《TCP/IP详解 卷1：协议》读书笔记。图片来自本书在即时通许网的电子版：http://www.52im.net/topic-tcpipvol1.html
第一章 概述
1.3 分层
1.7 分用
第二章 链路层
[图1.3](#1.3 分层)可看出，链路层三个目的：
1.为上层的IP模块发送和接收IP数据报
2、3. 为ARP和RARP发送请求和接收应答
2.6 PPP协议
这个东西还需要看看。
环回地址就是常用的那个localhost，
当目的地址是环回地址时，可以省略部分传输层、所有网络层的逻辑操作。但是大多数产品还是照样完成所有过程，只不过IP数据报离开网络层又返回给自己。
第三章 IP
3.1 引言
不可靠 unreliable：不保证IP数据报成功到达目的地。
发生错误，丢弃==》发送ICMP消息给信源
任何要求的可靠性必须由上层提供
无连接 connectionless：IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息；每个数据报的处理是相互独立的。
这也说明，IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报，先A后B。A和B独立进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能先于A到达。
3.2 IP首部
版本：4
首部长度：和下面的选项（如今没啥用）有关。普通IP数据报（没有任何选项）字段值是5（20个字节）
占4bit： 最大1111是15(60个字节)
TOS: 3bit的优先权字段（如今没用）
4bit的子字段（只能有一个位置1）和1bit的未用位（必须置）：
因此这5bit只有4种情况：10000、01000、00100、00010
这4种就是tcpdump的命令输出：0x10\0x08\0x04\0x02这四个十六进制数
总长：包括首部长度和数据部分长度。16bit IP数据报最长65535字节。但大多数链路层都会分片，而且，主机也要求不能接收超过576字节的数据报。
生存时间 ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。
协议 ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。
首部检验和 ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。
标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。
片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。
3.3 路由选择
所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的IP地址。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的，而且下一站路由器与该主机是直接相连的。
第四章 ARP
地址解析协议
从逻辑Internet地址到对应的物理硬件地址需要进行翻译。这就是ARP的功能。ARP本来是用于广播网络的，有许多主机或路由器连在同一个网络上。
ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。这个过程称作广播，如图4-2中的虚线所示。ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址（主机名为bsdi），其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址。”
ARP的功能是在32 bit的IP地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射。
4.3 ARP高速缓存
ARP高效运行的关键是由于每个主机上都有一个ARP高速缓存。这个高速缓存存放了最近Internet地址到硬件地址之间的映射记录。高速缓存中每一项的生存时间一般为20分钟，起始时间从被创建时开始算起。
我们可以用arp命令来检查ARP高速缓存。参数-a的意思是显示高速缓存中所有的内容。
4.6 ARP代理
如果ARP请求是从一个网络的主机发往另一个网络上的主机，那么连接这两个网络的路由器就可以回答该请求，这个过程称作委托ARP或ARP代理(Proxy ARP)。这样可以欺骗发起ARP请求的发送端，使它误以为路由器就是目的主机，而事实上目的主机是在路由器的“另一边”。路由器的功能相当于目的主机的代理，把分组从其他主机转发给它。
如果在主机gemini上执行arp命令，经过与主机sun通信以后，我们发现在同一个子网140.252.1上的netb和sun的IP地址映射的硬件地址是相同的。
ARP代理也称作混合ARP（promiscuousARP）或ARP出租(ARP hack)。这些名字来自于ARP代理的其他用途：通过两个物理网络之间的路由器可以互相隐藏物理网络。在这种情况下，两个物理网络可以使用相同的网络号，只要把中间的路由器设置成一个ARP代理，以响应一个网络到另一个网络主机的ARP请求。
4.9 小结
在大多数的TCP/IP实现中，ARP是一个基础协议，但是它的运行对于应用程序或系统管理员来说一般是透明的。ARP高速缓存在它的运行过程中非常关键，我们可以用arp命令对高速缓存进行检查和操作。高速缓存中的每一项内容都有一个定时器，根据它来删除不完整和完整的表项。arp命令可以显示和修改ARP高速缓存中的内容。
我们介绍了ARP的一般操作，同时也介绍了一些特殊的功能：委托ARP（当路由器对来自于另一个路由器接口的ARP请求进行应答时）和免费ARP（发送自己IP地址的ARP请求，一般发生在引导过程中）。
第五章 RARP
5.1 引言
具有本地磁盘的系统引导时，一般是从磁盘上的配置文件中读取IP地址。但是无盘机，如X终端或无盘工作站，则需要采用其他方法来获得IP地址。
网络上的每个系统都具有唯一的硬件地址，它是由网络接口生产厂家配置的。无盘系统的RARP实现过程是从接口卡上读取唯一的硬件地址，然后发送一份RARP请求（一帧在网络上广播的数据），请求某个主机响应该无盘系统的IP地址（在RARP应答中）。
在概念上这个过程是很简单的，但是实现起来常常比ARP要困难，其原因在本章后面介绍。RARP的正式规范是RFC 903[Finlayson et al.1984]。
第六章 ICMP
ICMP经常被认为是IP层的一个组成部分。它传递差错报文以及其他需要注意的信息。ICMP报文通常被IP层或更高层协议（TCP或UDP）使用。一些ICMP报文把差错报文返回给用户进程。
ICMP报文是在IP数据报内部被传输的，如图6-1所示。
抛开书籍看一下干货。
TCP/IP协议的作用：负责从应用传输数据到Internet
Application ——>TCP ——> IP ——> Internet
IP协议定义了地址功能，但IP不能保证数据包完整，所以依赖TCP协议
体系结构和主要协议
数据链路层：
处理数据在物理传输媒介上的传输
MTU的概念：
MTU是最大传输单元
ARP
地址解析协议
将IP地址转化为物理地址
RARP协议
逆地址解析协议
将物理地址转化为IP地址
这样就可以使数据在主机和数据链路层间传输了
网络层：
数据包的选路和转发
IP协议：
根据数据包的目的IP地址决定如何投递
IP传输通过路由器，使用分组转发算法去交付数据报（可以详细看一下分组转发，这里不作介绍）
为了更有效的转发IP数据报，这里使用了ICMP协议（国际控制报文协议）
ICMP协议：
检测网络连接
ICMP报文头部：
8位 区分报文类型 分为查询报文（查询网络信息）、差错报文（回应网络错误）
差错报文：
（1）终点不可到达
（2）时间超过
（3）参数问题
（4）改变路由 (Redirect)
查询报文：
（1）回送(Echo)请求和回答
（2）时间戳请求和回答
8位 细分不同报文
16位校验和 对整个报文进行循环冗余校验（CRC）检验报文是否损坏
应用：
ping：向目的主机发送ICMP Echo请求报文，会收到回答报文。以估算数据包RTT和丢包率
Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
Traceroute 发送的 IP 数据报封装的是无法交付的 UDP 用户数据报，并由目的主机发送终点不可达差错报告报文。
至此，就能有效的让数据报在网络层和数据链路层间交付了
传输层：
只关心通信的起始端和目的端，不关心数据包的中转过程
这里有两个主要的协议，TCP协议和UDP协议，其实还有一个SCTP协议，但这里不做介绍（反正大家都没听过，就不讲了）
TCP协议：
为应用层提供可靠、面向连接、基于流的服务
UDP协议：
为应用层提供不可靠、无连接、基于数据报的服务
TCP协议使用了超时重传和数据确认的方式确认数据包被正确发送，所以TCP是可靠的
封装：
应用程序的数据，沿着协议栈从上往下的传递，每层数据都在上一层的基础上加上自己的头部信息。
应用数据——>加TCP/UDP头部信息——>加IP头部信息——>加帧首部和帧尾部
当自底向上传递的时候，就通过分用，各层协议以此处理帧中本层的头部数据，获取数据。
TCP
为什么要讲首部格式，为了了解首部每个部分负责的内容，从而更好的理解后面的知识 
几个重点字段
序号：
占4字节。序号范围是 0 到 2的32次方-1 ，序号增加到 2的32次方-1 后，下一个序列号就回到了0。也就是说，序号使用mod 2的32次方 运算。TCP是面向字节流的，TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。首部中的序号就是指本报文段所发送数据的第一个字节的序号。
确认号：
占4个字节，是期望收到对方下一个报文段的一个数据字节的序号。
确认ACK：
当ACK=1时，确认号有效，当ACK=0时，确认号无效。当建立连接后所有传送的报文段都必须把ACK置1。 （区分开确认号和ACK）
同步SYN：
当SYN=1，ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。
终止FIN：
当FIN=1时。表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接。
三次握手
条件：服务器的传输控制模块TCB是一开始就被动创建好的（序列号后面会再讲）
1.客户端创建TCB，发起连接请求报文段，SYN置1，表示连接请求报文段 (不能携带数据，但会消耗一个序号）
2.当服务器接收到请求后，发起一个，SYN=1，ACK=1的连接接受报文段（不能携带数据，但会消耗一个序号）
3.当客户端收到接受报文后，需要在发送一条确认，此时ACK=1（能携带数据，如果不携带数据则不消耗序号）
四次挥手
数据连接结束后双方都可以释放连接：
1.A先发送连接释放报文段，终止控制位FIN置1(不能携带数据，但会消耗一个序号）
2.B收到连接释放报文段后，发出确认，ACK=1，确认号是序号+1。A收到B的确认后进入终止等待2状态，等待B发出的连接释放报文段。此时A向B的连接已经释放，TCP连接处于半关闭状态，也就是说A已经不向B发送数据，但B向A发送数据A任然接受。
3.当B已经没有要向A发送的数据，B就发送连接释放报文段，终止控制位FIN置1(不能携带数据，但会消耗一个序号）
4。A收到连接释放报文段后发送确认，ACK置1。但此时TCP连接并没有释放掉，A还需要进过时间等待计时器设置的时间2MSL后，TCP连接才完全释放。（这里又有两个问题，为什么需要这一步，为什么1，2不需要这一步）
首先，1，2不需要这一步是因为有超时重传机制，而4需要这一步也恰恰是因为超时重传机制。后面详细讲超时重传。
而第四点中，为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B，因为这个ACK报文可能丢失，那么B收不到A的确认，B会重新发送连接释放报文段，而A能在时间等待计时器设置的2MSL时间中收到请求。然后A重新开始第四步。
数据包在网络中是有生存时间的，超过这个时间还未到达目标主机就会被丢弃，并通知源主机。这称为报文最大生存时间（MSL，Maximum Segment Lifetime）。TIME_WAIT 要等待 2MSL 才会进入 CLOSED 状态。ACK 包到达服务器需要 MSL 时间，服务器重传 FIN 包也需要 MSL 时间，2MSL 是数据包往返的最大时间，如果 2MSL 后还未收到服务器重传的 FIN 包，就说明服务器已经收到了 ACK 包。
为什么不是两次
因为把三次握手改成两次将会发生死锁。
例子：客户端B给服务器A发送了一个连接请求。服务器A收到了请求，并确认了请求。在假设是两次握手的情况下，在服务器A眼里TCP连接已经建立。但确认再传输中丢失，B并不觉得TCP连接建立。这种情况下B将忽略A的所有数据报，而A的数据报没有收到确认，会不断的超时重传，从而形成死锁。
为什么是四次？
为什么不是三次就别问了，跟三次握手为什么不是两次一样，得确认，不然死锁。
那为什么不是两次呢，因为TCP是全双工通信的，两次会到达半关闭状态，具体看上面的四次挥手过程。
超时重传机制
接下来讲一下超时重传、数据确认。至于为什么要确认借鉴为什么是三次握手而不是两次。
数据确认呢是这样的。
首先客户端发送一个数据报，序号为1，数据长度是1000。这里有一个超时计时器。
那么服务器接收到后，会发送一个确认报文，确认号为1000+1。表示你下一个该发送的是1001。
那么如何处理发送丢包呢以及确认丢包呢
当客户端的超时计时器到期前，没有收到服务器的确认，无论是发送的包丢了，还是确认的包丢了，都会重新发送数据报。
重传超时时间（RTO, Retransmission Time Out）
这个值太大了会导致不必要的等待，太小会导致不必要的重传，理论上最好是网络 RTT 时间，但又受制于网络距离与瞬态时延变化，所以实际上使用自适应的动态算法（例如 Jacobson 算法和 Karn 算法等）来确定超时时间。
往返时间（RTT，Round-Trip Time）表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的 ACK 确认包（接收端收到数据后便立即确认），总共经历的时延。
重传次数
TCP数据包重传次数根据系统设置的不同而有所区别。有些系统，一个数据包只会被重传3次，如果重传3次后还未收到该数据包的 ACK 确认，就不再尝试重传。但有些要求很高的业务系统，会不断地重传丢失的数据包，以尽最大可能保证业务数据的正常交互。
最后需要说明的是，发送端只有在收到对方的 ACK 确认包后，才会清空输出缓冲区中的数据。
流量控制
为什么要进行流量控制，是为了让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接收，减少丢失。
这里使用滑动窗口机制，例如在建立连接时，B告诉A接收窗口rwnd=400，那么发送方的窗口不能超过接收方给出的接收窗口数值。
具体例子：
建立连接后，A发送序号=1，数据1~100
A发送序号=101，数据101~200
A发送序号=201，数据201~300（丢失）
B发送确认ACK=1，确认号=201，rwnd=300,表示要从201开始发送到500截至
A发送序号=301，数据301~400
A发送序号=401，数据401~500
201丢失，A发送序号=201，数据201~300
B发现太快了，发送确认ACK=1，确认号=501，rwnd=0，表示暂时不允许发送（零窗口）
当过了一段时间后，有了一些空间，发送ACK=1，确认号=501，rwnd=300
那么有一个问题了，当这个300的窗口报文丢失了怎么办呢？
这里有一个**持续计时器**，只要TCP一方收到对方的零窗口通知，就启动**持续计时器**，若持续时间到了，就给接收方发送一个，零窗口探测报文，若还是0，则重新定时，若不是0则打破死锁。
拥塞避免
拥塞避免和流量控制有什么区别呢？
拥塞控制：拥塞控制是作用于网络的，它是防止过多的数据注入到网络中，避免出现网络负载过大的情况；常用的方法就是：1）慢开始、拥塞避免2）快重传、快恢复
流量控制：流量控制是作用于接收者的，它是控制发送者的发送速度从而使接收者来得及接收，防止分组丢失的。
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