基础知识

ARP 欺骗

TODO.

传输层 ★

UDP

• UDP（User Datagram Protocol）首部中端口占用为 2 个字节，取值范围为 0 ~ 65535；客户端的源端口是临时开启的随机端口。
• UDP 是无连接的，减少了建立和释放连接的开销。
• UDP 尽最大努力交付，不保证可靠交付，因此不需要维护一些复杂的参数，首部仅占用 8 个字节。

• 常用命令行：
  • netstat -an：查看被占用的端口；
  • netstat -anb：查看被占用的端口、占用端口的应用程序；
  • telnet 主机 端口（Windows）：查看是否可以访问主机的某个端口。

TCP

• TCP（Transmission Control Protocol）首部的数据偏移占 4 位，取值范围 0x0101 ~ 0x1111，数据偏移（可以理解为数据部分的偏移）乘 4 为首部长度（Header Length），即 20 ~ 60 字节；保留位目前全为 0。
• UDP 首部中有 2 字节记录整个 UDP 报文段（首部 + 数据）的长度，但 TCP 中仅有 4 位数据偏移记录首部长度而无 TCP 报文段的总长度；UDP 首部中的长度字段也是冗余的，只是为了保证首部是 32 位对齐。
• 传输层（eg. TCP/UDP）数据长度 = 网络层总长度 - 网络层首部长度 - 传输层首部长度。
• 标志位（Flags）：
  • URG（Urgent）：当 URG = 1 时，紧急指针字段才有效，表明当前报文段中有紧急数据，应优先尽快传送；
  • ACK（Acknowledge）：当 ACK = 1 时，确认号字段才有效；
  • PSH（PUSH）；
  • RST（Reset）：当 RST = 1 时，表明连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接；
  • SYN（Synchronization）：当 SYN = 1，ACK = 0 时，表明这是一个建立连接的请求；若对方同意建立连接，则回复 SYN = 1，ACK = 1；
  • FIN（Finish）：当 FIN = 1 时，表明数据已经发送完毕，要求释放连接。
• 序号（Sequence Number）：在传输过程的每一个字节都会有一个编号，在建立连接后，序号代表该次传给对方的 TCP 数据部分的第一个字节的编号。
• 确认号（Acknowledge Number）：建立连接后，期望对方下一次传过来的 TCP 数据部分的第一个字节的编号。
• 窗口（Window）：流量控制，用以告知对方下一次允许发送的数据大小（单位：字节）。
• TCP 要点：可靠传输、流量控制、拥塞控制、连接管理。

可靠传输

• 为了改进 ARQ 的效率，推出了连续 ARQ 协议 + 滑动窗口协议：

• 若重传超出一定的次数或时间，仍未收到来自对端的确认报文，将会发送 RST 报文断开连接。
• 若接收窗口最多能接收 4 个包，但发送方只发了 2 个包，接收方将在等待一定时间（即所谓超时重传）后返回确认收到 2 个包给发送端。
• SACK（Selective Acknowledge，选择性确认，RFC-2018，告知发送方哪些数据丢失，可以针对性重传。
• SACK 信息放在 TCP 首部的选项部分，由于选项部分最多 40 字节，因此 SACK 选项最多携带四组边界信息，最大占用字节数据为 34 字节（4 * 8 + 2）。

• TCP 传输层分层的意义：可以提高重传的性能；传输层分段后，一旦出现数据丢失，只需要重传丢失的段即可。

流量控制

• 流量控制：控制发送方的发送速率，以让接收方能够来得及处理。
• 原理：通过确认报文中的窗口字段来控制发送方的发送速率，发送方的发送窗口大小不能超过接收方给定的窗口大小，当接收方给定的窗口大小为 0 时，发送方就会停止发送数据。

特殊情况：

一开始接收方给发送方发送了 0 窗口的报文段（此时发送方将停止发送），后面接收方又有了一些存储空间，但给发送方的非 0 窗口的报文段丢失了，为了避免陷入僵局，发送方在停止后将同时开启一个定时器，隔一段时间就主动发个测试报文去询问接收方的最新窗口大小，如果接收的窗口还是 0，则发送方再次刷新启动定时器。

拥塞控制

• 拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中，避免网络中的路由器或链路过载。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素，是大家共同努力的结果（相比而言，流量控制是点对点通信的控制）。

• 慢开始（Slow start），慢启动
  • cwnd 的初始值比较小，随着数据包被接收方确认（即收到 ACK），cwnd 成指数增长
  • ssthresh（Slow start threshold）：慢开始阈值，cwnd 达到阈值后，以线性方式增加
• 拥塞避免（Congestion avoidance）
  • 加法增大：cwnd 缓慢增大，防止网络过早拥塞
  • 乘法减小：只要网络出现拥塞，ssthresh 将减为拥塞峰值的一半，同时执行慢开始算法（cwnd 又恢复到初始值，Tahoe，已弃用）
• 快重传（Fast retransmit）
  • 接收方：每收到一个失序的分组后就立即发出重复确认，使发送方及时知道有分组没有到达，而不用等待自己发送数据时才进行确认
  • 发送方：只要连续收到三个重复确认（带上首个正常确认总共 4 个相同确认），就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必等待重传计时器到期后的再重传

• 快恢复（Fast recovery）
  • 不同于在拥塞后慢开始，快恢复将 cwnd 值设置为新的 ssthresh 值，并开始执行加法增大，使 cwnd 缓慢增大（Reno）

常用缩写：

MSS（Maximum Segment Size）：每个段最大的数据部分大小（在建立连接时确定，如下图），MSS = 数据链路层 MTU(1500) - 网络层首部长度（20）- 传输层首部（20）= 1460 cwnd（Congestion window）：拥塞窗口 rwnd（Receive window）：接收窗口 swnd（Send window）：发送窗口（swnd = min(cwnd, rwnd)，当 rwnd < cwnd，接收方的接收能力限制了发送窗口最大值，当 cwnd < rwnd，网络的拥塞限制了发送窗口的最大值）

连接管理

• 三次握手：

• 前两次握手的特点：
  • SYN 都设置为 1
  • 数据部分长度均为 0
  • TCP 头部的长度一般都是 32 字节（固定首部 20 字节，选项部分 12 字节）
  • 交换信息，MSS、是否支持 SACK、Window Scale（窗口缩放系数）等（均放在选 TCP 头部的选项部分（12 字节））

Q：为什么建立连接需要进行三次握手？

A：主要目的：防止服务端一直等待，浪费资源。

Reference

• OSI model - Wikipedia
• OSI 模型 - Wikipedia
• Internet protocol suite - Wikipedia
• 互联网协议套件 - Wikipedia
• RFC-2018