TCP/IP协议详解

网络协议

在计算机网络要做到井井有条的交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则，比如交换数据的格式、是否需要发送一个应答信息。这些规则被称为网络协议。如TCP、IP 等协议。

计算机网络体系结构

OSI参考模型

OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互联。一般都叫 OSI 参考模型，是 ISO（国际标准化组织）组织在1985年研究的网络互连模型。ISO 为了更好的使网络应用更为普及，推出了 OSI 参考模型，这样所有的公司都按照统一的标准来指定自己的网络，就可以互通互联了。

OSI 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）。

TCP/IP参考模型

应用层协议分析

运行在 TCP 协议上的协议：

• HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议）：主要用于普通浏览。
• HTTPS（HTTP over SSL，安全超文本传输协议）：HTTP 协议的安全版本。
• FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）：用于文件传输。
• POP3（Post Office Protocol, version 3，邮局协议）：收邮件用。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）：用来发送电子邮件。
• TELNET（Teletype over the Network，网络电传）：通过一个终端（terminal）登陆到网络。
• SSH（Secure Shell，用于替代安全性差的 TELNET）：用于加密安全登陆用。

运行在 UDP 协议上的协议：

• BOOTP（Boot Protocol，启动协议）：应用于无盘设备。
• NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）：用于网络同步。
• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）：动态配置 IP 地址。

运行在 TCP 和 UDP 协议上

• DNS（Domain Name Service，域名服务）：用于完成地址查找，邮件转发等工作。
• ECHO（Echo Protocol，回绕协议）：用于查错及测量应答时间。
• SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）：用于网络信息的收集和网络管理。
• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）：动态配置 IP 地址。
• ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）：用于动态解析以太网硬件的地址。

TCP/IP 与 UDP

TCP/IP

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP 协议不仅仅指的是 TCP 和 IP 两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇，只是因为在 TCP/IP 协议中 TCP 协议和 IP 协议最具代表性，所以被称为TCP/IP 协议。

TCP/IP 提供了点对点链接的机制，将资料应该如何封装、寻址、传输、路由以及在目的地如何接收，都加以标准化。它将软件通信过程抽象化为四个抽象层，采取协议堆栈的方式，分别实现出不同通信协议。协议族下的各种协议，依其功能不同，分别归属到这四个层次结构之中，常视为是简化的七层 OSI 模型。

UDP

UDP 它是属于 TCP/IP 协议族中的一种。是无连接的协议，发送数据前不需要建立连接，是没有可靠性的协议。因为不需要建立连接所以可以在在网络上以任何可能的路径传输，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。

应用场景

对某些实时性要求比较高的情况使用 UDP，比如游戏，媒体通信，实时直播，即使出现传输错误也可以容忍；其它大部分情况下，HTTP 都是用 TCP，因为要求传输的内容可靠，不出现丢失的情况。

区别

• TCP 是面向连接的；UDP 是无连接的。
• TCP 是可靠的；UDP 是不可靠的。
• TCP 只支持点对点通信；UDP 支持一对一、一对多、多对一、多对多的通信模式。
• TCP 是面向字节流的；UDP 是面向报文的。
• TCP 有拥塞控制机制；UDP 没有拥塞控制，适合媒体通信。
• TCP 首部开销(20个字节)；UDP 首部开销(8个字节)。

三次握手，四次挥手

三次握手 建立连接

我要和你建立链接。你真的要和我建立链接么。我真的要和你建立链接，成功!

• 第一次握手：Client 将标志位 SYN 置为1，随机产生一个值 Seq=J，并将该数据包发送给 Server，Client 进入 SYN_SENT 状态，等待 Server 确认。
• 第二次握手：Server 收到数据包后由标志位 SYN=1 知道 Client 请求建立连接，Server 将标志位 SYN 和 ACK 都置为1，ACK=J+1，随机产生一个值Seq=K，并将该数据包发送给 Client 以确认连接请求，Server 进入 SYN_RCVD 状态。
• 第三次握手：Client 收到确认后，检查 ACK 是否为 J+1，ACK 是否为1，如果正确则将标志位 ACK 置为1，ACK=K+1，并将该数据包发送给 Server，Server 检查 ACK 是否为 K+1，ACK 是否为1，如果正确则连接建立成功，Client 和 Server 进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后 Client 与 Server 之间可以开始传输数据了。

四次挥手 释放连接

我要和你断开链接。好的，断吧。我也要和你断开链接。好的，断吧!

• 第一次挥手：Client 发送一个 FIN，用来关闭 Client 到 Server 的数据传送，Client 进入 FIN_WAIT_1 状态。
• 第二次挥手：Server 收到 FIN 后，发送一个 ACK 给 Client，确认序号为收到序号+1（与 SYN 相同，一个 FIN 占用一个序号），Server 进入CLOSE_WAIT状态。此时 TCP 链接处于半关闭状态，即客户端已经没有要发送的数据了，但服务端若发送数据，则客户端仍要接收。
• 第三次挥手：Server 发送一个 FIN，用来关闭 Server 到 Client 的数据传送，Server 进入LAST_ACK状态。
• 第四次挥手：Client 收到 FIN 后，Client 进入TIME_WAIT状态，接着发送一个 ACK 给 Server，确认序号为收到序号+1，Server 进入CLOSED状态，完成四次挥手。

TCP 协议保证传输的可靠性方式

TCP 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。其中，面向连接意味着两个使用 TCP 的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个 TCP 连接。在一个 TCP 连接中，仅有两方进行彼此通信；而字节流服务意味着两个应用程序通过 TCP 链接交换 8 bit 字节构成的字节流，TCP 不在字节流中插入记录标识符。

对于可靠性，TCP通过以下方式进行保证：

数据包校验

目的是检测数据在传输过程中的任何变化，若校验出包有错，则丢弃报文段并且不给出响应，这时 TCP 发送数据端超时后会重发数据；

对失序数据包重排序

既然 TCP 报文段作为 IP 数据报来传输，而 IP 数据报的到达可能会失序，因此 TCP 报文段的到达也可能会失序。TCP 将对失序数据进行重新排序，然后才交给应用层；

丢弃重复数据

对于重复数据，能够丢弃重复数据；

应答机制

当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒；

超时重发

当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段；

流量控制

TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，这可以防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出，这就是流量控制。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

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