TCP_IP详解

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TCP-IP详解卷1

第1章：概述

 1.TCP/IP分层：

    A.应用层（Telent：远程登录、FTP、e-mail等）；

    B.运输层（TCP和UDP）；

    C.网络层（IP、ICMP、IGMP）；

    D.链路层（设备驱动程序及接口卡、ARP和RARP）

 2.端系统（例，两台主机）和中间系统（中间的路由器）。应用层和传输层使用端到端协议（End-to-end），网络层提供逐跳协议(Hop-by-hop)。

 3.ICMP是IP协议的附属协议。IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。

 4.IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。

 5.ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议）是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议，用来装换IP层和网络层使用的地址。

 6.互联网地址。A、B、C、D、E五类互联网地址。结构：头标志+网络号+主机号

 7.三类IP地址：单播地址（目的为单个主机）、广播地址（目的端为给定网络上的所有主机）以及多播地址（目的端为同一组内的所有主机）

 8.域名系统（DNS）是一个分布的数据库，由它来提供IP地址和主机名之间的映射信息。

 9.封装：TCP报文段（或TCP段）-> IP数据报 -> 帧（Frame，通过以太网传输的比特流）

 10.分用：当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。

 11.客户-服务器模型：大部分网络应用程序在编写时都假设一端是客户，另一端是服务器，其目的是为了让服务器为客户提供一些特定的服务。这种服务分为两种类型：重复型或并发型。

 12.端口号：任何TCP/IP实现所提供的服务都用知名的1~1023之间的端口号。大多数TCP/IP实现给临时端口分配1024-5000之间的端口号。大于5000的端口号是为其他服务器预留的。

 13.应用编程接口。使用TCP/IP协议的应用程序通常采用两种应用编程接口（API）：socket和TLI（运输层接口，Transport Layer Interface）

第2章：链路层

 1.链路层的目的：

    A.为IP模块发送和接收IP数据报

    B.为ARP模块发送请求和接收ARP应答

    C.为RARP发送RARP请求和接收RARP应答

 2.以太网和IEEE802封装（注意两种帧的格式封装的不同）。两种帧格式都采用48bit的目的地址和源地址（硬件地址）。ARP和RARP协议对32bit的IP地址和48bit的硬件地址进行映射。

 3.SLIP：串行线路IP。开始结束用称作END的特殊字符表示，称作ESC的转义字符。

 4.PPP：点对点协议。注意PPP协议相对于SLIP协议的优点。

 5.环回接口：允许运行在同一台主机上的客户程序和服务程序通过TCP/IP进行通信。大多数系统把IP地址127.0.0.1分配给这个接口，并命名为localhost。

    A.传给回环地址的任何数据均作为IP输入

    B.传给广播地址或多播地址的数据报复制一份传给环回接口，然后送到以太网上。这是因为广播传送和多播传送的定义包含主机本身。

    C.任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

 6.最大传输单元MTU和路径MTU。MTU是一个逻辑限制，目的是为了交互使用提供足够快的响应时间。

第3章：IP网际协议

 1.提供不可靠、无连接的数据报传送服务

 2.不可靠：它不能保证IP数据报能成功地到达目的地

 3.无连接：IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息，每个数据报的处理是相互独立的。

 4.IP首部（普通IP首部长为20个字节）

  1.big endian字节序。TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。其他形式存储二进制整数的机器，如little endian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。

  2.注意IP数据报格式及首部中的各字段含义

   1.服务类型（TOS）：有4bit的TOS分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。大多数实现不使用TOS字段。

   2.总长度字段是指整个IP数据报的长度。该字段长16bit，所以IP数据报最长可达65535字节（MTU）。尽管可以传递一个长达65535字节的IP数据报，但大多数链路层都会对它进行分片。

   3.TTL（time-to-time）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由数。它指定了数据报的生存时间。TTL的初始值由源主机设置（通常为32或64），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减1

 5.IP路由选择

    A.从概念上说，IP路由选择是简单的，特别是对于主来说。如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或者都在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么IP数据报就直接送到目的主机上。否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。

    B.IP层在内存中有一个路由表。当收到一份数据报并进行发送时，它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时，IP首先检查目的IP地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到由IP首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是这些地址，那么（1）如果IP层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发；否则（2）数据报被丢弃。

    C.路由表的每一项都包含下面这些信息：

     a.目的IP地址。可以为完整的主机地址，也可以是一个网络地址，由该表目中的标志字段来指定。主机地址有一个非0的主机号，以指定某一特定的主机，而网络地址中的主机号为0，以指定网络中所有的主机。

     b.下一站路由器的IP地址，或者有直接连接的网络IP地址。

     c.标志。其中一个标志指明目的IP地址是网络地址还是主机地址，另一个标志指明下一站路由器是否为真正的下一站路由器。还是一个直接相连接的接口。

     d.为数据报的传输指定一个网络接口。

    D.为一个网络指定一个路由器，而不必为每个主机指定一个路由器，这是IP路由选择机制的另一个基本特性。这样做可以极大地缩小路由表的规模。

 6.子网寻址

    A.不是把IP地址看成由单纯的网络号和一个主机号组成，而是把主机号再分成一个网络号和主机号。原因：A类和B类地址为主机号分配了太多的空间，事实上，一个网络中人们并不安排这么多的主机。例：B类地址，网络号（16位）+子网号（8位）+主机号（8位）

    B.子网对外部路由器来说隐藏了内部网络组织的细节，对子网内部的路由器是不透明的。

 7.子网掩码

    A.子网掩码是一个32bit的值，其中值为1的比特留给网络号和子网号，为0的比特留给主机号。

    B.给定IP地址和子网掩码以后，主机就可以确定IP数据报的目的是：（1）本子网上的主机；（2）本网络中其他子网中的主机；（3）其他网络上的主机

 8.ipconfig命令和netstat（-n参数打印出IP地址，而不是主机名字）命令

 9.网络字节序。4个字节的32bit以下面的次序传输：首先是0~7bit，其次8~15bit，然后16bit~23bit，最后24~31bit。这种传输次序称作big endian字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器，如little endian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。

第4章：ARP地址解析协议

 1.地址解析协议为这两种不同的地址形式提供映射：32bit的IP地址和数据链路层使用的任何类型的地址（一般为48bit）。

 2.ARP高速缓存。ARP高速运行的关键是由于每个主机上都有一个高速缓存，这个缓存存放了最近Internet地址到硬件地址之间的映射记录。高速缓存中每一项的生存时间一般为20分钟。

 3.ARP的分组格式

第5章：RARP逆地址解析协议

第6章：ICMP Internet控制报文协议

 1.ICMP报文是在IP数据报内部被传输的。IP数据报（IP首部：ICMP报文）

 2.具体格式参考TCP-IP详解卷1第6章

 3.不会导致产生ICMP差错报文的情况（这些规则是为了防止过去容许ICMP差错报文对广播分组响应所带来的广播风暴）：

    A.ICMP差错报文（但ICMP查询报文可能会产生ICMP差错报文）

    B.目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报

    C.作为链路层广播的数据报

    D.不是IP分片的第一片

    E.源地址不是单个主机的数据报。这就是说，源地址不能为零地址、环回地址、广播地址或多播地址。

 4.剩下的有时间再补充

第7章：UDP用户数据报协议

 1.UDP首部各个字段。（16位源端口号：16位目的端口号：16位UDP长度：16位UDP校验和）

    A.端口号表示发送进程和接收进程

    B.UDP端口号和TCP端口号是相互独立的

    C.UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度

 2.UDP校验和

    A.UDP校验和覆盖UDP首部和UDP数据（作为对比，IP首部的校验和只覆盖IP首部，不覆盖IP数据报中的任何数据）

    B.UDP数据报的长度可以为奇数字节，但检验和算法是把若干个16bit字相加。必要时在最后增加填充字节0，这只是为了检验和的计算。

    C.UDP数据报和TCP段都包含一个12字节长的伪首部，它是为了计算校验和而设置的。

    D.校验算法流程：

     a.发送数据

    1.把校验和字段置为0；

    2.把需要校验的数据看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和；

    3.把得到的结果存入校验和字段中；

     b.接收数据

    1.把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和，包括校验和字段；

    2.检查计算出的校验和的结果是否为0；

    3.如果等于0，说明被整除，校验和是正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。

 3.IP分片

    A.物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据，并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

    B.一份IP数据报分片后，要在目的地才进行重新组装（这里的重新组装与其他网络协议不同，他们要求在下一站就进行重新组装，而不是最终目的地）。已经分片过的数据报有可能会再次进行分片（可能不止一次）。

    C.当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

    D.IP数据报是指IP层端到端的传输单元，分组是指IP层和链路层之间的传输单元，一个分组可以是一个完整的IP数据报，也可以是IP数据报的一个分片。

  E.MTU发现机制：如果某个程序需要判断到达目的地端的路途中最小MTU是多少（是否分片需要通过与MTU的比较确定）

 4.最大UDP数据报长度：IP数据报的最大长度是65535字节，这是由IP首部16bit总长度字段所限制的。去除20字节的IP首部和8个字节的UDP首部，UDP数据报中用户数据的最长长度为65507字节。但大多数实现所提供的长度比这个最大值小。

 5.UDP输入队列：通常程序所使用的每个UDP端口都与一个有限大小的输入队列相联系。这意味着，来自不同客户的差不多同时到达的请求将由UDP自动排队。接收到的UDP数据报以其接收顺序交给应用程序。然而，排队溢出造成内核中UDP模块丢弃数据报的可能性是存在的。

第8章：广播和多播

 1.广播和多播仅应用于UDP，它们对需要将报文同时传往多个接收者的应用来说十分重要。TCP是一个面向连接的协议，它意味着分别运行于两主机（由IP地址确定）内的两进程（由端口号确定）间存在一条连接。

 2.考虑包含多个主机的共享信道网络如以太网。每个以太网帧包含源主机和目的主机的以太网地址（48bit）。通常每个以太网仅发往单个目的主机，目的地址指明单个接收接口，因而称为单播。这种情况下，任意两个主机的通信不会干扰网内其他主机（可能引起争夺共享信道的情况除外）。

 3.有时一个主机要向网上的所有其他主机发送帧，这就是广播。多播处于单播和广播之间：帧仅传送给属于多播组的多个主机。

 4.对于以太网，当地址中最高字节的最低位设置为1时表示该地址是一个多播地址，用十六进制可表示为01:00:00:00:00:00（以太网广播地址ff:ff:ff:ff:ff:ff可看做是以太网多播地址的特例）。

 5.使用广播的问题在于它增加了对广播数据不感兴趣主机的处理负荷。使用多播，主机可以加入一个或多个多播组。这样，网卡将获悉该主机属于哪个多播组，然后仅接收主机所在的多播组的那些多播帧。

 6.四种IP广播地址

    A.受限的广播

     a.受限的广播地址是25.255.255.255 。该地址用于主机配置过程中IP数据报的目的地址，此时，主机可能还不知道它所在网络的网络掩码，甚至连它的IP地址也不知道。

     b.任何情况下，路由器都不转发目的地址为受限的广播地址的数据报，这样的数据报仅出现在本地网络中。

    B.指向网络的广播

     a.指向网络的广播地址是主机号全1的地址。A类网络广播地址为netid.255.255.255，其中netid为A类网络的网络号。

     b.一个路由器必须转发指向网络的广播，但它也必须有一个不进行转发的选择。

    C.指向子网的广播

     a.指向子网的广播地址为主机号为全1且有特定子网号的地址。

     b.通过子网掩码和IP地址确定指向子网的广播

    D.指向所有子网的广播

     a.指向所有子网的广播也需要了解目的网络的子网掩码，以便与指向网络的广播地址区分开。

     b.指向所有子网的广播地址的子网号及主机号为全1。

 7.多播

    A.IP多播提供两类服务：

     a.向多个目的地址传送数据。有许多向多个接收者传送信息的应用：例如交互式会议系统和向多个接收者发送邮件或新闻。

     b.客户对服务器的请求。例如，无盘工作站需要确定启动引导服务器。目前，这项服务是通过广播来提供的，但使用多播可降低不提供这项服务主机的负担。

    B.多播组地址（D类IP地址）。D类IP地址格式：1110+多播组ID（28位）。不像其他三类IP地址（A、B、C），分配的28bit均用作多播组号而不再表示其他。

    C.多播组地址为1110的最高4bit和多播组号。它们通常表示为点分十进制数，范围从224.0.0.0到239.255.255.255

    D.能够接收发往一个特定多组播地址数据的主机集合称为主机组。一个主机组可以跨越多个网络。主机组中对主机的数量没有限制，同时不屑于某一主机组的主机可以向该组发送信息。

    E.一些多播组地址被IANA确定为知名地址。例如，224.0.0.1代表“该子网内的所有系统组”，224.0.0.2代表“该子网内的所有路由器组”等。

    F.多播组地址到以太网地址的转换

     a.IANA拥有一个以太网地址块，即高位24bit为00:00:5e（十六进制表示），这意味着该地址所拥有的地址范围从00:00:5e:00:00:00到00:00:5e:ff:ff:ff。IANA将其中的一般分配为多播地址。为了指明一个多播地址，任何一个以太网地址的首字节必须是01，这意味着与IP多播相对应的以太网地址范围从01:00:5e:00:00:00到01:00:5e:7f:ff:ff

     b.由于地址映射不是唯一的，因此需要其他的协议实现额外的数据报过滤。

     c.由于IP组播地址的高4bit是1110，标识了组播组，而低28bit中只有23bit被映射到组播MAC地址上，这样IP组播地址中就会有5bit没有使用，从而出现了32个IP组播地址映射到同一MAC地址上的结果

     d.网络中的主机通过发送IGMP报文相临近的路由器申请加入（或离开）组播组，交换机侦听用户与路由器之间的交互IGMP报文，跟踪组播信息及申请的端口。当交换机侦听到主机向路由器发出报文时，交换机用他来完成组播组的动态注册。

     e.IGMP侦听是组播约束机制。交换机侦听用户主机与路由器之间的交互IGMP报文，跟踪组播信息及其申请的端口。当交换机侦听到主机向路由器发送报告报文时，交换机便把该端口加入组播地址表中；当交换机侦听到主机发送离开的报文时，路由器会发送该端口的特定组查询报文，若还有其他主机需要该组播，则将回应报告报文，若路由器收不到任何主机的回应，交换机便把该端口从组播地址表中删除。

第9章：IGMP Internet组管理协议

 1.IGMP用于支持主机和路由器进行多播。它让一个物理网络上的所有系统知道主机当前所在的多组播。多播路由器需要这些信息以便知道多播数据报应该向哪些接口转发。

 2.正如ICMP一样，IGMP也被当做IP层的一部分。IGMP报文通过IP数据报进行传输。不像我们已经见到的其他协议，IGMP有固定的报文长度，没有可选数据。封装在IP层中的格式：IP首部（20字节）+IGMP报文（8字节）

 3.组播过程（一个典型的过程）：

    A.IP主机的一个进程可随时加入和离开主机接口的一个组播组，该主机需要维护接口的一张表，该表包含了有哪些组以及这些组中的进程数量。此时主机需要发送一个IGMP报告。

    B.路由器会定时发送IGMP查询报文，此时报文中组地址为0

    C.IP主机回应路由器的IGMP查询报文，对于一个主机，如果它加入了多个组，则需要为每个组返回一个IGMP报告。

    D.路由器根据这些信息，会对每个接口维护一张表，表中说明了该接口的组。

第10章：DNS域名系统

 1.域名系统（DNS）是一种用于TCP/IP应用程序的分布式数据库，它提供主机名称和IP地址之间的转换及有关电子邮件的选路信息。

第11章：TCP传输控制协议

 1.TCP通过下列方式提供可靠性：

    A.应用数据被分割成TCP认为最合适发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的数据报长度将保持不变。

    B.当TCP发出一个段后，它将启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

    C.当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒。

    D.TCP将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的校验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的校验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发送端超时并重发）

    E.既然TCP报文段作为IP数据来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。

    F.既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。

    G.TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只容许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

 2.TCP首部

    A.16位源端口号+16位目的端口号。每个TCP段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收段应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。

    B.32位序号+32位确认序号。序号用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它标识在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看做在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个字节进行计数。序号是32bit的无符号数，序号到达2^32-1后又从0开始。

    C.4位首部长度+保留（6位）+6个标志比特

     a.URG紧急指针有效

     b.ACK确认序号有效

     c.PSH接收方应该尽快将这个报文段交给应用层

     e.RST重建连接

     f.SYN同步序号用来发起一个连接

     g.FIN发端完成任务

    D.16位窗口大小。TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。

    E.16位校验和。校验和覆盖了整个的TCP报文段：TCP首部和TCP数据。

    F.16位紧急指针。

    G.最常见的可选字段

 3.建立连接协议（三次握手）

    A.请求端（通常称为客户）发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口。SYN=1，seq=J（客户将SYN置为1，发送序号为seq=J）

    B.服务器由标志位SYN=1知道客户端要建立连接，服务端将自己的SYN和ACK置为1，应答序号置为ack=J+1，并将发送序号设为seq=K。SYN=1,ACK=1,ack=J+1,seq=K。

    C.客户将检查ACK ?=1,ack ?=J+1，如果正确则将自己的ACK置为1，将应答序号设置为ack=K+1。服务端收到后会检查ack=K+1?，ACK=1?，如果正确则建立连接。ACK=1,ack=K+1

 4.连接终止协议（四次挥手）

    A.客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传输

    B.服务端收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序号为收到序号+1

    C.服务端发送一个FIN，用来关闭服务器到客户端的数据传输

    D.客户端收到FIN后，确认序号置为发送序号+1

 5.建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接需要经过4次握手。这是由于TCP的半关闭造成的。既然一个TCP连接是全双工的（即数据能在两个方向上同时传输），因此每个方向必须单独关闭。