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

2024-06-09 00:36

本文主要是介绍【网络编程开发】8.TCP连接管理与UDP协议 9.IP协议与ethernet协议,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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。

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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。

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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

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  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

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  • 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

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  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。

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