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為什麼會有TCP/IP協議

在世界上各地，各種各樣的電腦執行著各自不同的作業系統為大家服務，這些電腦在表達同一種資訊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線到了一起。

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，完全不能交流資訊。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。裡面包括了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協議分層

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式，比如電子郵件、檔案傳輸訪問、遠端登入等。遠端登入TELNET使用TELNET協議提供在網路其它主機上註冊的介面。TELNET會話提供了基於字元的虛擬終端。檔案傳輸訪問FTP使用FTP協議來提供網路內機器間的檔案拷貝功能。

傳輸層:
提供應用程式間的通訊。其功能包括：一、格式化資訊流；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。

網路層 ：
負責相鄰計算機之間的通訊。其功能包括三方面。
一、處理來自傳輸層的分組傳送請求，收到請求後，將分組裝入IP資料報，填充報頭，選擇去往信宿機的路徑，然後將資料報發往適當的網路介面。

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

三、處理路徑、流控、擁塞等問題。

網路介面層：
這是TCP/IP軟體的最低層，負責接收IP資料報並通過網路傳送之，或者從網路上接收物理幀，抽出IP資料報，交給IP層。

IP 是無連線的

IP 用於計算機之間的通訊。

IP 是無連線的通訊協議。它不會佔用兩個正在通訊的計算機之間的通訊線路。這樣，IP 就降低了對網路線路的需求。每條線可以同時滿足許多不同的計算機之間的通訊需要。

通過 IP，訊息（或者其他資料）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傳送到另一臺計算機。

網路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件。需要注意的是IP地址是網路號+主機號的組合，這非常重要。

CP/IP 使用 32 個位元來編址。一個計算機位元組是 8 位元。所以 TCP/IP 使用了 4 個位元組。
一個計算機位元組可以包含 256 個不同的值：
00000000、00000001、00000010、00000011、00000100、00000101、00000110、00000111、00001000 ....... 直到 11111111。
現在，你知道了為什麼 TCP/IP 地址是介於 0 到 255 之間的 4 個數字。

TCP 使用固定的連線

TCP 用於應用程式之間的通訊。

當應用程式希望通過 TCP 與另一個應用程式通訊時，它會發送一個通訊請求。這個請求必須被送到一個確切的地址。在雙方“握手”之後，TCP 將在兩個應用程式之間建立一個全雙工 (full-duplex) 的通訊。

這個全雙工的通訊將佔用兩個計算機之間的通訊線路，直到它被一方或雙方關閉為止。

UDP 和 TCP 很相似，但是更簡單，同時可靠性低於 TCP。

IP 路由器

當一個 IP 包從一臺計算機被髮送，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。

在一個相同的通訊中，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訊量、網路中的錯誤或者其他引數來進行正確地定址。

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。

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

當一個新的域名連同其 TCP/IP 地址一同註冊後，全世界的 DNS 伺服器都會對此資訊進行更新。

TCP/IP

TCP/IP 意味著 TCP 和 IP 在一起協同工作。

TCP 負責應用軟體（比如你的瀏覽器）和網路軟體之間的通訊。

IP 負責計算機之間的通訊。

TCP 負責將資料分割並裝入 IP 包，然後在它們到達的時候重新組合它們。

IP 負責將包傳送至接受者。

TCP報文格式

16位源埠號：16位的源埠中包含初始化通訊的埠。源埠和源IP地址的作用是標識報文的返回地址。

16位目的埠號：16位的目的埠域定義傳輸的目的。這個埠指明報文接收計算機上的應用程式地址介面。

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），而第一個資料位元組是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。如果設定了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，指示何處資料開始。

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、重置連線標誌、同步序列號標誌、完成傳送資料標誌。按照順序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。

16位視窗大小：用來表示想收到的每個TCP資料段的大小。TCP的流量控制由連線的每一端通過宣告的視窗大小來提供。視窗大小為位元組數，起始於確認序號欄位指明的值，這個值是接收端正期望接收的位元組。視窗大小是一個16位元組欄位，因而視窗大小最大為65535位元組。

16位校驗和：16位TCP頭。源機器基於資料內容計算一個數值，收資訊機要與源機器數值 結果完全一樣，從而證明資料的有效性。檢驗和覆蓋了整個的TCP報文段：這是一個強制性的欄位，一定是由傳送端計算和儲存，並由接收端進行驗證的。

16位緊急指標：指向後面是優先資料的位元組，在URG標誌設定了時才有效。如果URG標誌沒有被設定，緊急域作為填充。加快處理標示為緊急的資料段。

選項：長度不定，但長度必須為1個位元組。如果沒有選項就表示這個1位元組的域等於0。

資料：該TCP協議包負載的資料。

在上述欄位中，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資料。

PSH：推標誌。該標誌置位時，接收端不將該資料進行佇列處理，而是儘可能快地將資料轉由應用處理。在處理Telnet或rlogin等互動模式的連線時，該標誌總是置位的。

RST：復位標誌。用於復位相應的TCP連線。

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連線時有效。它提示TCP連線的服務端檢查序列編號，該序列編號為TCP連線初始端（一般是客戶端）的初始序列編號。在這裡，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連線交換的資料中每一個位元組都經過序列編號。在TCP報頭中的序列編號欄包括了TCP分段中第一個位元組的序列編號。

FIN：結束標誌。

TCP三次握手

所謂三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP連線，就是指建立一個TCP連線時，需要客戶端和服務端總共傳送3個包以確認連線的建立。在socket程式設計中，這一過程由客戶端執行connect來觸發，整個流程如下圖所示：

（1）第一次握手：Client將標誌位SYN置為1，隨機產生一個值seq=J，並將該資料包傳送給Server，Client進入SYN_SENT狀態，等待Server確認。

（2）第二次握手：Server收到資料包後由標誌位SYN=1知道Client請求建立連線，Server將標誌位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產生一個值seq=K，並將該資料包傳送給Client以確認連線請求，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，並將該資料包傳送給Server，Server檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連線建立成功，Client和Server進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，隨後Client與Server之間可以開始傳輸資料了。

簡單來說，就是

1、建立連線時，客戶端傳送SYN包（SYN=i）到伺服器，並進入到SYN-SEND狀態，等待伺服器確認

2、伺服器收到SYN包，必須確認客戶的SYN（ack=i+1）,同時自己也傳送一個SYN包（SYN=k）,即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN-RECV狀態

3、客戶端收到伺服器的SYN+ACK包，向伺服器傳送確認報ACK（ack=k+1）,此包傳送完畢，客戶端和伺服器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，客戶端與伺服器開始傳送資料。

SYN攻擊：

在三次握手過程中，Server傳送SYN-ACK之後，收到Client的ACK之前的TCP連線稱為半連線（half-open connect），此時Server處於SYN_RCVD狀態，當收到ACK後，Server轉入ESTABLISHED狀態。SYN攻擊就是Client在短時間內偽造大量不存在的IP地址，並向Server不斷地傳送SYN包，Server回覆確認包，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包將產時間佔用未連線佇列，導致正常的SYN請求因為佇列滿而被丟棄，從而引起網路堵塞甚至系統癱瘓。SYN攻擊時一種典型的DDOS攻擊，檢測SYN攻擊的方式非常簡單，即當Server上有大量半連線狀態且源IP地址是隨機的，則可以斷定遭到SYN攻擊了，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連線，就是指斷開一個TCP連線時，需要客戶端和服務端總共傳送4個包以確認連線的斷開。在socket程式設計中，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：

由於TCP連線時全雙工的，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資料傳送任務後，傳送一個FIN來終止這一方向的連線，收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有資料流動了，即不會再收到資料了，但是在這個TCP連線上仍然能夠傳送資料，直到這一方向也傳送了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傳送一個FIN，用來關閉Client到Server的資料傳送，Client進入FIN_WAIT_1狀態。

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

（3）第三次揮手：Server傳送一個FIN，用來關閉Server到Client的資料傳送，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，接著傳送一個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。

為什麼建立連線是三次握手，而關閉連線卻是四次揮手呢？

這是因為服務端在LISTEN狀態下，收到建立連線請求的SYN報文後，把ACK和SYN放在一個報文裡傳送給客戶端。而關閉連線時，當收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發送資料了但是還能接收資料，己方也未必全部資料都發送給對方了，所以己方可以立即close，也可以傳送一些資料給對方後，再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連線，因此，己方ACK和FIN一般都會分開發送。

為什麼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協議的全雙工連線能夠可靠關閉
二、保證這次連線的重複資料段從網路中消失

先說第一點，如果Client直接CLOSED了，那麼由於IP協議的不可靠性或者是其它網路原因，導致Server沒有收到Client最後回覆的ACK。那麼Server就會在超時之後繼續傳送FIN，此時由於Client已經CLOSED了，就找不到與重發的FIN對應的連線，最後Server就會收到RST而不是ACK，Server就會以為是連線錯誤把問題報告給高層。這樣的情況雖然不會造成資料丟失，但是卻導致TCP協議不符合可靠連線的要求。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，最後正確的關閉連線。

再說第二點，如果Client直接CLOSED，然後又再向Server發起一個新連線，我們不能保證這個新連線與剛關閉的連線的埠號是不同的。也就是說有可能新連線和老連線的埠號是相同的。一般來說不會發生什麼問題，但是還是有特殊情況出現：假設新連線和已經關閉的老連線埠號是一樣的，如果前一次連線的某些資料仍然滯留在網路中，這些延遲資料在建立新連線之後才到達Server，由於新連線和老連線的埠號是一樣的，又因為TCP協議判斷不同連線的依據是socket pair，於是，TCP協議就認為那個延遲的資料是屬於新連線的，這樣就和真正的新連線的資料包發生混淆了。所以TCP連線還要在TIME_WAIT狀態等待2倍MSL，這樣可以保證本次連線的所有資料都從網路中消失。