重学TCP协议（1） TCP/IP 网络分层以及TCP协议概述

1. TCP/IP 网络分层

TCP/IP协议模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议，通过20多年的发展已日渐成熟，并被广泛应用于局域网和广域网中，目前已成为事实上的国际标准。TCP/IP协议簇是一组不同层次上的多个协议的组合，通常被认为是一个四层协议系统，与OSI的七层模型相对应。

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协议的分层从上往下依次是

  • Ethernet II：网络接口层以太网帧头部信息
  • Internet Protocol Version 4：互联网层 IP 包头部信息
  • Transmission Control Protocol：传输层的数据段头部信息，此处是 TCP 协议
  • Hypertext Transfer Protocol：应用层 HTTP 的信息

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1.1 应用层（Application Layer）

应用层负责处理特定的应用程序细节。

应用层的本质是规定了应用程序之间如何相互传递报文，很多应用层协议都是由 RFC 文档定义，应用层协议有

  • 域名解析协议 DNS
  • 收发邮件 SMTP 和 POP3 协议
  • 时钟同步协议 NTP
  • 网络文件共享协议 NFS
    以HTTP为例
  • 报文的类型，是请求报文还是响应报文
  • 报文的语法，报文分为几段，各段是什么含义、用什么分隔，每个部分的每个字段什么什么含义
  • 进程应该以什么样的时序发送报文和处理响应报文

1.2 传输层（Transport Layer）

运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。

传输层的作用是为两台主机之间的「应用进程」提供端到端的逻辑通信，相隔几千公里的两台主机的进程就好像在直接通信一样。
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）。

1.3 网络互连层（Internet Layer）

处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。

网络互连层提供了主机到主机的通信，将传输层产生的的数据包封装成分组数据包发送到目标主机，并提供路由选择的能力。

网络互连层协议包括 IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（In ternet组管理协议）。

IP 协议是网络层的主要协议，TCP 和 UDP 都是用 IP 协议作为网络层协议。这一层的主要作用是给包加上源地址和目标地址，将数据包传送到目标地址。

IP 协议是一个无连接的协议，也不具备重发机制，这也是 TCP 协议复杂的原因之一就是基于了这样一个「不靠谱」的协议。

1.4 网络访问层（Network Access Layer）

通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。

网络访问层也有说法叫做网络接口层，以太网、Wifi、蓝牙工作在这一层，网络访问层提供了主机连接到物理网络需要的硬件和相关的协议。

2. TCP协议概述

TCP 是一个可靠的（reliable）、面向连接的（connection-oriented）、基于字节流（byte-stream）、全双工的（full-duplex） 协议。

2.1 面向连接的（connection-oriented）

面向连接意味着两个使用 TCP的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据
之前必须先建立一个 TCP连接。这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对方摘机说
“喂”，然后才说明是谁。

建立连接的过程是通过「三次握手」来完成的，顾名思义，通过三次数据交换建立一个连接。 通过三次握手协商好双方后续通信的起始序列号、窗口缩放大小等信息。

2.2 可靠的（reliable）

IP 是一种无连接、不可靠的协议：它尽最大可能将数据报从发送者传输给接收者，但并不保证包到达的顺序会与它们被传输的顺序一致，也不保证包是否重复，甚至都不保证包是否会达到接收者。

TCP 的可靠性主要依靠：

  • 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 TCPTCP传递给I P的信息单位称为报文段或段（ segment）
  • 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， TCP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。
  • 既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
  • 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。

2.3 基于字节流（byte-stream）

TCP 是一种字节流（byte-stream）协议，流的含义是没有固定的报文边界。每次TCP报文发送的字节数都不是固定的，取决于路径最大传输单元 MTU、发送窗口大小、拥塞窗口大小。

两个应用程序通过T C P连接交换8 bit字节构成的字节流。T C P不在字节流中插入记录标识
符。我们将这称为字节流服务（ byte stream service）。如果一方的应用程序先传 1 0字节，又传
2 0字节，再传5 0字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。收方可以分 4次接
收这8 0个字节，每次接收 2 0字节。一端将字节流放到 T C P连接上，同样的字节流将出现在
T C P连接的另一端。

2.4 全双工的（full-duplex）

在 TCP 中发送端和接收端可以是客户端/服务端，也可以是服务器/客户端，通信的双方在任意时刻既可以是接收数据也可以是发送数据，每个方向的数据流都独立管理序列号、滑动窗口大小、MSS 等信息。

参考资料

《深入理解 TCP 协议：从原理到实战》

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