tcp协议工作原理(tcp/ip协议的工作原理)

大多数协议是分层的，互联网协议也不例外。IP是基础，TCP建立在IP之上。今后，你见到的两个协议常指的是TCP／IP。TCP常用于处理大量的数据，也处理在传输过程中某处损坏了的数据。TCP将大的报文划分为多个分组，然后，每个分组塞入TCP“信封”，再依次塞入IP信封。TCP信封外包含着关于分组中字节数目的信息和在原始报文中该分组的位置信息。在信息接收结束时，TCP信封被从IP信封中取出，然后，原始数据重新组装。一旦电脑通过校验发现有分组被破坏，发送者就重新发送出差错的分组。

最近重新认知了一下TCP和UDP的原理以及区别，做一个简单的总结。首先，tcp和udp都是工作在传输层，用于程序之间传输数据的。数据一般包含：文件类型，视频类型，jpg图片等。TCP是基于连接的，而UDP是基于非连接的。tcp传输数据稳定可靠，适用于对网络通讯质量要求较高的场景，需要准确无误的传输给对方，比如，传输文件，发送邮件，浏览网页等等udp的优点是速度快，但是可能产生丢包，所以适用于对实时性要求较高但是对少量丢包并没有太大要求的场景。比如：域名查询，语音通话，视频直播等。udp还有一个非常重要的应用场景就是隧道网络，比如：VXLAN以人与人之间的通信为例：UDP协议就相当于是写信给对方，寄出去信件之后不能知道对方是否收到信件，信件内容是否完整，也不能得到及时反馈，而TCP协议就像是打电话通信，在这一系列流程都能得到及时反馈，并能确保对方及时接收到。如下图：tcp是如何保证以上过程的？分为三个步骤：三次握手，传输确认，四次挥手。三次握手是建立连接的过程。当客户端向服务端发起连接时，会先发一包连接请求数据，过去询问一下，能否与你建立连接？这包数据称之为SYN包，如果对端同意连接，则回复一包SYN+ACK包，客户端收到之后，发送一包ACK包，连接建立，因为这个过程中互相发送了三包数据，所以称之为三次握手。这是为了防止，因为已失效的请求报文，突然又传到服务器，引起错误，这是什么意思？假设采用两次握手建立连接，客户端向服务端发送一个syn包请求建立连接，因为某些未知的原因，并没有到达服务器，在中间某个网络节点产生了滞留，为了建立连接，客户端会重发syn包，这次的数据包正常送达，服务端发送syn+ack之后就建立起了连接。但是第一包数据阻塞的网络突然恢复，第一包syn包又送达到服务端，这时服务端会认为客户端又发起了一个新的连接，从而在两次握手之后进入等待数据状态，服务端认为是两个连接，而客户端认为是一个连接，造成了状态不一致，如果在三次握手的情况下，服务端收不到最后的ack包，自然不会认为连接建立成功。所以三次握手本质上来说就是为了解决网络信道不可靠的问题，为了在不可靠的信道上建立起可靠的连接，经过三次握手之后，客户端和服务端都进入了数据传输状态。一包数据可能会被拆成多包发送，如何处理丢包问题，这些数据包到达的先后顺序不同，如何处理乱序问题？针对这些问题，tcp协议为每一个连接建立了发送缓冲区，从建立链接后的第一个字节的序列号为0，后面每个字节的序列号就会增加1，发送数据时，从数据缓冲区取一部分数据组成发送报文，在tcp协议头中会附带序列号和长度，接收端在收到数据后需要回复确认报文，确认报文中的ack等于接受序列号加长度，也就是下包数据发送的起始序列号，这样一问一答的发送方式，能够使发送端确认发送的数据已经被对方收到，发送端也可以发送一次的连续的多包数据，接受端只需要回复一次ack就可以了。如图：六、四次挥手：处于连接状态的客户端和服务端，都可以发起关闭连接请求，此时需要四次挥手来进行连接关闭。假设客户端主动发起连接关闭请求，他给服务端发起一包FIN包，标识要关闭连接，自己进入终止等待1装填，服务端收到FIN包，发送一包ACK包，标识自己进入了关闭等待状态，客户端进入终止等待2状态，这是第二次挥手，服务端此时还可以发送未发送的数据，而客户端还可以接受数据，待服务端发送完数据之后，发送一包FIN包，最后进入确认状态，这是第3次挥手，客户端收到之后恢复ACK包，进入超时等待状态，经过超时时间后关闭连接，而服务端收到ACK包后，立即关闭连接，这是第四次挥手。为什么客户端要等待超时时间？这是为了保证对方已经收到ACK包，因为假设客户端发送完最后一包ACK包后释放了连接，一旦ACK包在网络中丢失，服务端将一直停留在 最后确认状态，如果等待一段时间，这时服务端会因为没有收到ack包重发FIN包，客户端会响应 这个FIN包进行重发ack包，并刷新超时时间，这个机制跟第三次握手一样。也是为了保证在不可靠的网络链路中进行可靠的连接断开确认。udp:首先udp协议是非连接的，发送数据就是把简单的数据包封装一下，然后从网卡发出去就可以了，数据包之间并没有状态上的联系，正因为udp这种简单的处理方式，导致他的性能损耗非常少，对于cpu，内存资源的占用也远小于tcp，但是对于网络传输过程中产生的丢包，udp并不能保证，所以udp在传输稳定性上要弱于tcp。所以，tcp和udp的主要区别：tcp传输数据稳定可靠，适用于对网络通讯质量要求较高的场景，需要准确无误的传输给对方。比如，传输文件，发送邮件，浏览网页等等，udp的优点是速度快，但是可能产生丢包，所以适用于对实时性要求较高但是对少量丢包并没有太大要求的场景。比如：域名查询，语音通话，视频直播等。udp还有一个非常重要的应用场景就是隧道网络，比如：VXLAN.

TCP报文格式 源端口和目的端口：都是16个比特，分别表示发送方和接收方的端口号。端口号和IP地址构成套接字(socket)地址的主要内容。源端和目的端的套接字合起来唯一地表示一条连接。网络应用程序在通信时直接向套接字发送和接收数据。序列号和确认号：都是32位的无符号整数，可以表示0-4G(232)字节的范围。其中，序列号表示数据部分第一个字节的序列号，而确认号表示该数据报的接收者希望对方发送的下一个字节的序号(即序号小于确认号的数据都已正确地被接收)。头长度(HLEN)：表示TCP报文头的长度。长度以32-bit为单位来计算。所以如果选项部分的长度不是4个字节的整数倍，则要加上填充(padding)。保留域：紧接在头长度字段后有6个比特，应该把它设置为0。再后则是6个标志位。标志位特定的含义：URG(urgent)为紧急数据标志。如果它为1，则表示本数据报中包含紧急数据。此时紧急数据指针表示的值有效。它表示在紧急数据之后的第一个字节的偏侈值(即紧急数据的总长度)。ACK(acknowledge)为确认标志位。如果ACK为1，则表示报文中的确认号是有效的。否则，报文中的确认号无效，接收端可以忽略它。PSH(push)标志位。被置位后，要求发送方的TCP协议软件马上发送该数据报，接收方在收到数据后也应该立即上交给应用程序，即使其接收缓冲区尚未填满。RST(reset)标志位。用来复位一条连接。RST标志置位的报文称为复位报文。一般情况下，如果TCP收到的一个报文明显不是属于该主机上的任何个连接，则向远端发送一个复位报文。SYN(synchronous)标志位。用来建立连接，让连接双方同步序列号。如果SYN=1而ACK=0，则表示该数据报为连接请求，如SYN=1而ACK=1则表示是接受连接。FIN(finish)标志位。表示发送方已经没有数据要传输了，希望释放连接。窗口(window)字段。窗口表示的是从被确认的字节开始，发送方最多可以连续发送的字节的个数。接收方通过设置该窗口值的大小，可以调节源端发送数据的速度，从而实现流控。校验和(checksum)域。是TCP协议提供的一种检错机制。与我们在前面的章节中学过的UDP协议类似，在计算校验和时不仅要计算TCP报文自身(报文头和数据)，还要增加一些额外的信息内容 – 12个字节的“伪包头”。TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中文译名为传输控制协议/互联网络协议）协议是Internet最基本的协议，简单地说，就是由底层的IP协议和TCP协议组成的。在Internet没有形成之前，各个地方已经建立了很多小型的网络，称为局域网，Internet的中文意义是“网际网”，它实际上就是将全球各地的局域网连接起来而形成的一个“网之间的网（即网际网）”。然而，在连接之前的各式各样的局域网却存在不同的网络结构和数据传输规则，将这些小网连接起来后各网之间要通过什么样的规则来传输数据呢？这就象世界上有很多个国家，各个国家的人说各自的语言，世界上任意两个人要怎样才能互相沟通呢？如果全世界的人都能够说同一种语言（即世界语），这个问题不就解决了吗？TCP/IP协议正是Internet上的“世界语”。 TCP/IP协议的开发工作始于70年代，是用于互联网的第一套协议。
懂英文的看这个吧...TCP的"官方文档"... http://tools.ietf.org/html/rfc793

TCP/IP协议是什么TCP和UDP处在同一层---运输层，但是TCP和UDP最不同的地方是，TCP提供了一种可靠的数据传输服务，TCP是面向连接的，也就是说，利用TCP通信的两台主机首先要经历一个“拨打电话”的过程，等到通信准备结束才开始传输数据，最后结束通话。所以TCP要比UDP可靠的多，UDP是把数据直接发出去，而不管对方是不是在收信，就算是UDP无法送达，也不会产生ICMP差错报文，这一经时重申了很多遍了。把TCP保证可靠性的简单工作原理:应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的 数据报长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段当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.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.TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输 过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错， T P将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段(希望发端超时并重发)。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。如果必要， TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。TCP还能提供流量控制。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。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。从这段话中可以看到，TCP中保持可靠性的方式就是超时重发，这是有道理的，虽然TCP也可以用各种各样的ICMP报文来处理这些，但是这也不是可靠的，最可靠的方式就是只要不得到确认，就重新发送数据报，直到得到对方的确认为止。TCP的首部和UDP首部一样，都有发送端口号和接收端口号。但是显然，TCP的首部信息要比UDP的多，可以看到，TCP协议提供了发送和确认所需要的所有必要的信息。可以想象一个TCP数据的发送应该是如下的一个过程。双方建立连接发送方给接受方TCP数据报，然后等待对方的确认TCP数据报，如果没有，就重新发，如果有，就发送下一个数据报。接受方等待发送方的数据报，如果得到数据报并检验无误，就发送ACK(确认)数据报，并等待下一个TCP数据报的到来。直到接收到FIN(发送完成数据报)中止连接可以想见，为了建立一个TCP连接，系统可能会建立一个新的进程(最差也是一个线程)，来进行数据的传送--TCP协议TCP是一个面向连接的协议，在发送输送之前 ，双方需要确定连接。而且，发送的数据可以进行TCP层的分片处理。TCP连接的建立过程 ，可以看成是三次握手 。而连接的中断可以看成四次握手 。1.连接的建立在建立连接的时候，客户端首先向服务器申请打开某一个端口(用SYN段等于1的TCP报文)，然后服务器端发回一个ACK报文通知客户端请求报文收到，客户端收到确认报文以后再次发出确认报文确认刚才服务器端发出的确认报文(绕口么)，至此，连接的建立完成。这就叫做三次握手。如果打算让双方都做好准备的话，一定要发送三次报文，而且只需要三次报文就可以了。可以想见，如果再加上TCP的超时重传机制，那么TCP就完全可以保证一个数据包被送到目的地。2.结束连接TCP有一个特别的概念叫做half-close，这个概念是说，TCP的连接是全双工(可以同时发送和接收)连接，因此在关闭连接的`时候，必须关闭传和送两个方向上的连接。客户机给服务器一个FIN为1的TCP报文，然后服务器返回给客户端一个确认ACK报文，并且发送一个FIN报文，当客户机回复ACK报文后(四次握手)，连接就结束了。3.最大报文长度在建立连接的时候，通信的双方要互相确认对方的最大报文长度(MSS)，以便通信。一般这个SYN长度是MTU减去固定IP首部和TCP首部长度。对于一个以太网，一般可以达到1460字节。当然如果对于非本地的IP，这个MSS可能就只有536字节，而且，如果中间的传输网络的MSS更加的小的话，这个值还会变得更小。4.客户端应用程序的状态迁移图客户端的状态可以用如下的流程来表示：CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED以上流程是在程序正常的情况下应该有的流程，从书中的图中可以看到，在建立连接时，当客户端收到SYN报文的ACK以后，客户端就打开了数据交互地连接。而结束连接则通常是客户端主动结束的，客户端结束应用程序以后，需要经历FIN_WAIT_1，FIN_WAIT_2等状态，这些状态的迁移就是前面提到的结束连接的四次握手。5.服务器的状态迁移图服务器的状态可以用如下的流程来表示：CLOSED->LISTEN->SYN收到->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED在建立连接的时候，服务器端是在第三次握手之后才进入数据交互状态，而关闭连接则是在关闭连接的第二次握手以后(注意不是第四次)。而关闭以后还要等待客户端给出最后的ACK包才能进入初始的状态。6.TCP服务器设计前面曾经讲述过UDP的服务器设计，可以发现UDP的服务器完全不需要所谓的并发机制，它只要建立一个数据输入队列就可以。但是TCP不同，TCP服务器对于每一个连接都需要建立一个独立的进程(或者是轻量级的，线程)，来保证对话的独立性。所以TCP服务器是并发的。而且TCP还需要配备一个呼入连接请求队列(UDP服务器也同样不需要)，来为每一个连接请求建立对话进程，这也就是为什么各种TCP服务器都有一个最大连接数的原因。而根据源主机的IP和端口号码，服务器可以很轻松的区别出不同的会话，来进行数据的分发。TCP的交互数据流对于交互性要求比较高的应用，TCP给出两个策略来提高发送效率和减低网络负担：(1)捎带ACK。(2)Nagle算法(一次尽量多的发数据)捎带ACK的发送方式这个策略是说，当主机收到远程主机的TCP数据报之后，通常不马上发送ACK数据报，而是等上一个短暂的时间，如果这段时间里面主机还有发送到远程主机的TCP数据报，那么就把这个ACK数据报“捎带”着发送出去，把本来两个TCP数据报整合成一个发送。一般的，这个时间是200ms。可以明显地看到这个策略可以把TCP数据报的利用率提高很多。Nagle算法上过bbs的人应该都会有感受，就是在网络慢的时候发贴，有时键入一串字符串以后，经过一段时间，客户端“发疯”一样突然回显出很多内容，就好像数据一下子传过来了一样，这就是Nagle算法的作用。Nagle算法是说，当主机A给主机B发送了一个TCP数据报并进入等待主机B的ACK数据报的状态时，TCP的输出缓冲区里面只能有一个TCP数据报，并且，这个数据报不断地收集后来的数据，整合成一个大的数据报，等到B主机的ACK包一到，就把这些数据“一股脑”的发送出去。虽然这样的描述有些不准确，但还算形象和易于理解，我们同样可以体会到这个策略对于低减网络负担的好处。在编写插口程序的时候，可以通过TCP_NODELAY来关闭这个算法。并且，使用这个算法看情况的，比如基于TCP的X窗口协议，如果处理鼠标事件时还是用这个算法，那么“延迟”可就非常大了。 ;

TCP/IP模型包括：● 网络层● 网际层● 传输层● 应用层一、网络层是模型的最低层，负责将帧放进线路，或从线路中取下帧。TCP/IP的网络层对应着OSI的物理层和数据链路层。这也就是为什么这一层包含物理通信介质和在这些介质上传送帧的通信协议。二、网际层网际层（互联网层）：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。● ICMP网际控制消息协议：问题出现时向IP发送错误报告。我们平时用的ping用它。● IGMP网际分组管理协议：向路由器通知多播组成员的存在。广播不能跨路由器，路由器是隔离广播的，但它隔离不了多播，它可以跨路由器。● ARP地址解析协议：判断主机的硬件地址。三、传输层传输层是TCP/IP模型中非常特殊和重要的一层，它包括了OSI传输层、会话层、表示层和应用层的各部分功能，包括两个传输协议（TCP协议和UDP协议）在计算机之间提供通信对话。四、应用层应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。
以下非原创，仅供参考！ 下面以采用TCP/IP协议传送文件为例，说明TCP/IP的工作原理，其中应用层传输文件采用文件传输协议（FTP）。TCP/IP协议的工作流程如下：1.在源主机上，应用层将一串应用数据流传送给传输层。2.传输层将应用层的数据流截成分组，并加上TCP报头形成TCP段，送交网络层。3.在网络层给TCP段加上包括源、目的主机IP地址的IP报头，生成一个IP数据包，并将IP数据包送交链路层。4.链路层在其MAC帧的数据部分装上IP数据包，再加上源、目的主机的MAC地址和帧头，并根据其目的MAC地址，将MAC帧发往目的主机或IP路由器。5.在目的主机，链路层将MAC帧的帧头去掉，并将IP数据包送交网络层。6.网络层检查IP报头，如果报头中校验和与计算结果不一致，则丢弃该IP数据包；若校验和与计算结果一致，则去掉IP报头，将TCP段送交传输层。7.传输层检查顺序号，判断是否是正确的TCP分组，然后检查TCP报头数据。若正确，则向源主机发确认信息；若不正确或丢包，则向源主机要求重发信息。8.在目的主机，传输层去掉TCP报头，将排好顺序的分组组成应用数据流送给应用程序。这样目的主机接 收到的来自源主机的字节流，就像是直接接收来自源主机的字节流一样。
IP协议的工作原理: 三次握手原理 :TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN，同时自己也发送一个SYN包，即SYN+ACK包，此 时服务器进入SYN_RECV状态； 第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK，此包发送完毕，客户端和服务器进入 ESTABLISHED状态，完成三次握手。

在互联网上源主机的协议层与目的主机的同层协议通过下层提供的服务实现对话。在源和目的主机的同层实体称为对等实体(Peer entities)或叫对等进程，它们之间的对话实际上是在源主机上从上到下然后穿越网络到达目的主机后再从下到上到达相应层。下面以使用TCP协议传送文件(如FTP应用程序)为例说明了TCP/IP的工作原理。(1) 在源主机上应用层将一串字节流传给传输层；(2) 传输层将字节流分成TCP段，加上TCP包头交给互联网络(IP)层；(3) IP层生成一个包，将TCP段放人其数据域，并加上源和目的主机的IPIP包交给数据链路层；(4) 数据链路层在其帧的数据部分装IP包，发往日的主机或IP路由器；(5) 在目的主机，数据链路层将数据链路层帧头去掉，将IP包交给互联网层；(6) IP层检查IP包头，如果包头中的校验和与计算出来的不一致，则丢弃该包；(7) 如果校验和一致，IP层去掉IP头，将TCP段交给TCP层，TCP层检查顺序号来判断是否为正确的TCP段；(8) TCP层为TCP包头计算TCP头和数据。如果不对，TCP层丢弃这个包，若对，则向源主机发送确认；(9) 在目的主机，T