【网络编程开发】8.TCP连接管理与UDP协议 9.IP协议与ethernet协议

8.TCP连接管理与UDP协议

三次握手

三次握手的过程在TCP/IP网络通信中起着至关重要的作用，它不仅确保了数据的可靠传输，还为两端的数据传输提供了稳定的连接初始化过程。这一过程涉及到几个关键步骤，每个步骤都有其特定的目的和功能。

步骤：

1. 初始化：B 的 TCP 服务器进程先创建传输控制块 TCB，准备接受客户进程的连接请求。
2. 第一次握手：
   • A 的 TCP 向 B 主动发出连接请求报文段，其包头中的同步位 SYN = 1，并选择序号 seq = x，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是 x。
   • 注意：TCP规定，SYN 报文段（即SYN = 1的报文段）不能携带数据，但要消耗掉一个序号。
   • 通过这一步，服务器知道了客户端具有发送数据的能力，但此时服务器还未确认自己能够接收和发送数据到客户端。
3. 第二次握手：
   • B 的 TCP 收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认。
   • B 在确认报文段中应使 SYN = 1，使 ACK = 1，其确认号 ack = x + 1，自己选择的序号 seq = y。
   • 这个报文段也不能携带数据，但同样要消耗掉一个序号。
   • 通过这一步，客户端确认了服务器既能接收数据也能发送数据。
4. 第三次握手：
   • A 收到此报文段后向 B 给出确认，其 ACK = 1，确认号 ack = y + 1。
   • A 的 TCP 通知上层应用进程，连接已经建立。
   • TCP 标准规定：ACK 报文段可以携带数据。
     但如果不携带数据，则不消耗序号。下一个数据报文段的序号仍是 seq = x + 1。
   • 这一步完成了整个握手过程，现在服务器知道客户端既能接收数据也能发送数据。只有当服务器收到这个最后的ACK包时，连接才算正式建立，随后双方可以开始数据传输。
5. 数据开始传输：B 的 TCP 收到主机 A 的确认后，也通知其上层应用进程：TCP 连接已经建立。双方可以开始数据传送。

四次挥手

四次挥手过程是TCP连接释放的核心机制，它确保了数据传输的完整性和可靠性。在网络通信中，TCP（传输控制协议）提供可靠的、面向连接的服务，确保数据在互联网中的准确传输。这一过程中，“四次挥手”是TCP协议关闭连接的一个重要环节，它涉及客户端和服务器之间的数据交换确认，确保双方都没有数据传输后，才正式关闭连接。

TCP四次挥手的过程具体如下：

1. 第一次挥手：当一端（通常是客户端）完成数据发送后，会向另一端（服务器）发送一个FIN报文，试图关闭这一方向的连接。此时，客户端不再发送数据，但可以接受数据。
   • A 的应用进程先向其 TCP 发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭 TCP 连接。
   • A 把连接释放报文段首部的 FIN = 1，其序号seq = u，等待 B 的确认。
   • TCP规定：FIN 报文段即使不携带数据，也消耗掉一个序号。
2. 第二次挥手：另一端（服务器）收到这个FIN报文后，会发送一个ACK报文作为响应，确认序号ack为收到的序号加1，表明已经接收到客户端的关闭请求，此时服务器还可以继续发送数据。
   • B 发出确认，ACK=1，确认号 ack = u+1，这个报文段的序号 seq = v。
   • TCP 服务器进程通知高层应用进程。
   • 从 A 到 B 这个方向的连接就释放了，TCP 连接处于半关闭 (half-close) 状态。B 若发送数据，A 仍要接收。
3. 第三次挥手：当服务器也没有数据需要发送时，同样会发送一个FIN报文给客户端，表示自己也准备关闭连接。
   • 若 B 已经没有要向 A 发送的数据，其应用进程就通知 TCP 释放连接。
   • FIN=1，ACK=1，确认号 ack = u+1。
4. 第四次挥手：客户端收到来自服务器的FIN报文后，会发送ACK报文进行确认，ack序列号设为收到的序号加1。此后，客户端进入TIME_WAIT状态，等待2MSL（最大段生存时间）以确保对方正确接收到了ACK报文。之后，客户端也会关闭连接。
   • A 收到连接释放报文段后，必须发出确认。
   • ACK=1，确认号 ack=w+1，自己的序号 seq = u + 1

保活计时器

• 用来防止在 TCP 连接出现长时期空闲。

• 通常设置为 2 小时 。

• 若服务器过了 2 小时还没有收到客户的信息，它就发送探测报文段。

• 若发送了 10 个探测报文段（每一个相隔 75 秒）还没有响应，就假定客户出了故障，因而就终止该连接。

9.IP协议与ethernet协议

IP 数据报首部的固定部分中的各字段

1. 版本（Version）：这个字段占4位，用于标识IP数据报遵循的IP协议版本。常见的版本有IPv4（0100）和IPv6（0110）。版本字段确保了与相应IP版本的兼容性。
2. 首部长度（Header Length）：用4位表示，说明IP数据报首部的长度。由于单位是4字节，首部长度的最大值为60字节。通常首部长度为20字节，这适用于大多数情况。
3. 服务类型（Type of Service）：占8位，旧称服务类型（Service Type），在现代网络中被称为区分服务（Differentiated Services）。该字段用于处理特殊服务要求，如低延迟、高可靠性等。
4. 总长度（Total Length）：总长度字段为16位，表明整个IP数据报的长度，包括首部和数据载荷。其单位为字节，因此数据报的最大长度可达65535字节。这个字段对于确定数据报的大小及是否需要分片至关重要。
5. 标识（Identification）：这是一个16位的字段，用于唯一标识一个IP数据报。相同的标识值意味着分片来源于同一个IP数据报。这在分片后的重组过程中是必不可少的。
6. 标志（Flags）：占3位，其中关注最多的是最后两位。最低位是MF（More Fragments），若设置为此位，则表示后面还有更多分片。中间位是DF（Don’t Fragment），若设置为此位，则不允许对该数据报进行分片处理。
7. 片偏移（Fragment Offset）：这个13位的字段指示分片相对于原始数据报的偏移量，以8字节为单位。这对于接收端正确重组分片非常重要。
8. 生存时间（Time to Live, TTL）：占8位，用于设置数据报可以经过的最多路由器数。每经过一个路由器，TTL减1，当TTL减至0时，数据报被丢弃，从而防止数据报在网络中无限循环。
9. 协议（Protocol）：此8位字段表明数据报的数据部分使用的协议类型，例如TCP、UDP或ICMP。
10. 首部检验和（Header Checksum）：这个16位的字段仅对数据报的首部进行错误检查，保证首部的正确性。数据部分的错误检测由更高层的协议负责。

此外，还有源IP地址和目标IP地址字段，各占4字节。这两个字段分别指定了发送数据报的主机和数据报目的地的IP地址。

分片

• 假设一个IP数据报首部20字节，数据部分3800字节，需要分片。由于MTU限制为1500字节，每个分片的最大数据长度应为1480字节（1500字节扣除20字节首部）。

• 分片处理开始，首先根据1480字节的限制，将数据分为三个分片。第一个分片包含首部和前1400字节的数据，第二个分片包含首部和接下来的1400字节的数据，第三个分片包含剩余的数据和首部。

• 每个分片的标识相同，表明它们属于同一个IP数据报。第一个和第二个分片的MF标志设置为1，表示后续还有更多分片。最后一个分片的MF标志设置为0，表示这是最后一个分片。

• 片偏移量分别设置为0, 175, 和350（以8字节为单位），这表示每个分片的数据部分在原始数据报中的相对位置。

Ethernet协议

Ethernet协议是一种重要的链路层协议，专门用于实现局域网(LAN)内的数据传输和地址封装。

Ethernet协议由DIX联盟开发，是计算机网络中应用最广泛的局域网通信协议之一。该协议基于冲突检测的共享媒体访问控制方法，允许多个设备在同一个局域网上同时传输数据。

以太网 V2 的 MAC 帧格式

1. 类型字段
   • 2字节
   • 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，
   • 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
2. 数据字段
   • 46 ~ 1500 字节
   • 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。
   • 最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度（46字节）
3. 无效的 MAC 帧
   • 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
   • 帧的长度不是整数个字节；
   • 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
   • 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
   • 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。