TCP/IP协议详解

TCP/IP协议包含了一系列的协议，也叫TCP/IP协议族（TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP
Protocols），简称TCP/IP。TCP/IP协议族提供了点对点的连结机制，并且将传输数据帧的封装、寻址、传输、路由以及接收方式，都予以标准化。

TCP/IP协议的分层模型

在展开介绍TCP/IP协议之前，首先介绍一下七层ISO模型。国际标准化组织ISO为了使网络应用更为普及，推出了OSI参考模型，即开放式系统互联（Open
System Interconnect）模型，
一般都叫OSI参考模型。OSI参考模型是ISO组织在1985年发布的网络互连模型，其含义就是为所有公司使用一个统一的规范来控制网络，这样所有公司遵循相同的通信规范，网络就能互联互通了。

OSI模型的七层框架
OSI模型定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），每一层实现各自的功能和协议，并完成与相邻层的接口通信。OSI模型各层的通信协议，大致举例如下表所示：

表：OSI模型各层的通信协议举例

应用层 HTTP、SMTP、SNMP、FTP、Telnet、SIP、SSH、NFS、RTSP、XMPP、Whois、ENRP、等等
表示层 XDR、ASN.1、SMB、AFP、NCP、等等
会话层 ASAP、SSH、RPC、NetBIOS、ASP、Winsock、BSD Sockets、等等
传输层 TCP、UDP、TLS、RTP、SCTP、SPX、ATP、IL、等等
网络层 IP、ICMP、IGMP、IPX、BGP、OSPF、RIP、IGRP、EIGRP、ARP、RARP、X.25、等等
数据链路层 以太网、令牌环、HDLC、帧中继、ISDN、ATM、IEEE 802.11、FDDI、PPP、等等
物理层 例如铜缆、网线、光缆、无线电等等
TCP/IP协议是Internet互联网最基本的协议，其在一定程度上参考了七层ISO模型。OSI模型共有七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。但是这显然是有些复杂的，所以在TCP/IP协议中，七层被简化为了四个层次。TCP/IP模型中的各种协议，依其功能不同，被分别归属到这四层之中，常被视为是简化过后的七层OSI模型。

TCP/IP协议与七层ISO模型的对应关系
TCP/IP协议与七层ISO模型的对应关系，大致如下图所示：

HTTP报文传输原理

利用TCP/IP进行网络通信时，数据包会按照分层顺序与对方进行通信。发送端从应用层往下走，接收端从链路层往上走。从客户端到服务器的数据，每一帧数据的传输的顺序都为：应用层->运输层->网络层->链路层->链路层->网络层->运输层->应用层。

HTTP报文传输过程

以一个HTTP请求的传输为例，请求从HTTP客户端（如浏览器）和HTTP服务端应用的传输过程，大致如下图所示：

数据封装和分用
接下来，为大家介绍一下数据封装和分用。

数据通过互联网传输的时候不可能是光秃秃的不加标识，如果这样数据就会乱。所以数据在发送的时候，需要加上特定标识，加上特定标识的过程叫做数据的封装，在数据使用的时候再去掉特定标识，去掉特定标识的过程就叫做分用。TCP/IP协议的数据封装和分用过程，大致如下图所示：

TCP协议的报文格式

在TCP/IP协议栈中，IP协议层只关心如何使数据能够跨越本地网络边界的问题，而不关心数据如何传输。整体TCP/IP协议栈，共同配合一起解决数据如何通过许许多多个点对点通路，顺利传输到达目的地。一个点对点通路被称为一“跳”（hop），通过TCP/IP协议栈，网络成员能够在许多“跳”的基础上建立相互的数据通路。

传输层TCP协议提供了一种面向连接的、可靠的字节流服务，其数据帧格式，大致如下图所示：

三次握手过程

TCP连接的建立时，双方需要经过三次握手，具体过程如下：

（1）第一次握手：Client进入SYN_SENT状态，发送一个SYN帧来主动打开传输通道，该帧的SYN标志位被设置为1，同时会带上Client分配好的SN序列号，该SN是根据时间产生的一个随机值，通常情况下每间隔4ms会加1。除此之外，SYN帧还会带一个MSS（最大报文段长度）可选项的值，表示客户端发送出去的最大数据块的长度。

（2）第二次握手：Server端在收到SYN帧之后，会进入SYN_RCVD状态，同时返回SYN+ACK帧给Client，主要目的在于通知Client，Server端已经收到SYN消息，现在需要进行确认。Server端发出的SYN+ACK帧的ACK标志位被设置为1，其确认序号AN（Acknowledgment
Number）值被设置为Client的SN+1；SYN+ACK帧的SYN标志位被设置为1，SN值为Server端生成的SN序号；SYN+ACK帧的MSS（最大报文段长度）表示的是Server端的最大数据块长度。

（3）第三次握手：Client在收到Server的第二次握手SYN+ACK确认帧之后，首先将自己的状态会从SYN_SENT变成ESTABLISHED，表示自己方向的连接通道已经建立成功，Client可以发送数据给Server端了。然后，Client发ACK帧给Server端，该ACK帧的ACK标志位被设置为1，其确认序号AN（Acknowledgment
Number）值被设置为Server端的SN序列号+1。还有一种情况，Client可能会将ACK帧和第一帧要发送的数据，合并到一起发送给Server端。

（4）Server端在收到Client的ACK帧之后，会从SYN_RCVD状态会进入ESTABLISHED状态，至此，Server方向的通道连接建立成功，Server可以发送数据给Client，TCP的全双工连接建立完成。

三次握手的图解

三次握手的交互过程，具体如下图所示：

图：TCP建立的连接时三次握手示意图

Client和Server完成了三次握手后，双方就进入了数据传输的阶段。数据传输完成后，连接将断开，连接断开的过程需要经历四次挥手。

TCP的四次挥手

业务数据通信完成之后，TCP连接开始断开（或者拆接）的过程，在这个过程中连接的每个端的都能独立地、主动的发起，断开的过程TCP协议使用了四路挥手操作。

四次挥手具体过程
四次挥手具体过程，具体如下：

（1）第一次挥手：主动断开方（可以是客户端，也可以是服务器端），向对方发送一个FIN结束请求报文，此报文的FIN位被设置为1，并且正确设置Sequence
Number（序列号）和Acknowledgment
Number（确认号）。发送完成后，主动断开方进入FIN_WAIT_1状态，这表示主动断开方没有业务数据要发送给对方，准备关闭SOCKET连接了。

（2）第二次挥手：正常情况下，在收到了主动断开方发送的FIN断开请求报文后，被动断开方会发送一个ACK响应报文，报文的Acknowledgment
Number（确认号）值为断开请求报文的Sequence Number
（序列号）加1，该ACK确认报文的含义是：“我同意你的连接断开请求”。之后，被动断开方就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，TCP协议服务会通知高层的应用进程，对方向本地方向的连接已经关闭，对方已经没有数据要发送了，若本地还要发送数据给对方，对方依然会接受。被动断开方的CLOSE-WAIT（关闭等待）还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

主动断开方在收到了ACK报文后，由FIN_WAIT_1转换成FIN_WAIT_2状态。

（3）第三次挥手：在发送完成ACK报文后，被动断开方还可以继续完成业务数据的发送，待剩余数据发送完成后，或者CLOSE-WAIT（关闭等待）截止后，被动断开方会向主动断开方发送一个FIN+ACK结束响应报文，表示被动断开方的数据都发送完了，然后，被动断开方进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：主动断开方收在到FIN+ACK断开响应报文后，还需要进行最后的确认，向被动断开方发送一个ACK确认报文，然后，自己就进入TIME_WAIT状态，等待超时后最终关闭连接。处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL的时间后，如果期间没有收到其他报文，则证明对方已正常关闭，主动断开方的连接最终关闭。

被动断开方在收到主动断开方的最后的ACK报文以后，最终关闭了连接，自己啥也不管了。

四次挥手图解

四次挥手的全部交互过程，具体如下图所示：

nmap

Nmap有四种基本功能：「端口扫描」、「主机探测」、「服务识别」和「系统识别」

隐秘扫描

隐秘扫描，只适用于Linux系统。
「隐秘扫描」向目标主机的端口发送TCP FIN包 或 Xmas tree包 或 Null包，如果收到RST响应包，就判定端口关闭，否则就判定端口开放或被屏蔽（open/filtered）
nmap 127.0.0.1 -p 80 -sF # Fin扫描
nmap 127.0.0.1 -p 80 -sN # Null扫描（所有flags都为0的TCP包）
nmap 127.0.0.1 -p 80 -sX # Xmas扫描（flags的FIN、URG、PUSH都为1的包）