计算机网络笔记再战——理解几个经典的协议6——TCP与UDP

目录

先说端口号

TCP

使用序号保证顺序性和应答来保证有效性

超时重传机制

TCP窗口机制

UDP

路由协议

协议分类：IGP和EGP

几个经典的路由算法

RIP

OSPF

链路状态数据库（LSDB）

LSA（Link State Advertisement）

区域划分

路由器角色

路由协议特性

BGP

BGP的协议版本

BGP的路由策略和优化

BGP的优势和局限性

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我们现在终于来到了传输层。顾名思义，我们就是在这里传递一整个信息单元。我们现在，是向一个IP和一个端口传递一个信息。

先说端口号

我们的计算机本质上占用一个IP，可是，上面还有非常多的应用程序，我们如何区分每一个包是到哪一个应用程序的呢？答案是使用端口号来作为一个标识一个终点。

一般的，我们的通信有五个特征：两个IP：源IP和目标IP，两个端口：源端口和目标端口以及协议号，五个特征中只要有一个不一样就不是一个通信！

端口的分配则是有著名端口（也就是一般流行协议占用的端口）和时序分配的端口（在最后一个被占用的端口处+1）

协议	端口号
HTTP	80
HTTPS	443
FTP (控制连接)	21
FTP (数据连接)	20
SSH	22
Telnet	23
SMTP	25
DNS	53
POP3	110
IMAP	143
SNMP	161
DHCP (客户端)	68
DHCP (服务器)	67
RDP	3389

TCP

经典三次握手，这个方式来保证TCP的有链接性质。

使用序号保证顺序性和应答来保证有效性

我们在原始的数据包中插入一个序号，来表达数据的次序，这样来保证数据可以再传递之后恢复原模原样。

对于尝试建立的应答机制，则是确保通信链路是有效的。一般是主机发送表达主机的通信功能正常，目标机接受并发送表达目标机可以正常的接受和发送，最后是主机传递数据表达主机的接受是正常的。

超时重传机制

重发超时是一种确定度量通信是否正常的机制。换而言之，当我们发送应答报文的时候，多久之前收到主机的回复是正常的这个事情。

TCP窗口机制

TCP窗口控制机制（TCP Window Control）是确保可靠数据传输的一个关键机制，旨在调节和管理发送方与接收方之间的流量，从而避免网络过载，并确保数据在可靠的、按顺序的方式到达目的地。这个机制的核心是TCP的滑动窗口（Sliding Window）协议，它通过控制可发送数据的量来平衡两端的发送和接收能力。

在TCP连接中，接收方通常具有一个缓冲区，用于存储从发送方接收的数据。在接收方的缓冲区未满时，接收方允许发送方继续发送数据；如果缓冲区接近满时，接收方就会通知发送方减缓数据的发送。这个缓冲区的大小由接收方的“接收窗口”来表示。接收方通过在TCP报文段的“窗口大小”字段中告知发送方它的接收窗口大小，从而控制发送方的发送速率。

在TCP的滑动窗口机制中，发送方能够一次性发送多个数据段，而不必等待每个数据段的确认（ACK）。窗口大小决定了发送方可以连续发送而无需等待确认的最大字节数。随着数据的传输和确认，发送方的窗口不断向前滑动，使得新的数据段可以继续发送。窗口的大小动态变化，基于网络的拥塞情况以及接收方的缓冲区状态。

拥塞控制机制是窗口控制中的一个重要方面。为了防止过多的数据超出网络的处理能力，TCP协议使用了一种名为慢启动（Slow Start）和拥塞避免（Congestion Avoidance）的算法。在连接开始时，TCP会以非常小的窗口开始传输数据，每当成功收到确认时，窗口的大小会加倍增长。随着连接的延续，TCP会根据网络的实际情况逐渐增加窗口大小，但如果出现拥塞，窗口会减小，直到网络恢复正常。

此外，TCP还通过快速重传和快速恢复机制来提高数据传输的效率和可靠性。当接收方发现数据丢失时，会立即发送重复的确认（DupACK）给发送方，通知它重新发送丢失的数据段。发送方通过这些重复确认来识别丢失的数据段，并在不经过慢启动的情况下尽快重传。

+-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
|      Source       |    Destination    |    Sequence       |  Acknowledgment   |
|      Port (16)    |       Port (16)    |    Number (32)    |    Number (32)    |
+-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
| Data  | Reserved |  Control Flags  |   Window Size (16) |   Checksum (16)   |
| Offset| (3 bits) |   (9 bits)      |    (16 bits)       |    (16 bits)       |
| (4 bits)           |                   |                   |                   |
+-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
|  Urgent Pointer (16 bits)   |           Options (Variable)             |
+----------------------------+-------------------------------------------+

• TCP首部的第一个字段是源端口（Source Port）和目标端口（Destination Port），每个字段占用2个字节。这两个字段标识了数据传输的源地址和目的地址，即分别标识了发送方和接收方的端口号，它们决定了数据的最终接收者和发送者。接下来是序列号（Sequence Number），占用4个字节，它表示发送方发送的第一个字节在数据流中的位置。序列号是TCP协议确保数据按顺序传输的关键，它使接收方能够重新排列和处理接收到的数据。

• 紧随其后的是确认号（Acknowledgment Number），同样占用4个字节，它标识接收方期望接收到的下一个字节的序号。确认号仅在ACK标志位被设置时有效，表示接收方已经收到的数据字节数，并确认了下一个期望的字节。接下来是数据偏移（Data Offset），占4位，它指定了TCP首部的长度，指示首部的最后一个字节的位置，从而帮助接收方确定数据部分的开始位置。数据偏移字段后面是保留字段（Reserved），占3位，通常设置为0，保持兼容性。

• TCP首部的下一个字段是标志位（Flags），占9位，通常包含6个重要的控制标志位：URG（紧急指针有效）、ACK（确认字段有效）、PSH（推送数据段）、RST（重置连接）、SYN（同步连接）、FIN（终止连接）。这些标志位用于控制连接的建立、数据的传输以及连接的终止。

• 接下来是窗口大小（Window Size），占2个字节，指示接收方的缓冲区大小，或者说是接收窗口的大小，决定了发送方可以发送的最大数据量。这个字段用于流量控制，确保接收方的缓冲区不会被填满，导致丢包或阻塞。

• 接着是校验和（Checksum），占2个字节，用于检测TCP首部和数据部分在传输过程中是否发生了错误。校验和通过对数据进行计算得出，发送方和接收方都需要进行校验，以确保数据的完整性。

• 紧接着是紧急指针（Urgent Pointer），占2个字节，它仅在URG标志位被设置时有效，用于指示紧急数据的结束位置。紧急数据通常是具有优先级的数据，接收方需要立即处理。

• 最后是选项字段（Options），它是一个可选的部分，占用可变长度。选项字段用于提供一些附加功能，如最大段大小（MSS）、时间戳等。选项的长度可以根据需要变化，因此这个字段的长度是可变的。

UDP

UDP就会简单很多，他就是一个超级简单的对IP的封装，不提供任何超时重传，包纠正等错误处理机制。所以，他比较迅速。

路由协议

我们下面要做的就是专门的讨论包转发这个事情。也就是讨论路由。路由分为静态路由和动态路由。

静态路由由人手动设置，也就是人直接介入控制。动态路由则是网络之间自动调节反馈，动态的规划每一个部分包应该走何处实现网络的最小阻塞。

协议分类：IGP和EGP

协议分为外部网关协议EGP和内部网关协议IGP。他们分别完成网络之间的路由和网络内部的路由。

几个经典的路由算法

• 距离向量路由算法（Distance Vector Routing） 距离向量路由算法是最基本的路由算法之一，每个路由器通过与邻居路由器交换距离信息来更新路由表。每个路由器维护一张包含到达各目的地的最短路径的表。每次更新时，路由器会将其自己的路由表发送给邻居路由器。邻居路由器接收到更新后，将自己对每个目的地的距离加上与该邻居的距离，从而更新自己的路由表。常见的距离向量算法包括RIP（Routing Information Protocol），它采用跳数作为距离度量标准。距离向量算法的优点是简单易实现，但缺点是收敛较慢且容易发生环路。

• 链路状态路由算法（Link State Routing） 链路状态路由算法与距离向量不同，它要求每个路由器向网络中的所有其他路由器广播其链路状态信息，描述它与每个邻居路由器的连接状况。每个路由器在接收到链路状态信息后，都会构建一张包含所有网络拓扑的完整图，并使用Dijkstra算法来计算到各目的地的最短路径。链路状态路由的代表协议是OSPF（Open Shortest Path First）。相比于距离向量，链路状态算法具有更快的收敛速度和更高的可扩展性，但其计算和存储要求较高。

• 洪泛路由算法（Flooding） 洪泛算法是一种简单的路由策略，每个路由器接收到一个数据包后，都会将该数据包广播到所有其他路由器，直到数据包到达目的地。洪泛算法不需要任何路由表，仅仅通过“广播”实现网络中的数据传输。尽管这种方法简单有效，适用于广播式的网络（如无线网络或一些特定的点对点网络），但它的缺点是网络带宽的浪费，因为每个数据包都被多次发送，可能导致严重的网络拥塞和冗余数据。

• 路径选择算法（Path Vector Routing） 路径选择算法是距离向量路由和链路状态路由的结合体。在路径选择算法中，每个路由器不仅传播距离信息，还传播其到达每个目的地的完整路径。这样，每个路由器可以选择根据路径的完整信息来做路由决策。BGP（Border Gateway Protocol）是路径选择算法的典型代表，常用于Internet的自治系统之间的路由选择。BGP能够根据路径的多种属性（如AS路径、路由策略等）来选择最佳路径。路径选择算法可以在复杂的大型网络中有效运作，但其复杂性较高，处理路径策略和更新的效率成为挑战。

• 混合路由算法（Hybrid Routing） 混合路由算法结合了距离向量和链路状态算法的优点。它试图通过将两者结合在一起，提供更高的效率和灵活性。一个典型的混合路由协议是EIGRP（Enhanced Interior Gateway Routing Protocol）。EIGRP结合了距离向量算法的简单性和链路状态算法的快速收敛特点，使用Diffusing Update Algorithm（DUAL）来实现网络拓扑的快速更新。EIGRP通过在路由更新时同时传递距离和链路状态信息来避免路由环路，并实现较快的收敛。

RIP

RIP（路由信息协议）是一个典型的距离向量算法的路由协议，被广泛的用在LAN上

在这里，我们定义跳数为经过路由器的个数作为距离的标准，对路由表内部存储的IP——路由器映射对进行匹配。这样的话，就知道什么样的IP走那一条传递路径。

当然，这里很容易出现环形的链路导致通知报文无限的传递，办法是毒性逆转（直接说此路不同断开环的形成）和触发更新（立即将路径的链路更新广播到其他的路由器上）

OSPF

OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）是一种链路状态路由协议，广泛应用于大型企业网络和ISP的内部网（也称为自治系统）。OSPF采用Dijkstra算法计算最短路径，并通过将网络的拓扑信息传播给所有路由器，从而构建全局路由表。与距离向量路由协议（如RIP）相比，OSPF的收敛速度更快、扩展性更好，适合较大的网络环境。

链路状态数据库（LSDB）

OSPF的核心思想是通过交换链路状态信息来保持网络拓扑的一致性。每个路由器都有一张链路状态数据库（LSDB），该数据库包含了网络中所有路由器和它们之间连接的详细信息。每个路由器通过交换链路状态广告（LSA，Link State Advertisement）来描述自己与邻居的连接情况。LSA通过多播方式传播，所有路由器都能收到LSA，从而更新自己的LSDB。

LSA（Link State Advertisement）

LSA是OSPF路由器交换的基本信息单元，描述了每个路由器的链路状态。LSA包括多个类型，主要有：

• Router LSA（类型1）：由路由器生成，描述该路由器与其直接连接的网络和邻居的状态。

• Network LSA（类型2）：由网络的DR（Designated Router，指定路由器）生成，描述广播网络的拓扑。

• Summary LSA（类型3和4）：用于在不同区域之间传播路由信息，尤其是跨区域路由选择。

• AS External LSA（类型5）：用于从外部自治系统引入路由信息。

区域划分

为了提高OSPF的扩展性和减少路由计算的复杂度，OSPF支持区域（Area）划分。一个OSPF网络通常由多个区域组成，其中一个区域被称为骨干区域（Area 0），它是所有区域的核心，其他区域通过骨干区域相互连接。通过将网络划分为多个区域，OSPF能够限制LSA的传播范围，从而减少路由计算的负担。区域之间的路由信息通过路由器之间的ABR（Area Border Router）交换。每个区域内部都进行链路状态更新，而不同区域之间通过骨干区域交换路由信息。

路由器角色

OSPF定义了几种不同的路由器角色，每个角色在网络中的功能不同：

• DR（Designated Router）：在广播网络（如Ethernet）中，DR负责生成网络LSA，减少网络中交换的LSA数量。通常，DR是根据接口的优先级和IP地址来选举的。

• BDR（Backup Designated Router）：是DR的备份角色，当DR发生故障时，BDR将会接管DR的工作。

• ABR（Area Border Router）：连接多个区域的路由器，负责不同区域之间的路由信息交换。

• ASBR（Autonomous System Boundary Router）：连接外部自治系统的路由器，通常负责引入外部网络的路由信息，如通过BGP协议与其他自治系统通信。

路由协议特性

OSPF具有以下几种关键特性：

• 带宽计量：OSPF使用带宽作为度量标准，而不是跳数。每个链路的带宽会影响计算的最短路径，OSPF默认的成本（Cost）是带宽的倒数。

• 收敛速度快：OSPF的收敛速度比基于距离向量的协议快。因为路由器立即发现网络拓扑的变化并更新LSDB，因此能快速重新计算最短路径。

• 支持VLSM（Variable Length Subnet Mask）：OSPF支持变长子网掩码，使得IP地址空间的利用更加灵活。

• 路由认证：OSPF支持路由认证功能，可以对OSPF交换的LSA数据进行验证，确保网络安全。

• 多路径路由：OSPF支持ECMP（Equal-Cost Multi-Path），即当有多个等价的最短路径时，数据包可以同时通过多个路径进行负载均衡。

BGP

BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）是一种用于自治系统（AS）之间交换路由信息的外部网关协议，是Internet核心路由协议之一。BGP主要用于在不同的自治系统之间传递路由信息，并帮助决定跨越多个自治系统的最佳路径。它是一个路径向量协议，与OSPF等内部网关协议（IGP）不同，BGP主要用于自治系统之间的路由选择。

BGP通过交换路由通告（Route Advertisement）来交换关于可达性的信息。这些路由通告不仅包括目的网络的地址和掩码，还包括如何到达该网络的路径信息。BGP选择路径时，不仅依据网络的可达性，还考虑了路径属性、策略、AS路径等多个因素。BGP是一个基于路径的协议，这意味着它不仅仅传递目的地的IP地址，还传递到达目标的路径信息。

1. 路径选择 BGP使用路径向量的方式来选择最优路径。每条路径都由一个AS路径（AS Path）标识，它记录了数据包从源自治系统到达目的自治系统经过的路径。BGP的选择标准不仅仅是路径长度，还包括以下几个因素：

   • AS路径长度：即路径中经过的自治系统数目，路径较短通常较优。

   • 路径的下一跳（Next Hop）：决定数据包最终的传送目标，BGP通过下一跳来确定最佳路由。

   • 本地优先级（Local Preference）：用于在本自治系统内选择最优路径，优先级高的路径优先被选择。

   • 多出口鉴别器（MED，Multi-Exit Discriminator）：用于在两个自治系统之间，指示数据流的优先出口。较低的MED值意味着较优路径。

   • 路由聚合（Aggregated Routes）：BGP可以通过聚合多个路由信息来减少路由表的大小。

2. BGP路由通告 BGP在交换路由信息时，会通过BGP路由通告来广播一条或多条路由。BGP通告不仅包含目标地址，还包括路由的属性，如AS路径、下一跳等。路由器根据这些路由属性来做出路径选择。BGP路由信息的传播采用了“传递”的方式，即将信息从一个自治系统传递给其他自治系统，直到达到最终目标。

3. 策略控制 BGP提供了强大的路由策略控制能力，管理员可以通过配置BGP策略来影响路由选择。例如，可以通过设置本地优先级、AS路径过滤、MED值等来控制路由选择，从而实现复杂的路由策略。

1. BGP类型 BGP有两种类型：

   • EBGP（External BGP）：用于不同自治系统之间的路由交换，是Internet中自治系统之间的主要路由协议。

   • IBGP（Internal BGP）：用于同一自治系统内部的路由交换，允许自治系统内的路由器知道自治系统外部的路由信息。

2. 路径向量协议 BGP是一种路径向量协议，与距离向量协议（如RIP）和链路状态协议（如OSPF）不同，BGP不仅仅传递目标网络地址，还传递到达目标的路径信息。每个路径由经过的AS序列（即AS路径）标识，这使得BGP能够避免环路并选择最优路径。

3. 路由器角色 在BGP中，路由器的角色分为两种：

   • BGP邻居（Peers）：BGP路由器通过建立邻居关系来交换路由信息。邻居关系是通过TCP连接（默认端口179）建立的。

   • BGP路由器：路由器会从BGP邻居接收路由通告，并通过选择最佳路径来更新自己的路由表。

4. 连接建立和维护 BGP通过TCP连接（端口号179）来进行通信，连接的建立通过三次握手完成。建立连接后，BGP会定期交换路由信息，确保网络拓扑和路由表的一致性。BGP还通过“Keepalive”报文定期检查连接的有效性，若发现连接中断，则会触发重新建立连接。

BGP的协议版本

1. BGP-4 BGP-4是BGP的当前版本，支持CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）和VLSM（Variable Length Subnet Mask，变长子网掩码）。它支持路由聚合、路由反向传播以及跨多个AS的路由信息传播。BGP-4已经成为Internet中最广泛使用的BGP版本。

2. BGP-3和早期版本 BGP-3及更早版本（如BGP-2）较为简单，不支持CIDR，因此在IP地址分配方面的灵活性较差。BGP-4被广泛应用并发展成为现在的标准。

BGP的路由策略和优化

BGP协议支持多种路由策略，能够根据不同的需求对路由进行优化。管理员可以通过以下方式调整路由策略：

• 路由过滤：可以基于AS路径、前缀、地址等条件过滤进出的路由信息，控制网络中的路由传播。

• 路由重分发：可以将来自其他路由协议（如OSPF、RIP）的路由信息引入BGP，或者将BGP路由信息传递给其他协议。

• 负载均衡：BGP支持ECMP（Equal-Cost Multi-Path），可以根据不同路径的代价将流量分配到多个路径上，从而实现负载均衡。

BGP的优势和局限性

优势

• BGP支持大规模的网络，能够有效地管理复杂的路由信息。

• 提供了灵活的路由选择和策略控制，能够根据不同的需求选择最优路径。

• 具有较高的可扩展性，适用于Internet级别的路由选择。

局限性

• BGP协议复杂，配置和管理相对困难。

• 因为BGP是基于路径的协议，它的收敛速度相对较慢，可能导致网络变化时出现短时间的不稳定。

• BGP容易受到路由劫持等攻击，需要适当的安全策略来防范。