TCP/IP 学习笔记 · TCP/IP 是什么？

TCP/IP 是什么？

TCP/IP 全程是 Transfer Control Protocol/Internet Protocol，即传输控制协议/网际协议。

• OSI 参考模型
  

• OSI 与 TCP/OP 参考模型对照图
  

OSI由于体系比较复杂，不太方便计算机软件实现，逐渐退出人们关注的视野，TCP/IP 得到了广泛的应用。
TCP/IP 是 Internet 的核心技术，所有的系统、终端、线路、用户、开发者，都必须遵守 TCP/IP 协议族所规定的法则，否则，将不被 IP 世界所接受。

TCP/IP 是一个协议组，不仅包括TCP、IP，还包括 HTTP、TELNET、FTP、UDP、pop3 等，只不过 TCP/IP 这个名字来源于协议组中最重要的两个协议—— TCP（传输控制协议）和 IP （网际协议）。

TCP/IP 各层主要功能

1. 网络接口层（数据链路层）

   TCP/IP 并没有严格定义该层，他只要求能够提供给其上层——网络层一个访问接口，以便在其上传递 IP 分组。由于这一层未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。

   以太网是 IP 通信中数据链路层最常见的形式，除此之外，还有PPP、HDLC等，10Gbit/s 以下的以太网一般用于局域网，而PPP、HDLC 则应用于广域网范围更多。

2. 网络层（Internet Layer）
   网络层俗称 IP 层，它处理机器之间的通信。IP 是一个不可靠，无连接协议，它接受来自传输层的请求，传输某个具有目的地址信息的分组。该层把分组封装到 IP 数据报中，填入数据报的首部（也称为报头），使用路由算法来选择是直接把数据报发送到目标及还是

3. 传输层
   传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）是该层的重要协议。

   TCP 是一个面向连接的、可靠的协议。
   在发送端：它负责把上层传输下来的的字接口分成报文段并传递给下层。在接收端：它负责把收到的报文进行重组后递交给上层。TCP 还要处理端到端的流量控制。
   UDP 是一个不可靠、无连接协议，主要适用于不需要对报文进行排序和流量控制的场合。

TCP 报文格式

TCP 报文包括首部（报头）和数据部分，其中首部的具体字段如下：

1. 源端口与目的端口字段——各占 16bit。端口是传输层与应用层的服务接口。
2. 序号字段—— SEQ 序号，占 32bit。TCP 连接中传输的数据流中的每一个字节都编上一个序号，序号字段的值则值得是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
3. 确认序号：ACK 序号，占 32bit，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。只有 ACK 标志位为 1 的时候，确认序号字段才有效，ACK = SEQ + 1。
4. 标志位：共 6 个，即 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN 等。
5. 数据偏移——占 4bit ，它指出TCP报文段的数据起始处距离 TCP 报文段段起始处有多远。
6. 窗口字段——占 16bit，窗口字段用来控制对方发送的数量，单位为字节。TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。
7. 检验和——占 16bit。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。
8. 紧急指针字段——占 16bit。紧急指针在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。
9. 选项字段——长度可变。
   10.保留字段——占 6bit，保留为今后使用，但目前应置为 0 。

TCP 的三次握手和四次挥手

TCP 的连接和建立都是采用客户服务器方式。主动发起连接建立的应用进程叫做客户（Client）。被动等待连接建立的应用程序进程叫做服务器（server）。

建立 TCP 需要三次握手才能建立，而断开连接则需要四次挥手。整个过程见下图：

（1）三次握手

在 TCP/IP 中，采用三次握手建立一个连接

第一次握手：Client（主机A）向 Server（主机B）发送一个连接请求，在这个包中，标志位 SYN = 1，发送序号 SEQ = x，上图中 x = 200，Client 进入 SYN_SEND 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，确认序号 ACK = x + 1 = 201，随机产生一个发送序号 SEQ = y，上图 y = 500，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 收到确认收，检查确认序列号 ACK 是否为 x + 1 = 201，标志位ACK是否为1，如果正确，则将标志位 ACK 置为1，确认序号 ACK = y+1 = 501，并将该数据包发送给Server，Server 检查确认序号ACK是否为 y + 1 = 501，标志位 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，客户端与服务器开始传输数据。

（2）四次挥手

四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止 TCP 连接，就是指断开一个 TCP 连接时，需要客户端和服务端总共发出 4 个包以确认连接的断开，如下图：

第一次挥手：当客户 A 要断开 TCP 连接时，发送一个包。其中标志位 FIN = 1，ACK = 1，发送序号 SEQ = x，确认序号 ACK = y，上图中 x = 200，y = 500。Client 进入 FIN_WAIT 状态。

第二次挥手：客户 B 知道 A 要断开后，发送一个确认包，其中，标志位 FIN = 1，发送序号 SEQ = y+1 = 501，Server 进入 LAST_ACK 状态。

第三次挥手：客户 B 也断开 TCP 连接，此时发送一个包，其中，标志位 FIN = 1，发送序号 SEQ = y+1 = 500，Server 也进入 LAST_ACK 状态。

第四次挥手：客户 A 收到 B 的断开请求后，Client 进入 TIME_WAIT 状态，接着发送一个确认包，标志位 ACK = 1，发送序号 SEQ = x+1 = 201，确认序号 ACK = y+2 = 502；Server 进入 CLOSED 状态。

TCP/IP 协议体系常见术语

1. 包
   包（packet）是网络上传输的数据片段，也成位分组。包是一种统称，在不同的协议不同的层次，包有不同的名字。
   如 TCP/IP ，数据链路层的包叫帧（Frame）。IP 层的包称为 IP 数据报，TCP 层的包通常被称为 TCP 报文等，大多数包都有包头和信息组成。包头常常包括诸如源和目的地址、包的长度和类型指示符等信息；信息部分可以是原始数据，也可以包含另一个包。

2. 封装
   不同设备的对等层之间依靠封装和解封来实现相互间的通信。

   TCP/IP 也是一种计算机书籍打包和寻址的标准方法，在数据传输过程中，可以形象地理解为有两个信封，这两个信封分别是 TCP 和 IP。

   在发送端，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个 TCP 信封，并在该信封上记录有分段号的信息，再将 TCP 信封塞入 IP 大信封，发送到网上。

   在接收端，一个 TCP 软件包收集信息，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP 将会要求重新发送。因此，TCP/IP 在互联网中几乎可以无差错的传输数据。

在通信过程中，TCP/IP 每一层都让数据得以通过网络进行传输，这些层之间使用协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）彼此交换信息，确保网络设备之间能够通信。
不同层的 PDU 中包含有不同的信息，因此 PDU 在不同层被赋予了不同的名称。

• 封装过程：

传输层在上层数据中加入 TCP 报头后得到的 PDU 被称为数据段（Segment）；

数据段被传递给网络层，网络层添加 IP 包头得到的 PDU 被称为数据包（Packet）；

数据包被传递到数据链路层，封装数据链路层报头得到的 PDU 被称为数据帧（Frame）；

最后，帧被转换成比特（Bit），通过网络介质传输。这种协议栈向下传递数据，并添加报头和报尾的过程，称为“封装”

• 解封装过程

数据被封装并通过网络介质传输后，接收设备将删除添加的信息，并根据报头中的信息，决定如何将数据沿协议栈上传给合适的应用程序，这个过程称为“解封装”。

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参考文献：《一本书读懂TCP/IP》