《TCP/IP详解 卷1:协议》读书笔记

第一章 概述

协议栈

应用层关心的是应用程序的细节，而不是数据在网络中的传输活动；下面四层对应用程序一无所知，但它们要处理所有的通信细节。

互联网地址

端口号

大多数TCP/IP分配的端口在1024-5000之间。

第二章 链路层

环回接口

环回接口：127.0.0.1 or localhost，可简单理解为本机的ip地址。

注：IP输出函数的入口是和IP输入函数的出口都是网络层，下图是链路层的环回接口如何处理来自网络层的IP数据报。

注意点1：传给环回接口（127.0.0.1）的任何数据均作为IP输入（即从链路层传给网络层）

注意点2：传给广播和多播的数据复制一份传给环回接口（即广播和多播地址包含主机本身）

注意点3：任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口（比如该主机IP为172.18.156.139，则从网络层传到链路层的以该IP为目的地址的数据报，均送到环回接口再返回给网络层，所以一个传给环回接口的IP数据报不能在任何网络上出现）

最大传输单元MTU

最大传输单元MTU表示链路层数据帧所能传输的最大字节数。

如果IP数据报的长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要分片。

路径MTU：两台主机路径中的最小的MTU。

第三章 IP :网际协议

IP协议提供不可靠，无连接的数据报传送服务。
不可靠：不保证IP数据报成功到达目的地。
无连接：IP不维护后续数据报的状态信息（不一定按序发送和接收）。

IP首部

IP首部一般为20个字节，除非包含选项字段。

版本：IPv4或IPv6

首部长度：首部的长度，以4 byte为单位，包含选项字段。该字段共4 bit，因此IP首部最长为60 Byte，且必须为4 Byte的倍数

服务类型：

总长度：整个IP数据报的长度，以byte为单位。该字段共16 bit，所以IP数据报最长为2^16 byte

标识：唯一标识主机发送的每一份数据报

TTL：Time-To-Live，数据报可以经过的最多路由数

协议：识别是哪个协议向IP协议传送数据，包括TCP，UDP，ICMP，IGMP……

首部检验和：根据IP首部计算的检验和码（将该字段置0，对首部中每16bit进行二进制反码求和，结果存在该字段；接收方收到后对首部中没16bit进行二进制反码求和，若结果全为全1，则正确）（注意是对IP首部进行检验，而不是IP首部+IP数据，而UDP的检验和是针对UDP首部+UDP数据）（但是为什么要反码？）

IP地址：32bit，记录格式一般为点分十进制（e.g. 192.168.1.1）

为什么要用反码求和而不是原码求和来检验首部和？

1）首先，我们要明确反码求和和原码求和的区别，反码求和溢出时，即最高位有进位，则将该进位加到最低位上；而原码求和则是丢弃该进位。

2）其次，明确Big Endian字节序和Little Endian字节序：

TCP/IP网络传输时，先传0-7bit，其次8-15bit，然后16-23bit，最后24-31bit（从小到大），这叫网络字节序，也叫Big Endian字节序。

Big Endian字节序：最高字节在地址最低位，最低字节在地址最高位

Little Endian字节序：反之

比如将 0x1234 存入 0x0000 开始的内存

Memery     Big Endian    Little Endian

0x0000     0x12            0x34

0x0001     0x34            0x12

3）那么，使用反码求和就可以不依赖系统是Big Endian字节序还是Little Endian字节序，而原码求和会受到字节序的影响。

4）最后，举个例子就明白了。

原码：

10000000 00000000

+10000010 00000000

=00000010 00000000

原码，使用另一种字节序：

00000000 10000000

+00000000 10000010

=00000001 00000010

反码：

01111111 11111111

+01111101 11111111

=11111101 11111111

反码，使用另一种字节序：

11111111 01111111

+11111111 01111101

=11111111 11111101

可以看到，反码求和，改变了字节序，结果相同，只是字节顺序相应地也交换了；而原码的结果就不同了。

IP路由选择

IP从TCP，UDP，ICMP和IGMP接收数据报(即本地生成的数据)并进行发送，或者从一个网络接口接收数据进行转发或接收。

1）当数据来自TCP，UDP，ICMP和IGMP（从上传递下来的）：

传递给链路层

2）当数据报来自网络接口（从下传递上来的）：

（1）IP首先判断IP地址是否为本地地址或者广播地址，如果是就送到首部协议段所指定的协议模块进行处理（继续向上传递）

（2）如果不满足这些地址，且IP层设置为了路由功能，那么就对数据报进行转发，否则数据报被丢弃

那么，什么叫IP的路由功能呢？有了路由功能怎么对数据报进行转发呢？

当收到一个IP数据报的时候，IP并不知道该数据报达到最终目的的完整路径，所有的IP路由选择只为数据报提供下一站路由器的IP地址，IP的路由选择功能为：

1）搜索路由表，寻找目的IP地址（网络号+主机号），找到则发给该行记录的下一个路由器

2）若1）失败，则继续搜索路由表，寻找目的IP地址的所在网络号，找到则发给该行记录的下一个路由器

3）若2）失败，则继续搜索路由表，寻找叫做“默认”的那行记录，找到则发给该行记录的下一个路由器

4）若3）失败，则该数据报就不能被传送

子网掩码

IP地址=网络号+子网号+主机号

子网掩码即与IP地址对应的网络号和子网号为1，主机号为0的32个bit

子网的划分缩减了路由表的规模：

为了到达IP地址为140.252.*.*的主机，路由表现在只需记录到达子网络140.252的下一跳，而不需要记录该子网下的所有主机的下一跳。

第四章 ARP：地址解析协议

链路层的以太网地址是48位（如：‎20-6A-8A-4B-E9-2F），而网络层的IP地址是32位（如：172.18.156.36）。

而ARP和RARP就是为IP地址与硬件地址之间提供动态转换。

当用户输入ftp://www.abc.com（或http://www.baidu.com）的时候，发生的事情如下：

• 应用层：利用DNS将主机名转换为IP地址
• 运输层：运输层得到从应用层传下来的IP地址，准备利用得到的IP地址建立TCP连接
• 网络层：网络层得到从运输层传下来的TCP段，封装为IP数据报（该数据报用于建立TCP连接）
• 链路层：链路层得到从网络层传下来的IP数据报，在该以太网内进行广播，询问每一台主机哪个包含该IP地址，接着某主机对该广播应答，然后链路层就知道将该帧发到哪台主机去才能正确达到目的地。

第五章 RARP：逆地址解析协议

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。但无盘机则需要利用RARP来获得它自己的IP地址。

无盘机可以读取自己的硬件地址，然后广播一份RARP请求（含其硬件地址）给该网内的其他主机，请求某个主机响应该无盘系统的IP地址（在RARP应答中）。

第六章 ICMP：Internet控制报文协议

ICMP时间戳请求与应答

ICMP时间戳请求允许系统向另一个系统查询当前的时间。

请求端填写发起时间戳，然后发送请求报文，应答端收到报文的同时填写接收时间戳和传送时间戳，然后发送应答报文。

其中发起时间戳是指请求端的发送时间，而传送时间戳是指应答端的发送时间。一般设接收时间戳和传送时间戳为相同的值。

假如请求端收到的应答报文如下：

其中，发起时间比接收时间早6ms，而rtt=2ms，所以请求端的时间比应答端的时间早7ms。

为什么，见下图自己理解。

第七章 Ping程序

Ping程序发送ICMP回显报文给目标主机,并等待返回ICMP回显应答。

Ping程序发送的是ICMP报文，是对两个TCP/IP系统连通性进行测试的基本工具。

第八章 Traceroute程序

Traceroute程序可以让我们看到IP数据报从本主机到另一台主机所经过的路由的地址。

Traceroute程序使用ICMP报文和IP数据报中的TTL字段来实现：

（1）发送端发送一个TTL为1的UDP数据报，收到该数据报的路由器将TTL减一，发现TTL为0，于是丢弃该数据报并发回一份ICMP超时报文；

（2）发送端接收到ICMP超时报文的时候就可以提取里面的IP地址，由此得知第一跳的IP，然后发送一个TTL为2的UDP数据报，接受到的路由器将TTL减一，如果TTL不为0则继续转发，如果为0则丢弃该数据报并发回一份ICMP超时报文；

（3）以此类推，直到目的主机接收到该UDP数据报，发现自己是目的主机，则丢弃该数据报并发回一份ICMP端口不可达的报文。

（4）发送端根据收到的是ICMP超时报文还是ICMP端口不可达报文来确定是否成功达到目的主机。

第九章 IP选路

路由表标志

U 该路由可用

G 该路由是一个网关，如果没有此标志，说明下一跳就是目的地

H 该路由的目的地址为主机地址，无此标志表示目的地址为网络地址（网络地址的主机号全为0）

D 该路由由重定向报文创建

M 该路由被重定向报文修改

• G区别了间接路由和直接路由，有G即为间接路由
  • 发往直接路由的分组包含目的地址的IP和链路层地址
  • 发往间接路由的分组包含目的地址的IP，链路层地址为间接路由的地址（即目的IP地址是一致的，但链路层地址永远为下一跳的地址）
• H标志区别了主机地址和网络地址，有H即为主机地址(Host)
  • 下一跳的地址是一个主机地址，一个IP地址过来，查找路由表的时候，该IP地址必须跟该行的目的IP地址完全匹配才是对的
  • 下一跳的地址是一个网络地址，一个IP地址过来，查找路由表的时候，只要该IP地址的网络部分与该行的目的IP地址的网络部分匹配即可，不必管主机部分（注意：路由表的每一行都隐藏了目的IP地址的子网掩码，所以它可以确定目的IP地址的网络部分）

IP路由选择例子（详见第三章）

如上图，假如目的地址是140.252.13.33。

查找路由表，发现第一第二行是主机地址，均不完全匹配；第三行是default，暂时跳过；第四行的网络部分与该IP地址的网络部分相同，所以使用第四行的数据，将IP数据报经接口emd0发给140.252.13.34。

疑问：虽然方法正确，但是IP数据报并没有发送给正确的目的地（140.252.13.33），这只是路由表的问题吗？

不知何去何从的IP数据报

假如路由表中没有找到合适的行（路由表中也没有default项），那么路由会如何处理呢？当然是丢弃该IP数据报，然后……

（1）如果该IP数据报是本机产生的，那么就给发送该数据报的应用程序返回一个差错

（2）如果该IP数据报不是本机产生的，那么就给原始发送端发送一份ICMP主机不可达的差错报文

ICMP重定向报文

ICMP重定向报文是ICMP控制报文中的一种。

在特定的情况下，当路由器检测到一台主机使用非优化路由的时候，它会向主机发送一个ICMP重定向报文，请求主机改变路由表。

同时，负责任的路由器也会把初始数据报向它的目的地转发。

什么情况下路由器会发送ICMP重定向报文呢？

如图，当路由器发现源IP地址与下一跳属于同一网段时。

第十章 动态选路协议

选路协议的分类

静态选路：配置接口时，以默认方式生成路由表项（路由表项就是表的每一行数据）或使用route命令来手工添加表项，或通过ICMP重定向生成表项

动态选路：

• 内部网关协议IGP(Interior Gateway Protocol)
  • 选路信息协议RIP（Routing Information Protocol）
  • 开放最短路径优先OSPF(Open Shortest Path First)
• 外部网关协议EGP(Exterier Gateway Protocol)
  • 边界网关协议BGP(Border Gateway Protocol)

动态选路的工作原理

路由表中有一个常驻内存的程序，叫路由守护程序（routing daemon）。该程序与其相邻的路由表进行通信，根据得到的信息更新路由表。

RIP(Routing Information Protocol)选路信息协议

工作过程

（1）初始化

在启动一个路由守护程序时，它先判断启动了哪些接口，并在每个接口上发送一个请求报文，要求其他路由器发送完整路由表

• 在点对点链路中，该请求是发送给其他终点的
• 如果网络支持广播的话，这种请求是以广播形式发送的

（2）接收到请求

• 如果这个请求是特殊请求（报文中设置了某字段），那么路由器就将完整的路由表发送给请求者
• 否则，就处理请求中的每一个表项，如果有连接到指明地址的路由，则将与其的距离设置成请求中的值，否则置为16(16表示"无穷大")，然后发回响应

例如，有4个路由ABCD，B和AC相连，不与D相连。某时，A通知B，C和D与B的距离为1。B收到后，更新了与C的距离为1，但是它与D不相连，于是更新了与D的距离为16

（3）接收到响应

更新路由表

（4）定期选路更新。每过30秒，所有或部分路由器会将其完整路由表发送给相邻路由器

（5）触发更新

每当一条路由的距离发生变化时，就对它进行更新。不需要发送完整路由表，而只需要发送那些发生变化的表项。每条路由都有与之相关的定时器。如果发现一条路由在3分钟内未更新，就将该路由的距离设置成无穷大(16)，并标注为删除。这意味着已经在6个30秒更新时间里没收到通告该路由的路由器的更新了。再过60秒，将从本地路由表中删除该路由，以保证该路由的失效已被传播开

OSPF（Open Shortest Path First）开放最短路径优先

RIP采用距离向量，而OSPF采用链路状态信息来更新路由表（RIP中，路由表交换的信息是路由与路由的距离）。

OSPF比RIP收敛快（一旦有路由器崩溃，RIP中消息传得太慢），因此规模较小的网络可以采用RIP，规模较大应采用OSPF。

OSPF通过路由器之间通告网络接口的状态来建立链路状态数据库，生成最短路径树，每个OSPF路由器使用这些最短路径构造路由表。

例如，A连B和D，B连C和D。开始，AB通信，B告诉A，BC=1，BD=1。那么A就可以计算得出，AB=1，AC=2，AD=2。然后AD通信，D告诉A，BD=1。然后A权衡，发现通过D到B则AB=2，通过B到B则AB=1，则取AB=1；其次，通过B到D，AD=2，通过D到D，AD=1，则取AD=1。最终A的路由表为，AB=1，AD=1，AC=2。

通过这里例子可以可以看到，RIP只保存到达目标地址的下一跳路由的信息；而OSPF保存了局域网内所有路由的信息。

第十四章 DNS：域名系统

含义：Domain Name System，域名系统

功能：提供域名和IP地址相互映射

为什么需要DNS？

为了避免记住纯数字组成的IP地址，人们发明了域名。为此，域名与IP地址之间要有映射关系。

刚开始，每台主机有一个HOSTS文件（位置:C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts），里面存放着世界上所有域名和IP的映射关系，这样域名解析的任务每台计算机都可以独立完成。但是这样HOSTS文件过于分散，不易统一管理；而且IP越来越多，这个文件越来越大。

那么最简单的，如果世界上有一台服务器，存储着世界上所有域名和IP的映射关系，即整个世界只有一份HOSTS文件，那么确实易于管理，所有计算机上网的时候就可以去访问它得到正确的IP，但是这样这台服务器会不堪重负。

所以，DNS应运而生。DNS采用的是分布式的解析方案。见下图。

至今为止，这个世界上有13台根服务器。根服务器的任务就是将域名解析的任务分配给顶级域的服务器。顶级域的服务器也可以像根服务器那样将解析权分配给下属服务器。

例如根服务器会将所有com域名的解析任务全部交给负责com的服务器，负责com的服务器会将所有cnblogs.com域名的解析任务全部交给负责cnblogs.com的服务器。

常见的顶级域名有：

DNS是怎么工作的

推荐阅读：浅谈DNS体系结构：DNS系列之一

我们在浏览器上输入i.cnblogs.com之后，我们这台主机会向DNS服务器发送一条DNS查询报文以查询该域名对应的IP。

（注意，该报文是UDP报文，不需要与DNS服务器建立TCP连接；我们这台主机本来就知道DNS服务器的IP地址，要么是写好的静态IP，要么是路由器动态分配的IP，不是域名，所以DNS查询这个过程也不需要去解析域名，否则无限循环了……）

DNS服务器若有关该域名的记录，则发送IP回我们的主机，结束。

DNS服务器若不知道，则它向根服务器发送关于该域名的请求。

（注意，每台DNS服务器都必须知道根服务器的IP，这是作为一台DNS服务器的素养）

根服务器收到后发现，这是com结尾的，于是返回负责com域名解析的服务器的IP给DNS服务器。

DNS服务器收到后，就把关于该域名的请求发给负责com域名解析的服务器。

负责com域名解析的服务器收到后发现，这是cnblogs.com结尾的，以cnblogs.com结尾的域名的解析权已经委派给XX服务器了，于是返回负责cnblogs.com域名解析的服务器的IP给DNS服务器。

DNS服务器收到后，就把关于该域名的请求发给负责cnblogs.com域名解析的服务器。

负责cnblogs.com域名解析的服务器收到后发现，这是我负责的域名，查询一下资源记录，OK找到了，于是发回i.cnblgos.com的对应IP给DNS服务器。

DNS服务器千辛万苦终于得到该IP，自己先缓存一下，然后发回给我们的主机，结束。

DNS冗余

某个区域的资源记录通过手动或自动方式更新到主 DNS服务器上，辅 DNS 服务是为了防止主服务器无法访问或宕机。辅 DNS服务器定期与主 DNS 服务器通讯，确保它的信息保持最新。如果不是最新信息，辅 DNS服务器就会从主服务器获取最新信息的副本，称为区域复制。辅 DNS 服务器一般是3个小时查询一次是否主 DNS 服务器更新。

DNS高速缓存

为了减少Internet上DNS的通信量，所有的DNS服务器均使用高速缓存。

Windows上清空DNS缓存的方法：命令行输入ipconfig/flushdns

DNS资源记录类型

• A——主机记录，是使用最广泛的DNS记录，A记录的基本作用就是说明一个域名对应的IP是多少
• PTR——指针记录，与A记录相反
• CNAME——规范名字（Canonical Name）记录，也称为别名记录，用于说明一个IP对应多个域名
• NS——名称服务器（Name Server）记录，用于说明这个区域有哪些DNS服务器负责解析
• SOA——起始授权机构（Start Of Authority）记录，用于说明负责解析的DNS服务器中哪一个是主服务器
• MX——邮件交换（Mail Exchange）记录

DNS使用TCP还是UDP

区域传送时DNS使用TCP，大多数情况（域名解析）使用UDP。

为什么区域传送使用TCP？

• 传送的内容多，TCP报文可超过512字节，UDP不能超过512字节
• TCP可靠

为什么域名解析使用UDP？

• 查询域名的报文一般不超过512字节，使用UDP更快。
• 万一失败，重发的损失也不大。

一个例子

假设客户端和服务器都没有DNS缓存，且Rlogin服务器收到IP数据报时需要进行主机名检查（利用IP报文中的IP地址向DNS服务器询问其对应域名，再利用该域名向DNS服务器询问其对应IP，再检查该IP是否跟IP报文中的源IP一致，好麻烦不知道为什么）。

（1）Rlogin客户端中没有关于Rlogin服务器的域名解析，所以只能向根名字服务器查询Rlogin服务器的IP地址（这是一条A记录的查询）

（2）根名字服务器当然不知道怎么解析，只告诉Rlogin客户端谁（图中的服务器的名字服务器）在负责这个域名的解析（这是一条NS记录）

（3）Rlogin客户端收到后知道是服务器的名字服务器在负责，所以向服务器的名字服务器查询Rlogin服务器的IP地址（这是一条A记录的查询）

（4）服务器的名字服务器返回的报文中包含了Rlogin服务器的IP地址（这是一条A记录的应答）

（5）于是Rlogin客户端知道了Rlogin服务器的IP地址，于是与其建立TCP连接

（6）此时我们情景设定Rlogin服务器需要进行主机名检查，于是利用TCP连接中得到的IP地址向根名字服务器（跟（1）中的不一定是同一个）查询Rlogin客户端的域名（这是一条PTR记录的查询）

（7）根名字服务器当然不知道怎么解析，只告诉Rlogin服务器谁（图中的客户的名字服务器）在负责这个域名的逆解析（这是一条NS记录）

（8）Rlogin服务器收到后知道是客户的名字服务器在负责，所以向客户的名字服务器查询Rlogin客户端的域名（这是一条PTR记录的查询）

（9）客户的名字服务器返回的报文中包含了Rlogin客户端的域名（这是一条PTR记录的应答）

（10）Rlogin服务器收到后知道了Rlogin客户端的域名后，向客户的名字服务器查询Rlogin客户端的IP地址（这是一条A记录的查询）

（11）客户的名字服务器返回的报文中包含了Rlogin客户端的IP地址（这是一条A记录的应答）

最后Rlogin服务器将得到的IP地址和TCP连接中的IP地址进行比对（为什么要主机名检查这么麻烦……）