關(guān)于TCP/IP 協(xié)議你想明白的肮雨,都在這一篇干貨文章里

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一、 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層

不難看出箱玷,TCP/IP 與 OSI 在分層模塊上稍有區(qū)別怨规。OSI 參考模型注重“通信協(xié)議必要的功能是什么”,而 TCP/IP 則更強調(diào)“在計算機上實現(xiàn)協(xié)議應(yīng)該開發(fā)哪種程序”锡足。

二波丰、 TCP/IP 基礎(chǔ)

1. TCP/IP 的具體含義

從字面意義上講,有人可能會認(rèn)為 TCP/IP 是指 TCP 和 IP 兩種協(xié)議舶得。實際生活當(dāng)中有時也確實就是指這兩種協(xié)議掰烟。然而在很多情況下,它只是利用 IP 進行通信時所必須用到的協(xié)議群的統(tǒng)稱。具體來說纫骑,IP 或 ICMP蝎亚、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP惧磺、以及 HTTP 等都屬于 TCP/IP 協(xié)議颖对。他們與 TCP 或 IP 的關(guān)系緊密捻撑,是互聯(lián)網(wǎng)必不可少的組成部分磨隘。TCP/IP 一詞泛指這些協(xié)議,因此顾患,有時也稱 TCP/IP 為網(wǎng)際協(xié)議群番捂。

互聯(lián)網(wǎng)進行通信時,需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議江解,TCP/IP 原本就是為使用互聯(lián)網(wǎng)而開發(fā)制定的協(xié)議族设预。因此,互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議就是 TCP/IP犁河,TCP/IP 就是互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議鳖枕。

網(wǎng)際協(xié)議群

2. 數(shù)據(jù)包

包、幀桨螺、數(shù)據(jù)包宾符、段、消息

以上五個術(shù)語都用來表述數(shù)據(jù)的單位灭翔,大致區(qū)分如下:

包可以說是全能性術(shù)語魏烫;

幀用于表示數(shù)據(jù)鏈路層中包的單位;

數(shù)據(jù)包是 IP 和 UDP 等網(wǎng)絡(luò)層以上的分層中包的單位肝箱;

段則表示 TCP 數(shù)據(jù)流中的信息哄褒;

消息是指應(yīng)用協(xié)議中數(shù)據(jù)的單位。

每個分層中煌张,都會對所發(fā)送的數(shù)據(jù)附加一個首部呐赡,在這個首部中包含了該層必要的信息,如發(fā)送的目標(biāo)地址以及協(xié)議相關(guān)信息骏融。通常链嘀,為協(xié)議提供的信息為包首部,所要發(fā)送的內(nèi)容為數(shù)據(jù)绎谦。在下一層的角度看管闷,從上一層收到的包全部都被認(rèn)為是本層的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)包首部

網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包由兩部分組成:一部分是協(xié)議所要用到的首部窃肠,另一部分是上一層傳過來的數(shù)據(jù)包个。首部的結(jié)構(gòu)由協(xié)議的具體規(guī)范詳細定義。在數(shù)據(jù)包的首部,明確標(biāo)明了協(xié)議應(yīng)該如何讀取數(shù)據(jù)碧囊。反過來說树灶,看到首部,也就能夠了解該協(xié)議必要的信息以及所要處理的數(shù)據(jù)糯而。包首部就像協(xié)議的臉天通。

3. 數(shù)據(jù)處理流程

下圖以用戶 a 向用戶 b 發(fā)送郵件為例子:

數(shù)據(jù)處理流程

① 應(yīng)用程序處理

首先應(yīng)用程序會進行編碼處理,這些編碼相當(dāng)于 OSI 的表示層功能熄驼;

編碼轉(zhuǎn)化后像寒,郵件不一定馬上被發(fā)送出去,這種何時建立通信連接何時發(fā)送數(shù)據(jù)的管理功能瓜贾,相當(dāng)于 OSI 的會話層功能诺祸。

② TCP 模塊的處理

TCP 根據(jù)應(yīng)用的指示,負責(zé)建立連接祭芦、發(fā)送數(shù)據(jù)以及斷開連接筷笨。TCP 提供將應(yīng)用層發(fā)來的數(shù)據(jù)順利發(fā)送至對端的可靠傳輸。為了實現(xiàn)這一功能龟劲,需要在應(yīng)用層數(shù)據(jù)的前端附加一個 TCP 首部胃夏。

③ IP 模塊的處理

IP 將 TCP 傳過來的 TCP 首部和 TCP 數(shù)據(jù)合起來當(dāng)做自己的數(shù)據(jù),并在 TCP 首部的前端加上自己的 IP 首部昌跌。IP 包生成后仰禀,參考路由控制表決定接受此 IP 包的路由或主機。

④ 網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)驅(qū)動)的處理

從 IP 傳過來的 IP 包對于以太網(wǎng)來說就是數(shù)據(jù)避矢。給這些數(shù)據(jù)附加上以太網(wǎng)首部并進行發(fā)送處理悼瘾,生成的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包將通過物理層傳輸給接收端。

⑤ 網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)驅(qū)動)的處理

主機收到以太網(wǎng)包后审胸,首先從以太網(wǎng)包首部找到 MAC 地址判斷是否為發(fā)送給自己的包亥宿,若不是則丟棄數(shù)據(jù)。

如果是發(fā)送給自己的包砂沛,則從以太網(wǎng)包首部中的類型確定數(shù)據(jù)類型烫扼,再傳給相應(yīng)的模塊,如 IP碍庵、ARP 等映企。這里的例子則是 IP 。

⑥ IP 模塊的處理

IP 模塊接收到 數(shù)據(jù)后也做類似的處理静浴。從包首部中判斷此 IP 地址是否與自己的 IP 地址匹配堰氓,如果匹配則根據(jù)首部的協(xié)議類型將數(shù)據(jù)發(fā)送給對應(yīng)的模塊,如 TCP苹享、UDP双絮。這里的例子則是 TCP。

另外嗎,對于有路由器的情況囤攀,接收端地址往往不是自己的地址软免,此時,需要借助路由控制表焚挠,在調(diào)查應(yīng)該送往的主機或路由器之后再進行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)膏萧。

⑦ TCP 模塊的處理

在 TCP 模塊中,首先會計算一下校驗和蝌衔,判斷數(shù)據(jù)是否被破壞榛泛。然后檢查是否在按照序號接收數(shù)據(jù)。最后檢查端口號胚委,確定具體的應(yīng)用程序挟鸠。數(shù)據(jù)被完整地接收以后,會傳給由端口號識別的應(yīng)用程序亩冬。

⑧ 應(yīng)用程序的處理

接收端應(yīng)用程序會直接接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過解析數(shù)據(jù)硼身,展示相應(yīng)的內(nèi)容硅急。

三、傳輸層中的 TCP 和 UDP

TCP/IP 中有兩個具有代表性的傳輸層協(xié)議佳遂,分別是 TCP 和 UDP营袜。

TCP 是面向連接的、可靠的流協(xié)議丑罪。流就是指不間斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)荚板,當(dāng)應(yīng)用程序采用 TCP 發(fā)送消息時,雖然可以保證發(fā)送的順序吩屹,但還是猶如沒有任何間隔的數(shù)據(jù)流發(fā)送給接收端跪另。TCP 為提供可靠性傳輸,實行“順序控制”或“重發(fā)控制”機制煤搜。此外還具備“流控制(流量控制)”免绿、“擁塞控制”、提高網(wǎng)絡(luò)利用率等眾多功能擦盾。

UDP 是不具有可靠性的數(shù)據(jù)報協(xié)議嘲驾。細微的處理它會交給上層的應(yīng)用去完成。在 UDP 的情況下迹卢,雖然可以確保發(fā)送消息的大小辽故,卻不能保證消息一定會到達。因此腐碱,應(yīng)用有時會根據(jù)自己的需要進行重發(fā)處理誊垢。

TCP 和 UDP 的優(yōu)缺點無法簡單地、絕對地去做比較:TCP 用于在傳輸層有必要實現(xiàn)可靠傳輸?shù)那闆r;而在一方面彤枢,UDP 主要用于那些對高速傳輸和實時性有較高要求的通信或廣播通信狰晚。TCP 和 UDP 應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用的目的按需使用。

1. 端口號

數(shù)據(jù)鏈路和 IP 中的地址缴啡,分別指的是 MAC 地址和 IP 地址壁晒。前者用來識別同一鏈路中不同的計算機,后者用來識別 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中互連的主機和路由器业栅。在傳輸層也有這種類似于地址的概念秒咐,那就是端口號。端口號用來識別同一臺計算機中進行通信的不同應(yīng)用程序碘裕。因此携取,它也被稱為程序地址。

1.1 根據(jù)端口號識別應(yīng)用

一臺計算機上同時可以運行多個程序帮孔。傳輸層協(xié)議正是利用這些端口號識別本機中正在進行通信的應(yīng)用程序雷滋,并準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)傳輸。

通過端口號識別應(yīng)用

1.2 通過 IP 地址文兢、端口號晤斩、協(xié)議號進行通信識別

僅憑目標(biāo)端口號識別某一個通信是遠遠不夠的。

通過端口號姆坚、IP地址澳泵、協(xié)議號進行通信識別

① 和② 的通信是在兩臺計算機上進行的。它們的目標(biāo)端口號相同兼呵,都是80兔辅。這里可以根據(jù)源端口號加以區(qū)分。

③ 和 ① 的目標(biāo)端口號和源端口號完全相同击喂,但它們各自的源 IP 地址不同维苔。

此外,當(dāng) IP 地址和端口號全都一樣時茫负,我們還可以通過協(xié)議號來區(qū)分(TCP 和 UDP)蕉鸳。

1.3 端口號的確定

標(biāo)準(zhǔn)既定的端口號:這種方法也叫靜態(tài)方法。它是指每個應(yīng)用程序都有其指定的端口號忍法。但并不是說可以隨意使用任何一個端口號潮尝。例如 HTTP、FTP饿序、TELNET 等廣為使用的應(yīng)用協(xié)議中所使用的端口號就是固定的勉失。這些端口號被稱為知名端口號,分布在 0~1023 之間原探;除知名端口號之外乱凿,還有一些端口號被正式注冊顽素,它們分布在 1024~49151 之間,不過這些端口號可用于任何通信用途徒蟆。

時序分配法:服務(wù)器有必要確定監(jiān)聽端口號胁出,但是接受服務(wù)的客戶端沒必要確定端口號。在這種方法下段审,客戶端應(yīng)用程序完全可以不用自己設(shè)置端口號全蝶,而全權(quán)交給操作系統(tǒng)進行分配。動態(tài)分配的端口號范圍在 49152~65535 之間寺枉。

1.4 端口號與協(xié)議

端口號由其使用的傳輸層協(xié)議決定抑淫。因此,不同的傳輸層協(xié)議可以使用相同的端口號姥闪。

此外始苇,那些知名端口號與傳輸層協(xié)議并無關(guān)系。只要端口一致都將分配同一種應(yīng)用程序進行處理筐喳。

2. UDP

UDP 不提供復(fù)雜的控制機制催式,利用 IP 提供面向無連接的通信服務(wù)。

并且它是將應(yīng)用程序發(fā)來的數(shù)據(jù)在收到的那一刻疏唾,立即按照原樣發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的一種機制蓄氧。即使是出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況,UDP 也無法進行流量控制等避免網(wǎng)絡(luò)擁塞行為槐脏。

此外或辖,傳輸途中出現(xiàn)丟包廊勃,UDP 也不負責(zé)重發(fā)。

甚至當(dāng)包的到達順序出現(xiàn)亂序時也沒有糾正的功能腺兴。

如果需要以上的細節(jié)控制蔑担,不得不交由采用 UDP 的應(yīng)用程序去處理牌废。

UDP 常用于一下幾個方面:1.包總量較少的通信(DNS、SNMP等)啤握;2.視頻鸟缕、音頻等多媒體通信(即時通信);3.限定于 LAN 等特定網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用通信排抬;4.廣播通信(廣播懂从、多播)。

3. TCP

TCP 與 UDP 的區(qū)別相當(dāng)大蹲蒲。它充分地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸時各種控制功能番甩,可以進行丟包時的重發(fā)控制,還可以對次序亂掉的分包進行順序控制届搁。而這些在 UDP 中都沒有缘薛。

此外窍育,TCP 作為一種面向有連接的協(xié)議,只有在確認(rèn)通信對端存在時才會發(fā)送數(shù)據(jù)宴胧,從而可以控制通信流量的浪費漱抓。

根據(jù) TCP 的這些機制,在 IP 這種無連接的網(wǎng)絡(luò)上也能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的通信( 主要通過檢驗和恕齐、序列號乞娄、確認(rèn)應(yīng)答、重發(fā)控制檐迟、連接管理以及窗口控制等機制實現(xiàn))补胚。

3.1 三次握手(重點)

TCP 提供面向有連接的通信傳輸。面向有連接是指在數(shù)據(jù)通信開始之前先做好兩端之間的準(zhǔn)備工作追迟。

所謂三次握手是指建立一個 TCP 連接時需要客戶端和服務(wù)器端總共發(fā)送三個包以確認(rèn)連接的建立溶其。在socket編程中,這一過程由客戶端執(zhí)行connect來觸發(fā)敦间。

下面來看看三次握手的流程圖:

三次握手

第一次握手:客戶端將標(biāo)志位SYN置為1瓶逃,隨機產(chǎn)生一個值seq=J,并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器端廓块,客戶端進入SYN_SENT狀態(tài)厢绝,等待服務(wù)器端確認(rèn)。

第二次握手:服務(wù)器端收到數(shù)據(jù)包后由標(biāo)志位SYN=1知道客戶端請求建立連接带猴,服務(wù)器端將標(biāo)志位SYN和ACK都置為1昔汉,ack=J+1,隨機產(chǎn)生一個值seq=K拴清,并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端以確認(rèn)連接請求靶病,服務(wù)器端進入SYN_RCVD狀態(tài)。

第三次握手:客戶端收到確認(rèn)后口予,檢查ack是否為J+1娄周,ACK是否為1,如果正確則將標(biāo)志位ACK置為1沪停,ack=K+1煤辨,并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器端,服務(wù)器端檢查ack是否為K+1木张,ACK是否為1众辨,如果正確則連接建立成功,客戶端和服務(wù)器端進入ESTABLISHED狀態(tài)窟哺,完成三次握手泻轰,隨后客戶端與服務(wù)器端之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

3.2 四次揮手(重點)

四次揮手即終止TCP連接且轨,就是指斷開一個TCP連接時浮声,需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送4個包以確認(rèn)連接的斷開虚婿。在socket編程中,這一過程由客戶端或服務(wù)端任一方執(zhí)行close來觸發(fā)泳挥。

由于TCP連接是全雙工的然痊,因此,每個方向都必須要單獨進行關(guān)閉屉符,這一原則是當(dāng)一方完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后剧浸,發(fā)送一個FIN來終止這一方向的連接,收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動了矗钟,即不會再收到數(shù)據(jù)了唆香,但是在這個TCP連接上仍然能夠發(fā)送數(shù)據(jù),直到這一方向也發(fā)送了FIN吨艇。首先進行關(guān)閉的一方將執(zhí)行主動關(guān)閉躬它,而另一方則執(zhí)行被動關(guān)閉。

下面來看看四次揮手的流程圖:

四次揮手

中斷連接端可以是客戶端东涡,也可以是服務(wù)器端冯吓。

第一次揮手:客戶端發(fā)送一個FIN=M,用來關(guān)閉客戶端到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳送疮跑,客戶端進入FIN_WAIT_1狀態(tài)组贺。意思是說"我客戶端沒有數(shù)據(jù)要發(fā)給你了",但是如果你服務(wù)器端還有數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完成祖娘,則不必急著關(guān)閉連接失尖,可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

第二次揮手:服務(wù)器端收到FIN后渐苏,先發(fā)送ack=M+1雹仿,告訴客戶端,你的請求我收到了整以,但是我還沒準(zhǔn)備好,請繼續(xù)你等我的消息峻仇。這個時候客戶端就進入FIN_WAIT_2 狀態(tài)公黑,繼續(xù)等待服務(wù)器端的FIN報文。

第三次揮手:當(dāng)服務(wù)器端確定數(shù)據(jù)已發(fā)送完成摄咆,則向客戶端發(fā)送FIN=N報文凡蚜,告訴客戶端,好了吭从,我這邊數(shù)據(jù)發(fā)完了朝蜘,準(zhǔn)備好關(guān)閉連接了。服務(wù)器端進入LAST_ACK狀態(tài)涩金。

第四次揮手:客戶端收到FIN=N報文后谱醇,就知道可以關(guān)閉連接了暇仲,但是他還是不相信網(wǎng)絡(luò),怕服務(wù)器端不知道要關(guān)閉副渴,所以發(fā)送ack=N+1后進入TIME_WAIT狀態(tài)奈附,如果Server端沒有收到ACK則可以重傳。服務(wù)器端收到ACK后煮剧,就知道可以斷開連接了斥滤。客戶端等待了2MSL后依然沒有收到回復(fù)勉盅,則證明服務(wù)器端已正常關(guān)閉佑颇,那好,我客戶端也可以關(guān)閉連接了草娜。最終完成了四次握手挑胸。

上面是一方主動關(guān)閉,另一方被動關(guān)閉的情況驱还,實際中還會出現(xiàn)同時發(fā)起主動關(guān)閉的情況嗜暴,

具體流程如下圖:

同時揮手

3.3 通過序列號與確認(rèn)應(yīng)答提高可靠性

在 TCP 中,當(dāng)發(fā)送端的數(shù)據(jù)到達接收主機時议蟆,接收端主機會返回一個已收到消息的通知闷沥。這個消息叫做確認(rèn)應(yīng)答(ACK)。當(dāng)發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)出之后會等待對端的確認(rèn)應(yīng)答咐容。如果有確認(rèn)應(yīng)答舆逃,說明數(shù)據(jù)已經(jīng)成功到達對端。反之戳粒,則數(shù)據(jù)丟失的可能性很大路狮。

在一定時間內(nèi)沒有等待到確認(rèn)應(yīng)答,發(fā)送端就可以認(rèn)為數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失蔚约,并進行重發(fā)奄妨。由此,即使產(chǎn)生了丟包苹祟,仍然能夠保證數(shù)據(jù)能夠到達對端砸抛,實現(xiàn)可靠傳輸。

未收到確認(rèn)應(yīng)答并不意味著數(shù)據(jù)一定丟失树枫。也有可能是數(shù)據(jù)對方已經(jīng)收到直焙,只是返回的確認(rèn)應(yīng)答在途中丟失。這種情況也會導(dǎo)致發(fā)送端誤以為數(shù)據(jù)沒有到達目的地而重發(fā)數(shù)據(jù)砂轻。

此外奔誓,也有可能因為一些其他原因?qū)е麓_認(rèn)應(yīng)答延遲到達,在源主機重發(fā)數(shù)據(jù)以后才到達的情況也屢見不鮮搔涝。此時厨喂,源主機只要按照機制重發(fā)數(shù)據(jù)即可和措。

對于目標(biāo)主機來說,反復(fù)收到相同的數(shù)據(jù)是不可取的杯聚。為了對上層應(yīng)用提供可靠的傳輸臼婆,目標(biāo)主機必須放棄重復(fù)的數(shù)據(jù)包。為此我們引入了序列號幌绍。

序列號是按照順序給發(fā)送數(shù)據(jù)的每一個字節(jié)(8位字節(jié))都標(biāo)上號碼的編號颁褂。接收端查詢接收數(shù)據(jù) TCP 首部中的序列號和數(shù)據(jù)的長度,將自己下一步應(yīng)該接收的序列號作為確認(rèn)應(yīng)答返送回去傀广。通過序列號和確認(rèn)應(yīng)答號颁独,TCP 能夠識別是否已經(jīng)接收數(shù)據(jù),又能夠判斷是否需要接收伪冰,從而實現(xiàn)可靠傳輸誓酒。

序列號和確認(rèn)應(yīng)答

3.4 重發(fā)超時的確定

重發(fā)超時是指在重發(fā)數(shù)據(jù)之前,等待確認(rèn)應(yīng)答到來的那個特定時間間隔贮聂。如果超過這個時間仍未收到確認(rèn)應(yīng)答靠柑,發(fā)送端將進行數(shù)據(jù)重發(fā)。最理想的是吓懈,找到一個最小時間歼冰,它能保證“確認(rèn)應(yīng)答一定能在這個時間內(nèi)返回”。

TCP 要求不論處在何種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都要提供高性能通信耻警,并且無論網(wǎng)絡(luò)擁堵情況發(fā)生何種變化隔嫡,都必須保持這一特性。為此甘穿,它在每次發(fā)包時都會計算往返時間及其偏差腮恩。將這個往返時間和偏差時間相加,重發(fā)超時的時間就是比這個總和要稍大一點的值温兼。

在 BSD 的 Unix 以及 Windows 系統(tǒng)中秸滴,超時都以0.5秒為單位進行控制,因此重發(fā)超時都是0.5秒的整數(shù)倍募判。不過缸榛,最初其重發(fā)超時的默認(rèn)值一般設(shè)置為6秒左右。

數(shù)據(jù)被重發(fā)之后若還是收不到確認(rèn)應(yīng)答兰伤,則進行再次發(fā)送。此時钧排,等待確認(rèn)應(yīng)答的時間將會以2倍敦腔、4倍的指數(shù)函數(shù)延長。

此外恨溜,數(shù)據(jù)也不會被無限符衔、反復(fù)地重發(fā)找前。達到一定重發(fā)次數(shù)之后,如果仍沒有任何確認(rèn)應(yīng)答返回判族,就會判斷為網(wǎng)絡(luò)或?qū)Χ酥鳈C發(fā)生了異常躺盛,強制關(guān)閉連接。并且通知應(yīng)用通信異常強行終止形帮。

3.5 以段為單位發(fā)送數(shù)據(jù)

在建立 TCP 連接的同時槽惫,也可以確定發(fā)送數(shù)據(jù)包的單位,我們也可以稱其為“最大消息長度”(MSS)辩撑。最理想的情況是界斜,最大消息長度正好是 IP 中不會被分片處理的最大數(shù)據(jù)長度。

TCP 在傳送大量數(shù)據(jù)時合冀,是以 MSS 的大小將數(shù)據(jù)進行分割發(fā)送各薇。進行重發(fā)時也是以 MSS 為單位。

MSS 在三次握手的時候君躺,在兩端主機之間被計算得出峭判。兩端的主機在發(fā)出建立連接的請求時,會在 TCP 首部中寫入 MSS 選項棕叫,告訴對方自己的接口能夠適應(yīng)的 MSS 的大小林螃。然后會在兩者之間選擇一個較小的值投入使用。

3.6 利用窗口控制提高速度

TCP 以1個段為單位谍珊,每發(fā)送一個段進行一次確認(rèn)應(yīng)答的處理治宣。這樣的傳輸方式有一個缺點,就是包的往返時間越長通信性能就越低砌滞。

為解決這個問題侮邀,TCP 引入了窗口這個概念。確認(rèn)應(yīng)答不再是以每個分段贝润,而是以更大的單位進行確認(rèn)绊茧,轉(zhuǎn)發(fā)時間將會被大幅地縮短。也就是說打掘,發(fā)送端主機华畏,在發(fā)送了一個段以后不必要一直等待確認(rèn)應(yīng)答,而是繼續(xù)發(fā)送尊蚁。如下圖所示:

窗口控制

窗口大小就是指無需等待確認(rèn)應(yīng)答而可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的最大值亡笑。上圖中窗口大小為4個段。這個機制實現(xiàn)了使用大量的緩沖區(qū)横朋,通過對多個段同時進行確認(rèn)應(yīng)答的功能仑乌。

3.7 滑動窗口控制

滑動窗口

上圖中的窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)即便沒有收到確認(rèn)應(yīng)答也可以被發(fā)送出去。不過,在整個窗口的確認(rèn)應(yīng)答沒有到達之前晰甚,如果其中部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)丟包衙传,那么發(fā)送端仍然要負責(zé)重傳。為此厕九,發(fā)送端主機需要設(shè)置緩存保留這些待被重傳的數(shù)據(jù)蓖捶,直到收到他們的確認(rèn)應(yīng)答。

在滑動窗口以外的部分包括未發(fā)送的數(shù)據(jù)以及已經(jīng)確認(rèn)對端已收到的數(shù)據(jù)扁远。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)出后若如期收到確認(rèn)應(yīng)答就可以不用再進行重發(fā)俊鱼,此時數(shù)據(jù)就可以從緩存區(qū)清除。

收到確認(rèn)應(yīng)答的情況下穿香,將窗口滑動到確認(rèn)應(yīng)答中的序列號的位置亭引。這樣可以順序地將多個段同時發(fā)送提高通信性能。這種機制也別稱為滑動窗口控制皮获。

3.8 窗口控制中的重發(fā)控制

在使用窗口控制中焙蚓, 出現(xiàn)丟包一般分為兩種情況:

① 確認(rèn)應(yīng)答未能返回的情況。在這種情況下洒宝,數(shù)據(jù)已經(jīng)到達對端购公,是不需要再進行重發(fā)的,如下圖:

部分確認(rèn)應(yīng)答丟失

② 某個報文段丟失的情況雁歌。接收主機如果收到一個自己應(yīng)該接收的序列號以外的數(shù)據(jù)時宏浩,會針對當(dāng)前為止收到數(shù)據(jù)返回確認(rèn)應(yīng)答。如下圖所示靠瞎,當(dāng)某一報文段丟失后比庄,發(fā)送端會一直收到序號為1001的確認(rèn)應(yīng)答,因此乏盐,在窗口比較大佳窑,又出現(xiàn)報文段丟失的情況下,同一個序列號的確認(rèn)應(yīng)答將會被重復(fù)不斷地返回父能。而發(fā)送端主機如果連續(xù)3次收到同一個確認(rèn)應(yīng)答神凑,就會將其對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行重發(fā)。這種機制比之前提到的超時管理更加高效何吝,因此也被稱為高速重發(fā)控制溉委。

高速重發(fā)控制

四、網(wǎng)絡(luò)層中的 IP 協(xié)議

IP(IPv4爱榕、IPv6)相當(dāng)于 OSI 參考模型中的第3層——網(wǎng)絡(luò)層瓣喊。網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是“實現(xiàn)終端節(jié)點之間的通信”。這種終端節(jié)點之間的通信也叫“點對點通信”黔酥。

網(wǎng)絡(luò)的下一層——數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是在互連同一種數(shù)據(jù)鏈路的節(jié)點之間進行包傳遞型宝。而一旦跨越多種數(shù)據(jù)鏈路八匠,就需要借助網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層可以跨越不同的數(shù)據(jù)鏈路趴酣,即使是在不同的數(shù)據(jù)鏈路上也能實現(xiàn)兩端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)包傳輸。

IP 大致分為三大作用模塊坑夯,它們是 IP 尋址岖寞、路由(最終節(jié)點為止的轉(zhuǎn)發(fā))以及 IP 分包與組包。

1. IP 地址

1.1 IP 地址概述

在計算機通信中柜蜈,為了識別通信對端仗谆,必須要有一個類似于地址的識別碼進行標(biāo)識。在數(shù)據(jù)鏈路中的 MAC 地址正是用來標(biāo)識同一個鏈路中不同計算機的一種識別碼淑履。

作為網(wǎng)絡(luò)層的 IP ,也有這種地址信息隶垮,一般叫做 IP 地址。IP 地址用于在“連接到網(wǎng)絡(luò)中的所有主機中識別出進行通信的目標(biāo)地址”秘噪。因此狸吞,在 TCP/IP 通信中所有主機或路由器必須設(shè)定自己的 IP 地址。

不論一臺主機與哪種數(shù)據(jù)鏈路連接指煎,其 IP 地址的形式都保持不變蹋偏。

IP 地址(IPv4 地址)由32位正整數(shù)來表示。IP 地址在計算機內(nèi)部以二進制方式被處理至壤。然而威始,由于我們并不習(xí)慣于采用二進制方式,我們將32位的 IP 地址以每8位為一組像街,分成4組黎棠,每組以 “.” 隔開,再將每組數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)镰绎。如下:

1.2 IP 地址由網(wǎng)絡(luò)和主機兩部分標(biāo)識組成

如下圖脓斩,網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識在數(shù)據(jù)鏈路的每個段配置不同的值。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識必須保證相互連接的每個段的地址不相重復(fù)跟狱。而相同段內(nèi)相連的主機必須有相同的網(wǎng)絡(luò)地址俭厚。IP 地址的“主機標(biāo)識”則不允許在同一個網(wǎng)段內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)。由此驶臊,可以通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址挪挤,在相互連接的整個網(wǎng)絡(luò)中保證每臺主機的 IP 地址都不會相互重疊。即 IP 地址具有了唯一性关翎。

IP地址的主機標(biāo)識

如下圖扛门,IP 包被轉(zhuǎn)發(fā)到途中某個路由器時,正是利用目標(biāo) IP 地址的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識進行路由纵寝。因為即使不看主機標(biāo)識论寨,只要一見到網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識就能判斷出是否為該網(wǎng)段內(nèi)的主機星立。

IP地址的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識

1.3 IP 地址的分類

IP 地址分為四個級別,分別為A類葬凳、B類绰垂、C類、D類火焰。它根據(jù) IP 地址中從第 1 位到第 4 位的比特列對其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和主機標(biāo)識進行區(qū)分劲装。

A 類 IP 地址是首位以 “0” 開頭的地址。從第 1 位到第 8 位是它的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識昌简。用十進制表示的話占业,0.0.0.0~127.0.0.0 是 A 類的網(wǎng)絡(luò)地址。A 類地址的后 24 位相當(dāng)于主機標(biāo)識纯赎。因此谦疾,一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為16,777,214個。

B 類 IP 地址是前兩位 “10” 的地址犬金。從第 1 位到第 16 位是它的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識念恍。用十進制表示的話,128.0.0.0~191.255.0.0 是 B 類的網(wǎng)絡(luò)地址佑附。B 類地址的后 16 位相當(dāng)于主機標(biāo)識樊诺。因此,一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為65,534個音同。

C 類 IP 地址是前三位為 “110” 的地址词爬。從第 1 位到第 24 位是它的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識。用十進制表示的話权均,192.0.0.0~223.255.255.0 是 C 類的網(wǎng)絡(luò)地址顿膨。C 類地址的后 8 位相當(dāng)于主機標(biāo)識。因此叽赊,一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為254個恋沃。

D 類 IP 地址是前四位為 “1110” 的地址。從第 1 位到第 32 位是它的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識必指。用十進制表示的話囊咏,224.0.0.0~239.255.255.255 是 D 類的網(wǎng)絡(luò)地址。D 類地址沒有主機標(biāo)識塔橡,常用于多播梅割。

在分配 IP 地址時關(guān)于主機標(biāo)識有一點需要注意。即要用比特位表示主機地址時葛家,不可以全部為 0 或全部為 1户辞。因為全部為 0 只有在表示對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址或 IP 地址不可以獲知的情況下才使用。而全部為 1 的主機通常作為廣播地址癞谒。因此底燎,在分配過程中刃榨,應(yīng)該去掉這兩種情況。這也是為什么 C 類地址每個網(wǎng)段最多只能有 254( 28 - 2 = 254)個主機地址的原因双仍。

1.4 廣播地址

廣播地址用于在同一個鏈路中相互連接的主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)包枢希。將 IP 地址中的主機地址部分全部設(shè)置為 1,就成了廣播地址朱沃。

廣播分為本地廣播和直接廣播兩種晴玖。在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的廣播叫做本地廣播;在不同網(wǎng)絡(luò)之間的廣播叫做直接廣播为流。

1.5 IP 多播

多播用于將包發(fā)送給特定組內(nèi)的所有主機。由于其直接使用 IP 地址让簿,因此也不存在可靠傳輸敬察。

相比于廣播,多播既可以穿透路由器尔当,又可以實現(xiàn)只給那些必要的組發(fā)送數(shù)據(jù)包莲祸。請看下圖:

IP 多播

多播使用 D 類地址。因此椭迎,如果從首位開始到第 4 位是 “1110”锐帜,就可以認(rèn)為是多播地址。而剩下的 28 位可以成為多播的組編號畜号。

此外缴阎, 對于多播,所有的主機(路由器以外的主機和終端主機)必須屬于 224.0.0.1 的組简软,所有的路由器必須屬于 224.0.0.2 的組蛮拔。

1.6 子網(wǎng)掩碼

現(xiàn)在一個 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和主機標(biāo)識已不再受限于該地址的類別,而是由一個叫做“子網(wǎng)掩碼”的識別碼通過子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址細分出比 A 類痹升、B 類建炫、C 類更小粒度的網(wǎng)絡(luò)。這種方式實際上就是將原來 A 類疼蛾、B 類肛跌、C 類等分類中的主機地址部分用作子網(wǎng)地址,可以將原網(wǎng)絡(luò)分為多個物理網(wǎng)絡(luò)的一種機制察郁。

子網(wǎng)掩碼用二進制方式表示的話衍慎,也是一個 32 位的數(shù)字。它對應(yīng) IP 地址網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識部分的位全部為 “1”绳锅,對應(yīng) IP 地址主機標(biāo)識的部分則全部為 “0”西饵。由此,一個 IP 地址可以不再受限于自己的類別鳞芙,而是可以用這樣的子網(wǎng)掩碼自由地定位自己的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識長度眷柔。當(dāng)然期虾,子網(wǎng)掩碼必須是 IP 地址的首位開始連續(xù)的 “1”。

對于子網(wǎng)掩碼,目前有兩種表示方式。第一種是纺且,將 IP 地址與子網(wǎng)掩碼的地址分別用兩行來表示催烘。以 172.20.100.52 的前 26 位是網(wǎng)絡(luò)地址的情況為例,如下:

第二種表示方式是疏咐,在每個 IP 地址后面追加網(wǎng)絡(luò)地址的位數(shù)用 “/ ” 隔開,如下:

2. 路由

發(fā)送數(shù)據(jù)包時所使用的地址是網(wǎng)絡(luò)層的地址,即 IP 地址聋涨。然而僅僅有 IP 地址還不足以實現(xiàn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到對端目標(biāo)地址,在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中還需要類似于“指明路由器或主機”的信息负乡,以便真正發(fā)往目標(biāo)地址牍白。保存這種信息的就是路由控制表。

該路由控制表的形成方式有兩種:一種是管理員手動設(shè)置抖棘,另一種是路由器與其他路由器相互交換信息時自動刷新茂腥。前者也叫做靜態(tài)路由控制,而后者叫做動態(tài)路由控制切省。

IP 協(xié)議始終認(rèn)為路由表是正確的最岗。然后,IP 本身并沒有定義制作路由控制表的協(xié)議朝捆。即 IP 沒有制作路由控制表的機制般渡。該表示由一個叫做“路由協(xié)議”的協(xié)議制作而成。

2.1 IP 地址與路由控制

IP 地址的網(wǎng)絡(luò)地址部分用于進行路由控制右蹦。

路由控制表中記錄著網(wǎng)絡(luò)地址與下一步應(yīng)該發(fā)送至路由器的地址诊杆。

在發(fā)送 IP 包時,首先要確定 IP 包首部中的目標(biāo)地址何陆,再從路由控制表中找到與該地址具有相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄晨汹,根據(jù)該記錄將 IP 包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的下一個路由器。如果路由控制表中存在多條相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄贷盲,就選擇一個最為吻合的網(wǎng)絡(luò)地址淘这。

路由控制表與 IP 包發(fā)送

3. IP 分包與組包

每種數(shù)據(jù)鏈路的最大傳輸單元(MTU)都不盡相同,因為每個不同類型的數(shù)據(jù)鏈路的使用目的不同巩剖。使用目的不同铝穷,可承載的 MTU 也就不同。

任何一臺主機都有必要對 IP 分片進行相應(yīng)的處理佳魔。分片往往在網(wǎng)絡(luò)上遇到比較大的報文無法一下子發(fā)送出去時才會進行處理曙聂。

經(jīng)過分片之后的 IP 數(shù)據(jù)報在被重組的時候,只能由目標(biāo)主機進行鞠鲜。路由器雖然做分片但不會進行重組宁脊。

3.1 路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)

分片機制也有它的不足断国。如路由器的處理負荷加重之類。因此榆苞,只要允許稳衬,是不希望由路由器進行 IP 數(shù)據(jù)包的分片處理的。

為了應(yīng)對分片機制的不足坐漏,“路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)” 技術(shù)應(yīng)運而生薄疚。路徑 MTU 指的是,從發(fā)送端主機到接收端主機之間不需要分片是最大 MTU 的大小赊琳。即路徑中存在的所有數(shù)據(jù)鏈路中最小的 MTU 街夭。

進行路徑 MTU 發(fā)現(xiàn),就可以避免在中途的路由器上進行分片處理躏筏,也可以在 TCP 中發(fā)送更大的包莱坎。

4. IPv6

IPv6(IP version 6)是為了根本解決 IPv4 地址耗盡的問題而被標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)際協(xié)議。IPv4 的地址長度為 4 個 8 位字節(jié)寸士,即 32 比特。而 IPv6 的地址長度則是原來的 4 倍碴卧,即 128 比特弱卡,一般寫成 8 個 16 位字節(jié)。

4.1 IPv6 的特點

IP 得知的擴大與路由控制表的聚合住册。

性能提升婶博。包首部長度采用固定的值(40字節(jié)),不再采用首部檢驗碼荧飞。簡化首部結(jié)構(gòu)凡人,減輕路由器負擔(dān)。路由器不再做分片處理叹阔。

支持即插即用功能挠轴。即使沒有DHCP服務(wù)器也可以實現(xiàn)自動分配 IP 地址。

采用認(rèn)證與加密功能耳幢。應(yīng)對偽造 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)安全功能以及防止線路竊聽的功能岸晦。

多播、Mobile IP 成為擴展功能睛藻。

4.2 IPv6 中 IP 地址的標(biāo)記方法

一般人們將 128 比特 IP 地址以每 16 比特為一組启上,每組用冒號(“:”)隔開進行標(biāo)記。

而且如果出現(xiàn)連續(xù)的 0 時還可以將這些 0 省略店印,并用兩個冒號(“::”)隔開冈在。但是,一個 IP 地址中只允許出現(xiàn)一次兩個連續(xù)的冒號按摘。

4.3 IPv6 地址的結(jié)構(gòu)

IPv6 類似 IPv4包券,也是通過 IP 地址的前幾位標(biāo)識 IP 地址的種類纫谅。

在互聯(lián)網(wǎng)通信中,使用一種全局的單播地址兴使。它是互聯(lián)網(wǎng)中唯一的一個地址系宜,不需要正式分配 IP 地址。

4.4 全局單播地址

全局單播地址是指世界上唯一的一個地址发魄。它是互聯(lián)網(wǎng)通信以及各個域內(nèi)部通信中最為常用的一個 IPv6 地址盹牧。

格式如下圖所示,現(xiàn)在 IPv6 的網(wǎng)絡(luò)中所使用的格式為励幼,n = 48汰寓,m = 16 以及 128 - n - m = 64。即前 64 比特為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識苹粟,后 64 比特為主機標(biāo)識有滑。

全局單播地址

4.5 鏈路本地單播地址

鏈路本地單播地址是指在同一個數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)唯一的地址。它用于不經(jīng)過路由器嵌削,在同一個鏈路中的通信毛好。通常接口 ID 保存 64 比特版的 MAC 地址。

鏈路本地單播地址

4.6 唯一本地地址

唯一本地地址是不進行互聯(lián)網(wǎng)通信時所用的地址苛秕。

唯一本地地址雖然不會與互聯(lián)網(wǎng)連接肌访,但是也會盡可能地隨機生成一個唯一的全局 ID。

L 通常被置為 1

全局 ID 的值隨機決定

子網(wǎng) ID 是指該域子網(wǎng)地址

接口 ID 即為接口的 ID

唯一本地地址

4.7 IPv6 分段處理

IPv6 的分片處理只在作為起點的發(fā)送端主機上進行艇劫,路由器不參與分片吼驶。

IPv6 中最小 MTU 為 1280 字節(jié),因此店煞,在嵌入式系統(tǒng)中對于那些有一定系統(tǒng)資源限制的設(shè)備來說蟹演,不需要進行“路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)”,而是在發(fā)送 IP 包時直接以 1280 字節(jié)為單位分片送出顷蟀。

4.8 IP 首部(暫略)

5. IP 協(xié)議相關(guān)技術(shù)

IP 旨在讓最終目標(biāo)主機收到數(shù)據(jù)包酒请,但是在這一過程中僅僅有 IP 是無法實現(xiàn)通信的。必須還有能夠解析主機名稱和 MAC 地址的功能鸣个,以及數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中異常情況處理的功能蚌父。

5.1 DNS

我們平常在訪問某個網(wǎng)站時不適用 IP 地址,而是用一串由羅馬字和點號組成的字符串毛萌。而一般用戶在使用 TCP/IP 進行通信時也不使用 IP 地址苟弛。能夠這樣做是因為有了 DNS (Domain Name System)功能的支持。DNS 可以將那串字符串自動轉(zhuǎn)換為具體的 IP 地址阁将。

這種 DNS 不僅適用于 IPv4膏秫,還適用于 IPv6。

5.2 ARP

只要確定了 IP 地址,就可以向這個目標(biāo)地址發(fā)送 IP 數(shù)據(jù)報缤削。然而窘哈,在底層數(shù)據(jù)鏈路層,進行實際通信時卻有必要了解每個 IP 地址所對應(yīng)的 MAC 地址亭敢。

ARP 是一種解決地址問題的協(xié)議滚婉。以目標(biāo) IP 地址為線索,用來定位下一個應(yīng)該接收數(shù)據(jù)分包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對應(yīng)的 MAC 地址帅刀。不過 ARP 只適用于 IPv4让腹,不能用于 IPv6。IPv6 中可以用 ICMPv6 替代 ARP 發(fā)送鄰居探索消息扣溺。

RARP 是將 ARP 反過來骇窍,從 MAC 地址定位 IP 地址的一種協(xié)議。

5.3 ICMP

ICMP 的主要功能包括锥余,確認(rèn) IP 包是否成功送達目標(biāo)地址腹纳,通知在發(fā)送過程當(dāng)中 IP 包被廢棄的具體原因,改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等驱犹。

IPv4 中 ICMP 僅作為一個輔助作用支持 IPv4嘲恍。也就是說,在 IPv4 時期雄驹,即使沒有 ICMP蛔钙,仍然可以實現(xiàn) IP 通信。然而荠医,在 IPv6 中,ICMP 的作用被擴大桑涎,如果沒有 ICMPv6彬向,IPv6 就無法進行正常通信。

5.4 DHCP

如果逐一為每一臺主機設(shè)置 IP 地址會是非常繁瑣的事情攻冷。特別是在移動使用筆記本電腦娃胆、只能終端以及平板電腦等設(shè)備時,每移動到一個新的地方等曼,都要重新設(shè)置 IP 地址里烦。

于是,為了實現(xiàn)自動設(shè)置 IP 地址禁谦、統(tǒng)一管理 IP 地址分配胁黑,就產(chǎn)生了 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)協(xié)議。有了 DHCP州泊,計算機只要連接到網(wǎng)絡(luò)丧蘸,就可以進行 TCP/IP 通信。也就是說遥皂,DHCP 讓即插即用變得可能力喷。

DHCP 不僅在 IPv4 中刽漂,在 IPv6 中也可以使用。

5.5 NAT

NAT(Network Address Translator)是用于在本地網(wǎng)絡(luò)中使用私有地址弟孟,在連接互聯(lián)網(wǎng)時轉(zhuǎn)而使用全局 IP 地址的技術(shù)贝咙。

除轉(zhuǎn)換 IP 地址外,還出現(xiàn)了可以轉(zhuǎn)換 TCP拂募、UDP 端口號的 NAPT(Network Address Ports Translator)技術(shù)庭猩,由此可以實現(xiàn)用一個全局 IP 地址與多個主機的通信。

NAT(NAPT)實際上是為正在面臨地址枯竭的 IPv4 而開發(fā)的技術(shù)没讲。不過眯娱,在 IPv6 中為了提高網(wǎng)絡(luò)安全也在使用 NAT,在 IPv4 和 IPv6 之間的相互通信當(dāng)中常常使用 NAT-PT爬凑。

5.6 IP 隧道

夾著 IPv4 網(wǎng)絡(luò)的兩個 IPv6 網(wǎng)絡(luò)

如上圖的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中徙缴,網(wǎng)絡(luò) A 與網(wǎng)絡(luò) B 之間無法直接進行通信,為了讓它們之間正常通信嘁信,這時必須得采用 IP 隧道的功能于样。

IP 隧道可以將那些從網(wǎng)絡(luò) A 發(fā)過來的 IPv6 的包統(tǒng)合為一個數(shù)據(jù),再為之追加一個 IPv4 的首部以后轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò) C潘靖。

一般情況下穿剖,緊接著 IP 首部的是 TCP 或 UDP 的首部。然而卦溢,現(xiàn)在的應(yīng)用當(dāng)中“ IP 首部的后面還是 IP 首部”或者“ IP 首部的后面是 IPv6 的首部”等情況與日俱增糊余。這種在網(wǎng)絡(luò)層的首部后面追加網(wǎng)絡(luò)層首部的通信方法就叫做“ IP 隧道”。

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作者:滌生_Woo

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