【Linux网络基础】TCP/IP协议簇的详细介绍（三次握手四次断开，11种状态）

一、TCP/IP协议簇（DoD参考模型）

用于简化OSI层次，以及相关的标准。

• 传输控制协议（tcp/ip）簇是相关国防部DoD所创建的，主要用来确保数据的完整性以及在毁灭性战争中维持通信
• 是由一组不同功能的协议组合在一起构成的协议簇
• 利用一组协议完成OSI所实现的功能

1. TCP/IP 协议簇中的相关协议

TCP/IP协议簇--应用层：

TCP/IP协议簇--主机到主机层：

TCP与UDP对比：

TCP相关报文结构：

• 源端口：即本地发起连接的端口
• 目标端口：即要访问的服务的端口
• 序列号：因为传输层会将上层的数据进行分段，因此需要对分段数据进行编号，同时也便于数据的重组
• 验证号：用于对数据的进行验证

 

UDP相关报文结构：

TCP/UDP端口号（1-65535）

• 在没有特殊指定情况下，源端口随机分配，目标端口使用知名端口
• 应用客户端使用的源端口号一般为系统中未使用的且大于1023的
• 目标端口号为服务器端应用服务的进程，如：telnet为23

二、TCP三次握手四次断开

置位概念：根据TCP的包头字段，存在三个重要的标识 ACK SYN FIN

• ACK：表示验证字段
• SYN：位数 置1，表示建立TCP连接
• FIN：位数 置1，表示断开TCP连接

1. 三次握手

建立过程说明：

1. 由主机A 发送建立TCP连接的请求报文，其中报文中包含 seq 序列号，是由发送端随机生成的，并且还将报文中的 SYN 字段 置位1，表示需要建立TCP连接
2. 主机B会回复A 发送的TCP连接请求报文，其中包含seq序列号（是由回复端随机生成的），并且将回复报文的 SYN 字段置1，并且会产生 ACK字段，ACK字段数值是在A发过来的seq序列号基础上 加1 进行回复，以便A收到信息时，知晓自己的TCP建立请求已经得到了验证
3. A端收到B端发送的TCP建立验证请求后，会使自己的序列号加1 表示，并且再次回复 ACK 验证请求，在B端发送过来的seq的基础上加1，进行回复。

2. TCP四次挥手断开过程

注意：第一步的图中的ctl只发送FIN

 

断开过程说明：

1. 主机A 发送断开TCP连接请求的报文，其中报文中包含seq序列号（是由发送端随机生成的），并且还将报文中FIN字段置为1，表示需要断开TCP连接
2. 主机B 会回复A发送的TCP断开请求报文，其中包含seq序列号（是由回复端随机生成的），并且会产生ACK字段，ACK字段数值，是在A发过来的seq序列号基础上加1进行回复，以便A收到信息时，知晓自己的TCP断开请求已经得到了验证
3. 主机B在回复完A的TCP断开请求后，不会马上就进行TCP连接的断开，主机B会先确保断开前，所有传输到A的数据是否已经传输完毕，一旦确认传输数据完毕就会将回复报文的FIN字段置1，并产生随机seq序列号。
4. 主机A收到主机B的TCP断开请求后，会回复主机B的断开请求，包含随机生成的seq字段和ack字段，ack字段会在主机B的TCP断开请求的seq基础上加1，从而完成主机B请求的验证回复。

至此，TCP断开的4次挥手过程完毕。

三、TCP/IP 的11种状态

1. CLOSED
2. LISTEN
3. SYN_SEND
4. SYN_RCVD
5. ESTABLISHED

1. FIN_WAIT1
2. CLOSE_WAIT
3. FIN_WAIT2
4. LAST_ACK
5. TIME_WAIT
6. CLOSING（服务器端的ACK丢包，客户端只收到了FIN报文）

 

三次握手的5种状态：

1. 一开始，建立连接之前服务器和客户端的状态都为 CLOSED
2. 服务器创建 socket 之后开始监听，变为LISTEN状态
3. 客户端请求建立连接，向服务器发送 SYN 报文，客户端的状态变为 SYN_SENT
4. 服务器收到客户端的报文后，向客户端发送SYN和ACK报文，此时服务器的状态变为SYN_RCVD
5. 然后，客户端收到ACK，SYN，就像服务器发送ACK，客户端的状态变为ESTABLISHED。
6. 拂去其收到客户端的ACK后也变为ESTABLISHED，此时，3次握手完成，连接建立！

 

四次挥手断开的7种状态：

由于TCP连接是全双工的，断开连接会比建立连接麻烦一点点。

1. 客户端先向服务器发送FIN报文，请求断开连接，其状态变为 FIN_WAIT1
2. 服务器收到FIN后，向客户端发出ACK，服务器状态变为 CLOSE_WAIT
3. 客户端收到ACK之后，进入FIN_WAIT2状态，此时连接已经断开了一半了。如果服务器还有数据要发送给客户端，就会继续发送
4. 直到数据发送结束，服务器端就发送FIN报文，此时服务器进入 LAST_ACK状态
5. 客户端收到服务器的FIN之后，马上发送ACK给服务器，此时客户端进入 TIME_WAIT状态
6. 再过了2MSL 长的时间后进入CLOSED状态。服务器收到客户端的ACK就进入了CLOSED状态。

至此，还有一个状态没有提及：CLOSING状态

CLOSING状态表示：
客户端发生了FIN，但没有收到服务器的ACK，却收到了服务器的FIN。
这种情况发生在服务器发送的ACK丢包的时候，因为网络传输有时会有意外。

 

TCP的是一种状态转移总结

状态出现方式	状态出现环境	状态名称	状态描述
TCP建立过程的5种状态	服务端/客户端	CLOSED	默认初始化状态
	服务端	LISTEN	建立socket，进入监听状态
	客户端	SYN_SENT	发送syn报文，进入syn发送状态
	服务端	SYN_RVCD	接收syn报文，并回复ack及syn报文
	客户端/服务端	ESTABLISHED	接收syn报文，回复ack，建立连接（客户端）；接收ack报文，建立连接（服务端）
TCP断开过程的6种状态	服务端/客户端	ESTABLISHED	默认断开前初始化状态
	客户端	FIN_WAIT1	发送断开请求fin报文
	服务端	CLOSE_WAIT	收到FIN后向客户端发出ACK
	客户端	FIN_WAIT2	收到服务端返回的ACK报文，等待数据传输
	服务端	LAST_ACK	发送fin断开请求报文
	客户端	TIME_WAIT	回复FIN断开请求，发送ack报文
	服务端/客户端	CLOSED	收到ack报文，立即转变为断开状态，等待2MSL后，进入断开状态
	客户端	CLOSING	没有收到回复FIN报文的ACK，直接收到FIN

关闭的4次连接最难理解的状态是TIME_WAIT，存在TIME_WAIT的2个理由：

1. 可靠地实现TCP全双工连接的终止。

2. 允许老的重复分节在网络中消逝。

四、TCP/IP协议簇的层次介绍

TCP/IP协议簇--应用层：

TCP/IP协议簇--主机到主机层：

TCP/IP协议簇--因特网层：

TCP/IP协议簇--网络接入层：

五、IP协议¶

六、ARP协议

 

ARP协议的功能：

1. 将IPv4地址解析为MAC地址
2. 维护映射的缓存

 

网络层对应的IP地址，是跨网段使用的。

链路层地址对应的是MAC地址，是物理地址，是在局域网内使用的。

MAC地址就好比自己的小名一样，只有本地局域网有效

[root@oldboy ~]# arp -a
? (192.168.0.100) at f8:38:80:c2:0b:96 [ether] on eth3
? (192.168.0.101) at e4:46:da:ef:08:f1 [ether] on eth3
? (192.168.0.1) at 74:05:a5:87:ad:42 [ether] on eth3
? (192.168.0.102) at 8c:85:90:52:6e:de [ether] on eth3

192:~ zoe$ arp -a
192.168.0.1 (192.168.0.1) at 74:5:a5:87:ad:42 on en0 ifscope [ethernet]
192.168.0.100 (192.168.0.100) at f8:38:80:c2:b:96 on en0 ifscope [ethernet]
192.168.0.109 (192.168.0.109) at 8:0:27:4c:6f:ad on en0 ifscope [ethernet]
? (224.0.0.251) at 1:0:5e:0:0:fb on en0 ifscope permanent [ethernet]
? (239.255.255.250) at 1:0:5e:7f:ff:fa on en0 ifscope permanent [ethernet]

ARP协议过程说明：

因特网层相关的工具：

• ping
• traceroute/tracert

七、通过实例分析互联网通信工程

1. 主机A想访问 B主机，假设 主机A 是telnet 到 主机B 进行访问
2. 主机A 由应用层构建一个数据包，发送到传输层
3. 传输层拥有端口号的概念，就会在上层发过来的数据包加上 TCP的头部，即源端口和目标端口，源端口是随机的，目标端口是23。 因为访问的是目的地址的telnet服务；然后封装好的数据包再传给下层。
4. 在互联网层上拥有IP的概念，就会在上层发过来的数据包加上IP的头部，即源IP地址和目标IP地址，源IP地址就是主机A的地址，目标IP地址就是主机B的地址。然后再将封装好的数据包发送给网络接入层
5. 网络接入层有用MAC地址的概念，就会在上层发过来的数据包加上MAC地址，即源MAC地址和目标MAC地址，源MAC地址就是主机A的mac，目标的mac地址就是网关接口的MAC地址，默认要是没有网关接口的MAC地址，就会发送arp广播，获得到网关接口的mac地址
6. 主机A 会将分装好的数据包以 bit 的方式传输给路由器
7. 路由器收到数据包后，会进行数据包的解封装，获得目标ip网段地址，查询路由表进行路由的转发。
8. 到达目标网络的路由器后，路由器会广播arp，找到对应目标IP地址的mac地址，根据获取到的目标mac地址，将数据转发到主机B