IP协议

IP协议的特点

IP协议是TCP/IP协议族的动力，它为上层提供无状态的，无连接、不可靠的服务。
无状态：IP通信双方不同步传输数据的状态信息，因此IP数据报的发送、传输、和接收都是相互独立，没有上下文关系的。
无连接：IP通信双方都不长久的维持对方的任何消息。所以，上层协议每次发送数据，均需要明确指明对方的IP地址。
不可靠：IP协议不能保证IP数据报准确到达接收端。发送端的IP模块一旦检测到IP数据报发送失败，就通知上层协议发送失败，不重传。只发送ICMP错误信息（IP头部参数错误）。ICMP即因特网控制协议，用于检测网络连接。主要分为差错报文和查询网络信息（ping)。
注意，ping是应用程序，不是协议。
无状态的缺点：
无法处理乱序和重复的IP数据报。接收端的IP模块只要收到了完整的IP数据报，就将其数据交给上层协议。而面向连接的协议，例如TCP，可以自己处理乱序和重复的报文段，它递交给上层的协议内容是肯定有序且正确的。
注意，IP头部字段16位的唯一标识字段，是用来处理分片和重组的，不是用来指定接收顺序的。

IPV4头部信息

IP分片

当IP数据报的长度超过帧的MTU（最大传输单元）时，它将被分片传输。
分片可能发生在发送端，也可能发生在中转路由器上，而且可能在传输过程中被多次分片，但只有在最终的目标机器上，这些分片才会被内核中的IP模块重新组装。
注：
1.当IP数据报被分为多个IP分片，每个IP分片都有自己的IP头部（20字节），且除了最后一个分片不设置MF（更多分片）外，其他分片均设置。
2.仅第一片的IP分片中包含ICMP头部内容，因为重组的时候，一份即可。ICMP头部长度取决于报文的类型。

重定向

ICMP重定向报文用于更新路由表。
ICMP重定向报文的数据部分，它给接收方提供了两个信息：
1.引起重定向的IP数据报的源端IP地址。
2.应该使用的路由器的IP地址。
那么接收主机即可根据这两个信息来断定引起重定向的IP数据报应该使用哪个路由器来转发，并且以此更新路由表。（更新路由表缓冲，而不是直接更新）

IPV6头部结构

IPv6解决了IPV4地址不够用的问题，头部由40字节的固定头部和可变长的扩展头部组成
还增加了多播和流的功能，为网络上的多媒体内容的质量提供精细控制；
引入自动配置功能；增加了专门的网络安全功能。

TCP协议

TCP协议的特点

面向连接，字节流，可靠传输三大特征。

TCP协议通信的双方必须先建立连接，然后才能开始数据的读写。且都要分片必要的内核资源。全双工。完成数据传输后，双方断开连接释放资源。
基于流的。当发送端应用程序连续执行多次读操作时，TCP模块先将这些数据放入TCP发送缓冲区，TCP模块真正开始发送数据时，发送缓冲区的数据可能被封装为一个或者多个TCP报文段发出。因此TCP模块发出的TCP报文段和应用程序执行的写的次数没有固定数量关系。
UDP基于数据报则不是。发送端每执行一次写操作，UDP模块就将其封装成一个UDP数据报发送。接收端必须及时执行读操作，否则就会丢包。（发生在慢的服务器上）。如果用户没有足够的用户缓冲区来读取UDP数据，数据将被截断。
TCP传输是可靠的。首先采用应答机制，发送的每个报文必须得到接收方的应答才代表发送成功。其次，采用超时重传机制，发送端在发送一个TCP报文后就启动定时器，如果在指定时间内未收到应答，它将重发该报文段。

TCP头部结构

TCP头部最长是60字节，其中包含20字节的固定部分，40字节的可选部分

TCP连接的建立与关闭

三次握手建立连接，四次挥手关闭连接。

采用三次挥手是确保双方都能发送自己的初始序列号，并对方对自己的序列号进行确认。
采用四次挥手是因为当一端发起关闭连接的时候，另一端可能还有数据没发送完，所以需要将ACK和FIN关闭连接分开发送。而这种本端已经关闭连接，但允许继续接收对方的数据，直到对方也发送结束报文段以关闭连接。TCP连接的这种状态叫做半连接状态。
注意：当read系统调用返回0的时候，说明对方已经关闭连接。（还有其他的检测方法）
可以使用netstat命令来查看TCP连接状态。
TIME-WAIT状态是当客户端收到服务端的结束报文（FIN）之后客户端处于的状态，在这个状态里，客户端连接要等待2MSL（2倍的最大报文生存时间），才能完全关闭。原因有两个：
1.可靠的终止TCP连接。（当客户端发出最后一个ACK之后，如果ACK在途中丢失，便于重发ACK能够顺利到达服务器端）
2.保证让迟来的TCP报文有足够的时间被识别并丢弃。因为当一个TCP连接处于TIME-WAIT状态时，即就无法立即使用该连接占着的端口来建立连接。如果不存在TIME-WAIT状态，那么新的连接就会收到旧的连接的迟到的报文段，就会发生错误。

异常终止连接

TCP提供了一个异常报文段的终止方式：
给对方发送一个复位报文段，发送端所有等待发送的数据的都会被丢弃。

异常终止连接

当服务器（或者客户端）关闭或者异常终止了连接，而对方并没有收到结束报文段，所以还维持着和原来一样的连接，而服务器端即使重启也没有任何连接的信息，称处于这种状态的连接为半打开连接。如果客户端往半打开状态的连接写数据，那么对方将会回复复位报文段。

TCP超时重传

TCP模块为每一个TCP报文段都维护一个重传定时器，在TCP报文第一次发送时启动，如果超时时间内没有收到应答，TCP模块将重传TCP报文段并且重置定时器。

拥塞控制

分为慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复四部分。
拥塞控制的是发送端向网络一次连续写入的数据量（即发送窗口）SWND。也即发送端能连续发送的TCP报文段数量。TCP报文段最大长度为SMSS，一般等于MSS。
如果SWND太小，会引起网络延迟，如果太大，会容易导致网络拥塞。
接收端可通过其接收通知窗口（RWND)来控制发送端的SWND。但是显然是不够的，所以引入了拥塞窗口的概念，通常SWND取RWND和拥塞窗口的最小值。

慢启动：刚开始拥塞窗口设置为1SMSS，之后在收到一个ACK之后，指数倍增加，
拥塞避免：当增加到阈值的时候，改为线性增长。
快速重传和快速恢复：当接收到超过三次重复的确认报文段，进入快速重传阶段，阈值改为当前拥塞窗口的一半，拥塞窗口改为1SMSS。
之后再改为拥塞避免阶段，即拥塞窗口线性增长。

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