TCP/IP网络协议

LeCun 等级 305 1 1

1、 简述osi七层模型和TCP/IP五层模型

一、OSI参考模型

    今天我们先学习一下以太网最基本也是重要的知识——OSI参考模型。

1、OSI的来源

    OSI(Open System Interconnect),即开放式系统互联。 一般都叫OSI参考模型,是ISO(国际标准化组织)组织在1985年研究的网络互连模型。

    ISO为了更好的使网络应用更为普及,推出了OSI参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范,就能互联了。

2、OSI七层模型的划分

   OSI定义了网络互连的七层框架(物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层),即ISO开放互连系统参考模型。如下图。

    每一层实现各自的功能和协议,并完成与相邻层的接口通信。OSI的服务定义详细说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其下各层的一种能力,它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服务是怎么实现的无关。

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3、各层功能定义

    这里我们只对OSI各层进行功能上的大概阐述,不详细深究,因为每一层实际都是一个复杂的层。后面我也会根据个人方向展开部分层的深入学习。这里我们就大概了解一下。我们从最顶层——应用层 开始介绍。整个过程以公司A和公司B的一次商业报价单发送为例子进行讲解。

<1> 应用层

    OSI参考模型中最靠近用户的一层,是为计算机用户提供应用接口,也为用户直接提供各种网络服务。我们常见应用层的网络服务协议有:HTTP,HTTPS,FTP,POP3、SMTP等。

    实际公司A的老板就是我们所述的用户,而他要发送的商业报价单,就是应用层提供的一种网络服务,当然,老板也可以选择其他服务,比如说,发一份商业合同,发一份询价单,等等。

<2> 表示层

    表示层提供各种用于应用层数据的编码和转换功能,确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。如果必要,该层可提供一种标准表示形式,用于将计算机内部的多种数据格式转换成通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。

    由于公司A和公司B是不同国家的公司,他们之间的商定统一用英语作为交流的语言,所以此时表示层(公司的文秘),就是将应用层的传递信息转翻译成英语。同时为了防止别的公司看到,公司A的人也会对这份报价单做一些加密的处理。这就是表示的作用,将应用层的数据转换翻译等。

<3> 会话层

    会话层就是负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。      

   会话层的同事拿到表示层的同事转换后资料,(会话层的同事类似公司的外联部),会话层的同事那里可能会掌握本公司与其他好多公司的联系方式,这里公司就是实际传递过程中的实体。他们要管理本公司与外界好多公司的联系会话。当接收到表示层的数据后,会话层将会建立并记录本次会话,他首先要找到公司B的地址信息,然后将整份资料放进信封,并写上地址和联系方式。准备将资料寄出。等到确定公司B接收到此份报价单后,此次会话就算结束了,外联部的同事就会终止此次会话。

<4> 传输层

    传输层建立了主机端到端的链接,传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务,包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节,使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。我们通常说的,TCP UDP就是在这一层。端口号既是这里的“端”。

    传输层就相当于公司中的负责快递邮件收发的人,公司自己的投递员,他们负责将上一层的要寄出的资料投递到快递公司或邮局。

<5> 网络层

   本层通过IP寻址来建立两个节点之间的连接,为源端的运输层送来的分组,选择合适的路由和交换节点,正确无误地按照地址传送给目的端的运输层。就是通常说的IP层。这一层就是我们经常说的IP协议层。IP协议是Internet的基础。

   网络层就相当于快递公司庞大的快递网络,全国不同的集散中心,比如说,从深圳发往北京的顺丰快递(陆运为例啊,空运好像直接就飞到北京了),首先要到顺丰的深圳集散中心,从深圳集散中心再送到武汉集散中心,从武汉集散中心再寄到北京顺义集散中心。这个每个集散中心,就相当于网络中的一个IP节点。

<6> 数据链路层

    将比特组合成字节,再将字节组合成帧,使用链路层地址 (以太网使用MAC地址)来访问介质,并进行差错检测。

 数据链路层又分为2个子层:逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)。

    MAC子层处理CSMA/CD算法、数据出错校验、成帧等;LLC子层定义了一些字段使上次协议能共享数据链路层。 在实际使用中,LLC子层并非必需的。

    这个没找到合适的例子

<7> 物理层

    实际最终信号的传输是通过物理层实现的。通过物理介质传输比特流。规定了电平、速度和电缆针脚。常用设备有(各种物理设备)集线器、中继器、调制解调器、网线、双绞线、同轴电缆。这些都是物理层的传输介质。

     快递寄送过程中的交通工具,就相当于我们的物理层,例如汽车,火车,飞机,船。

4、通信特点:对等通信

对等通信,为了使数据分组从源传送到目的地,源端OSI模型的每一层都必须与目的端的对等层进行通信,这种通信方式称为对等层通信。在每一层通信过程中,使用本层自己协议进行通信。

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二、TCP/IP五层模型

TCP/IP五层协议和OSI的七层协议对应关系如下。

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在每一层都工作着不同的设备,比如我们常用的交换机就工作在数据链路层的,一般的路由器是工作在网络层的。

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在每一层实现的协议也各不同,即每一层的服务也不同.下图列出了每层主要的协议。其中每层中具体的协议,我会在后面的逐一学习。

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2、总结描述TCP三次握手四次挥手

背景描述

通过上一篇中网络模型中的IP层的介绍,我们知道网络层,可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体,因为,真正进行通信的实体是在主机中的进程,是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。
IP协议虽然能把数据报文送到目的主机,但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。
UDP,在传送数据前不需要先建立连接,远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付,但是正是因为这样,省去和很多的开销,使得它的速度比较快,比如一些对实时性要求较高的服务,就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。
TCP,提供面向连接的服务,在传送数据之前必须先建立连接,数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务,但是正因为这样,不可避免的增加了许多的开销,比如确认,流量控制等。对应的应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

常用的熟知端口号

应用程序 FTP TFTP TELNET SMTP DNS HTTP SSH MYSQL
熟知端口 21,20 69 23 25 53 80 22 3306
传输层协议 TCP UDP TCP TCP UDP TCP TCP TCP

Ethernet Frame (以太网帧结构)

首部有8个字节,目标地址有6个字节,源地址有6个字节,type类型2个字节,data数据为46-1500字节,FCS(校验位)4个字节。

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数据链路层

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TCP的概述

TCP把连接作为最基本的对象,每一条TCP连接都有两个端点,这种端点我们叫作套接字(socket),它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字,例如,若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80,那么得到的套接字为192.3.4.16:80。

TCP报文头部(20字节固定+40可选字节)

源端口、目标端口:计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的,而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用,所以通过指定源端口和目标端口,就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是分别用16 位(2个字节)表示的可推算计算机的端口个数为0-65535(2^16)个,服务器的端口固定的;客户端的端口随机的。

cat /etc/services 查询常见服务器端口号,常见的端口号

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序列号:表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP 连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示,所以每2^32个字节,就会出现序列号回绕,再次从0开始

确认号:表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方:我希望你(指发送方)下次发送的数据的第一个字节数据的编号是这个确认号

④ 数据偏移:表示TCP 报文段的首部长度,共4位,由于TCP 首部包含一个长度可变的选项部分,需要指定这个TCP 报文段到底有多长。它指出TCP 离报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32 位( 即4 个字节为计算单位),4 位二进制最大表示15,所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节

⑤ 标记位 :(下篇讲到三次握手、四次挥手中很重要)

  URG :表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段(urgent pointer )只有当URG=1 时才有效,URG=0无效

ACK :表示是否前面的确认号字段是否有效。ACK=1 ,表示有效。只有当ACK=1时,前面的确认号字段才有效。TCP 规定,连接建立后,ACK 必须为1, 带ACK 标志的TCP 报文段称为确认报文段

PSH :提示接收端应用程序应该立即从TCP 接收缓冲区中读走数据,为接收后续数据腾出空间。如果为1 ,则表示对方应当立即把数据提交给上层应用,而不是缓存起来,如果应用程序不将接收到的数据读走,就会一直停留在TCP 接收缓冲区中

RST :如果收到一个RST=1 的报文,说明与主机的连接出现了严重错误(如主机崩溃),必须释放连接,然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题,主机拒绝响应,带RST 标志的TCP 报文段称为复位报文段

SYN :在建立连接时使用,用来同步序号。当SYN=1 ,ACK=0 时,表示这是一个请求建立连接的报文段;当SYN=1 ,ACK=1 时,表示对方同意建立连接。SYN=1,说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1,带SYN 标志的TCP 报文段称为同步报文段

FIN :表示通知对方本端要关闭连接了,标记数据是否发送完毕。如果FIN=1 ,即告诉对方:“我的数据已经发送完毕,你可以释放连接了”,带FIN 标志的TCP报文段称为结束报文段

⑥ 窗口大小:表示现在充许对方发送的数据量,也就是告诉对方,从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量

⑦ 校验和:提供额外的可靠性,占2字节,校验首部和数据这两部分

⑧ 紧急指针:标记紧急数据在数据字段中的位置,占2字节

⑨ 选项部分:其最大长度可根据TCP 首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示,选项部分最长为:(2^4-1)*4-20=40 字节

常见选项:

  最大报文段长度:Maxium Segment Size ,MSS

  窗口扩大:Windows Scaling

  时间戳: Timestamps

20字节的固定首部是的组成:一行有32位,换算为4个字节,一共有5行,总共就会有20个字节,最后一行是可选字节,总共有40个字节。

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TCP协议Port

> 传输层通过port号,确定应用层协议

> Port number:

> tcp:传输控制协议,面向连接的协议;通信前需要建立虚拟链路;结束后拆除链路 0-65535

> udp:User Datagram Protocol,无连接的协议 0-65535

> IANA:互联网数字分配机构(负责域名,数字资源,协议分配)

  • 0-1023:系统端口或特权端口(仅管理员可用) ,众所周知,永久的分配给固定的 系统应用使用,22/tcp(ssh), 80/tcp(http), 443/tcp(https)
  • 1024-49151:用户端口或注册端口,但要求并不严格,分配给程序注册为某应 用使用,1433/tcp(SqlServer), 1521/tcp(oracle),3306/tcp(mysql),11211/tcp/udp (memcached)
  • 49152-65535:动态端口或私有端口,客户端程序随机使用的端口
  • 其范围的定义:/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

TCP连接的建立(三次握手)

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注意:最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端,被动打开连接的是服务器。

1、TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,时刻准备接受客户进程的连接请求,此时服务器就进入了LISTEN(监听)状态;

2、TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB,然后向服务器发出连接请求报文,这是报文首部中的同部位SYN=1,同时选择一个初始序列号 seq=x ,此时,TCP客户端进程进入了 SYN-SENT(同步已发送状态)状态。TCP规定,SYN报文段(SYN=1的报文段)不能携带数据,但需要消耗掉一个序号。

3、TCP服务器收到请求报文后,如果同意连接,则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1,SYN=1,确认号是ack=x+1,同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y,此时,TCP服务器进程进入了SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能携带数据,但是同样要消耗一个序号。

4、TCP客户进程收到确认后,还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1,ack=y+1,自己的序列号seq=x+1,此时,TCP连接建立,客户端进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。TCP规定,ACK报文段可以携带数据,但是如果不携带数据则不消耗序号。

5、当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态,此后双方就可以开始通信了。

为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢?

1、一句话,主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器,从而产生错误。

2、如果使用的是两次握手建立连接,假设有这样一种场景,客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失,只是因为在网络结点中滞留的时间太长了,由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文,以为服务器没有收到,此时重新向服务器发送这条报文,此后客户端和服务器经过两次握手完成连接,传输数据,然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接,网络通畅了到达了服务器,这个报文本该是失效的,但是,两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接,这将导致不必要的错误和资源的浪费。

3、如果采用的是三次握手,就算是那一次失效的报文传送过来了,服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文,但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认,就知道客户端并没有请求连接。

TCP连接的释放(四次挥手)

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1、数据传输完毕后,双方都可释放连接。最开始的时候,客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态,然后客户端主动关闭,服务器被动关闭。

2、客户端进程发出连接释放报文,并且停止发送数据。释放数据报文首部,FIN=1,其序列号为seq=u(等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1),此时,客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态。 TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,也要消耗一个序号。

3、服务器收到连接释放报文,发出确认报文,ACK=1,ack=u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时,服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用进程,客户端向服务器的方向就释放了,这时候处于半关闭状态,即客户端已经没有数据要发送了,但是服务器若发送数据,客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

4、客户端收到服务器的确认请求后,此时,客户端就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待服务器发送连接释放报文(在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据)。

服务器将最后的数据发送完毕后,就向客户端发送连接释放报文,FIN=1,ack=u+1,由于在半关闭状态,服务器很可能又发送了一些数据,假定此时的序列号为seq=w,此时,服务器就进入了LAST-ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认。

5、客户端收到服务器的连接释放报文后,必须发出确认,ACK=1,ack=w+1,而自己的序列号是seq=u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待)状态。注意此时TCP连接还没有释放,必须经过2∗ *∗MSL(最长报文段寿命)的时间后,当客户端撤销相应的TCB后,才进入CLOSED状态。

6、服务器只要收到了客户端发出的确认,立即进入CLOSED状态。同样,撤销TCB后,就结束了这次的TCP连接。可以看到,服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

为什么客户端最后还要等待2MSL?

MSL(Maximum Segment Lifetime),TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一,保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器,因为这个ACK报文可能丢失,站在服务器的角度看来,我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了,客户端还没有给我回应,应该是我发送的请求断开报文它没有收到,于是服务器又会重新发送一次,而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文,接着给出回应报文,并且会重启2MSL计时器。

第二,防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后,在这个2MSL时间中,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

为什么建立连接是三次握手,关闭连接确是四次挥手呢?

1、建立连接的时候, 服务器在LISTEN状态下,收到建立连接请求的SYN报文后,把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。

2、而关闭连接时,服务器收到对方的FIN报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,而自己也未必全部数据都发送给对方了,所以己方可以立即关闭,也可以发送一些数据给对方后,再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接,因此,己方ACK和FIN一般都会分开发送,从而导致多了一次。

如果已经建立了连接,但是客户端突然出现故障了怎么办?

TCP还设有一个保活计时器,显然,客户端如果出现故障,服务器不能一直等下去,白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器,时间通常是设置为2小时,若两小时还没有收到客户端的任何数据,服务器就会发送一个探测报文段,以后每隔75秒发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应,服务器就认为客户端出了故障,接着就关闭连接。

那么问题来了

为什么需要第三次握手?
第三次握手失败了怎么办?
三次握手有什么缺陷可以被黑客利用,用来对服务器进行攻击?
怎么防范这种攻击?
接下来进行一一解答。

1,为什么需要第三次握手?

答:如果没有第三次握手,可能会出现如下情况:

如果只有两次握手,那么server收到了client的SYN=1的请求连接数据包之后,便会分配资源并且向client发送一个确认位ACK回复数据包。
那么,如果在client与server建立连接的过程中,由于网络不顺畅等原因造成的通信链路中存在着残留数据包,即client向server发送的请求建立连接的数据包由于数据链路的拥塞或者质量不佳导致该连接请求数据包仍然在网络的链路中,这些残留数据包会造成如下危害危害:当client与server建立连接,数据发送完毕并且关闭TCP连接之后,如果链路中的残留数据包才到达server,那么server就会认为client重新发送了一次连接申请,便会回复ACK包并且分配资源。并且一直等待client发送数据,这就会造成server的资源浪费。

2,第三次握手失败了怎么办?

答:当client与server的第三次握手失败了之后,即client发送至server的确认建立连接报文段未能到达server,server在等待client回复ACK的过程中超时了,那么server会向client发送一个RTS报文段并进入关闭状态,即:并不等待client第三次握手的ACK包重传,直接关闭连接请求,这主要是为了防止泛洪攻击,即坏人伪造许多IP向server发送连接请求,从而将server的未连接队列塞满,浪费server的资源。

3,三次握手有什么缺陷可以被黑客利用,用来对服务器进行攻击?

答:黑客仿造IP大量的向server发送TCP连接请求报文包,从而将server的半连接队列(上文所说的未连接队列,即server收到连接请求SYN之后将client加入半连接队列中)占满,从而使得server拒绝其他正常的连接请求。即拒绝服务攻击

怎么防范这种攻击?
1,缩短服务器接收客户端SYN报文之后的等待连接时间,即SYN timeout时间,也就是server接收到SYN报文段,到最后放弃此连接请求的超时时间,将SYN timeout设置的更低,便可以成倍的减少server的负荷,但是过低的SYN timeout可能会影响正常的TCP连接的建立,一旦网络不通畅便可能导致client连接请求失败

SYN cookie:当server接收到client的SYN之后,不立即分配资源,而是根据client发送过来的SYN包计算出一个cookie值,这个cookie值用来存储server返回给client的SYN+ACK数据包中的初始序列号,当client返回第三次握手的ACK包之后进行校验,如果校验成功则server分配资源,建立连接。
SYN proxy代理,作为server与client连接的代理,代替server与client建立三次握手的连接,同时SYN proxy与client建立好了三次握手连接之后,确保是正常的TCP连接,而不是TCP泛洪攻击,那么SYN proxy就与server建立三次握手连接,作为代理(网关?)来连通client与server。(类似VPN了解一下。)

5,为什么要四次挥手

答:前两次挥手是为了断开client至server的连接,后两次挥手是为了断开server至client的连接,如果没有第四次挥手,会出现如下状况:

server发送FIN数据包并携带ACK至client之后直接断开连接,如果client没有收到这个FIN数据包,那么client会一直处于等待关闭状态,这是为了确保TCP协议是面向连接安全有保证锝。
上面解释了为什么不是三次挥手,同理,两次挥手也是不安全的。不能保证server与client都能正确关闭连接释放资源,而不会造成资源浪费。

6,四次挥手之后client为什么还要等待2MSL的时间才释放资源关闭连接?

答:

如果client第四次挥手的确认报文段没有被server接收,那么server便会重发第三次挥手的FIN报文段,因此client要停留2MSL的时长来处理可能会重复收到的报文段。
让之前建立的client-server通信过程中或者是挥手过程中由于网络不通畅产生的滞留报文段失效。如果不等待2MSL,那么建立新连接之后,可能会收到上一次连接的旧报文段,可能会造成混乱。

描述TCP和UDP区别

TCP的优点: 可靠,稳定 TCP的可靠体现在TCP在传递数据之前,会有三次握手来建立连接,而且在数据传递时,有确认、窗口、重传、拥塞控制机制,在数据传完后,还会断开连接用来节约系统资源。

TCP的缺点: 慢,效率低,占用系统资源高,易被攻击 TCP在传递数据之前,要先建连接,这会消耗时间,而且在数据传递时,确认机制、重传机制、拥塞控制机制等都会消耗大量的时间,而且要在每台设备上维护所有的传输连接,事实上,每个连接都会占用系统的CPU、内存等硬件资源。 而且,因为TCP有确认机制、三次握手机制,这些也导致TCP容易被人利用,实现DOS、DDOS、CC等攻击。

工作在传输层
面向连接协议
全双工协议
半关闭
错误检查
将数据打包成段,排序
确认机制
数据恢复,重传
流量控制,滑动窗口
拥塞控制,慢启动和拥塞避免算法 

UDP的优点: 快,比TCP稍安全 UDP没有TCP的握手、确认、窗口、重传、拥塞控制等机制,UDP是一个无状态的传输协议,所以它在传递数据时非常快。没有TCP的这些机制,UDP较TCP被攻击者利用的漏洞就要少一些。但UDP也是无法避免攻击的,比如:UDP Flood攻击……

UDP的缺点: 不可靠,不稳定 因为UDP没有TCP那些可靠的机制,在数据传递时,如果网络质量不好,就会很容易丢包。 基于上面的优缺点,那么: 什么时候应该使用TCP: 当对网络通讯质量有要求的时候,比如:整个数据要准确无误的传递给对方,这往往用于一些要求可靠的应用,比如HTTP、HTTPS、FTP等传输文件的协议,POP、SMTP等邮件传输的协议。 在日常生活中,常见使用TCP协议的应用如下: 浏览器,用的HTTP FlashFXP,用的FTP Outlook,用的POP、SMTP Putty,用的Telnet、SSH QQ文件传输 ………… 什么时候应该使用UDP: 当对网络通讯质量要求不高的时候,要求网络通讯速度能尽量的快,这时就可以使用UDP。 比如,日常生活中,常见使用UDP协议的应用如下: QQ语音 QQ视频 TFTP ……

有些应用场景对可靠性要求不高会用到UPD,比如长视频,要求速率

工作在传输层
提供不可靠的网络访问
非面向连接协议
有限的错误检查
传输性能高
无数据恢复特性

TCP与UDP区别总结:

1、TCP面向连接(如打电话要先拨号建立连接);UDP是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接
2、TCP提供可靠的服务。也就是说,通过TCP连接传送的数据,无差错,不丢失,不重复,且按序到达;UDP尽最大努力交付,即不保   证可靠交付
3、TCP面向字节流,实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的
   UDP没有拥塞控制,因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低(对实时应用很有用,如IP电话,实时视频会议等)
4、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一,一对多,多对一和多对多的交互通信
5、TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小,只有8个字节
6、TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道,UDP则是不可靠信道

IP PDU 报文头部

TCP/IP网络协议

IP报文头部详解:

  1. 版本:占4位,指 IP 协议的版本目前的IP协议版本号为4
  2. 首部长度:占4位,可表示的最大数值是15个单位,一个单位为4字节,因此IP 的 首部长度的最大值是60字节
  3. 区分服务:占8位,用来获得更好的服务,在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未 被使用过.后改名为区分服务.只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作 用.一般的情况下不使用
  4. 总长度:占16位,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为 65535 字节.总长度必须不超过最大传送单元 MTU
  5. 标识:占16位,它是一个计数器,通常,每发送一个报文,该值会加1, 也用于数 据包分片,在同一个包的若干分片中,该值是相同的
  6. 标志(flag):占3位,目前只有后两位有意义
  7. DF: Don’t Fragment 中间的一位,只有当 DF=0 时才允许分片
  8. MF: More Fragment 最后一位,MF=1表示后面还有分片,MF=0 表示最后 一个分片
  9. 片偏移:占12位,指较长的分组在分片后,该分片在原分组中的相对位置.片偏移 以8个字节为偏移单位
  10. 生存时间:占8位,记为TTL (Time To Live) 数据报在网络中可通过的路由器数的 最大值,TTL 字段是由发送端初始设置一个 8 bit字段.推荐的初始值由分配数字 RFC 指定,当前值为 64.发送 ICMP 回显应答时经常把 TTL 设为最大值 255
  11. 协议:占8位,指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据 部分上交给哪个处理过程, 1表示为 ICMP 协议, 2表示为 IGMP 协议, 6表示为 TCP 协议, 17表示为 UDP 协议
  12. 首部检验和:占16位,只检验数据报的首部不检验数据部分.这里不采用 CRC 检验 码而采用简单的计算方法
  13. 源地址和目的地址:都各占4字节,分别记录源地址和目的地址

2、总结ip分类以及每个分类可以分配的IP数量

我们知道在互联网上,如果想要被其他终端访问,就需要给每台主机(或路由器)的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的标识符,这就是我们所说的唯一的IP地址。IP协议就是使用这个地址在主机之间传递信息,这是Internet能够运行的基础。

注意:由于现在我们依然使用的是IPv4地址,以下介绍内容以IPv4为基础。

ip地址

一、什么是ip地址?

简介( IPv4):

IPv4地址由四段组成,每个字段是一个字节,即4个字节、每个字节有8位, 最大值是255(=256:0~255)。 全世界范围是唯一的32 位(4个字节 \* 8位)的标识符。 IP地址由两部分组成,即网络地址和主机地址,二者是主从关系:

网络号 net-id,它标志主机(或路由器)所连接到的网络,网络地址表示其属于互联网的哪一个网络
主机号 host-id,它标志该主机(或路由器),主机地址表示其属于该网络中的哪一台主机。
两级的 IP 地址可以记为: IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>} 简而言之就是:IP地址 = 网络号+主机号

二、我们先来简单看一下互联网如何通过ip地址访问的?这个过程是怎样的呢?

通过路由器,路由设备当中有一张路由表,该路由表记录了所有ip地址的位置,这样就可以进行包的转发了,如果我们不区分网络地址,那么这张路由表当中就要保存有所有IP地址的方向,这张路由表就会很大,所以我们的ip地址由网络号和主机号组成,其中网络ID加上主机ID等于32位

如果不分网络号和主机号呢?

不区分的话,那路由器的路由表就都是32位地址,这样一来路由器维护的路由表会很大,转发速度会变慢(因为查询变慢)。而且为了终端可以相互访问,所有的路由器就要求要有全Internet的地址,所有人的路由器都要有足够的内存来存下全网地址。这样的建造成本会是现在的几千几万倍,甚至更高,估计路由器都买不起了。所以有了网络地址,就可以限定拥有相同网络地址的终端都在同一个范围内,那么路由表只需要维护这个网络地址的方向,就可以找到相应的终端了。既降低了成本又简化了过程,前人真是太聪明了啊。

IP地址计算公式:

1、一个网络中主机最大数=2^主机ID位数-2=2^(32-网络ID位数)-2
2、网络数=2^可变网络ID位
无类域间路由CIDR:网络ID位数不确定,22
3、CIDR表示法:IP/网络ID位数(子网掩码)
netmask子网掩码:32bit 二进制,对应于网络ID位为1,对应于主机ID位为0
4、网络ID值:IP与子网掩码
5、划分子网:一个大网划分成多个小网,网络ID位要变多,主机ID位才会变少,网络ID向主机ID借位N,就是2^N个小网。
6 合并超网:多个小网合并成一个大网,主机ID向网络ID借位

判断两个主机是否在一个网络段,需要判断两个网络ID知否相同(即IP地址与子网掩码是否相同)

ip地址分类

IP地址编址方案:IP地址编址方案将IP地址空间划分为A、B、C、D、E五类,其中A、B、C是基本类,D、E类作为多播和保留使用。
其中A、B、C3类(如下表格)由InternetNIC在全球范围内统一分配,D、E类为特殊地址。

TCP/IP网络协议

A类地址

一个A类IP地址是指, 在IP地址的四段号码中,第一段号码为网络号码,剩下的三段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话,A类IP地址就由1字节的网络地址和3字节主机地址组成,网络地址的最高位必须是“0”。A类IP地址中网络的标识长度为8位,主机标识的长度为24位,A类网络地址数量较少,有126个网络,每个网络可以容纳主机数达1600多万台。

A类IP地址 地址范围1.0.0.0到127.255.255.255 (二进制表示为:00000001 00000000 00000000 00000000 - 01111111 11111111 11111111 11111111)。最后一个是广播地址。

A:0-127,其中0代表任何地址,127为回环测试地址,因此,A类ip地址的实际范围是1-126,最高位0不能动,也就是网络数为2^7-2=126

A类IP地址的默认子网掩码为255.0.0.0,每个网络支持的最大主机数为2^24-2=16777214台。

B类地址

一个B类IP地址是指,在IP地址的四段号码中,前两段号码为网络号码。如果用二进制表示IP地址的话,B类IP地址就由2字节的网络地址和2字节主机地址组成,网络地址的最高位必须是“10”。B类IP地址中网络的标识长度为16位,主机标识的长度为16位,B类网络地址适用于中等规模的网络,有16384个网络,每个网络所能容纳的计算机数为6万多台。

B类IP地址地址范围128.0.0.0-191.255.255.255(二进制表示为:10000000 00000000 00000000 00000000----10111111 11111111 11111111 11111111)。 最后一个是广播地址。

B:128-191,其中128.0.0.0和191.255.0.0为保留ip

实际范围是128.1.0.0–191.254.0.0,因为前两个网络ID位不能动,也就是10不能动,因此网络数为2^14
B类IP地址的子网掩码为255.255.0.0,每个网络支持的最大主机数为2^16-2=65534台。

C类地址

一个C类IP地址是指,在IP地址的四段号码中,前三段号码为网络号码,剩下的一段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话,C类IP地址就由3字节的网络地址和1字节主机地址组成,网络地址的最高位必须是“110”。C类IP地址中网络的标识长度为24位,主机标识的长度为8位,C类网络地址数量较多,有209万余个网络。适用于小规模的局域网络,每个网络最多只能包含254台计算机。

C类IP地址范围192.0.0.0-223.255.255.255(二进制表示为: 11000000 00000000 00000000 00000000 - 11011111 11111111 11111111 11111111)。

C:192-223,其中192.0.0.0和223.255.255.0为保留ip

实际范围是192.0.1.0–223.255.254.0 ,前三位网络ID不能动,也就是110不能动,因此网络数是2^21

C类IP地址的子网掩码为255.255.255.0,每个网络支持的最大主机数为2^8-2=254

D类IP地址

D类IP地址在历史上被叫做多播地址(multicast address),即组播地址。在以太网中,多播地址命名了一组应该在这个网络中应用接收到一个分组的站点。多播地址的最高位必须是“1110”,范围从224.0.0.0到239.255.255.255。

E类IP地址

240.0.0.0~255.255.255.255

特殊网址

每一个字节都为0的地址(“0.0.0.0”)对应于当前主机;

IP地址中的每一个字节都为1的IP地址(“255.255.255.255”)是当前子网的广播地址;

IP地址中凡是以“11110”开头的E类IP地址都保留用于将来和实验使用。

IP地址中不能以十进制“127”作为开头,该类地址中数字127.0.0.1到127.255.255.255用于回路测试,如:127.0.0.1可以代表本机IP地址,用“http://127.0.0.1”就可以测试本机中配置的Web服务器。

网络ID的第一个8位组也不能全置为“0”,全“0”表示本地网络。

地址区别

公有地址
公有地址(Public address)由Inter NIC(Internet Network Information Center因特网信息中心)负责。这些IP地址分配给注册并向Inter NIC提出申请的组织机构。通过它直接访问因特网。

TCP/IP网络协议

私有地址

私有地址(Private address)属于非注册地址,专门为组织机构内部使用。

以下列出留用的内部私有地址

A类 10.0.0.0–10.255.255.255

B类 172.16.0.0–172.31.255.255

C类 192.168.0.0–192.168.255.255

查询设置本机的IP

开始 -> 运行 -> cmd -> ipconfig /all 可以查询本机的 ip 地址,以及子网掩码、网关、物理地址(Mac 地址)、DNS 等详细情况。

设置本机的IP地址可以通过:网上邻居-> 属性 -> 本地连接 -> 属性 -> TCP/IP 就可以开始设置了。

注意事项
随着公网IP地址日趋紧张,中小企业往往只能得到一个或几个真实的C类IP地址。因此,在企业内部网络中,只能使用专用(私有)IP地址段。在选择专用(私有)IP地址时,应当注意以下几点:

1、为每个网段都分配一个C类IP地址段,建议使用192.168.2.0–192.168.254.0段IP地址。由于某些网络设备(如宽带路由器或无线路由器)或应用程序(如ICS)拥有自动分配IP地址功能,而且默认的IP地址池往往位于192.168.0.0和192.168.1.0段,因此,在采用该IP地址段时,往往容易导致IP地址冲突或其他故障。所以,除非必要,应当尽量避免使用上述两个C类地址段。

2、可采用C类地址的子网掩码,如果有必要,可以采用变长子网掩码。通常情况下,不要采用过大的子网掩码,每个网段的计算机数量都不要超过250台计算机。同一网段的计算机数量越多,广播包的数量越大,有效带宽就损失得越多,网络传输效率也越低。

3、即使选用10.0.0.1–10.255.255.254或172.16.0.1–172.31.255.254段IP地址,也建议采用255.255.255.0作为子网掩码,以获取更多的IP网段,并使每个子网中所容纳的计算机数量都较少。当然,如果必要,可以采用变长子网掩码,适当增加可容纳的计算机数量。

4、为网络设备的管理WLAN分配一个独立的IP地址段,以避免发生与网络设备管理IP的地址冲突,从而影响远程管理的实现。基于同样的原因,也要将所有的服务器划分至一个独立的网段。

需要注意的是,不要以为同一网络的计算机分配不同的IP地址,就可以提高网络传输效率。事实上,同一网络内的计算机仍然处于同一广播域,广播包的数量不会由于IP地址的不同而减少,所以,仅仅是为计算机指定不同网段,并不能实现划分广播域的目的。若欲减少广播域,最根本的解决办法就是划分VLAN,然后为每个VLAN分别指定不同的IP网段。

3、总结IP配置方法

一、使用DHCP动态获取IP地址

在vmware虚拟机中点击编辑按钮,选择“虚拟网络编辑器”进行相关配置,选择VMnet8,然后再设置NAT设置里边的网关,此时的网关地址是192.168.34.2

网络ID是192.168.34.0,子网掩码是255.255.255.0

TCP/IP网络协议

点开DHCP设置那里,可以设置IP地址段,此时的IP地址段是192.168.34.100-192.168.34.254之间的IP地址都可以获取:

TCP/IP网络协议

修改IP地址的配置文件,将BOOTPROTO=dhcp即可,重启network服务就会自动获取IP地址

// 修改网卡eth0的配置文件则打开ifcfg-eth0文件
#vi /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0
DEVICE=eth0                     // 网卡设备名
BOOTPROTO=dhcp                  // 是否自动获取IP(none、static、dhcp),其中none和static都代表手工分配IP地址
HWADDR=00:0c:29:17:c4:09        // MAC地址
NM\_CONTROLLED=yes               // 是否可以由Network Manager图形管理工具托管
ONBOOT=yes                      // 是否随网络服务启动,eth0生效,为no时ifconfig查看不到eth0网卡IP信息
TYPE=Ethernet                   // 类型为以太网
UUID="xxxxxx-xxxx..."           // 唯一识别码
IPADDR=192.168.0.252            // IP地址
NETMASK=255.255.255.0           // 子网掩码
GATWAY=192.168.0.1              // 网关
DNS1=202.106.0.20               // DNS
IPV6INIT=no                     // IPv6没有启用
USERCTL=no                      // 不允许非root用户控制此网卡

二、静态获取IP地址

修改相关的IP地址配置文件即可,修改完之后只需要重启network服务即可。

// 修改网卡eth0的配置文件则打开ifcfg-eth0文件
#vi /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0
DEVICE=eth0                     // 网卡设备名
BOOTPROTO=none                  // 是否自动获取IP(none、static、dhcp),其中none和static都代表手工分配IP地址
HWADDR=00:0c:29:17:c4:09        // MAC地址
NM\_CONTROLLED=yes               // 是否可以由Network Manager图形管理工具托管
ONBOOT=yes                      // 是否随网络服务启动,eth0生效,为no时ifconfig查看不到eth0网卡IP信息
TYPE=Ethernet                   // 类型为以太网
UUID="xxxxxx-xxxx..."           // 唯一识别码
IPADDR=192.168.0.252            // IP地址
NETMASK=255.255.255.0           // 子网掩码
GATWAY=192.168.0.1              // 网关
DNS1=202.106.0.20               // DNS
IPV6INIT=no                     // IPv6没有启用
USERCTL=no                      // 不允许非root用户控制此网卡

本文转自 https://www.cnblogs.com/struggle-1216/p/11878559.html,如有侵权,请联系删除。

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