你知道網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之TCP/IP？

現(xiàn)代科技的發(fā)展如此之快，移動支付、網(wǎng)絡(luò)購物、視頻直播等各種應(yīng)用層出不窮，但是這些應(yīng)用的背后，卻有著一個共同的基石做支撐，那就是互聯(lián)網(wǎng)。而之所以人人都可以接入互聯(lián)網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是必不可少的。在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之初，國際化標(biāo)準(zhǔn)組織ISO定制了一套國際標(biāo)準(zhǔn)OSI（開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型），在該標(biāo)準(zhǔn)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議被分為了七層，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層。然而現(xiàn)已成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的TCP/IP協(xié)議，并未完全按照OSI模型的七層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，而是分成了網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層、應(yīng)用層四個層次。而事實也證明，四個層次的劃分就已經(jīng)能夠非常好的適應(yīng)現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的需求了。

TCP/IP協(xié)議并不是一個協(xié)議，而是一系列協(xié)議的總稱，只是用了其中兩個應(yīng)用最廣泛的協(xié)議名稱來統(tǒng)稱這個協(xié)議簇了。那么接下來就讓我們一起了解一下這個TCP/IP協(xié)議簇。

上圖是一個TCP/IP協(xié)議的基本框架，當(dāng)有一個HTTP請求發(fā)生時，數(shù)據(jù)從應(yīng)用層依次傳遞給傳輸層、網(wǎng)際層、網(wǎng)絡(luò)接口層，并在每一層打包上自己的首部，最終通過電信號傳送出去。接收端接收到數(shù)據(jù)包后，再以相反的順序解包并依次上傳，最終到達(dá)應(yīng)用層去解析HTTP數(shù)據(jù)。

下面就以瀏覽器訪問云漢社區(qū)網(wǎng)站的一幀數(shù)據(jù)包為例，了解一下TCP/IP協(xié)議。

該數(shù)據(jù)幀總的結(jié)構(gòu)如圖所示：

接下來分別了解一下各個部分的結(jié)構(gòu)。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式為：首部(14字節(jié))+數(shù)據(jù)(46~1500字節(jié))+4字節(jié)CRC

首部固定為14個字節(jié)，包含了目標(biāo)MAC地址、源MAC地址和數(shù)據(jù)報類型，MAC地址是一個48位(6字節(jié))的物理地址，網(wǎng)卡在出廠時固定死的。

IP數(shù)據(jù)報格式：

IP 數(shù)據(jù)報的首部長度和數(shù)據(jù)長度都是可變長的，但總是4 字節(jié)的整數(shù)倍，一般為20字節(jié)。

對于IPv4，4 位版本字段是4。4 位首部長度的數(shù)值是以4 字節(jié)為單位的，最小值為5，也就是說首部長度最小是4x5=20 字節(jié)，也就是不帶任何選項的IP 首部，4 位能表示的最大值是15，也就是說首部長度最大是60 字節(jié)。8 位TOS 字段有3 個位用來指定IP 數(shù)據(jù)報的優(yōu)先級（目前已經(jīng)廢棄不用），還有4 個位表示可選的服務(wù)類型（最小延遲、最大呑吐量、最大可靠性、最小成本），還有一個位總是0?？傞L度是整個數(shù)據(jù)報（包括IP 首部和IP 層payload）的字節(jié)數(shù)。每傳一個IP 數(shù)據(jù)報，16 位的標(biāo)識加1，可用于分片和重新組裝數(shù)據(jù)報。3 位標(biāo)志和13 位片偏移用于分片。TTL（Time to live)是這樣用的：源主機為數(shù)據(jù)包設(shè)定一個生存時間，比如64，每過一個路由器就把該值減1，如果減到0 就表示路由已經(jīng)太長了仍然找不到目的主機的網(wǎng)絡(luò)，就丟棄該包，因此這個生存時間的單位不是秒，而是跳（hop）。協(xié)議字段指示上層協(xié)議是TCP、UDP、ICMP 還是IGMP。然后是校驗和，只校驗IP 首部，數(shù)據(jù)的校驗由更高層協(xié)議負(fù)責(zé)。IPv4的IP 地址長度為32 位。

IP數(shù)據(jù)報承載的內(nèi)容最常見的是UDP和TCP兩種數(shù)據(jù)段，首先來看一下UDP段。

UDP 協(xié)議不面向連接，也不保證傳輸?shù)目煽啃浴５且驗閿?shù)據(jù)段結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用也非常廣泛。

接下來重點分析一線TCP段，TCP段首部通常也是20字節(jié)。

序號：指出段中的數(shù)據(jù)部分在發(fā)送方數(shù)據(jù)流中的位置。

確認(rèn)號：指出接收方希望收到對方下次發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號。

TCP段首部的定長部分為20個字節(jié)，即5個單位的長度。

URG位：緊急標(biāo)志，和緊急指針配合使用，當(dāng)其為1時表示，此報文要盡快傳送。

ACK位：確認(rèn)標(biāo)志，和確認(rèn)號字段配合使用，當(dāng)ACK位置1時，確認(rèn)號字段有效。

PSH位：為推送標(biāo)志，置1時，發(fā)送方將立即發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

RST位：復(fù)位標(biāo)志，置1時，表明有嚴(yán)重差錯，必須釋放連接。

SYN位： 同步標(biāo)志，置1時，表示請求建立連接。

FIN位：終止標(biāo)志，置1時，表明數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完，請求釋放連接。

窗口大?。?2bit，用于向?qū)Ψ酵ǜ娈?dāng)前本機的接受緩沖區(qū)的大小。

校驗和字段長度：16bit，校驗范圍包括段首部、數(shù)據(jù)以及偽首部。

TCP的傳輸過程：

建立連接的過程：

【1】. 客戶端發(fā)出段1，SYN 位表示連接請求。

【2】 服務(wù)器發(fā)出段2，也帶有SYN 位，同時置ACK 位表示確認(rèn)。

【3】 客戶端發(fā)出段3，對服務(wù)器的連接請求進(jìn)行應(yīng)答。

在這個過程中，客戶端和服務(wù)器分別給對方發(fā)了連接請求，也應(yīng)答了對方的連接請求，其中服務(wù)器的請求和應(yīng)答在一個段中發(fā)出，因此一共有三個段用于建立連接，稱為'''三方握手（three-way-handshake）'''。在建立連接的同時，雙方協(xié)商了一些信息，例如雙方發(fā)送序號的初始值、最大段尺寸等。

TCP數(shù)據(jù)傳輸過程:

【1】 ?客戶端發(fā)出段4，包含N 個字節(jié)數(shù)據(jù)。

【2】 ?服務(wù)器發(fā)出段5，確認(rèn)數(shù)據(jù)收到，服務(wù)器在應(yīng)答的同時也向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。

【3】 ?客戶端發(fā)出段6，對服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)表示確認(rèn)收到。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，ACK 和確認(rèn)序號是非常重要的，應(yīng)用程序交給TCP 協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)會暫存在TCP 層的發(fā)送緩沖區(qū)中，發(fā)出數(shù)據(jù)包給對方之后，只有收到對方應(yīng)答的ACK 段才知道該數(shù)據(jù)包確實發(fā)到了對方，可以從發(fā)送緩沖區(qū)中釋放掉了，如果因為網(wǎng)絡(luò)故障丟失了數(shù)據(jù)包或者丟失了對方發(fā)回的ACK 段，經(jīng)過等待超時后TCP 協(xié)議自動將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包重發(fā)。

TCP連接的關(guān)閉

【1】 ?客戶端發(fā)出段7，F(xiàn)IN 位表示關(guān)閉連接的請求。

【2】 ?服務(wù)器發(fā)出段8，應(yīng)答客戶端的關(guān)閉連接請求。

【3】 ?服務(wù)器發(fā)出段9，其中也包含F(xiàn)IN 位，向客戶端發(fā)送關(guān)閉連接請求。

【4】 ?客戶端發(fā)出段10，應(yīng)答服務(wù)器的關(guān)閉連接請求。

建立連接的過程是三方握手，而關(guān)閉連接通常需要4 個段（四次握手），服務(wù)器的應(yīng)答和關(guān)閉連接請求通常不合并在一個段中，因為有連接半關(guān)閉的情況，這種情況下客戶端關(guān)閉連接之后就不能再發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器了，但是服務(wù)器還可以發(fā)送數(shù)據(jù)給客戶端，直到服務(wù)器也關(guān)閉連接為止。