TCP/IP FAQ系列，以經(jīng)典的4.4BSD-Lite實(shí)現(xiàn)為準(zhǔn)，參考《TCP/IP協(xié)議詳解》3卷 ，加入個(gè)人的思考理解，理清主干，不深究細(xì)枝末節(jié)，皆在總結(jié)基本原理和實(shí)現(xiàn)。本篇涵蓋了數(shù)據(jù)鏈路層、ARP、RARP、IP、ICMP、TCP、UDP方面的問題與解答。

【Data Link】
1. 環(huán)回接口地址必須是127.0.0.1嗎？
   形如127.x.x.x的A類IP都可作為環(huán)回接口的地址，但常用的是127.0.0.1。
2. 環(huán)回接口為什么沒有輸入處理？
   發(fā)送到環(huán)回接口的數(shù)據(jù)報(bào)實(shí)質(zhì)上被送到網(wǎng)絡(luò)層的輸入隊(duì)列中，因此數(shù)據(jù)報(bào)沒有離開網(wǎng)絡(luò)，也就不可能從鏈路上接收到目標(biāo)地址為環(huán)回接口地址的數(shù)據(jù)幀，所以不存在輸入處理。
3. SLIP、環(huán)回和以太網(wǎng)接口，三者有何不同？
   SLIP和環(huán)回接口沒有鏈路層首部和硬件地址，環(huán)回接口沒有輸入處理，而以太網(wǎng)接口都有。
4. SLIP和以太網(wǎng)接口如何分用輸入幀，環(huán)回接口如何分用輸出分組？
   SLIP將幀直接放進(jìn)IP輸入隊(duì)列中，以太網(wǎng)接口則根據(jù)幀類型字段放到對(duì)應(yīng)的協(xié)議輸入隊(duì)列中，環(huán)回接口則按目的地址族放到對(duì)應(yīng)的輸入隊(duì)列中。
5. 接口和地址有什么關(guān)聯(lián)？
   一個(gè)接口的編址信息包括主機(jī)地址、廣播地址和網(wǎng)絡(luò)掩碼，當(dāng)內(nèi)核初始化時(shí)，每個(gè)接口分配一個(gè)鏈路層地址，可以配置有多個(gè)相同或不同的網(wǎng)絡(luò)層地址，例如2個(gè)IP地址，或者1個(gè)IP地址、1個(gè)OSI地址。

【ARP & RARP】
1. 何時(shí)發(fā)送ARP請(qǐng)求，何時(shí)應(yīng)答ARP請(qǐng)求？
   當(dāng)單播發(fā)送IP數(shù)據(jù)并且查詢ARP高速緩存失敗時(shí)，就會(huì)廣播一個(gè)詢問目的主機(jī)硬件地址的ARP請(qǐng)求；當(dāng)接收到ARP請(qǐng)求的主機(jī)就是該請(qǐng)求所要查找的目的主機(jī)或目的主機(jī)的ARP代理服務(wù)器時(shí)，就會(huì)單播一個(gè)ARP應(yīng)答。
2. 為什么兩者的以太網(wǎng)幀類型不同？
   ARP值為0x0806，RARP為0x8035，其實(shí)對(duì)于發(fā)送方來說，利用ARP的op字段可以區(qū)分RARP，但對(duì)于接收方，由于ARP實(shí)現(xiàn)在內(nèi)核中，而RARP一般實(shí)現(xiàn)為服務(wù)器，所以為了更易區(qū)分，就單獨(dú)用另一個(gè)值標(biāo)識(shí)。
3. 設(shè)計(jì)RARP服務(wù)器有哪些問題？
   一是怎么發(fā)送以太網(wǎng)幀以響應(yīng)請(qǐng)求，這與系統(tǒng)相關(guān)。二是當(dāng)存在多個(gè)服務(wù)器時(shí)，同時(shí)發(fā)送響應(yīng)幀會(huì)造成以太網(wǎng)沖突，這可以通過分主從服務(wù)器和隨機(jī)延時(shí)來優(yōu)化避免。
4. ARP在等待應(yīng)答時(shí)，它會(huì)如何處理發(fā)往給定目的的多個(gè)報(bào)文？
   在大多數(shù)的實(shí)現(xiàn)中，在等待一個(gè)ARP應(yīng)答時(shí)，只將最后一個(gè)報(bào)文發(fā)給特定目的主機(jī)。Host Requirements RFC要求實(shí)現(xiàn)中必須防止這種類型的ARP洪泛，建議最高速率是每秒一次。
5. 免費(fèi)ARP有什么作用？
   一般的ARP請(qǐng)求用于查詢目標(biāo)硬件地址，并等待應(yīng)答。而免費(fèi)的ARP發(fā)出請(qǐng)求并不一定期望應(yīng)答，這可以有兩方面的作用：
   1）一個(gè)主機(jī)可以確定是否存在相同IP地址的另一主機(jī)
   2）當(dāng)本機(jī)硬件地址改變時(shí)，通知其它主機(jī)更新ARP高速緩存。
6. ARP如何映射一個(gè)IP多播地址？
   先獲取IP多播地址的低23位，再與常量0x01005e7f0000按位或，結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的多播硬件地址。

【IP】
1. 何時(shí)何地分片？
   當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度大于鏈路接口MTU且DF=0時(shí)，開始分片，分片可發(fā)生在源主機(jī)，也可發(fā)生在中途路由器。若需要分片但DF=1，則向源主機(jī)發(fā)送ICMP不可達(dá)差錯(cuò)。
2. 如何分片？
   1）計(jì)算每個(gè)分片的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(不含IP首部)，除后一個(gè)分片外，其它分片數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)的倍數(shù)。 4. 如何重裝？
   1）使用4元組{源地址，目標(biāo)地址，協(xié)議，16位標(biāo)識(shí)}為唯一標(biāo)識(shí)查找當(dāng)前分片所屬的數(shù)據(jù)報(bào)(分片表)，如果沒有找到，則創(chuàng)建分片表，按偏移量將當(dāng)前分片插入到分片表，并啟動(dòng)重裝定時(shí)器。
   2）如果重裝定時(shí)器超時(shí)后，還沒有組裝好一個(gè)完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)，此時(shí)如果已經(jīng)收到第一個(gè)分片，則向源主機(jī)返回ICMP超時(shí)差錯(cuò)，最后丟棄收到的所有分片；否則，提交數(shù)據(jù)給適當(dāng)?shù)膫鬏攲犹幚怼?br /> 5. 哪些分組能被轉(zhuǎn)發(fā)，何時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)？
   到達(dá)非最終目的地系統(tǒng)的分組，且當(dāng)系統(tǒng)配置為可轉(zhuǎn)發(fā)或分組包含源路由時(shí)，才能被轉(zhuǎn)發(fā)，但下列類型的分組除外：1）鏈路層廣播 2）環(huán)回分組 3）網(wǎng)絡(luò)0和E類目標(biāo)地址 4）D類目標(biāo)地址。

【ICMP】
1. ICMP報(bào)文有哪些類型，何時(shí)何地生成這些報(bào)文？
   包括請(qǐng)求、應(yīng)答、差錯(cuò)和重定向4種，其中前兩者可統(tǒng)一為查詢類。請(qǐng)求當(dāng)需要查詢的時(shí)候由進(jìn)程生成，應(yīng)答由當(dāng)內(nèi)核收到請(qǐng)求報(bào)文時(shí)生成，當(dāng)主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)無(wú)法成功地提交給目的主機(jī)時(shí)，目的主機(jī)或中間路由器的IP或傳輸協(xié)議生成差錯(cuò)報(bào)文，并返回給原來的系統(tǒng)。
2. 內(nèi)核怎么處理收到的ICMP報(bào)文？
   ICMP是一種傳輸層協(xié)議，其協(xié)議號(hào)為1，當(dāng)IP層收到一個(gè)ICMP報(bào)文時(shí)，分用交給ICMP協(xié)議輸入處理，ICMP協(xié)議輸入根據(jù)其類型分別處理：1）請(qǐng)求---生成適當(dāng)?shù)膽?yīng)答報(bào)文 2）差錯(cuò)---提交給適當(dāng)?shù)膫鬏攲訁f(xié)議處理 3）應(yīng)答---提交給等待ICMP報(bào)文的進(jìn)程 4）重定向---更新路由表，并提交給等待的進(jìn)程。
3. 怎么發(fā)送ICMP報(bào)文？
   構(gòu)造ICMP報(bào)文-->計(jì)算ICMP檢驗(yàn)和-->封裝到IP數(shù)據(jù)報(bào)中-->提交給IP協(xié)議輸出處理，對(duì)于用戶進(jìn)程，須使用原始IP機(jī)制才能發(fā)送。
4. 哪些情況不會(huì)產(chǎn)生ICMP差錯(cuò)報(bào)文，為什么？
   1）ICMP差錯(cuò)報(bào)文：違反此條可能導(dǎo)致差錯(cuò)引起差錯(cuò)，無(wú)休止循環(huán)下去。
   2）源地址不是單播地址的IP數(shù)據(jù)報(bào)：違反此條導(dǎo)致差錯(cuò)可能同時(shí)發(fā)到多個(gè)主機(jī)。
   3）目的地址是廣播或多播地址的IP數(shù)據(jù)報(bào)：違反此條導(dǎo)致多個(gè)主機(jī)可能同時(shí)響應(yīng)。
   4）作為鏈路層廣播的數(shù)據(jù)報(bào)：違反此條導(dǎo)致多個(gè)主機(jī)可能同時(shí)響應(yīng)。
   5）不是IP分片的第一片：違反此條可能導(dǎo)致產(chǎn)生多個(gè)ICMP差錯(cuò)，每個(gè)分片一個(gè)。
   由此可見，違反以上幾條都會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

【TCP & UDP】
1. 為什么TCP首部存在首部長(zhǎng)度字段，而UDP卻沒有？
   TCP首部存在選項(xiàng)，如mss,timestame,nop和wscale等。
2. 為什么這兩種協(xié)議首部前面都是源和目的端口？
   當(dāng)TCP收到一個(gè)ICMP差錯(cuò)時(shí)，必須檢查兩個(gè)端口號(hào)以決定差錯(cuò)對(duì)應(yīng)于哪個(gè)連接；只有當(dāng)UDP套接口連接到對(duì)端時(shí)，用戶進(jìn)程才會(huì)收到ICMP差錯(cuò)，例如當(dāng)服務(wù)器未運(yùn)行時(shí)，返回的ICMP端口不可達(dá)消息。
3. 當(dāng)收到TCP或UDP數(shù)據(jù)包時(shí)，怎么提交給應(yīng)用層？
   插口由進(jìn)程調(diào)用socket或accept創(chuàng)建，關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的PCB(協(xié)議控制塊)上，通配匹配數(shù)由本地和外部IP地址確定，有3種取值：0--本地和外部IP都不為*、1--本地或外部IP有一個(gè)為*和2--本地和外部IP都為*。與UDP不同的是，TCP還有自己的PCB。
   1）TCP：先掃描Internet PCB，查找最小通配匹配數(shù)的插口，如果沒找到，那么響應(yīng)RST包；再查看對(duì)應(yīng)的TCP PCB，若不存在則響應(yīng)RST包，否則若TCP 狀態(tài)為關(guān)閉，則丟棄；最后交付給找到的對(duì)應(yīng)插口。
   2）UDP：這里要分2種情況，對(duì)于目的地為廣播或多播地址的IP數(shù)據(jù)報(bào)，交付給所有匹配的插口；對(duì)于目的地為單播的IP數(shù)據(jù)報(bào)，掃描Internet PCB，查找具有最小通配匹配數(shù)的插口，如果沒有找到，則向源主機(jī)發(fā)送ICMP端口不可達(dá)差錯(cuò)。如果有多個(gè)插口有相同的最小通配匹配數(shù)，那么具體由哪個(gè)插口接收依賴于不同的實(shí)現(xiàn)。
4. 計(jì)算首部檢驗(yàn)和時(shí)，為什么要引入偽首部？
   這是因?yàn)榭紤]到IP層的可能差錯(cuò)，TCP和UDP需要驗(yàn)證數(shù)據(jù)包是否被遞送到正確的協(xié)議和目的主機(jī)。
5. UDP何時(shí)會(huì)計(jì)算檢驗(yàn)和，如何區(qū)分是否使用了檢驗(yàn)和？
   UDP的檢驗(yàn)和是可選的，當(dāng)系統(tǒng)沒有禁止(udpcksum非零)時(shí)，發(fā)送方會(huì)計(jì)算檢驗(yàn)和，接收方還須輸入分組檢驗(yàn)和非零時(shí)才會(huì)計(jì)算檢驗(yàn)和。如果檢驗(yàn)和字段非零，那么就使用了，反之沒有。
6. 在TCP狀態(tài)遷移中，哪些狀態(tài)在什么情況下可直接轉(zhuǎn)到CLOSED狀態(tài)？
   SYN_SENT在連接定時(shí)器超時(shí)后，F(xiàn)IN_WAIT_2在FIN_WAIT_2定時(shí)器超時(shí)后。
7. 為什么TCP需要持續(xù)(persist)定時(shí)器、FIN_WAIT_2定時(shí)器和2MSL定時(shí)器？
   1）因?yàn)檫B接對(duì)端發(fā)送的窗口通告為ACK報(bào)文，而ACK是不會(huì)確認(rèn)的，允許TCP繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的窗口更新可能會(huì)丟失，所以需要設(shè)定persist定時(shí)器，在超時(shí)后發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)，判定對(duì)端接收窗口是否已打開。
   2）因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，當(dāng)連接主動(dòng)關(guān)閉時(shí)，會(huì)由FIN_WAIT_1狀態(tài)進(jìn)入FIN_WAIT_2狀態(tài)等待接收對(duì)端的FIN報(bào)文，但對(duì)方可能一直不發(fā)送FIN，所以需要FIN_WAIT_2定時(shí)器避免連接永遠(yuǎn)滯留在FIN_WAI_2狀態(tài)。
   3）因?yàn)楫?dāng)連接主動(dòng)關(guān)閉進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)后，將等待2個(gè)MSL時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，TCP可以重發(fā)丟失的ACK，丟棄來自新連接替身的遲到的報(bào)文段以防止被曲解，所以需要2MSL定時(shí)器，超時(shí)后關(guān)閉連接。
8. 當(dāng)TCP發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)用ip_output返回ENOBUFS差錯(cuò)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生什么情況？
   當(dāng)提交給網(wǎng)絡(luò)層因?yàn)閮?nèi)存不足發(fā)送失敗時(shí)，數(shù)據(jù)包被丟棄。如果丟棄的是數(shù)據(jù)報(bào)文，重傳定時(shí)器超時(shí)后數(shù)據(jù)將被重傳；如果丟棄的是純ACK報(bào)文，對(duì)端收不到ACK時(shí)會(huì)重傳對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文；如果丟棄的是RST報(bào)文，當(dāng)對(duì)端重傳導(dǎo)致發(fā)送RST報(bào)文的數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，將再次生成RST報(bào)文。
9. TCP何時(shí)發(fā)送ACK報(bào)文？
   對(duì)于數(shù)據(jù)、SYN和FIN報(bào)文，發(fā)送ACK，但對(duì)于純ACK和RST報(bào)文，不會(huì)發(fā)送；另外當(dāng)遇以下情況時(shí)，則立即發(fā)送。
   1）200ms延時(shí)ACK定時(shí)器超時(shí)；2）收到失序的報(bào)文段；3）三次握手收到了SYN；4）收到了FIN。
10. TCP何時(shí)發(fā)送RST報(bào)文？
   1）當(dāng)收到報(bào)文段，但沒有找到對(duì)應(yīng)的internet pcb或tcp pcb。
   2）當(dāng)連接處于LISTEN狀態(tài)時(shí)，收到了ACK報(bào)文段。
   3）當(dāng)連接處于SYS_SENT狀態(tài)時(shí)，收到了錯(cuò)誤的ACK報(bào)文段(ack小于等于iss或大于snd_max)。
   4）當(dāng)連接被動(dòng)關(guān)閉時(shí)(狀態(tài)大于CLOSE_WAIT)，收到了數(shù)據(jù)。
   5）當(dāng)連接處于SYN_RCVD狀態(tài)時(shí)，收到了錯(cuò)誤的ACK報(bào)文段(ack小于snd_una或大于snd_max)。