图解TCP/IP读书笔记

Reference

<图解TCP/IP>
谈谈网络通信中的 ACK、NACK 和 REX ** **https://zhuanlan.zhihu.com/p/104322256
SYN 报文什么时候情况下会被丢弃？https://www.cnblogs.com/xiaolincoding/p/15710376.html
目前博客还没有用图床，先在语雀看吧 https://www.yuque.com/bcodesheep/cg3moq/iga7nwrsk9zmxd5o?# 《图解TCP/IP》

简要的正确认识

TCP/IP是一个协议组包含了许多子协议，比较常见的就是HTTP
TCP/IP是类似数据结构的通用规范，用于构建我们现在的互联网
TCP/IP协议组分别作用在数据传输的七层模型之上
七层模型：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层

计算机网络的脉络

网络规模
- 广域网 WAN
- 局域网 LAN
计算机网络虽计算机的发展而发展，在不同时期的作用不同
分组交换技术的计算机网络
电话网络逐渐被IP取代
到最后逐渐演变为如今的TCP/IP互联网

协议

协议是一个抽象概念，是一些网络技术结构的统称
在不同的公司当中有自己的不同的协议
协议与硬件息息相关，改变协议需要对应硬件上的修改，因此统一的协议是使得各种各样的设备得以互联的基础
协议比作人与人对话的语言
- 将汉语和英语比作 “协议”
- 将聊天的内容比作 “通信”
- 将说话的内容比作 “数据”
分组交换协议
- 将一整块数据分成小包，在包的首部添加描述信息，使得接收包的一方可以顺利将小包拼成一整块数据

协议由谁制定

开始是OSI协议(由国际标准委员会制定)，但是没普及，但是OSI提出的协议分层是被后来者更广泛借鉴的，也就是互联网的七层模型
后来IETF推出的标准得以普及

数据传输的分类

面向有连接型，即在收发数据之前已经有了连接
面向无连接型，即在收发数据之前没有建立连接

网络通信的分类

我认为通信表示建立连接的方式，数据传输则说的是我们传输的时候面临的两种情况

电路交换，历史悠久逐渐被分组交换取代
分组交换（积蓄交换），处理过程：
- 发送端计算机将数据分组发送给路由器
- 路由器将收到的一部分分组数据以后，缓存到自己的缓冲区
- 然后路由器再将缓存的分组转发给目标计算机
分组交换的弊端：
- 只有一条线路
- 路由器可能发生缓存饱和或溢出

接收端数量分类

单播
多播
任播

地址

地址很多表示方式，可以简单理解为IP地址

地址具有唯一性
地址可以表示多层次

MAC地址是在手机中通常使用的，根据场商可以一定程度上判断，但是对寻找地址的帮助很少
IP地址则更多的使用在互联网中，并且IP地址的形式对寻找地址很有帮助

网络的构成要素

网卡
- 使计算机联网的设备，现在的电脑通常自带网卡，但是也可以外接，可以抽象的理解为一个接口
中继器
- 从物理层延长网络的设备
网桥/2层交换机
- 从数据链路层上延长网路的设备
路由器/3层交换机
- 通过网络层转发分组数据的设备
4-7层交换机
- 处理传输层以上各层网络传输的设备
网关
- 转换协议的设备

不同的数据链路

数据链路有不同的技术，不同的技术可以使用不同的通信媒介。
通信媒介可以简单理解为不同材料的网线

MAC地址

用于识别数据链路中互联的节点
有线/无线均可
通常不会有重复，有重复在不通的网络就没事

TCP/IP规范RFC

是IETF讨论制定的文档，是开放的，目的是像社会公开各种协议的规范

获取途径
- http://www.rec-editor.org/rfc/

互联网的基础知识

互联网协议就是TCP/IP，TCP/IP就是互联网的协议
ISP表示互联网运营商，提供网络服务
OSI 注重通信协议必要的功能
TCP/IP强调计算机上实现协议应该开发哪种程序
TCP/IP远程登录 TELNET和SSH两种协议

TCP/IP分层模型与通信示例

每个层次的数据都可以称为各自层次的包
每个包包首部包含了该层次的协议信息

IP协议

IP协议是面向无连接型
数据链路的抽象化，对于下层是LAN还是PPP，对于IP来说的都是相同的
IP包分片为小的IP包

IP地址

IP地址现存的是IPv4，是用32位正整数来表示的
最多可允许43亿台计算机连接到网络
IP地址分类
- A类地址二进制以0开头的地址
- B类地址是前两位为10的地址
- C类地址 110
- D类地址 1110
- 这个地址分类知道就行，现在已经没有太大意义

IPv4首部

版本
- 查看地址 http://www.iana.org/assignments/version-numbers
首部长度 IHL
区分服务 TOS
DSCP / ECN
总长度 TL
片偏移 FO
生存时间 TTL
协议 P
首部校验
源地址
目标地址
可选项
填充
数据

IPv6 首部

版本
通信量类
流标号
有效荷载长度
下一个首部
跳数限制
源地址
目标地址

IP的技术支持

到目前为止，仅仅靠IP协议是无法完成通信的，还需要许多IP协议的技术

DNS 域名解析
ARP 地址互通
RARP
代理ARP
辅助IP的ICMP
DHCP 实现自动设置IP、统一管理IP地址分配
NAT技术本地网络地址和全局地址的转换，IPv4续命的技术
NAT-PT 实现IPv4和IPv6兼容
IP隧道

TCP和UDP

TCP是面向连接的可靠的流协议，流表示不间断的数据结构
UDP是不可靠协议，但是并不代表UDP协议不好，IP电话的场景表现出UDP在这种高速传输和实时性有较高要求的场景有很好的体验
操作系统提供了TCP和UDP的API用于实现 Socket

端口号

用来识别同一台计算机中通信的不同应用程序，将数据发送给对应端口好的应用程序
TCP/IP和UDP/IP通常采用5个信息才能准确识别一个通信
- 源IP地址
- 目标IP地址
- 协议号
- 源端口号
- 目标端口号
端口号是如何确定的
- 标准既定的端口号
- 时序分配
知名端口号，通常是一些协议所通用，查询地址：
- https://www.iana.org/
端口号由其使用的传输层协议决定，不同的传输协议可以使用相同的端口号，各个协议会传到各自的模块处理传来的数据，然后对应到具体的端口号

什么是连接？

一种虚拟的通信线路

UDP协议

不是重点，无连接的通信服务
应用：
- 广播
- 视频、音频
- 包总量较少的通信

TCP协议

需要解决的问题：
- 数据的破坏、丢包、重复、顺序混乱
TCP的解决发方案
- 检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理、窗口控制

序列号与确认应答

当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个已接受到的消息通知（这个消息叫ACK，也就是确认应答，这本书的翻译是这样）,确切的说是一个 SYN+ACK 包，SYN包是建立连接时发送端发送给接收端的
当接受主机没有收到，或者发现缺失则会返回**NACK **，否定应答
通过数据包的序列号来判断是否出现丢包、跳变、缺失，详细实现：https://zhuanlan.zhihu.com/p/104322256

重发超时

发送端未收到确认应答，在一个时间间隔之后，重复发送数据
为了保证速度，每次往返会计算往返时间，修改这个时间间隔

连接管理

开始建立连接，先发送一个SYN包 SYN is a single-bit flag in the header of a TCP segment,

about SYN https://www.quora.com/What-is-a-SYN-packet-in-TCP

建立连接到断开流程：

以段发送数据

最大消息长度：MSS Maximum Segment Size
理想情况：IP中不被分片的最小长度
何时计算：三次握手时动态计算得出，两种在TCP首部写入自己的mss，然后选最小

窗口控制提高速度

按最小单位段来确认应答会导致随着往返时间越长，网络吞吐量越差，类似于指数爆炸
通过窗口，即用更大的单位来进行一次确认应答
窗口的大小**：**无需等待确认应该而可以继续发送数据的最大值

窗口控制与重发控制

如果在窗口中出现数据段丢失怎么办？有两种情况

确认应答未能返回的情况
- 如果只有一些没有应答，无需重复发，只需要在下一个窗口中确认即可
报文段丢失的情况
- 高速重发机制，接受端在短时间内大量返回需要的序列号，通常一定次数后发送端就会将对应的数据重发

流控制

让发送端根据接收端的实际接受能力控制发送的数据量
通过在TCP首部添加字段，告知发送端
当接收端的缓冲区发生溢出时，同样会将窗口大小的值修改为更小的值

阻塞控制

为了防止共享网络发生阻塞，在建立连接的开始，通过算法来控制窗口的大小，随着阻塞概率的减小将窗口增大

Nagle算法提高网络利用率

核心思想是，即使还有应该发送的数据，但如果这部分数据很少的话则进延迟发送

这个算法一般都会导致数据发生延迟，因此很多场景不会启用

UDP首部格式

TCP首部格式

路由协议

目前不做深入了解

应用协议

SSH、FTP、等等很多本书没有做详细介绍，都是一些介绍和特性