關(guān)于 TCP/IP，運維必知必會的十個問題
一、TCP/IP模型
上圖以HTTP協(xié)議為例，具體說明。
二、數(shù)據(jù)鏈路層
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封裝成幀: 把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報加頭和尾，封裝成幀,幀頭中包括源MAC地址和目的MAC地址。
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透明傳輸:零比特填充、轉(zhuǎn)義字符。
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可靠傳輸: 在出錯率很低的鏈路上很少用，但是無線鏈路WLAN會保證可靠傳輸。
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差錯檢測(CRC):接收者檢測錯誤,如果發(fā)現(xiàn)差錯，丟棄該幀。
三、網(wǎng)絡(luò)層
1.IP協(xié)議
IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGMP的數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)格式傳輸。要注意的是，IP不是可靠的協(xié)議，這是說，IP協(xié)議沒有提供一種數(shù)據(jù)未傳達以后的處理機制，這被認為是上層協(xié)議：TCP或UDP要做的事情。
1.1 IP地址
B類IP地址:128.0.0.1~191.255.0.0
C類IP地址:192.168.0.0~239.255.255.0
1.2 IP協(xié)議頭
2.ARP及RARP協(xié)議
3. ICMP協(xié)議
IP協(xié)議并不是一個可靠的協(xié)議，它不保證數(shù)據(jù)被送達，那么，自然的，保證數(shù)據(jù)送達的工作應(yīng)該由其他的模塊來完成。其中一個重要的模塊就是ICMP(網(wǎng)絡(luò)控制報文)協(xié)議。ICMP不是高層協(xié)議，而是IP層的協(xié)議。
當傳送IP數(shù)據(jù)包發(fā)生錯誤。比如主機不可達，路由不可達等等，ICMP協(xié)議將會把錯誤信息封包，然后傳送回給主機。給主機一個處理錯誤的機會，這 也就是為什么說建立在IP層以上的協(xié)議是可能做到安全的原因。
四、ping
ping可以說是ICMP的最著名的應(yīng)用，是TCP/IP協(xié)議的一部分。利用“ping”命令可以檢查網(wǎng)絡(luò)是否連通，可以很好地幫助我們分析和判定網(wǎng)絡(luò)故障。
例如：當我們某一個網(wǎng)站上不去的時候。通常會ping一下這個網(wǎng)站。ping會回顯出一些有用的信息。一般的信息如下:
五、Traceroute
Traceroute是用來偵測主機到目的主機之間所經(jīng)路由情況的重要工具，也是最便利的工具。
Traceroute的原理是非常非常的有意思，它收到到目的主機的IP后，首先給目的主機發(fā)送一個TTL=1的UDP數(shù)據(jù)包，而經(jīng)過的第一個路由器收到這個數(shù)據(jù)包以后，就自動把TTL減1，而TTL變?yōu)?以后，路由器就把這個包給拋棄了，并同時產(chǎn)生 一個主機不可達的ICMP數(shù)據(jù)報給主機。主機收到這個數(shù)據(jù)報以后再發(fā)一個TTL=2的UDP數(shù)據(jù)報給目的主機，然后刺激第二個路由器給主機發(fā)ICMP數(shù)據(jù) 報。如此往復(fù)直到到達目的主機。這樣，traceroute就拿到了所有的路由器IP。
六、TCP/UDP
面向報文
面向報文的傳輸方式是應(yīng)用層交給UDP多長的報文，UDP就照樣發(fā)送，即一次發(fā)送一個報文。因此，應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報文。若報文太長，則IP層需要分片，降低效率。若太短，會是IP太小。
面向字節(jié)流
什么時候應(yīng)該使用TCP？
什么時候應(yīng)該使用UDP？
七、DNS
八、TCP連接的建立與終止
1.三次握手
為什么要三次握手？
2.四次揮手
當客戶端和服務(wù)器通過三次握手建立了TCP連接以后，當數(shù)據(jù)傳送完畢，肯定是要斷開TCP連接的啊。那對于TCP的斷開連接，這里就有了神秘的“四次分手”。
第一次分手：主機1（可以使客戶端，也可以是服務(wù)器端），設(shè)置Sequence Number，向主機2發(fā)送一個FIN報文段；此時，主機1進入FIN_WAIT_1狀態(tài)；這表示主機1沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送給主機2了；
第二次分手：主機2收到了主機1發(fā)送的FIN報文段，向主機1回一個ACK報文段，Acknowledgment Number為Sequence Number加1；主機1進入FIN_WAIT_2狀態(tài)；主機2告訴主機1，我“同意”你的關(guān)閉請求；
第三次分手：主機2向主機1發(fā)送FIN報文段，請求關(guān)閉連接，同時主機2進入LAST_ACK狀態(tài)；
第四次分手：主機1收到主機2發(fā)送的FIN報文段，向主機2發(fā)送ACK報文段，然后主機1進入TIME_WAIT狀態(tài)；主機2收到主機1的ACK報文段以后，就關(guān)閉連接；此時，主機1等待2MSL后依然沒有收到回復(fù)，則證明Server端已正常關(guān)閉，那好，主機1也可以關(guān)閉連接了。
為什么要四次分手？
為什么要等待2MSL？
MSL：報文段最大生存時間，它是任何報文段被丟棄前在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最長時間。原因有二：
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保證TCP協(xié)議的全雙工連接能夠可靠關(guān)閉
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保證這次連接的重復(fù)數(shù)據(jù)段從網(wǎng)絡(luò)中消失
第一點：如果主機1直接CLOSED了，那么由于IP協(xié)議的不可靠性或者是其它網(wǎng)絡(luò)原因，導(dǎo)致主機2沒有收到主機1最后回復(fù)的ACK。那么主機2就會在超時之后繼續(xù)發(fā)送FIN，此時由于主機1已經(jīng)CLOSED了，就找不到與重發(fā)的FIN對應(yīng)的連接。所以，主機1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，最后正確的關(guān)閉連接。
第二點：如果主機1直接CLOSED，然后又再向主機2發(fā)起一個新連接，我們不能保證這個新連接與剛關(guān)閉的連接的端口號是不同的。也就是說有可能新連接和老連接的端口號是相同的。一般來說不會發(fā)生什么問題，但是還是有特殊情況出現(xiàn)：假設(shè)新連接和已經(jīng)關(guān)閉的老連接端口號是一樣的，如果前一次連接的某些數(shù)據(jù)仍然滯留在網(wǎng)絡(luò)中，這些延遲數(shù)據(jù)在建立新連接之后才到達主機2，由于新連接和老連接的端口號是一樣的，TCP協(xié)議就認為那個延遲的數(shù)據(jù)是屬于新連接的，這樣就和真正的新連接的數(shù)據(jù)包發(fā)生混淆了。所以TCP連接還要在TIME_WAIT狀態(tài)等待2倍MSL，這樣可以保證本次連接的所有數(shù)據(jù)都從網(wǎng)絡(luò)中消失。
九、TCP流量控制
如果發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)送得過快，接收方可能會來不及接收，這就會造成數(shù)據(jù)的丟失。所謂流量控制就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，要讓接收方來得及接收。
利用滑動窗口機制可以很方便地在TCP連接上實現(xiàn)對發(fā)送方的流量控制。
設(shè)A向B發(fā)送數(shù)據(jù)。在連接建立時，B告訴了A：“我的接收窗口是 rwnd = 400 ”(這里的 rwnd 表示 receiver window) 。因此，發(fā)送方的發(fā)送窗口不能超過接收方給出的接收窗口的數(shù)值。請注意，TCP的窗口單位是字節(jié)，不是報文段。假設(shè)每一個報文段為100字節(jié)長，而數(shù)據(jù)報文段序號的初始值設(shè)為1。大寫ACK表示首部中的確認位ACK，小寫ack表示確認字段的值ack。
從圖中可以看出，B進行了三次流量控制。第一次把窗口減少到 rwnd = 300 ，第二次又減到了 rwnd = 100 ，最后減到 rwnd = 0 ，即不允許發(fā)送方再發(fā)送數(shù)據(jù)了。這種使發(fā)送方暫停發(fā)送的狀態(tài)將持續(xù)到主機B重新發(fā)出一個新的窗口值為止。B向A發(fā)送的三個報文段都設(shè)置了 ACK = 1 ，只有在ACK=1時確認號字段才有意義。
TCP為每一個連接設(shè)有一個持續(xù)計時器(persistence timer)。只要TCP連接的一方收到對方的零窗口通知，就啟動持續(xù)計時器。若持續(xù)計時器設(shè)置的時間到期，就發(fā)送一個零窗口控測報文段（攜1字節(jié)的數(shù)據(jù)），那么收到這個報文段的一方就重新設(shè)置持續(xù)計時器。
十、TCP擁塞控制
發(fā)送方維持一個擁塞窗口 cwnd ( congestion window )的狀態(tài)變量。擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動態(tài)地在變化。發(fā)送方讓自己的發(fā)送窗口等于擁塞窗口。
發(fā)送方控制擁塞窗口的原則是：只要網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些，以便把更多的分組發(fā)送出去。但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。
慢開始算法：
當主機開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果立即所大量數(shù)據(jù)字節(jié)注入到網(wǎng)絡(luò)，那么就有可能引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，因為現(xiàn)在并不清楚網(wǎng)絡(luò)的負荷情況。因此，較好的方法是 先探測一下，即由小到大逐漸增大發(fā)送窗口，也就是說，由小到大逐漸增大擁塞窗口數(shù)值。
通常在剛剛開始發(fā)送報文段時，先把擁塞窗口 cwnd 設(shè)置為一個最大報文段MSS的數(shù)值。而在每收到一個對新的報文段的確認后，把擁塞窗口增加至多一個MSS的數(shù)值。用這樣的方法逐步增大發(fā)送方的擁塞窗口 cwnd ，可以使分組注入到網(wǎng)絡(luò)的速率更加合理。
每經(jīng)過一個傳輸輪次，擁塞窗口 cwnd 就加倍。一個傳輸輪次所經(jīng)歷的時間其實就是往返時間RTT。不過“傳輸輪次”更加強調(diào)：把擁塞窗口cwnd所允許發(fā)送的報文段都連續(xù)發(fā)送出去，并收到了對已發(fā)送的最后一個字節(jié)的確認。
另，慢開始的“慢”并不是指cwnd的增長速率慢，而是指在TCP開始發(fā)送報文段時先設(shè)置cwnd=1，使得發(fā)送方在開始時只發(fā)送一個報文段（目的是試探一下網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況），然后再逐漸增大cwnd。
為了防止擁塞窗口cwnd增長過大引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，還需要設(shè)置一個慢開始門限ssthresh狀態(tài)變量。慢開始門限ssthresh的用法如下：
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當 cwnd < ssthresh 時，使用上述的慢開始算法。
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當 cwnd > ssthresh 時，停止使用慢開始算法而改用擁塞避免算法。
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當 cwnd = ssthresh 時，既可使用慢開始算法，也可使用擁塞控制避免算法。擁塞避免
擁塞避免
讓擁塞窗口cwnd緩慢地增大，即每經(jīng)過一個往返時間RTT就把發(fā)送方的擁塞窗口cwnd加1，而不是加倍。這樣擁塞窗口cwnd按線性規(guī)律緩慢增長，比慢開始算法的擁塞窗口增長速率緩慢得多。
無論在慢開始階段還是在擁塞避免階段，只要發(fā)送方判斷網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞（其根據(jù)就是沒有收到確認），就要把慢開始門限ssthresh設(shè)置為出現(xiàn)擁塞時的發(fā)送 方窗口值的一半（但不能小于2）。然后把擁塞窗口cwnd重新設(shè)置為1，執(zhí)行慢開始算法。
這樣做的目的就是要迅速減少主機發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，使得發(fā)生 擁塞的路由器有足夠時間把隊列中積壓的分組處理完畢。
如下圖，用具體數(shù)值說明了上述擁塞控制的過程。現(xiàn)在發(fā)送窗口的大小和擁塞窗口一樣大。
2.快重傳和快恢復(fù)
快重傳
快重傳算法首先要求接收方每收到一個失序的報文段后就立即發(fā)出重復(fù)確認（為的是使發(fā)送方及早知道有報文段沒有到達對方）而不要等到自己發(fā)送數(shù)據(jù)時才進行捎帶確認。
接收方收到了M1和M2后都分別發(fā)出了確認。現(xiàn)在假定接收方?jīng)]有收到M3但接著收到了M4。
顯然，接收方不能確認M4，因為M4是收到的失序報文段。根據(jù) 可靠傳輸原理，接收方可以什么都不做，也可以在適當時機發(fā)送一次對M2的確認。
但按照快重傳算法的規(guī)定，接收方應(yīng)及時發(fā)送對M2的重復(fù)確認，這樣做可以讓 發(fā)送方及早知道報文段M3沒有到達接收方。發(fā)送方接著發(fā)送了M5和M6。接收方收到這兩個報文后，也還要再次發(fā)出對M2的重復(fù)確認。這樣，發(fā)送方共收到了 接收方的四個對M2的確認，其中后三個都是重復(fù)確認。
快重傳算法還規(guī)定，發(fā)送方只要一連收到三個重復(fù)確認就應(yīng)當立即重傳對方尚未收到的報文段M3，而不必 繼續(xù)等待M3設(shè)置的重傳計時器到期。
由于發(fā)送方盡早重傳未被確認的報文段，因此采用快重傳后可以使整個網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高約20%。
快恢復(fù)
當發(fā)送方連續(xù)收到三個重復(fù)確認，就執(zhí)行“乘法減小”算法，把慢開始門限ssthresh減半。 與慢開始不同之處是現(xiàn)在不執(zhí)行慢開始算法（即擁塞窗口cwnd現(xiàn)在不設(shè)置為1），而是把cwnd值設(shè)置為 慢開始門限ssthresh減半后的數(shù)值，然后開始執(zhí)行擁塞避免算法（“加法增大”），使擁塞窗口緩慢地線性增大。
