TCP/IP协议族

摘要：协议族的构成数据链路层网络层传输层应用层和是网络层的协议，但是它所工作的内容是链路层的。。。发送的时候，协议为每个包编号，简称，以便接收的一方按照顺序还原。并没有提供任何机制，表示原始文件的大小，这由应用层的协议来规定。

* 数据链路层：ARP,RARP
* 网络层： IP,ICMP,IGMP
* 传输层：TCP ,UDP,UGP
* 应用层：Telnet,FTP,SMTP,SNMP,HTTP

ARP和RARP 是网络层的协议，但是它所工作的内容是链路层的。。。具体来说应该是在网络层

应用层关注的是应用程序的细节，而不是数据在网络中的传输活动

其他四层用来处理所有的通信细节，对应用程序一无所知

通常包括操作系统的设备驱动程序和计算机对应的网络接口，它们一起处理与电缆（或者其他任何传输媒介）的物理接口细节。主要处理有关通信媒介的细节（如以太网，令牌环网等）

ARP地址解析协议和RARP逆地址解析协议是数据链路层协议，

是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议，用来转换IP层和链路层使用的地址

包括IP网际协议，ICMP控制报文协议，IGMP组管理协议。
其中IP提供的是不可靠的服务，他只是负责尽可能快地将分组从源节点送到目的节点。

ICMP是IP协议的附属协议，IP用ICMP来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息，虽然ICMP主要用于IP但是其他程序也可以访问ICMP
IGMP用来将一个UDP数据报多播到多个主机

传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信，在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP相对安全稳定，但是UDP速度更快。

应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用程序：

Telnet远程登陆

FTP文件传输协议

SMTP简单邮件传输协议

SNMP 简单网络管理协议

TCP主机之间通过握手进程互相建立起来一种虚拟连接。在握手期间，主机之间交换序号，当数据从一台主机发送到另一台主机时序号便跟踪这些数据。

TCP把数据转换成连续的字节流，但是不能分辨出字节流的基础消息和消息边界。接收到字节流后，上层应用程序再把字节流解释成消息。

可以这么说：发送方将数据按协议封装成TCP数据包，接收方也按协议读取TCP数据包中的数据。

以太网标头
IP标头
TCP标头

以太网数据包的大小是固定的，1500字节的负载+22个字节的头信息=1522字节
IP数据包在以太网数据包的负载里面，它也有自己的头信息，最少需要20个字节，所以IP数据包的负载最多为1480字节
TCP数据包在IP数据包里面。除去头信息，它的最大负载时1460（但由于IP协议和TCP协议往往有额外的头信息，所以TCP实际负载为1440左右。因此，一条1500字节的信息需要两个 TCP 数据包。HTTP/2协议的一大改进就是压缩了HTTP协议的头信息，使得一个HTTP请求可以放在一个TCP数据包里，而不是分成多个，这样就提高了速度）

下图是TCP首部的数据结构

URG：紧急指针有效标志位，当它被置为1时，紧急指针才有效。

ACK：确认序号有效，当它被置为1时，确认序号才有效。

PSH：接受方应该尽快将这个报文交给应用层。

RST：重建连接。

SYN：同步序号用来发起一个新连接。

FIN：发端完成发送任务。

一个包1400字节，那么一次性发送大量数据，就必须分成多个包。比如，一个 10MB 的文件，需要发送7100多个包。

发送的时候，TCP 协议为每个包编号（sequence number，简称 SEQ），以便接收的一方按照顺序还原。万一发生丢包，也可以知道丢失的是哪一个包。

第一个包的编号是一个随机数。为了便于理解，这里就把它称为1号包。假定这个包的负载长度是100字节，那么可以推算出下一个包的编号应该是101。这就是说，每个数据包都可以得到两个编号：自身的编号，以及下一个包的编号。接收方由此知道，应该按照什么顺序将它们还原成原始文件。

（图片说明：当前包的编号是45943，下一个数据包的编号是46183，由此可知，这个包的负载是240字节。）

收到 TCP 数据包以后，组装还原是操作系统完成的。应用程序不会直接处理 TCP 数据包。

对于应用程序来说，不用关心数据通信的细节。除非线路异常，收到的总是完整的数据。应用程序需要的数据放在 TCP 数据包里面，有自己的格式（比如 HTTP 协议）。

TCP 并没有提供任何机制，表示原始文件的大小，这由应用层的协议来规定。比如，HTTP 协议就有一个头信息Content-Length，表示信息体的大小。对于操作系统来说，就是持续地接收 TCP 数据包，将它们按照顺序组装好，一个包都不少。

操作系统不会去处理 TCP 数据包里面的数据。一旦组装好 TCP 数据包，就把它们转交给应用程序。TCP 数据包里面有一个端口（port）参数，就是用来指定转交给监听该端口的应用程序。

（图片说明：系统根据 TCP 数据包里面的端口，将组装好的数据转交给相应的应用程序。上图中，21端口是 FTP 服务器，25端口是 SMTP 服务，80端口是 Web 服务器。）

应用程序收到组装好的原始数据，以浏览器为例，就会根据 HTTP 协议的Content-Length字段正确读出一段段的数据。这也意味着，一次 TCP 通信可以包括多个 HTTP 通信。

TCP面向连接的传输是以两个主机间的握手开始的，一个主机发送到另一个主机之间的握手有三个作用：

确保目标主机可用，

且目标主机正在侦听目标端口号，

通知给目的主机发出者的序号，使双方在传输数据时可以进行跟踪。

这三点作用，也正是三次连接的过程，也就是目的

第一步建立连接，后两步都是确认，但是第二次握手是收到SYN包，发送SYN+ACK包，第三次握手是收到第二次握手的SYN+ACK包，发送ACK包

第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），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(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

三次握手_百度百科
TCP3次握手连接协议和4次握手断开连接协议 - Lostyears的专栏 - CSDN博客

只是因为TCP连接是全双工的，即数据可在两个方向上同时传递，所以关闭时每个方向上都要多带带关闭，这种单方向的关闭就叫半关闭。

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的连接请求后，它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用，而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可能未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

TCP为了实现网络通信的可靠性使用了复杂的拥塞控制算法，建立了繁琐的握手过程 以及重传策略。

由于TCP内置在系统协议栈中，极难对其进行改进。

为了防止cwnd增加过快而导致网络拥塞，所以需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量（我也不知道这个到底是什么，就认为他是一个拥塞控制的标识）,它的用法：

        1. 当cwnd > ssthresh,使用慢启动算法，

        2. 当cwnd < ssthresh,使用拥塞控制算法，停用慢启动算法。

        3. 当cwnd = ssthresh，这两个算法都可以。

服务器发送数据包，当然越快越好，最好一次性全发出去。但是，发得太快，就有可能丢包。带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会导致丢包。线路不好的话，发得越快，丢得越多。

最理想的状态是，在线路允许的情况下，达到最高速率。但是我们怎么知道，对方线路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢试。

TCP 协议为了做到效率与可靠性的统一，设计了一个慢启动（slow start）机制。开始的时候，发送得较慢，然后根据丢包的情况，调整速率：如果不丢包，就加快发送速度；如果丢包，就降低发送速度。

Linux 内核里面设定了（常量TCP_INIT_CWND），刚开始通信的时候，发送方一次性发送10个数据包，即"发送窗口"的大小为10。然后停下来，等待接收方的确认，再继续发送。

默认情况下，接收方每收到两个 TCP 数据包，就要发送一个确认消息。"确认"的英语是 acknowledgement，所以这个确认消息就简称 ACK。

ACK 携带两个信息。

    期待要收到下一个数据包的编号
    接收方的接收窗口的剩余容量

发送方有了这两个信息，再加上自己已经发出的数据包的最新编号，就会推测出接收方大概的接收速度，从而降低或增加发送速率。这被称为"发送窗口"，这个窗口的大小是可变的。

（图片说明：每个 ACK 都带有下一个数据包的编号，以及接收窗口的剩余容量。双方都会发送 ACK。）

注意，由于 TCP 通信是双向的，所以双方都需要发送 ACK。两方的窗口大小，很可能是不一样的。而且 ACK 只是很简单的几个字段，通常与数据合并在一个数据包里面发送。

（图片说明：上图一共4次通信。第一次通信，A 主机发给B 主机的数据包编号是1，长度是100字节，因此第二次通信 B 主机的 ACK 编号是 1 + 100 = 101，第三次通信 A 主机的数据包编号也是 101。同理，第二次通信 B 主机发给 A 主机的数据包编号是1，长度是200字节，因此第三次通信 A 主机的 ACK 是201，第四次通信 B 主机的数据包编号也是201。）

即使对于带宽很大、线路很好的连接，TCP 也总是从10个数据包开始慢慢试，过了一段时间以后，才达到最高的传输速率。这就是 TCP 的慢启动。

TCP 协议可以保证数据通信的完整性，这是怎么做到的？

前面说过，每一个数据包都带有下一个数据包的编号。如果下一个数据包没有收到，那么 ACK 的编号就不会发生变化。

举例来说，现在收到了4号包，但是没有收到5号包。ACK 就会记录，期待收到5号包。过了一段时间，5号包收到了，那么下一轮 ACK 会更新编号。如果5号包还是没收到，但是收到了6号包或7号包，那么 ACK 里面的编号不会变化，总是显示5号包。这会导致大量重复内容的 ACK。

如果发送方发现收到三个连续的重复 ACK，或者超时了还没有收到任何 ACK，就会确认丢包，即5号包遗失了，从而再次发送这个包。通过这种机制，TCP 保证了不会有数据包丢失。

（图片说明：Host B 没有收到100号数据包，会连续发出相同的 ACK，触发 Host A 重发100号数据包。）

为什么UDP有时比TCP更有优势 - 野狗科技官方专栏 - SegmentFault

能够对握手过程进行精简，减少网络通信往返次数；

能够对TLS加解密过程进行优化；

收发快速，无阻塞。

TCP和UDP都以IP作为网络层协议，TCP和UDP的每组数据报都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互联网中传输

UDP是无连接协议，TCP是面向连接的协议（两个对等端内部网之间直接建立逻辑连接）（我们都说TCP是面向连接的传输协议，但是网络传输都是没有连接的，包括TCP也是一样。TCP所谓的“连接”，其实就是通讯双方维护的一个“连接状态”，让它看上去像是有连接一样。所以，TCP的状态转移是非常重要的。）
TCP比UDP安全。TCP通过跟踪数据的传送，并确认和跟踪序号来确保它成功到达接收方。（TCP为了实现网络通信的可靠性，使用了复杂的拥塞控制算法，建立了繁琐的握手过程以及重传策略。由于TCP内置在系统协议栈中，极难对其进行改进。）
相应的，UDP比TCP传输速度更快，实时性更高，网络带宽需求更小，功耗更低（虽然TCP协议中植入了各种安全保障功能，但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开销，无疑使速度受到严重的影响。反观UDP由于排除了信息可靠传递机制，将安全和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度得到了保证。 ）

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