TCP/IP 协议基础总结_tcpip4层模型
• 网络模型
– OSI参考模型 – OSI参考模型各层功能 – TCP/IP网络模型 – TCP/IP协议栈
OSI 参考模型由国际标准化组织（ISO）于 1984 年提出，目标是 解决不同厂商网络设备的兼容性问题，通过分层设计将复杂的网络通信拆解为独立模块，让各层专注于特定功能，便于协议开发、故障排查和技术迭代。
1. 应用层（第 7 层）
- 功能：直接为应用程序提供网络服务，是90用户 / 应用 “最直观接触” 的层。
- 典型协议 / 场景：Web（万维网）、NFS(网络文件系统)、RPC（远程过程调用）
- 核心逻辑：无需关心底层传输细节，专注 “应用间通信需求”（如浏览器发起 HTTP 请求）。
2. 表示层（第 6 层）
- 功能：处理数据的表示形式，确保发送方和接收方 “理解相同的数据格式”。
- 关键操作：加密 / 解密（如 HTTPS 的 TLS）、压缩 / 解压缩（如图片压缩传输）、格式转换（ASCII→Unicode、JSON→XML）。
- 现实映射：虽然实际 TCP/IP 协议中，这层功能常被合并到应用层（如 TLS 在 HTTP 和 TCP 之间），但 OSI 模型中它独立存在，强调 “数据格式标准化” 的必要性。
3. 会话层（第 5 层）
- 功能：管理应用程序之间的 “会话”（即通信连接的建立、维护、断开）。
- 典型场景：
- 建立会话：如远程桌面（RDP）登录时协商连接；
- 维护会话：如数据库事务的 “会话保持”（确保操作连续）；
4. 传输层（第 4 层）
- 功能： – 提供端到端的可靠通信（主机 A 的进程←→主机 B 的进程）。 – 分段上层数据 – 提供面向连接或无连接的服务 – 建立端到端连接，维护连接状态 – 可靠传输、流量控制 – 常见协议：TCP、UDP、IPX协议族的SPX
- 关键协议：
- TCP（传输控制协议）：可靠传输（确认、重传、流量控制），用于 HTTP、FTP 等；
- UDP（用户数据报协议）：高效传输（无确认、无重传），用于视频通话、直播等。
- 核心标识：通过端口号区分不同应用。
5. 网络层（第 3 层）
- 功能：负责网络寻址和路由选择。
- 关键操作：
- 寻址：通过IP 地址（如 192.168.1.100）标识主机；
- 路由：选择最优路径（如路由器通过 OSPF/BGP 协议计算转发路径）。
- 典型协议：IP（网际协议）、ICMP（网络控制消息，如 ping）、ARP（IP→MAC 地址解析）。
- 额外补充： ---可路由协议：可跨越三层设备进行路由转发的协议，如IP、IPX。 ---不可路由协议：不可跨越三层设备，也不能进行路由转发的协议 ，如NETBEUI。 ---路由协议：在路由器之间传递路由信息并计算路由，为可路由协 议选择转发路径的协 议，如RIP、OSPF、BGP。
6. 数据链路层（第 2 层）
- 功能：告诉接收方的 “数据链路层”，帧里的数据部分属于哪个上层协议（标识上层数据）、在同一链路（广播域）内定位目标设备（寻址）、CRC 校验（差错验证）、控制相邻设备间的发送速率（流量控制）、把上层（网络层）的 “数据包”（如 IP 包）封装成 “帧”（编帧和识别帧）。
- 关键操作：
- 帧封装：添加 MAC 地址（网卡物理地址）、差错检测（如 CRC 校验）；
- 链路管理：以太网（Ethernet）、VLAN（虚拟局域网）等协议。
7. 物理层（第 1 层）
- 功能：最底层，定义电压、接口、线缆、传输距离等。
- 涉及对象：网线（双绞线、光纤）、网卡、集线器、物理接口标准（如 RJ45、光模块）。
• 对等通信
- 七层模型（应用 / 表示 / 会话 / 传输 / 网络 / 数据链路 / 物理层 ），两台主机同层为 “对等层”；
- 规则：同层用相同协议（如双方应用层靠 APDU 交互 ）、下层为上层提供服务（如网络层依赖数据链路层传帧 ）；
- PDU（协议数据单元）：各层数据单元名称不同（应用层 APDU、传输层 Segment… 物理层 Bit ），体现数据 “封装 - 解封装” 流程。
三种网络分层模型
IP协议特点
IP 是无连接的，传输前无需建立连接；
提供尽力而为服务，超转发能力时丢弃；
数据包独立路由、传送无序；
传输不可靠，可靠性由上层协议（如TCP）解决。
IP包头结构
1. 版本（4 位）
- 标识 IP 协议版本（如
0100代表 IPv4，0110代表 IPv6 ）。 - 作用：让接收方识别协议版本，确保解析方式一致。
2. 包头长度（4 位）
- 单位是 32 位字（4 字节）。
- 作用：IP 头部可能含 “选项” 字段（长度可变），此值 ×4 = 实际头部字节数（如值为
5→ 5×4=20 字节，即无选项的标准头部）。
3. 服务类型（8 位）
- 包含 优先级、延迟、吞吐量、可靠性 等标识。
- 作用：实现 QoS（服务质量），让路由器优先转发特定类型数据包（如视频流）。
4. 报文长度（16 位）
- 表示 整个 IP 数据包的总长度（头部 + 数据），单位是字节。
- 范围：0~65535（16 位最大取值），但实际受链路 MTU 限制（如以太网默认 MTU=1500，超过会分片）。
5. 标识符（16 位）
- 用于 分片重组：同一原始数据包的分片，会被标记相同的标识符。
- 作用：接收方通过标识符，识别 “哪些分片属于同一个原始包”。
6. 标志位（3 位）
- 常用两位：
- DF（Don’t Fragment，不分片）：
DF=1时，数据包不能被分片，若超过 MTU 则直接丢弃； - MF（More Fragments，还有分片）：
MF=1时，表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片。
- DF（Don’t Fragment，不分片）：
- 作用：控制数据包是否分片，及告知接收方 “是否还有后续分片”。
7. 分段偏移量（13 位）
- 表示 分片在原始数据包中的位置，单位是 8 字节（即分片数据部分需是 8 字节的整数倍）。
- 作用：接收方按偏移量重组分片（如偏移量
0是第一个分片，10表示该分片从原始包的第 80 字节开始）。
8. 存活时间（TTL，8 位）
- 数据包在网络中能经过的 最大 “跳数”（每经过一个路由器转发，TTL 减 1）。
- 作用：防止数据包在网络中形成环路（TTL 减到
0时，路由器直接丢弃）。
9. 协议（8 位）
- 标识 上层协议类型（告知接收方 “数据包交给哪个协议处理”）。
- 常见值：
6（TCP）、17（UDP）、1（ICMP）、41（IPv6 隧道）等。
10. 包头校验和（16 位）
- 仅校验 IP 头部（数据部分不校验），用于检测头部传输错误。
- 工作方式：发送方计算头部校验和，接收方重新计算对比，不一致则丢弃数据包。
11. 源 IP 地址 & 目标 IP 地址（各 32 位）
- 发送方和接收方的 IP 地址（如
192.168.1.100二进制占 32 位）。 - 作用：网络层寻址核心，路由器通过目标 IP 决定转发路径，接收方通过源 IP 识别数据来源。
12. 选项（可变长）
- 可选字段（非必须）。
- 实际场景：最大段大小（MSS，Maximum Segment Size）等
13. 填充
- 因 “选项” 长度可变，用
0填充，确保 整个 IP 头部长度是 32 位的整数倍（保证数据部分字节对齐，提升处理效率）。
MTU与IP分片
• MTU（最大传输单元） – 链路层MTU：链路层能传的最大的帧，含链路层头部。 – 网络层MTU：网络层能传的最大的包，含网络层头部。命令含义 – Cisco设备在数据包进入接口和从接口发出时都检查MTU。 – MTU命令：最大二层净载荷长度，默认值为1500字节。二层净荷载长度（Payload Length） 指 帧中 “实际要传输的有效数据部分” 的字节数，即 除去帧头（MAC头 ）和帧尾（FCS）的网络层数据包。
路由器IP分片
– 数据包大于入接口MTU，Cisco设备将丢弃该包– 数据包大于出接口MTU • 该包的DF=1时，丢弃该包；该的DF=0时，将该包分片。 • IP分片只在目标主机上重组。
TCP协议概述
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） 是面向连接的，传输需经建立连接、传输数据、断开连接三阶段；支持全双工通信，能双向同时传输；提供有序、可靠传输（含校验和、超时重传），通过滑动窗口实现流量控制，适合可靠性要求高的应用。
TCP包头结构
1. 源端口（16 位） + 目标端口（16 位）
作用：标识 通信的应用进程（区分同一主机的不同服务 / 应用）。
2. 序号（32 位）
- 字节号 – TCP把要在一个连接上发送的数据都按字节编号。通信双方的编 号是相互独立的，编号不一定要从0开始，TCP选择0～(2的32次 方－1)之间的一个随即数作为第1个字节的编号。
- 序号 – TCP把要在一个连接上发送的数据分成若干报文段，然后给每个 报文段指派一个序号，序号就是该报文段第一个字节的编号 。
3. 确认号（32 位）
- 作用：告知对方期望收到的下一个字节序号，实现可靠确认。
- 逻辑：
- 若接收方成功收到序号
1000~1099的数据，会回复确认号=1100（表示 “已收到到 1099，期待 1100 开始的新数据”）； - 发送方根据确认号判断 “哪些数据已被接收”，未确认则超时重传。
- 若接收方成功收到序号
4. 报头长度（4 位）
- 单位是 32 位字（4 字节）。
- 作用：TCP 头部可能含 “选项”（长度可变），此值 ×4 = 实际头部字节数（如值为
5→ 5×4=20 字节，即无选项的标准头部）。
5. 预留（6 位）
- 保留给未来扩展使用，当前强制填 0，避免协议冲突。
6. 编码位（6 位，控制标志）
TCP 核心控制位，决定连接状态和数据处理逻辑，常用标志：
7. 窗口（16 位）
- 表示 接收方的空闲缓冲区大小（单位：字节），用于流量控制。
- 逻辑：
- 接收方通过 “窗口字段” 告知发送方 “我还能收多少数据”（接收窗口的大小是多少）；
- 发送方的发送窗口不能超过此值，避免接收方缓冲区溢出（结合拥塞窗口实现动态调控）。
8. 校验和（16 位）
- 检查 TCP 头部 + 数据 的完整性（发送方计算校验和，接收方验证）。
- 特点：覆盖数据部分（区别于 IP 头部仅校验头部）。
9. 紧急指针（16 位）
- 仅当 URG 标志置 1 时有效，指示紧急数据在 TCP 段中的偏移量。
- 作用：让紧急数据部分优先被处理，无需等待整个段传输完成。
10. 选项（0 或 32 位等可变长）
- 非必须字段。
- 常见选项：MSS（最大段大小）：协商 TCP 段的最大数据长度（避免 IP 分片）；
11. 数据（不固定长度）
- 承载应用层数据（如 HTTP 请求体、文件内容），长度 = 整个 TCP 段长度 - 头部长度。
TCP工作机制
三次握手机制
TCP连接建立——TCP MSS
– TCP MSS是TCP的一个重要选项，TCP数据分段的最大长度，该 参数在三次握手时发给对方。
– 网络设备干预TCP MSS协商，可解决大TCP报文不通问题。
TCP工作机制
1. 传输确认机制
- 核心逻辑：用 序列号（Sequence Number） 和 确认号（Acknowledgment Number） 实现。
- 发送方给每个数据段的首字节编号（序列号），标记字节流位置；
- 接收方收到数据后，回复 确认号 = 已收数据最后字节的序号 + 1，告知发送方 “期望下一个字节的序号”；
- 发送方通过确认号判断数据是否被接收，未确认则触发重传。
- 作用：保证数据有序、不丢、不重复，是 TCP 可靠传输的基础。
2. 超时重传机制
- 核心逻辑：发送方发数据后，若超时未收到确认，则重传该数据段。触发条件：数据丢失或确认丢失时，通过超时强制重传，兜底保障可靠性。
- 作用：应对网络丢包，确保数据最终送达。
3. 双向传输机制
- 核心逻辑：TCP 连接是全双工的，双方同时维护独立的发送 / 接收缓冲区和序列号空间。
- 连接建立后，客户端和服务器可同时双向发送数据（如客户端发请求时，服务器可同时回响应）；
- 每个方向的数据流有自己的序列号、确认号和窗口，互不干扰。
- 作用：支持 “同时收发”，提升通信效率（如视频通话双向传数据）。
4. 四次断开机制
- 核心逻辑：关闭连接需双向独立关闭，流程分四步（以客户端主动断开为例）：
- 客户端发 FIN：客户端发送
FIN包，请求关闭 “客户端→服务器” 方向，进入FIN_WAIT_1状态； - 服务器回 ACK：服务器回
ACK包，确认关闭方向 1，进入CLOSE_WAIT状态； - 服务器发 FIN：服务器若无需再发数据，发送
FIN包，请求关闭 “服务器→客户端” 方向，进入LAST_ACK状态； - 客户端回 ACK：客户端回
ACK包，确认关闭方向 2，进入TIME_WAIT状态（等待超时确保对方收到 ACK），最终连接完全关闭。
- 客户端发 FIN：客户端发送
- 作用：保证双向数据都传输完毕后再断开，避免数据丢失。
- 补充：将第二步和第三步同时进行则为三次挥手（断开）
5.滑动窗口机制
• TCP为每个方向的数据传送都使用两个窗口（发送窗口和接收 窗口），共4个窗口。 • TCP通过强制发送方和接收方不断调整窗口大小，来实现流量 控制。 • 出现拥塞，窗口减半； • 传输稳定，窗口慢慢变大。
