计算机网络——TCP/IP

小灰灰 2022-12-20 12:58 254阅读 0赞

### 计算机网络——TCP/IP ###

*   *  TCP/IP 基础知识总结
     *   *  TCP/IP历史
         *   *  应用层
             *  运输层
             *  网络层
             *  数据链路层
             *  物理层
             *  七层体系结构图
     *  TCP的三次握手和四次挥手
     *   *  三次握手
         *  四次挥手

## TCP/IP 基础知识总结 ##

*  TCP/IP传输协议，即传输控制/网络协议，也叫作网络通讯协议。它是在网络的使用中的最基本的通信协议。TCP/IP传输协议对互联网中各部分进行通信的标准和方法进行了规定。并且，TCP/IP传输协议是保证网络数据信息及时、完整传输的两个重要的协议。TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构，应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含其中。
 *  ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTEwNTUx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

### TCP/IP历史 ###

Internet网络的前身ARPANET当时使用的并不是传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），而是一种叫网络控制协议（Network Control Protocol，NCP）的网络协议，但随着网络的发展和用户对网络的需求不断提高，设计者们发现，NCP协议存在着很多的缺点以至于不能充分支持ARPANET网络，特别是NCP仅能用于同构环境中（所谓同构环境是网络上的所有计算机都运行相同的操作系统），设计者就认为“同构”这一限制不应被加到一个分布广泛的网络上。1980年，用于“异构”网络环境中的TCP/IP协议研制成功，也就是说，TCP/IP协议可以在各种硬件和操作系统上实现互操作。1982年，ARPANET开始采用TCP/IP协议。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTEwNTUx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
补充：  
分组网络：即使在两个节点通信的过程中，几个节点遭到破坏，却依然能够通过改变线路等方式使两个节点之间进行通信。  
分组网络促进了 ARPANET(Advanced Research Projects Agency Network) 的诞生。ARPANET 是第一个具有分布式控制的广域包分组交换网络，也是最早实现 TCP/IP 协议的前身。

*  TCP/IP 协议说的不仅仅只是 TCP 和 IP 这两种协议，实际上，TCP/IP 指的是协议簇，协议簇是啥呢？简单来说就是一系列协议的综合，如果下次再问你 TCP/IP 协议有哪些？

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTEwNTUx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
TCP/IP协议是Internet最基本的协议  
其中应用层的主要协议有**Telnet、FTP、SMTP、HTTP、DNS等，是用来接收来自传输层的数据或者按不同应用要求与方式将数据传输至传输层**  
传输层的主要协议有**UDP、TCP，是使用者使用平台和计算机信息网内部数据结合的通道，可以实现数据传输与数据共享**  
网络层的主要协议有**ICMP、IP、IGMP、ARP，主要负责网络中数据包的传送等**  
网络访问层，也叫网路接口层或数据链路层，**主要协议有ARP、RARP，主要功能是提供链路管理错误检测、对不同通信媒介有关信息细节问题进行有效处理等**。

#### 应用层 ####

**应用层(application-layer）的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。** 应用层协议定义的是应用进程（进程：主机中正在运行的程序）间的通信和交互的规则。对于不同的网络应用需要不同的应用层协议。在互联网中应用层协议很多，如**域名系统DNS**，支持万维网应用的 **HTTP协议**，支持电子邮件的 **SMTP协议**等等。我们把应用层交互的数据单元称为报文。

*  域名系统(Domain Name System缩写 DNS，Domain Name被译为域名)是因特网的一项核心服务，它作为可以将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。（百度百科）例如：一个公司的 Web 网站可看作是它在网上的门户，而域名就相当于其门牌地址，通常域名都使用该公司的名称或简称。
 *  超文本传输协议（HTTP，HyperText Transfer Protocol)是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。所有的 WWW（万维网） 文件都必须遵守这个标准。设计 HTTP 最初的目的是为了提供一种发布和接收 HTML 页面的方法。

#### 运输层 ####

**运输层(transport layer)的主要任务就是负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务。** 应用进程利用该服务传送应用层报文。“通用的”是指并不针对某一个特定的网络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务。由于一台主机可同时运行多个线程，因此运输层有复用和分用的功能。所谓复用就是指多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用和复用相反，是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTEwNTUx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
传输层最主要的功能就是让应用层的应用程序之间完成通信和数据交换。在计算机内部运行着很多应用程序，每个应用程序都对应一个端口号，我们一般使用端口号来区分这些应用程序。

**运输层主要使用以下两种协议:**

1.  **传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）** \--提供面向连接的，可靠的数据传输服务。TCP 能够正确处理传输过程中的丢包、传输顺序错乱等异常情况。此外，TCP 还提供拥塞控制用于缓解网络拥堵。
2.  **用户数据协议 UDP（User Datagram Protocol）** \--提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。相比 TCP ，UDP 不会检查数据包是否到达、网络是否阻塞等情况，但是 UDP 的效率比较高。

备注：为了准确无误地把数据送达目标处，TCP协议采用了三次握手策略。

#### 网络层 ####

*  **在 计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点， 确保数据及时传送**。 在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。在 TCP/IP 体系结构中，由于网络层使用 **IP 协议**，因此分组也叫 **IP 数据报** ，简称 **数据报。**

这里要注意：不要把运输层的“用户数据报 UDP ”和网络层的“ IP 数据报”弄混。另外，无论是哪一层的数据单元，都可笼统地用“分组”来表示。

这里强调指出，网络层中的“网络”二字已经不是我们通常谈到的具体网络，而是指计算机网络体系结构模型中第三层的名称.

互联网是由大量的异构（heterogeneous）网络通过路由器（router）相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议（Intert Protocol）和许多路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或IP层。

#### 数据链路层 ####

**数据链路层(data link layer)通常简称为链路层。两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层的协议**。 在两个相邻节点之间传送数据时，**数据链路层将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧**，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差错控制等）。

在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提出数据部分，上交给网络层。 控制信息还使接收端能够检测到所收到的帧中有误差错。如果发现差错，数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧，以避免继续在网络中传送下去白白浪费网络资源。如果需要改正数据在链路层传输时出现差错（这就是说，数据链路层不仅要检错，而且还要纠错），那么就要采用可靠性传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使链路层的协议复杂些。

#### 物理层 ####

在物理层上所传送的**数据单位是比特**。 **物理层(physical layer)的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异**。 使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，对传送的比特流来说，这个电路好像是看不见的。

#### 七层体系结构图 ####

图片来源：[https://blog.csdn.net/yaopeng\_2005/article/details/7064869][https_blog.csdn.net_yaopeng_2005_article_details_7064869]  
![在这里插入图片描述][20201113095343667.png_pic_center]

## TCP的三次握手和四次挥手 ##

### 三次握手 ###

（图片来源《图解http》）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTEwNTUx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

*  客户端–发送带有 SYN 标志的数据包–一次握手–服务端
 *  服务端–发送带有 SYN/ACK 标志的数据包–二次握手–客户端
 *  客户端–发送带有带有 ACK 标志的数据包–三次握手–服务端

**为什么要三次握手**

**三次握手的目的是建立可靠的通信信道，说到通讯，简单来说就是数据的发送与接收，而三次握手最主要的目的就是双方确认自己与对方的发送与接收是正常的。**

*  第一次握手：Client 什么都不能确认；Server 确认了对方发送正常，自己接收正常
 *  第二次握手：Client 确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常；Server 确认了：对方发送正常，自己接收正常
 *  第三次握手：Client 确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常；Server 确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常

所以三次握手就能确认双发收发功能都正常，缺一不可。

#具体步骤
    1、TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
    2、TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，
    此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
    3、TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，
    同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
    4、TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，
    客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
    5、当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

**为什么要回传SYN**  
接收端传回发送端所发送的 SYN 是为了告诉发送端，我接收到的信息确实就是你所发送的信号了

**`SYN 是 TCP/IP 建立连接时使用的握手信号。在客户机和服务器之间建立正常的 TCP 网络连接时，客户机首先发出一个 SYN 消息，服务器使用 SYN-ACK 应答表示接收到了这个消息，最后客户机再以 ACK(Acknowledgement[汉译：确认字符 ,在数据通信传输中，接收站发给发送站的一种传输控制字符。它表示确认发来的数据已经接受无误。 ]）消息响应。这样在客户机和服务器之间才能建立起可靠的TCP连接，数据才可以在客户机和服务器之间传递。`**

**传了 SYN,为啥还要传 ACK**  
双方通信无误必须是两者互相发送信息都无误。传了 SYN，证明发送方到接收方的通道没有问题，但是接收方到发送方的通道还需要 ACK 信号来进行验证。

### 四次挥手 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTEwNTUx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

1.  客户端-发送一个 FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送
2.  服务器-收到这个 FIN，它发回一 个 ACK，确认序号为收到的序号加1 。和 SYN 一样，一个 FIN 将占用一个序号
3.  服务器-关闭与客户端的连接，发送一个FIN给客户端
4.  客户端-发回 ACK 报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1

1、客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经
    传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，
    也要消耗一个序号。
    2、服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。
    TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，
    客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
    3、客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文
    （在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
    4、服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，
    假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
    5、客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，
    客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗ *∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，
    当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
    6、服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。
    可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

**为什么要四次挥手**  
任何一方都可以在数据传送结束后发出连接释放的通知，待对方确认后进入半关闭状态。当另一方也没有数据再发送的时候，则发出连接释放通知，对方确认后就完全关闭了TCP连接。

举个例子：A 和 B 打电话，通话即将结束后，A 说“我没啥要说的了”，B回答“我知道了”，但是 B 可能还会有要说的话，A 不能要求 B 跟着自己的节奏结束通话，于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通，最后 B 说“我说完了”，A 回答“知道了”，这样通话才算结束。

**为什么客户端最后还要等待2MSL？**

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。

第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

**如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？**

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

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