C++网络编程-tcpip协议

article/2025/9/27 14:54:04

1 tcp/ip协议族

1.1 体系结构以及主要协议

1.2 封装

1.3 分用

1.4 测试网络

1.5 arp协议工作原理

1.6 dns工作原理

1.7 socket和tcp/ip协议族的关系

2 ip协议详解

2.1 ip服务特点

2.2 ipv4头部结构

2.3 ip分片

2.4 ip路由

3 tcp协议详解

3.1 tcp服务的特点

3.2 tcp头部结构

3.3 tcp连接的建立与关闭

3.4 tcp状态转移

3.5 复位报文段

3.6 tcp交互数据流

3.7 tcp成块数据流

3.8 带外数据

3.9 tcp超时重传

3.10 拥塞控制

4 TCP/IP通信案例：访问web服务器

部署代理服务器

访问dns服务器

本地名称查询

http通信 p60

1 tcp/ip协议族

1.1 体系结构以及主要协议

主要结构：数据链路层、网络层、传输层、应用层（4层结构）

数据链路层：

数据在物理媒介上的传输。

ARP（地址解析协议）、RARP（逆地址解析协议），实现了ip地址和机器物理地址之间的转换

网络层：

数据包的选路和转发：ip协议。
ip协议选择下一跳路由器或者目标主机。
icmp协议：用于检测网络连接，8位类型+8位代码+16位校验和。

icmp差错报文：回应网络错误。目标不可达（3）、重定向（5）

查询报文：查询网络信息。如ping程序

使用循环冗余校验crc

传输层：

为应用程序提供端到端的通信，主要有tcp、udp、sctp
tcp三次握手，可靠的、面向连接的、基于流的服务。
udp提供不可靠的、无连接的、基于数据包的服务。
sctp流控制传输协议，是为了因特网上传输电话信号而设计的。

应用层：

处理应用程序的逻辑，在内核空间实现
ping、telnet、OSPF（最短路径优先）、DNS

1.2 封装

发送端应用程序用send、write向tcp写入数据，内核中的tcp模块将数据与tcp内核发送到缓冲区，然后tcp模块调用ip模块的服务，将tcp报文段作为ip的数据部分。
udp不保存应用层数据副本，如果要重发就要将用户空间重新拷贝到udp内核发送缓冲区。
帧最大传输单元mtu是46-1500字节，过长的会被分片传输。

1.3 分用

帧到达目的主机后沿着协议自底向上的过程，就是复用。
帧的头部用类型字段标识上层协议 arp、rarp、ip
ip数据报头部使用协议字段区分icmp、tcp、udp
TCP和udp使用头部的端口号区分上层报文

1.4 测试网络

1.5 arp协议工作原理

实现网络层地址到物理层地址的转换，ip-》mac。

主机向自己所在的网络广播一个arp请求，请求包含目标机器的网络地址。该网络上的其他机器收到后，被要求的机器会回应一个arp应答，包含物理地址。

arp请求应答报文

arp会维护一个高速缓存，包含经常访问的机器的ip地址到物理地址的映射。

1.6 dns工作原理

使用dns域名访问机器，而不是IP。

dns是分布式的域名服务系统，存有大量的机器名和ip的映射。使用dns协议向服务器查询。

1.7 socket和tcp/ip协议族的关系

数据链路层、网络层、传输层是在内核实现，需要一组系统调用访问这些协议。api主要有：socket和xti。主要使用socket。
功能：1、将应用程序数据从用户缓冲区复制到tcp/udp内核发送缓冲区，交付内核发送数据，如send。或者读取数据；2、通过它修改内核中各层协议的某些头部信息或其他数据结构，控制底层通信。
socket是一套网络编程接口，还可以访问其他网络协议栈。

2 ip协议详解

主要讨论：ip头部信息、ip数据报的路由和转发。

2.1 ip服务特点

为上层协议提供无状态、无连接、不可靠的服务。
无状态：上层收到的ip数据报可能是乱序的、重复的。简单、高效。
无连接：不长久地维持对方的任何信息。每次都要指定对方的ip
不可靠：ip协议不能保证ip数据报能准确到达接收端。

2.2 ipv4头部结构

2.3 ip分片

传输过程中可能多次分片，在最终的机器上由ip模块重新组装
以太网帧的MTU是1500字节，头部占用20字节，最多携带1480字节。

2.4 ip路由

IP协议的核心任务：数据包的路由，决定发送数据报到目标机器的路径。

ip模块工作流程：
路由机制：

路由表更新：

IP转发：

重定向：

ipv6

3 tcp协议详解

关注：tcp头部信息、tcp状态转移过程、tcp数据流、tcp数据流的控制。

3.1 tcp服务的特点

面向连接的、字节流、可靠传输
一对一的，广播多播不适合使用tcp，可以使用udp
面向字节流：写端多次写的会在缓冲区一次性发出；读端会将所有报文放到缓冲区通知应用程序读取。应用程序的读写次数和tcp模块的接收次数没有关系。
udp是每一次写操作都有一个udp数据包发送。接收端要及时每一次对一个udp进行读操作，否则会丢包。

3.2 tcp头部结构

固定头部结构

头部选项

3.3 tcp连接的建立与关闭

半关闭状态：当read系统调用返回0时即确认关闭。socket通过shutdown提供对半关闭的支持。

连接超时

3.4 tcp状态转移

TIME_WAIT状态：客户端在接收到结束报文后等待2MSL（报文段最大生存时间）再完全关闭。可靠的终止tcp连接、保证让迟来的tcp报文段有足够的时间被识别丢弃（防止某端口又有新的连接进来导致报文被接收）。
可以通过socket的SO_REUSEADDR强制进程立即使用处于TIME_WAIT状态的端口

3.5 复位报文段

某些情况会发送RST标志的报文段，通知关闭连接或重新建立连接。

访问不存在的端口
异常终止连接：发送后，发送端所有排队等待发送的数据都会被丢弃，使用socket的SO_LINGER
处理半打开连接：一端已经关闭了，另一端还维持着原来的连接。

3.6 tcp交互数据流

tcp报文段包含的应用程序数据按照长度分为交互数据和成块数据。交互数据只有很少的字节，对实时性比较高，如ssh、telnet。

一般可能会导致拥堵，可以使用nagle算法。通信双方任意时刻最多只能发送一个没被确认的TCP报文段。