其他文檔。需要註意的是IP地址是網絡號+主機號的組合，這非常重要。

CP/IP 使用 32 個比特來編址。一個計算機字節是 8 比特。所以 TCP/IP 使用了 4 個字節。
一個計算機字節可以包含 256 個不同的值：
00000000、00000001、00000010、00000011、00000100、00000101、00000110、00000111、00001000 ....... 直到 11111111。
現在，你知道了為什麽 TCP/IP 地址是介於 0 到 255 之間的 4 個數字。

IP 路由器

當一個 IP 包從一臺計算機被發送，它會到達一個 IP 路由器。

IP 路由器負責將這個包路由至它的目的地，直接地或者通過其他的路由器。

在一個相同的通信中，一個包所經由的路徑可能會和其他的包不同。而路由器負責根據通信量、網絡中的錯誤或者其他參數來進行正確地尋址。

域名

12 個阿拉伯數字很難記憶。使用一個名稱更容易。

用於 TCP/IP 地址的名字被稱為域名。w3school.com.cn 就是一個域名。

當你鍵入一個像 http://www.w3school.com.cn 這樣的域名，域名會被一種 DNS 程序翻譯為數字。

在全世界，數量龐大的 DNS 服務器被連入因特網。DNS 服務器負責將域名翻譯為 TCP/IP 地址，同時負責使用新的域名信息更新彼此的系統。

當一個新的域名連同其 TCP/IP 地址一同註冊後，全世界的 DNS 服務器都會對此信息進行更新。

TCP/IP

TCP/IP 意味著 TCP 和 IP 在一起協同工作。

TCP 負責應用軟件（比如你的瀏覽器）和網絡軟件之間的通信。

IP 負責計算機之間的通信。

TCP 負責將數據分割並裝入 IP 包，然後在它們到達的時候重新組合它們。

IP 負責將包發送至接受者。

TCP報文格式

TCP報文格式

16位源端口號：16位的源端口中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是標識報文的返回地址。

16位目的端口號：16位的目的端口域定義傳輸的目的。這個端口指明報文接收計算機上的應用程序地址接口。

32位序號：32位的序列號由接收端計算機使用，重新分段的報文成最初形式。當SYN出現，序列碼實際上是初始序列碼（Initial Sequence Number，ISN），而第一個數據字節是ISN+1。這個序列號（序列碼）可用來補償傳輸中的不一致。

32位確認序號：32位的序列號由接收端計算機使用，重組分段的報文成最初形式。如果設置了ACK控制位，這個值表示一個準備接收的包的序列碼。

4位首部長度：4位包括TCP頭大小，指示何處數據開始。

保留（6位）：6位值域，這些位必須是0。為了將來定義新的用途而保留。

標誌：6位標誌域。表示為：緊急標誌、有意義的應答標誌、推、重置連接標誌、同步序列號標誌、完成發送數據標誌。按照順序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。

16位窗口大小：用來表示想收到的每個TCP數據段的大小。TCP的流量控制由連接的每一端通過聲明的窗口大小來提供。窗口大小為字節數，起始於確認序號字段指明的值，這個值是接收端正期望接收的字節。窗口大小是一個16字節字段，因而窗口大小最大為65535字節。

16位校驗和：16位TCP頭。源機器基於數據內容計算一個數值，收信息機要與源機器數值 結果完全一樣，從而證明數據的有效性。檢驗和覆蓋了整個的TCP報文段：這是一個強制性的字段，一定是由發送端計算和存儲，並由接收端進行驗證的。

16位緊急指針：指向後面是優先數據的字節，在URG標誌設置了時才有效。如果URG標誌沒有被設置，緊急域作為填充。加快處理標示為緊急的數據段。

選項：長度不定，但長度必須為1個字節。如果沒有選項就表示這個1字節的域等於0。

數據：該TCP協議包負載的數據。

在上述字段中，6位標誌域的各個選項功能如下。

URG：緊急標誌。緊急標誌為"1"表明該位有效。

ACK：確認標誌。表明確認編號欄有效。大多數情況下該標誌位是置位的。TCP報頭內的確認編號欄內包含的確認編號（w+1）為下一個預期的序列編號，同時提示遠端系統已經成功接收所有數據。

PSH：推標誌。該標誌置位時，接收端不將該數據進行隊列處理，而是盡可能快地將數據轉由應用處理。在處理Telnet或rlogin等交互模式的連接時，該標誌總是置位的。

RST：復位標誌。用於復位相應的TCP連接。

SYN：同步標誌。表明同步序列編號欄有效。該標誌僅在三次握手建立TCP連接時有效。它提示TCP連接的服務端檢查序列編號，該序列編號為TCP連接初始端（一般是客戶端）的初始序列編號。在這裏，可以把TCP序列編號看作是一個範圍從0到4，294，967，295的32位計數器。通過TCP連接交換的數據中每一個字節都經過序列編號。在TCP報頭中的序列編號欄包括了TCP分段中第一個字節的序列編號。

FIN：結束標誌。

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TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送3個包以確認連接的建立。在socket編程中，這一過程由客戶端執行connect來觸發，整個流程如下圖所示：

TCP三次握手.png

（1）第一次握手：Client將標誌位SYN置為1，隨機產生一個值seq=J，並將該數據包發送給Server，Client進入SYN_SENT狀態，等待Server確認。

（2）第二次握手：Server收到數據包後由標誌位SYN=1知道Client請求建立連接，Server將標誌位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產生一個值seq=K，並將該數據包發送給Client以確認連接請求，Server進入SYN_RCVD狀態。

（3）第三次握手：Client收到確認後，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標誌位ACK置為1，ack=K+1，並將該數據包發送給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進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，隨後Client與Server之間可以開始傳輸數據了。

簡單來說，就是

1、建立連接時，客戶端發送SYN包（SYN=i）到服務器，並進入到SYN-SEND狀態，等待服務器確認

2、服務器收到SYN包，必須確認客戶的SYN（ack=i+1）,同時自己也發送一個SYN包（SYN=k）,即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN-RECV狀態

3、客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認報ACK（ack=k+1）,此包發送完畢，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，客戶端與服務器開始傳送數據。

SYN***：

在三次握手過程中，Server發送SYN-ACK之後，收到Client的ACK之前的TCP連接稱為半連接（half-open connect），此時Server處於SYN_RCVD狀態，當收到ACK後，Server轉入ESTABLISHED狀態。SYN***就是Client在短時間內偽造大量不存在的IP地址，並向Server不斷地發送SYN包，Server回復確認包，並等待Client的確認，由於源地址是不存在的，因此，Server需要不斷重發直至超時，這些偽造的SYN包將產時間占用未連接隊列，導致正常的SYN請求因為隊列滿而被丟棄，從而引起網絡堵塞甚至系統癱瘓。SYN***時一種典型的DDOS***，檢測SYN***的方式非常簡單，即當Server上有大量半連接狀態且源IP地址是隨機的，則可以斷定遭到SYN***了，使用如下命令可以讓之現行：

#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TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送4個包以確認連接的斷開。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發，整個流程如下圖所示：

TCP四次揮手

由於TCP連接時全雙工的，因此，每個方向都必須要單獨進行關閉，這一原則是當一方完成數據發送任務後，發送一個FIN來終止這一方向的連接，收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有數據流動了，即不會再收到數據了，但是在這個TCP連接上仍然能夠發送數據，直到這一方向也發送了FIN。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方則執行被動關閉，上圖描述的即是如此。

（1）第一次揮手：Client發送一個FIN，用來關閉Client到Server的數據傳送，Client進入FIN_WAIT_1狀態。

（2）第二次揮手：Server收到FIN後，發送一個ACK給Client，確認序號為收到序號+1（與SYN相同，一個FIN占用一個序號），Server進入CLOSE_WAIT狀態。

（3）第三次揮手：Server發送一個FIN，用來關閉Server到Client的數據傳送，Server進入LAST_ACK狀態。

（4）第四次揮手：Client收到FIN後，Client進入TIME_WAIT狀態，接著發送一個ACK給Server，確認序號為收到序號+1，Server進入CLOSED狀態，完成四次揮手。

為什麽建立連接是三次握手，而關閉連接卻是四次揮手呢？

這是因為服務端在LISTEN狀態下，收到建立連接請求的SYN報文後，把ACK和SYN放在一個報文裏發送給客戶端。而關閉連接時，當收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發送數據了但是還能接收數據，己方也未必全部數據都發送給對方了，所以己方可以立即close，也可以發送一些數據給對方後，再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會分開發送。

為什麽TIME_WAIT狀態需要經過2MSL(最大報文段生存時間)才能返回到CLOSE狀態？

原因有二：
一、保證TCP協議的全雙工連接能夠可靠關閉
二、保證這次連接的重復數據段從網絡中消失

先說第一點，如果Client直接CLOSED了，那麽由於IP協議的不可靠性或者是其它網絡原因，導致Server沒有收到Client最後回復的ACK。那麽Server就會在超時之後繼續發送FIN，此時由於Client已經CLOSED了，就找不到與重發的FIN對應的連接，最後Server就會收到RST而不是ACK，Server就會以為是連接錯誤把問題報告給高層。這樣的情況雖然不會造成數據丟失，但是卻導致TCP協議不符合可靠連接的要求。所以，Client不是直接進入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，當再次收到FIN的時候，能夠保證對方收到ACK，最後正確的關閉連接。

再說第二點，如果Client直接CLOSED，然後又再向Server發起一個新連接，我們不能保證這個新連接與剛關閉的連接的端口號是不同的。也就是說有可能新連接和老連接的端口號是相同的。一般來說不會發生什麽問題，但是還是有特殊情況出現：假設新連接和已經關閉的老連接端口號是一樣的，如果前一次連接的某些數據仍然滯留在網絡中，這些延遲數據在建立新連接之後才到達Server，由於新連接和老連接的端口號是一樣的，又因為TCP協議判斷不同連接的依據是socket pair，於是，TCP協議就認為那個延遲的數據是屬於新連接的，這樣就和真正的新連接的數據包發生混淆了。所以TCP連接還要在TIME_WAIT狀態等待2倍MSL，這樣可以保證本次連接的所有數據都從網絡中消失。

分布式架構基石-TCP通信協議