关于TCP协议和TCP-IP协议的理解和相关整理、扩展

作者: admin 分类: 网络协议 发布时间: 2019-12-18 18:54  阅读: 393 views

之前看《how tomcat works》《实现领域驱动设计》里面都涉及到了一些传输协议的知识点。前者是以一个简单的servlet实现开始,后者是穿插介绍了类JMS的P2P模式实现。本身都是基于socket协议接口。在理解了RPC协议HTTP协议的基础上,对TCP协议想有一个进一步的理解。

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简介

传输控制协议(TCP,Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,由IETF的RFC 793定义。

互联网络与单个网络有很大的不同,因为互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性,而且具备面对各种故障时的健壮性。

tcp应用逻辑

当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流,TCP则把数据流分割成适当长度的报文段,最大传输段大小(MSS)通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元(MTU)限制。之后TCP把数据包传给IP层,由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。

TCP为了保证报文传输的可靠,就给每个包一个序号,同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK);如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认,那么对应的数据(假设丢失了)将会被重传。

TCP特点\规定

  1. 数据分片:在发送端对用户数据进行分片,在接收端进行重组,由TCP确定分片的大小并控制分片和重组;
  2. 到达确认:接收端接收到分片数据时,根据分片数据序号向发送端发送一个确认;
  3. 超时重发:发送方在发送分片时启动超时定时器,如果在定时器超时之后没有收到相应的确认,重新分片;
  4. 滑动窗口:TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定,接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据,TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制,防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出;
  5. 失序处理:作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序,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;
  6. 重复处理:作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复,TCP的接收端必须丢弃重复的数据;
  7. 数据校验:TCP将保持它首部和数据校验和,这是一个端到端的校验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到的分片检验和有差错,TCP将丢弃这个分片,并不确认收到此报文导致对端超时并重发

TCP虽然是面向字节流的,但TCP传输的数据单元却是报文段。一个TCP报文段分为首部和数据两部分,TCP的全部功能提现在它首部中的各个字段的作用

TCP的首部格式

找来两张图(中英文对照)

中文-TCP首部格式英文-TCP首部格式

  • Source Port是源端口, 16位
  • Destination Port是目的端口, 16位
  • Sequence Number是发送数据包中的第一个字节的序列号, 32位
  • Acknowledment Number是确认序列号, 32位
  • Data Offset是数据偏移,4位,该字段的值时TCP首部长度除以4
  • 标志位: 6位 (SYN, FIN, ACK, PSH, RST, URG.)
SYN:表示建立连接(Synchronize Sequence Numbers)
FIN:表示关闭连接(Finish)
ACK:表示确认响应(Acknowledge character)
PSH:表示有DATA数据传输
RST:表示连接重置(Reset)
URG:表示紧急指针字段值有效(urget pointer is vaild)

  • window表示接收缓冲区的空闲空间,16位,用来告诉TCP连接对端自己能够接收的最大数据长度。
  • Checksum是校验和,16位
  • Urgent Pointers是紧急指针,16位。只有URG标志位被设置时该字段才有意义,表示紧急数据相对序列号(Sequence Number字段的值)的偏移。

TCP工作方式 – 建立连接

TCP建立连接

TCP建立连接使用三次握手协议
这里的SYN、ACK报文都是指TCP首部格式中仅SYN和ACK标记为1的报文

1. 客户端发送SYN(SEQ=x)报文给服务器端,进入SYN_SEND状态。
2. 服务端接收到SYN报文,回应一个SYN(SEQ=y)ACK(ACK= x+1)报文,进入SYN_RECV状态。
3. 客户端收到服务器端的SYN报文,回应一个ACK(ACK = Y+1)报文,进入Established状态。

当三次握手完成,成功建立了链接,就可以传输数据了。

TCP工作方式 – 连接终止

TCP建立连接

TCP终止链接需要经过四次握手,是由于TCP的半关闭决定的。
这里的FIN、ACK报文都是指TCP首部格式中仅FIN和ACK标记为1的报文

1. 某个应用程序首先调用close,称该端执行“主动关闭”。该端的TCP于是发送一个FIN分节,表示数据发送完毕。

2. 接收到这个FIN的对端执行“被动关闭”,这个FIN由TCP确认。

3. 一段时间后,接收到这个文件结束符的应用程序将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN.

4. 接收这个最终FIN的原发送端TCP确认这个FIN

每个方向都要一个FIN和一个ACK,所以需要四次

无论是客户端还是服务器端,任何一段都可以执行主动关闭。个别情况是服务器执行主动关闭。

tcp的限流处理 – 滑动窗口协议

滑动窗口协议(Sliding Window Protocol),属于TCP协议的一种应用,用于网络数据传输时的流量控制,以避免拥塞的发生。该协议允许发送方在停止并等待确认前发送多个数据分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认,因此该协议可以加速数据的传输,提高网络吞吐量。

TCP/IP说明

在重复一遍,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协议在一定程度上参考了OSI的体系结构。OSI模型共有七层,从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。但是这显然是有些复杂的,所以在TCP/IP协议中,它们被简化为了四个层次。 (1)应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大,所以在TCP/IP协议中,它们被合并为应用层一个层次。 (2)由于运输层和网络层在网络协议中的地位十分重要,所以在TCP/IP协议中它们被作为独立的两个层次。 (3)因为数据链路层和物理层的内容相差不多,所以在TCP/IP协议中它们被归并在网络接口层一个层次里。只有四层体系结构的TCP/IP协议,与有七层体系结构的OSI相比要简单了不少,也正是这样,TCP/IP协议在实际的应用中效率更高,成本更低。 --- 1. 应用层:应用层是TCP/IP协议的第一层,是直接为应用进程提供服务的。 (1)对不同种类的应用程序它们会根据自己的需要来使用应用层的不同协议,邮件传输应用使用了SMTP协议、万维网应用使用了HTTP协议、远程登录服务应用使用了有TELNET协议。 (2)应用层还能加密、解密、格式化数据。 (3)应用层可以建立或解除与其他节点的联系,这样可以充分节省网络资源。 2. 运输层:作为TCP/IP协议的第二层,运输层在整个TCP/IP协议中起到了中流砥柱的作用。且在运输层中,TCP和UDP也同样起到了中流砥柱的作用。 3. 网络层:网络层在TCP/IP协议中的位于第三层。在TCP/IP协议中网络层可以进行网络连接的建立和终止以及IP地址的寻找等功能。 4. 网络接口层:在TCP/IP协议中,网络接口层位于第四层。由于网络接口层兼并了物理层和数据链路层所以,网络接口层既是传输数据的物理媒介,也可以为网络层提供一条准确无误的线路。

TCP建立连接

TCP/IP 的通信过程(涵盖的各个协议的作用及流程、摘自百度)

源主机到目标主机的数据传递,层级是自上而下的。

应用层 -> 传输层 -> 网络层 -> 网络接口层(链路)

在网络通信的过程中,将发出数据的主机称为源主机,接收数据的主机称为目的主机。当源主机发出数据时,数据在源主机中从上层向下层传送。源主机中的应用进程先将数据交给应用层,应用层加上必要的控制信息就成了报文流,向下传给传输层。传输层将收到的数据单元加上本层的控制信息,形成报文段、数据报,再交给网络层。网络层加上本层的控制信息,形成IP数据报,传给网络接口层。网络接口层将网际层交下来的IP数据报组装成帧,并以比特流的形式传给网络硬件(即物理层),数据就离开源主机。

===链路层===

以太网协议规定,接入网络的设备都必须安装网络适配器,即网卡,数据包必须是从一块网卡传送到另一块网卡。而网卡地址就是数据包的发送地址和接收地址,有了MAC地址以后,以太网采用广播形式,把数据包发给该子网内所有主机,子网内每台主机在接收到这个包以后,都会读取首部里的目标MAC地址,然后和自己的MAC地址进行对比,如果相同就做下一步处理,如果不同,就丢弃这个包。 

所以链路层的主要工作就是对电信号进行分组并形成具有特定意义的数据帧,然后以广播的形式通过物理介质发送给接收方。 

===网络层===

>>IP协议
网络层引入了IP协议,制定了一套新地址,使得我们能够区分两台主机是否同属一个网络,这套地址就是网络地址,也就是所谓的IP地址。IP协议将这个32位的地址分为两部分,前面部分代表网络地址,后面部分表示该主机在局域网中的地址。如果两个IP地址在同一个子网内,则网络地址一定相同。为了判断IP地址中的网络地址,IP协议还引入了子网掩码,IP地址和子网掩码通过按位与运算后就可以得到网络地址。 

>>ARP协议
即地址解析协议,是根据IP地址获取MAC地址的一个网络层协议。其工作原理如下:ARP首先会发起一个请求数据包,数据包的首部包含了目标主机的IP地址,然后这个数据包会在链路层进行再次包装,生成以太网数据包,最终由以太网广播给子网内的所有主机,每一台主机都会接收到这个数据包,并取出标头里的IP地址,然后和自己的IP地址进行比较,如果相同就返回自己的MAC地址,如果不同就丢弃该数据包。ARP接收返回消息,以此确定目标机的MAC地址;与此同时,ARP还会将返回的MAC地址与对应的IP地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间,下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。 

>>路由协议
首先通过IP协议来判断两台主机是否在同一个子网中,如果在同一个子网,就通过ARP协议查询对应的MAC地址,然后以广播的形式向该子网内的主机发送数据包;如果不在同一个子网,以太网会将该数据包转发给本子网的网关进行路由。网关是互联网上子网与子网之间的桥梁,所以网关会进行多次转发,最终将该数据包转发到目标IP所在的子网中,然后再通过ARP获取目标机MAC,最终也是通过广播形式将数据包发送给接收方。而完成这个路由协议的物理设备就是路由器,路由器扮演着交通枢纽的角色,它会根据信道情况,选择并设定路由,以最佳路径来转发数据包。 
所以,网络层的主要工作是定义网络地址、区分网段、子网内MAC寻址、对于不同子网的数据包进行路由。 

===传输层===
链路层定义了主机的身份,即MAC地址,而网络层定义了IP地址,明确了主机所在的网段,有了这两个地址,数据包就从可以从一个主机发送到另一台主机。但实际上数据包是从一个主机的某个应用程序发出,然后由对方主机的应用程序接收。而每台电脑都有可能同时运行着很多个应用程序,所以当数据包被发送到主机上以后,是无法确定哪个应用程序要接收这个包。因此传输层引入了UDP协议来解决这个问题,为了给每个应用程序标识身份。

>>UDP协议
UDP协议定义了端口,同一个主机上的每个应用程序都需要指定唯一的端口号,并且规定网络中传输的数据包必须加上端口信息,当数据包到达主机以后,就可以根据端口号找到对应的应用程序了。UDP协议比较简单,实现容易,但它没有确认机制,数据包一旦发出,无法知道对方是否收到,因此可靠性较差,为了解决这个问题,提高网络可靠性,TCP协议就诞生了。

>>TCP协议
TCP即传输控制协议,是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议。简单来说TCP就是有确认机制的UDP协议,每发出一个数据包都要求确认,如果有一个数据包丢失,就收不到确认,发送方就必须重发这个数据包。为了保证传输的可靠性,TCP协议在UDP基础之上建立了三次对话的确认机制,即在正式收发数据前,必须和对方建立可靠的连接。TCP数据包和UDP一样,都是由首部和数据两部分组成,唯一不同的是,TCP数据包没有长度限制,理论上可以无限长,但是为了保证网络的效率,通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度,以确保单个TCP数据包不必再分割。 
传输层的主要工作是定义端口,标识应用程序身份,实现端口到端口的通信,TCP协议可以保证数据传输的可靠性。 

===应用层===
理论上讲,有了以上三层协议的支持,数据已经可以从一个主机上的应用程序传输到另一台主机的应用程序了,但此时传过来的数据是字节流,不能很好的被程序识别,操作性差,因此,应用层定义了各种各样的协议来规范数据格式,常见的有http,ftp,smtp等,在请求Header中,分别定义了请求数据格式Accept和响应数据格式Content-Type,有了这个规范以后,当对方接收到请求以后就知道该用什么格式来解析,然后对请求进行处理,最后按照请求方要求的格式将数据返回,请求端接收到响应后,就按照规定的格式进行解读。 

所以应用层的主要工作就是定义数据格式并按照对应的格式解读数据。

祭出完整的OSI模型

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网络协议简介和相关socket、tcp-ip、udp、rpc、http的关系说明

最后,感觉通过整理,还是学习到了不少东西了,对于之前脑子里的模糊概念似乎变得清晰一点了。由一个知识点引出的内容还是非常庞大的,费脑啊…


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