计算机网络 TCP&UDP、IP、ARP&RARP、NAT总结

文章目录

[TCP 和 UDP](#TCP 和 UDP)
- UDP
- TCP
- - [TCP 三次握手](#TCP 三次握手)
  - 半连接队列（SYN队列）
  - 全连接队列（Accept队列）
  - TCP四次挥手
  - 重传机制
  - 滑动窗口
  - 流量控制
  - 拥塞控制
IP
- IP地址分类
- IPV6
- - 亮点
  - 地址
  - 结构
  - 与IPV4的区别
- ARP与RARP协议
- - [1. ARP协议](#1. ARP协议)
  - [2. RARP协议](#2. RARP协议)
  - [3. DHCP动态获取IP地址](#3. DHCP动态获取IP地址)
  - - DHCP中继代理
- [NAT( Network Address Translation, 网络地址转换)](#NAT( Network Address Translation, 网络地址转换))

TCP 和 UDP

UDP

目标端口和源端口：告诉UDP应该发送至哪个进程

包长度：UDP首部的长度跟数据的长度之和

校验和：提供可靠的UDP首部而设计

TCP

窗口大小：还有多少空间能接收数据

标志字段：

ACK：用于指示确认应答号值是否有效，置1表示包含一个对已成功接收报文段的确认；

RST：用于重置一个已经混乱的连接，或拒绝一个无效的数据段或者连接请求；

SYN：用于连接建立过程，请求建立一个连接；

FIN：用于断开连接，表示发送方没有数据要传输了

校验和：CRC算法检测报文段是否出错

TCP 三次握手

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第一次握手：携带客户端初始序列号的SYN报文

第二次握手：携带服务端初始序列号的SYN+ACK报文，表示收到

第三次握手：携带服务器的ACK报文

为什么需要三次握手？

三次握手才能保证双方具有接收和发送的能力

总结：

三次握手才可以阻止重复历史连接的初始化(主因)
三次握手才可以同步双方的初始序列号
三次握手才可以避免资源浪费

半连接队列（SYN队列）

用于存放已经发送了 SYN（同步）包，但还未完成三次握手的连接：服务器第一次收到客户端的 SYN 之后，就会处于 SYN_RCVD 状态，此时双方还没有完全建立其连接，服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里，我们把这种队列称之为半连接队列。

全连接队列（Accept队列）

用于存放已经完成三次握手，处于完全建立连接状态的连接。

TCP四次挥手

在挥手之前，客户端和服务器都处于 ESTABLISHED 状态

第一次挥手：假设客户端打算关闭连接，发送一个TCP首部FIN被置1的 FIN 报文给服务端, 此时客户端处于 FIN_WAIT1 状态
第二次挥手：服务端收到以后，向客户端发送ACK应答报文，且把客户端的序列号值+1作为ACK报文的序列号值，表明已经收到客户端的报文了，此时服务端处于 CLOSE_WAIT 状态
第三次挥手：等待服务端处理完数据后，向客户端发送FIN报文。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态
第四次挥手：客户端接收到FIN报文后回一个ACK应答报文，之后客户端处于 TIME_WAIT 状态
服务器收到ACK报文后，进入 CLOSE 状态，服务器完成连接关闭。
客户端在经过 2MSL 一段时间后，自动进入 CLOSE 状态，客户端也完成连接的关闭。

为什么四次挥手

客户端发送FIN报文表示不发送数据，但还可以接收数据

关闭连接时，服务端可能还要数据处理和发送，就可以先回一个ACK，等到不再发送数据，再发送FIN表示他同意关闭连接

所以：服务端通常需要等待完成数据的发送和处理，ACK和FIN一般都会分开发

为什么需要TIME_WAIT状态

主动发起关闭连接的一方需要TIME_WAIT状态

原因：

防止历史连接中的数据，被后面相同的四元组的链接错误的接收。
网络可能出现拥塞或者延迟，导致滞留的数据包被传递给新连接，导致数据干扰
保证最后的ACK能让被动关闭方接收，从而帮助正常关闭

TIME_WAIT的危害

内存资源占用
对端口资源的占用，

为什么是2MSL

MSL：Maximum Segment Lifetime 报文最大生存时间

2MSL 的时间是从客户端接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的。如果在 TIME-WAIT 时间内，因为客户端的 ACK 没有传输到服务端，客户端又接收到了服务端重发的 FIN 报文，那么 2MSL 时间将重新计时。

等待MSL两倍：发送方数据包被接收处理后又向对方发送响应，一来一回需要两倍
确保四次挥手主动关闭方最后的ACK能到达对端

重传机制

实现可靠传输的方式：序列号和确认应答

超时重传：计时器范围内没有收到对方的确认ACK，就会重发，每次重传时间都设为先前的两倍
快速重传：以数据驱动重传；当收到三个相同的ACK报文。会重传丢失的报文段。
问题：重传多少报文段
SACK 选择性确认：解决重传哪些报文；需要在TCP头部加SACK，将已收到的数据信息发送给发送方
D-SACK：主要使用另外SACK告诉发送方哪些数据被重复接收
使用D-SACK的好处：
（1）可以让【发送方】知道，是发出去的包丢了，还是接收方回应的ACK包丢了；
（2）可以知道是不是【发送方】的数据包被网络演示了；
（3）可以知道网络中是不是把【发送方】的数据包给复制了。

滑动窗口

解决问题：TCP每发送一次数据都需要应答；数据往返时间越长，网络吞吐量越低

特点：即使在往返时间较长的情况下，也不会降低网络通信的效率

窗口大小：无需等待确认应答可以继续发送数据的最大值；由接收方窗口大小决定

实现：操作系统开辟的一个缓存空间，按期收到确认应答，则清楚缓存区

累计确认：ACK700表示700之前的所有数据都被接收，ACK600确认应答报文丢失

滑动窗口不是一成不变的，如果读取速度非常快的话，接收窗口会很快空缺，新的大小则是通过TCP报文的Windows字段告诉，这个传输过程存在时延

流量控制

基本原理：使用滑动窗口机制，通过调整窗口大小告诉发送方其当前处理数据的能力

拥塞控制

慢启动（Slow Start）：TCP 连接初始阶段，发送方的拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）从一个较小的值开始，逐步增大，以免过早引发网络拥塞。每次接收到一个确认（ACK），cwnd 值就会增大，这个增长是指数级的。
拥塞避免（Congestion Avoidance）：当 cwnd 增加到一个阈值（ssthresh）时，慢启动结束，进入拥塞避免阶段。此时，cwnd 的增长从指数变为线性增长，逐步提高发送速率以检测网络是否接近拥塞。
快速重传（Fast Retransmit）：当发送方收到连续三个重复的 ACK 时，它假设有一个数据包丢失，于是立即重传丢失的数据包，而不必等待重传计时器超时。
快速恢复（Fast Recovery）：在快速重传之后，TCP 不像慢启动那样将 cwnd 重置为 1，而是将其减半，然后继续线性增长。这种机制可以更快地恢复传输速率。

IP

位于TCP/IP参考模型的第三层，网络层

网络层作用：实现主机与主机之间的通信，也就是点对点通信

网络层IP与数据链路层MAC的关系：MAC实现直连的两个设备间的通信；IP负责在没有直连的两个网络之间进行通信传输

在网络数据包传输过程中，IP地址并不会发生改变，但是源和目标MAC会一直变化

IP地址分类

A、B、C类地址

主机号全0指定某个网络

主机号为1，指定某个网络下的所有主机，用于广播

广播地址：用于在同一个链路相互连接的主机之间发送数据包，分为本地广播和直接广播

本地广播：在本网络内广播，广播地址的IP包会被路由器屏蔽

直接广播：在不同网络之间的广播

D、E类地址

特点：没有主机号，所以不可用于主机IP，

D类：常被用于多播；用于将包发送给特定组内的所有主机；因为广播无法穿透路由，若想给其他网段发送同样的包，则可以使用可以穿透路由的多播；前四位表示多播地址

E类：预留的分类，暂时未使用

分类的优缺点

优点：可以根据IP地址的前四位来判断IP地址属于哪个类别

缺点：同一网络下没有地址层次；A、B、C类不能很好的与现实网络匹配

缺点解决：CIDR无分类地址

CIDR无分类地址

定义：不再分类地址，32bit的IP地址被划分为两部分，前面是网络号，后面是主机号

子网掩码

另一种划分网络号和主机的形式，掩码就是掩盖掉主机号，剩余的就是网络号

将子网掩码和IP地址按位计算AND，就可得到网络号

为什么要分离网络号和主机号

答：因为两台计算机要通讯，首先要判断是否处于同一个广播域（网络地址），网络地址相同，则可以把数据包直接发送到目标主机

如何进行子网划分

子网掩码还有一个作用就是划分子网，将主机地址分为两块，子网网络地址和子网主机地址

路由控制

IP的网络地址用于进行路由控制，路由控制表中记录着网络地址与下一步应该发送至路由器的地址；主机和路由器上都有各自的路由器控制表

发送IP包时，如果存在多种相同网络地址的记录，选择相同位数最多的网络地址，也就是最长匹配

环回地址：127.0.0.1

IP分片与重组

每种数据链路的最大传输单位MTU是不相同的，当IP数据包大于MTU时，IP数据包就会被分片；

经过分片之后的IP数据被重组的时候，只能由目标主机进行，路由器是不会进行重组

在分片传输的过程中，一个分片丢失就会造成整个IP数据报作废，TCP引入MSS，在TCP层进行分片

IPV6

亮点

可分配地址变多
可自动配置，即使没有DHCP服务器也可以实现自动分配IP地址
包头包首部长度采用固定的值40字节，去掉包头校验和，简化了首部结构，减轻了路由器负荷
有应对伪造的IP地址的网络安全功能以及防止线路窃听的功能

地址

IPV6地址长度128位，每16位为一组

结构

通过IP地址的前几位标识IP地址的种类，只要分为以下3种类型：

单播地址：用于一对一的通信；

组播地址：用于一对多的通信；

任播地址：用于通信最近的节点，最近的节点是由路由协议决定；

与IPV4的区别

取消了首部校验和字段：在数据链路层和传输层都会校验
取消分片/重新组装相关字段：不允许在中间路由器进行分片与重组，大大提高了路由器转发的速度
取消选项字段：使IPV6首部成为固定长度的40字节

ARP与RARP协议

1. ARP协议

ARP（地址解析协议）用于通过已知的IP地址获取对应的MAC地址。主机会通过广播发送ARP请求，包含目标IP地址。同一链路上的设备接收到请求后，如果目标IP地址与自己的IP一致，则返回包含自己MAC地址的ARP响应包。操作系统通常会缓存获取的MAC地址，但缓存有一定期限。

2. RARP协议

RARP（逆地址解析协议）用于通过已知的MAC地址获取IP地址。常用于嵌入式设备接入网络时，通过RARP服务器获取IP地址。

3. DHCP动态获取IP地址

DHCP（动态主机配置协议）通过四个步骤自动获取IP地址：

DHCP发现（DHCP Discover）： 客户端通过广播发送一个DHCP发现消息，向网络中的DHCP服务器请求IP地址。
DHCP提供（DHCP Offer）： 网络中的DHCP服务器收到发现消息后，向客户端发送一个DHCP提供消息，其中包含一个可用的IP地址以及相关的配置信息（如子网掩码、网关地址、DNS服务器等）。
DHCP请求（DHCP Request）： 客户端收到提供消息后，向DHCP服务器发送一个请求消息，表明愿意接受所提供的IP地址和配置信息。
DHCP确认（DHCP Acknowledgment）： DHCP服务器收到请求消息后，向客户端发送确认消息，并正式分配IP地址给客户端，客户端即可使用该IP地址进行网络通信。
DHCP交互中使用的都是UDP广播通信