目錄

計算機網(wǎng)絡是什么？

定義和分類

計算機網(wǎng)絡發(fā)展簡史

計算機網(wǎng)絡體系結構

OSI 七層模型

TCP/IP 模型

TCP/IP 協(xié)議族

TCP/IP 網(wǎng)絡傳輸中的數(shù)據(jù)

地址和端口號

MAC地址

IP 地址

端口號

為什么端口號有65535個？

綜述

TCP 特性

TCP 三次握手

為什么TCP握手需要三次?

TCP三次握手之洪泛攻擊

TCP 四次揮手

為什么TCP的揮手需要四次？

---

計算機網(wǎng)絡是什么？

? ? ? ?隨著計算機技術發(fā)展，計算機的體積和價格都在下降，之前計算機多用于研究機構，現(xiàn)階段逐步進入一般的公司用于辦公。原來計算機之間傳輸數(shù)據(jù)需要通過軟盤等第三方存儲介質進行轉存，人們需要將數(shù)據(jù)直接通過通信線路傳輸，來縮短傳輸時間，于是計算機網(wǎng)絡開始誕生，并逐漸發(fā)展為現(xiàn)在巨大的Internet。

定義和分類

? ? ? ?計算機網(wǎng)絡的標準定義是：利用通信線路將地理上分散的、具有獨立功能的計算機系統(tǒng)和通信設備按不同的形式連接起來，以功能完善的網(wǎng)絡軟件及協(xié)議實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。

? ? ? ?計算機網(wǎng)絡從覆蓋范圍上劃分可以分為三類：局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)。局域網(wǎng) LAN（作用范圍一般為幾米到幾十公里）、城域網(wǎng) MAN（界于 WAN 與 LAN 之間）、廣域網(wǎng) WAN（作用范圍一般為幾十到幾千公里）。當然計算機網(wǎng)絡劃分不止這一種分類方式，可以按拓撲結構分類（總線型、環(huán)型、星型、網(wǎng)狀）、還可以按按信息的交換方式（電路交換、報文交換、報文分組交換）來分等等方式。?

---

計算機網(wǎng)絡發(fā)展簡史

? ? ? ?1、誕生階段，20 世紀 60 年代中期之前的第一代計算機網(wǎng)絡是以單個計算機為中心的遠程聯(lián)機系統(tǒng)。

? ? ? ? 2、ARPANET，多個主機通過通信線路互聯(lián)起來。60年代初。當時，美國國防部為了保證美國本土防衛(wèi)力量和海外防御武裝在受到前蘇聯(lián)第一次核打擊以后仍然具有一定的生存和反擊能力，認為有必要設計出一種分散的指揮系統(tǒng)；它由一個個分散的指揮點組成，當部分指揮點被摧毀后，其它點仍能正常工作，并且在這些點之間能夠繞過那些已被摧毀的指揮點而繼續(xù)保持聯(lián)系。這個設計出發(fā)點很重要，理解了它，就能夠理解為何后面要學習的 TCP 要這么設計。為了對這一構思進行驗證，1969 年，美國國防部國防高級研究計劃署 (DOD／DARPA)資助建立了一個名為 ARPANET(即"阿帕網(wǎng)")的網(wǎng)絡，將多個大學的計算機主機 聯(lián)接起來，位于各個結點的大型計算機采用分組交換技術，通過專門的通信交換機和專門的通信線路相互連接。E-mail、FTP 和 Telnet 在 ARPANET 上已經(jīng)誕生。

? ? ? ?3、開放性的標準化體系結構，OSI 誕生。ARPANET 興起后,計算機網(wǎng)絡發(fā)展迅猛，各大計算機公司相繼推出自己的網(wǎng)絡體系結構及實現(xiàn)這些結構的軟硬件產(chǎn)品。由于沒有統(tǒng)一的標準,不同廠商的產(chǎn)品之間互聯(lián)很困難，人們迫切需要一種開放性的標準化實用網(wǎng)絡環(huán)境,這樣應運而生了兩種國際通用的最重要的體系結構，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡設備間的互相通訊，ISO 和 IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會，是世界上最大的非營利性專業(yè)技術學會）相繼提出了 OSI 參考模 型及其 TCP/IP 模型。由于 TCP/IP 盡早地制定了可行性較強的協(xié)議，提出了應對技術快速革新的協(xié)議，并及時進行后期改良的方案，因此打敗了 OSI 模型，成為了事實上的標準。

? ? ? ? 4、Internet 互聯(lián)網(wǎng) 20 世紀 90 年代至今的第四代計算機網(wǎng)絡,就是我們所熟知的 Internet 互聯(lián)網(wǎng)。 既然網(wǎng)絡是很多的計算設備（電腦、手機等等）連接在一起的，這些計算設備來自不同的公司，有不同的體系結構，相互之間如何通信呢？這就好比我們的語言，中國地廣人多，地方性語言也非常豐富，而且方言之間差距巨大。A 地區(qū)的方言可能 B 地區(qū)的人根本無法聽懂，所以要為全國進行溝通建立一個語言標準，這就是我們的普通話的作用。計算機網(wǎng)絡協(xié)議同我們的普通話一樣，幫助我們的計算機之間進行溝通。

---

計算機網(wǎng)絡體系結構

OSI 七層模型

? ? ?

TCP/IP 模型

? ? ??

? ? ? 無論什么模型，每一個抽象層建立在低一層提供的服務上，并且為高一層提供服務。對于我們的PC機來說，物理層可以看成網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)鏈路層可以看成網(wǎng)卡驅動程序，網(wǎng)絡層和傳輸層由操作負 責處理，應用層則是常用的一些網(wǎng)絡應用程序和我們自己所編寫的網(wǎng)絡應用程序。

TCP/IP 協(xié)議族

? ? ? ?Transmission Control Protocol/Internet Protocol 的簡寫，中譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng) 互聯(lián)協(xié)議，是 Internet 最基本的協(xié)議、Internet 國際互聯(lián)網(wǎng)絡的基礎，由網(wǎng)絡層的 IP 協(xié)議和 傳輸層的 TCP 協(xié)議組成。協(xié)議采用了 5 層的層級結構。然而在很多情況下，它是利用 IP 進 行通信時所必須用到的協(xié)議群的統(tǒng)稱。也就是說，它其實是個協(xié)議家族，由很多個協(xié)議組成，并且是在不同的層，是互聯(lián)網(wǎng)的基礎通信架構。

? ? ? ?IP是TCP/IP中非常重要的協(xié)議，往往用來確定網(wǎng)絡中唯一的一臺計算設備，它的作用就好比我們現(xiàn)實生活中的電話號碼或者或者通訊地址。所以這層負責對數(shù)據(jù)加上IP地址（有發(fā)送它的主機的地址（源地址）和接收它的主機的地址（目的地址））和其他的數(shù)據(jù)以確定傳輸?shù)哪繕?。而TCP和UDP都是傳輸層的協(xié)議，傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。

TCP/IP 網(wǎng)絡傳輸中的數(shù)據(jù)

? ??

? ? ? ?① 用戶A應用程序處理首先應用程序會進行編碼處理產(chǎn)生報文/消息（message）交給下面的 TCP 層。

? ? ? ?② 用戶A TCP 模塊的處理TCP根據(jù)應用的指示，負責建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)以及斷開連接。TCP提供將應用層發(fā)來的數(shù)據(jù)順利發(fā)送至對端的可靠傳輸。為了實現(xiàn)這一功能，需要將應用層數(shù)據(jù)封裝為報文段（segment）并附加一個TCP首部然后交給下面的IP層。

? ? ? ?③ 用戶A IP模塊的處理IP將TCP傳過來的TCP首部和TCP數(shù)據(jù)合起來當做自己的數(shù)據(jù)，并在TCP首部的前端加上自己的IP首部生成IP數(shù)據(jù)報（datagram）然后交給下面的數(shù)據(jù)鏈路層。

? ? ? ?④ 用戶A數(shù)據(jù)鏈路層的處理從IP傳過來的IP包對于數(shù)據(jù)鏈路層來說就是數(shù)據(jù)。給這些數(shù)據(jù)附加上鏈路層首部封裝為鏈路層幀（frame），生成的鏈路層幀（frame）將通過物理層傳輸給接收端。

? ? ? ?⑤ 用戶B數(shù)據(jù)鏈路層的處理用戶B主機收到鏈路層幀（frame）后，首先從鏈路層幀（frame）首部找到MAC地址判斷是否為發(fā)送給自己的包，若不是則丟棄數(shù)據(jù)。如果是發(fā)送給自己的包，則從以太網(wǎng)包首部中的類型確定數(shù)據(jù)類型，再傳給相應的模塊，如 IP、ARP等。這里的例子則是IP 。

? ? ? ?⑥ 用戶B IP模塊的處理IP模塊接收到數(shù)據(jù)后也做類似的處理。從包首部中判斷此IP地址是否與自己的IP地址匹配，如果匹配則根據(jù)首部的協(xié)議類型將數(shù)據(jù)發(fā)送給對應的模塊，如 TCP、UDP。這里的例子則是TCP。

? ? ? ?⑦ 用戶B TCP模塊的處理在TCP模塊中，首先會計算一下校驗和，判斷數(shù)據(jù)是否被破壞。然后檢查是否在按照序號接收數(shù)據(jù)。最后檢查端口號，確定具體的應用程序。數(shù)據(jù)被完整地接收以后，會傳給由端口號識別的應用程序。

? ? ? ?⑧ 用戶B應用程序的處理接收端應用程序會直接接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過解析數(shù)據(jù)，展示相應的內(nèi)容。

---

地址和端口號

MAC地址

? ? ? ?MAC地址全稱叫做媒體訪問控制地址，也稱為局域網(wǎng)地址（LAN Address），MAC 位址，以太網(wǎng)地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），由網(wǎng)絡設備制造商生產(chǎn)時寫在硬件內(nèi)部。MAC 地址與網(wǎng)絡無關，也即無論將帶有這個地址的硬件（如網(wǎng)卡、集線器、路由器等）接入到網(wǎng)絡的何處，都有相同的 MAC 地址，它由廠商寫在網(wǎng)卡的 BIOS 里，從理論上講，除非盜來硬件（網(wǎng)卡），否則是沒有辦法冒名頂替的。

? ? ? ? MAC 地址共 48 位（6 個字節(jié)）。前 24 位由 IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）決定如何分 配，后 24 位由實際生產(chǎn)該網(wǎng)絡設備的廠商自行制定。例如：FF:FF:FF:FF:FF:FF 或 FF-FF-FF-FF-FF-FF

IP 地址

? ? ? ?IP 地址（Internet Protocol Address）的全稱叫作互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，它的本義是為互聯(lián)網(wǎng)上的每一個網(wǎng)絡和每一臺主機配置一個唯一的邏輯地址，用來與物理地址作區(qū)分。所以 IP 地址用來識別 TCP/IP 網(wǎng)絡中互連的主機和路由器。IP 地址基于邏輯，比較靈活，不受硬件限制，也容易記憶。IP 地址分為：IPv4 和 IPv6。

端口號

? ? ? ?在傳輸層也有這種類似于地址的概念，那就是端口號。端口號用來識別同一臺計算機中進行通信的不同應用程序。因此，它也被稱為程序地址。一臺計算機上同時可以運行多個程序。傳輸層協(xié)議正是利用這些端口號識別本機中正在進行通信的應用程序，并準確地將數(shù)據(jù)傳輸。

? ? ? ? ? ?

---

為什么端口號有65535個？

? ? ? ?因為在 TCP、UDP 協(xié)議報文的開頭，會分別有 16 位二進制來存儲源端口號和目標端口號，所以端口個數(shù)是 2^16=65536 個，但是 0 號端口用來表示所有端口，所以實際可用的端口號是 65535 個。

綜述

? ? ? ?一般來說，不管計算機中有多少網(wǎng)卡，每個網(wǎng)卡都會有自己的 MAC 地址，這個 MAC 地址是不會變化的。而每個網(wǎng)卡在正常工作的情況下，都會有一個 IP 地址，這個 IP 地址完全是可以變化的。而這臺計算機中承載的各種應用程序可以擁有自己的端口號，然后通過服務器的網(wǎng)卡，正確地進行網(wǎng)絡通信。

? ? ? ?一臺服務器上的不同網(wǎng)絡應用程序必須有不同的端口號，A 程序啟動了使用了端口 x， B 程序啟動就不能使用端口 x，否則會報錯“Address already in use”?？偟膩碚f，操作系統(tǒng)是通過源 IP 地址、目標 IP 地址、協(xié)議號（協(xié)議類型）、源端口號以及目標端口號這五個元素唯一性的識別一個網(wǎng)絡上的通信。

---

TCP 特性

? ? ? ?TCP（Transmission Control Protocol）是面向連接的通信協(xié)議，通過三次握手建立連接，然后才能開始數(shù)據(jù)的讀寫，通訊完成時要拆除連接，由于TCP是面向連接的所以只能用于端到端的通訊。

? ? ? ?TCP 提供的是一種可靠的數(shù)據(jù)流服務，數(shù)據(jù)有可能被拆分后發(fā)送，那么采用超時重傳機制是和應答確認機制是組成 TCP 可靠傳輸?shù)年P鍵設計。

? ? ? ?TCP 允許在一個 TCP 連接上，通信的雙方可以同時傳輸數(shù)據(jù)，也就是所謂的全雙工。

TCP 三次握手

? ? ? ?三次握手是指建立一個 TCP 連接時需要客戶端和服務器端總共發(fā)送三個包以確認連接的建立。在 socket 編程中，這一過程由客戶端執(zhí)行 connect 來觸發(fā)，所以網(wǎng)絡通信中，發(fā)起連接的一方我們稱為客戶端，接收連接的一方我們稱之為服務端。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

? ? ? ?第一次握手：客戶端將請求報文標志位 SYN 置為 1，請求報文的 Sequence Number 字段 （簡稱 seq）中填入一個隨機值 J，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務器端，客戶端進入 SYN_SENT 狀 態(tài)，等待服務器端確認。

? ? ? ?第二次握手：服務器端收到數(shù)據(jù)包后由請求報文標志位 SYN=1 知道客戶端請求建立連接，服務器端將應答報文標志位 SYN 和 ACK 都置為 1，應答報文的 Acknowledgment Number 字段（簡稱 ack）中填入 ack=J+1，應答報文的 seq 中填入一個隨機值 K，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端以確認連接請求，服務器端進入 SYN_RCVD 狀態(tài)。

? ? ? ?第三次握手：客戶端收到應答報文后，檢查 ack 是否為 J+1，ACK 是否為 1，如果正確則將第三個報文標志位 ACK 置為 1，ack=K+1，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務器端，服務器端檢查 ack 是否為 K+1，ACK 是否為 1，如果正確則連接建立成功，客戶端和服務器端進入 ESTABLISHED 狀態(tài)，完成三次握手，隨后客戶端與服務器端之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

---

為什么TCP握手需要三次?

? ? ? ?TCP 是可靠的傳輸控制協(xié)議，而三次握手是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸又能提高傳輸效率的最小次數(shù)。三次握手的過程即是通信雙方相互告知序列號起始值，并確認對方已經(jīng)收到了序列號起始值的必經(jīng)步驟。如果只是兩次握手，至多只有連接發(fā)起方的起始序列號能被確認，另一方選擇的序列 號則得不到確認。

---

TCP三次握手之洪泛攻擊

? ? ? ?三次握手中有一個第二次握手，服務端向客戶端應答請求，應答請求是需要客戶端 IP 的，而且因為握手過程沒有完成，操作系統(tǒng)使用隊列維持這個狀態(tài)。于是攻擊者就偽造這個 IP，往服務器端狂發(fā)送第一次握手的內(nèi)容，當然第一次握手中的客戶端 IP 地址是偽造的，從而服務端忙于進行第二次握手，但是第二次握手是不會有應答的，所以導致服務器隊列滿，而拒絕連接。

解決方案：

無效連接監(jiān)視釋放

? ? ? ?不停監(jiān)視所有的連接，包括三次握手的，還有握手一次的，反正是所有的，當達到一定(與)閾值時拆除這些連接，從而釋放系統(tǒng)資源。這種方法對于所有的連接一視同仁，不管是正常的還是攻擊的，所以這種方式不推薦。

延緩TCB分配方法

? ? ? ?做完第一次握手之后，服務器就需要為該請求分配一個TCB（連接控制資源），通常這個資源需要200多個字節(jié)。延遲TCB的分配，當正常連接建立起來后再分配TCB則可以有效地減輕服務器資源的消耗。

使用防火墻

? ? ? ?防火墻在確認了連接的有效性后，才向內(nèi)部的服務器（Listener）發(fā)起 SYN 請求。

---

TCP 四次揮手

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

1.?某個應用進程首先調用 close，我們稱該端執(zhí)行主動關閉（active close)。該端的 TCP 于是發(fā)送一個 FIN 分節(jié)，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，應用進程進入 FIN-WAIT-1（終止等待 1）狀態(tài)。

2.?接收到這個 FIN 的對端執(zhí)行被動關閉(passive close)，發(fā)出確認報文。因為 FIN 的接 收意味著接收端應用進程在相應連接上再無額外數(shù)據(jù)可接收，接收端進入了 CLOSE-WAIT（關閉等待）狀態(tài)，這時候處于半關閉狀態(tài)，即主動關閉端已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，但是被動關閉端若發(fā)送數(shù)據(jù)，主動關閉端依然要接受。這個狀態(tài)還要持續(xù)一段時間，也就是整個 CLOSE-WAIT 狀態(tài)持續(xù)的時間。主動關閉端收到確認報文后進入 FIN-WAIT-2（終止等待 2）狀態(tài)。

3.?一段時間后，被動關閉的應用進程將調用 close 關閉它的套接字。這導致它的TCP也發(fā)送一個 FIN，表示它也沒數(shù)據(jù)需要發(fā)送了。

4.?接收這個最終 FIN 的原發(fā)送端 TCP（即執(zhí)行主動關閉的那一端）確認這個 FIN 發(fā)出一個確認 ACK 報文，并進入了 TIME-WAIT（時間等待）狀態(tài)。注意此時 TCP 連接還沒有釋放，必須經(jīng)過 一定的時間后（2MSL），當主動關閉端撤銷相應的TCB后，才進入CLOSED 狀態(tài)。

5.?被動關閉端只要收到了客戶端發(fā)出的確認，立即進入 CLOSED 狀態(tài)。同樣，撤銷 TCB 后，就結束了這次的 TCP 連接?？梢钥吹?#xff0c;被動關閉端結束 TCP 連接的時間要比主動關閉端早一些。

---

為什么TCP的揮手需要四次？

? ? ? ?TCP 是全雙工的連接，必須兩端同時關閉連接，連接才算真正關閉。

? ? ? ?如果一方已經(jīng)準備關閉寫，但是它還可以讀另一方發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送給 FIN 結束報文給對方，對方收到后，回復 ACK 報文。當這方也已經(jīng)寫完了準備關閉，發(fā)送 FIN 報文，對方回復 ACK。兩端都關閉，TCP 連接正常關閉。