linux网络编程系列-TCP/IP模型

### OSI:open system interconnection ###

开放系统互联网模型是由ISO国际标准化组织定义的网络分层模型，共七层

1. 物理层：物理定义了所有电子及物理设备的规范，数据传输单位为比特(b)，本层定义规范有EIA/TIA RS-232、RJ-45等，实际是由设备如网卡等
2. 数据链路层：对物理层收到的比特流进行数据成帧。提供可靠的数据传输服务，实现无差错数据传输。本层数据单位为帧（frame）。本层规范SDLC、PPP、STP等，使用设备如switch交换机等
3. 网络层：将各个子网之间的数据进行路由选择，分组与重组。本层数据传输单位为数据包（packet）。属于本层的规范有IP、IPX、IGMP等。使用设备如路由器
4. 传输层：提供可靠的数据传输服务，检测路由器丢弃的包，然后产生一个重传请求，能够将乱序收到的数据包重新排序
5. 会话层：管理主机之间会话过程，包括会话建立、终止和会话过程中的管理，传输单位（SPDU）
6. 表示层：对网络传输的数据进行变换，使得多个主机之间传送的信息能够互相理解，包括数据的压缩、加密、格式转换等,传输单位（PPDU）
7. 应用层：应用层与应用程序界面沟通，以达至展示给用户的目的，在此常见的协议有：HTTP、HTTPS、FTP、SSH、POP等,传输单位（APDU）

### TCP/IP四层模型 ###

1. 链路层：类似OSI中物理层和数据链路层的集合，主要规范：ARP、RARP
2. 网络层：类似OSI中网络层，主要规范：IP、ICMP、IGMP
3. 传输层：类似OSI中传输层，主要规范：TCP、UDP
4. 应用层：类似OSI中会话层、表示层和应用层的集合，主要协议例如：ftp、telet、qq等

#### 端口 ####

1. 众所周知端口(Well Known Ports):从0到1023，这些端口由IANA分配和控制，通常这些端口明确表明了某种服务，例如：21端口为ftp服务
2. 注册端口：从1024到49151，这些端口不受IANA控制，但有IANA登记并提供使用情况清单，许多服务绑定于这些端口，这些端口同样用于许多其他的目的，例如：1433 Microsoft SQL服务端口
3. 动态或私有端口：49152到65535，IANA不管这些端口，实际上，机器通常从1024起分配动态端口，但也有例外，SUN的RPC端口从32768开始

#### 协议说明、封装、分用 ####

MTU:以太网最大数据传输单元
ICMP:传递差错信息、时间、网络信息等控制数据
ARP:地址解析协议，映射IP地址到MAC地址
RARP:地址解析协议，映射MAC地址到IP地址
封装：应用层->链路层（IP地址转换为MAC地址）
分用：链路层->应用层（MAC地址转换为IP地址）

#### 主机A ping 主机B 数据在网络中的传输说明 ####

1. 应用程序判断ping的是主机名还是IP地址，如果是主机名会调用gethostbyname()解析主机B，将主机名转换成一个32位的IP地址，这个过程叫做DNS域名解析
2. ping程序向目标IP地址发送一个ICMP的ECHO包
3. 将目标主机的IP地址转换为48位硬件地址，在局域网内发送ARP请求广播，查找主机B的硬件地址
4. 主机B的ARP协议层接收到主机A的ARP请求后，将本机的硬件地址填充到应答包，发送ARP应答到主机A
5. 发送ICMP数据包到主机B
6. 主机B接收到主机A的ICMP包，发送响应包
7. 主机A接收到主机B的ICMP响应包

### IP数据报格式 ###

1. 版本：IPv4字段值为4，IPv6字段值为6
2. 首部长度：以32位的字为单位，该字段长度为4位，最大值为15，所以首部长度最大为60个字节
3. 总长度：该字段长度为16位，以字节为单位，该字段长度包含IP的头部和数据部分，IP数据报最大可达65535个字节
4. 标识：16位标识，用来标识一个IP包，每发送一个此值会加1
5. TTL(TIme To Live):表示数据报最多可经过的路由器的数量，每经过一个路由器，TTL值减1，减为0时丢弃，并发送ICMP报文给源主机，TTL可以避免数据报在路由器之间不断循环
6. 协议类型：表示IP层上承载的是哪个高级协议，协议栈知道交给哪个层的协议处理，1 ICMP 2 IGMP 6 TCP 17 UDP
7. 网际校验和：接收方接收到发送方的数据后按照校验算法对数据进行校验，检验数据在传输过程中是否发生错误

### TCP报文格式 ###

1. 源端口号与目的端口号：源端口号和目的端口号，加上IP首部的源IP地址和目的IP地址唯一确定一个TCP连接
2. 序号：序号表示在这个报文段中的第一个数据字节序号
3. 确认号：仅当ACK标志为1时有效，确认号表示期望收到的下一个字节的序号
4. 头部长度：4位，TCP头部最多60个字节
5. 保留位：6位，必须为0
6. 6个标志位：URG-紧急指针有效、ACK-确认序号有效、SYN-发送连接的同步序号、FIN-表示要终止一个连接、RST-连接重置、PSH-接收方将这个报文交给应用层
7. 窗口大小：通过窗口大小来达到流量控制
8. 校验和：对TCP头与数据进行校验

### TCP连接建立三次握手 ###

TCP A 发送SYN a->TCP B //A请求建立连接
TCP B 发送SYN b ACK a+1 ->TCP A //确认收到请求，并请求A回复
TCP A 发送ACK b+1 ->TCP B //对B的请求进行回复

### TCP连接终止的四次握手 ###

TCP A 发送FIN x ACK y->TCP B //A请求终止连接
TCP B 发送ACK x+1 ->TCP A //B收到终止请求并回复给A
TCP B 发送FIN y ACK x+1->TCP A //B根据A的终止请求也请求终止连接
TCP A 发送ACK y+1->TCP B //A收到终止请求并回复给B

### 滑动窗口协议（流量控制） ###

1. 通告接收窗口：预防应用程序发送的数据超过对方的缓冲区，接收方使用的流量控制
2. 拥塞窗口(cwnd):预防应用程序发送的数据超过网络所能承受的能力，发送方使用的流量控制
3. 发送窗口取两者较小值
4. 慢启动阈值(ssthresh:slow start threshold)
5. 慢启动阶段：cwnd从1开始按指数增长直到ssthresh
6. 拥塞避免阶段：cwnd按线性增长，直到拥塞，将cwnd=1,ssthresh减半