TCP/IP四层网络模型

TCP/IP四层模型介绍

TCP/IP协议模型是一个四层体系结构
它包含应用层、传输层、网络层和网络接口层

我们将TCP/IP模型与OSI模型对比（OSI开放式系统互连）

应用层

应用层包含了各种不同的协议，这些协议定义了应用程序如何通过网络通信

应用层的功能

网络通信

• 应用层是网络通信的最终目的，它负责接收来自其他主机的数据，并将其传递给用户进程

• 同时，应用层也负责将用户进程产生的数据封装为应用层协议格式，然后通过网络发送给目标主机

数据封装与解封装

• 在发送数据时，应用会将数据数据封装成特定的应用层协议格式，包括 添加必要的头部信息（协议标识符、源地址、目标地址等）

• 在接收数据时应用层会解析收到的数据包、提取用户数据，并将其传递给相应的用户进程

协议转换

• 应用层包含多种协议，如HTTP、FTP、SMTP等，这些协议主要定义了不同应用程序之间的通信方式

• 应用层负责在不同的协议之间进行转换，以确保数据能够在不同的应用程序之间正确传输

流量控制

• 应用层还负责实现流量控制机制，限制数据传输的速率，防止网络拥塞

• 这通常通过应用层协议中的窗口大小、重传机制等参数来实现

应用层的常用协议

HTTP

HTTP协议即超文本传输协议，（超文本是用超链接的方法，将不同空间的文字信息组值在一起的网状文本），是一种使用万维网（WWW）服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议
主要用于分布式超媒体信息系统，通过请求相应的方式实现客户端与服务器之间的通信和数据传输

FTP

FTP协议基于客户端-服务器模型工作，客户端向服务器请求，服务器响应这些请求，并在必要时向客户端发送数据。FTP使用两个TCP连接，一个用于控制命令的传输（控制连接），一个用于实际文本的传输（数据连接）

• 控制连接：在FTP绘画开始时建立，用于传输FTP命令和响应。客户端通过控制连接向服务器发送命令，服务器通过控制连接向客户端发送响应

• 数据连接：在需要传输文件时建立，用于传输文件数据；

SFTP

是基于SSH（远程连接工具）协议的文件传输协议，它用在在不安全的网络中安全的传输文件。SFTP结合SSH的安全加密和认证机制，使得文件传输过程能够抵御各种网络攻击

DNS

DNS协议是互联网的核心技术之一，它作为一个分布式数据库系统，负责将人类刻度的域名转换为计算机课识别的IP地址，从而使用户能够方便的访问互联网资源，而无需记住复杂的IP地址。DNS协议的主要功能是域名解析，将域名映射为对应的IP地址，这个过程也被称为主机名解析

传输层

向上层应用层提供服务，提供处于网络连接中的两台计算机之间的数据传输，属于面向通信的最高层，同时也是用户功能钟得最底层

传输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信（两台主机之间的通信其实是两台主机中的应用进程之间的通信）

在传输层有两个性质不同的协议：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据协议）

TCP/UDP

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
UDP是一种无连接的、不可靠的、面向数据报的传输层通信协议

TCP和UDP有以下特点：

• TCP是有连接的，UDP是无连接的

• TCP是可靠的，UDP是不可靠的

• TCP是数据传输字节流，UDP是面向数据报

• TCP、UDP都是全双工

有连接VS无连接

连接是一种抽象的概念，指客户端和服务器在进行数据通信前需要保存对端的关键信息（IP地址、端口号等）并且依赖保存的信息来发送/接收数据

TCP想要通信序先建立连接，只有连接完成后才能完成后续的通信
UDP无需经过对方的同意就可以直接发送数据，并且不会保存对方的消息。客户端/服务器每次发送数据时都需指定IP和端口号才能完全数据的传输

可靠传输vs不可靠传输

在复杂的网络环境下，数据传输可能存在丢包的情况，这可能会导致得到的信息不能正确解析；
面对这种情况，TCP会将丢失的数据包重新传输来保证通信双方尽量得到正确的数据，原因是TCP内部提供了一些操作来保证这种可靠传输
而UDP则没有这种可靠传输机制，如果数据包在网络传输中丢失了，UDP也不知道，因此不会重传

面对字节流vs面对数据报

TCP与文件操作一样，都是以字节为单位进行数据传输。所有的数据都被视为一连串的字节流，在传输时会被分割成若干大小和时的数据段，到达后在按照顺序被重新组装成完整的字节流
由于数据以一连串字节流的形式存在，因此在写入或读取时没有严格要求的对应关系，即数据读取时可根据需要读取任意字节数的数据

UDP是面向数据报传输数据，所有的数据都被视为一个个的数据报，其中每个UDP数据包都包含了完整的数据以及源/目的的端口IP等信息，因此数据在写入/读取时以单个数据报为单位

TCP/UDP都是全双工

全双工即通信双方既可以发数据，也可以收数据，且发送与接收可以同时进行，不需要等待对方完成操作

UDP协议

UDP报文格式

• 源/目的端口号：用于绑定通信双方主机上的进程，表示数据从哪个进程发出，由哪个进程接收

• UDP报文长度：UDP报文大小+UDP载荷大小，用来表示一个UDP数据包最大可以携带的数据范围，最大为2^16 = 64kb，单位为字节。当传输的数据大于报文长度，会自动进行分片和重组

• UDP校验和：将UDP负载中的数据通过一定的计算方式得到的16位数据，用于检测UDP头部和数据部分传输过程中是否发生错误

  • 为什么校验和？
    数据在网络传输中，由于受到某些外部因素干扰，可能出现信号反转，导致数据传输发生错误

  • 如何通过校验和判断数据是否出错？
    先将数据在发送前进行校验和的计算，并将校验和与数据等信息一起发送出去；但数据被接收后，接收方进行校验和的计算，然后将得到的校验和与数据包中的校验和进行比较，若比较的结果不一致，则说明数据在传输过程中大概率出错了

UDP的使用场景

UDP适合于对高速传输和实时性要求较高、对稳定性和可靠性要求不高、可以容忍少数数据丢失的场景，如音频传输、广播等

TCP协议

TCP报文格式

TCP首部的**大小是固定的20字节:**源端口号2字节、目的端口号2字节、序列号4字节、确认序列号4字节、4位首部长度1字节，6位保留位1字节，6位控制位1字节、窗口大小2字节、校验和2字节、紧急指针2字节、选项（0-40字节）

• 源/目的端口号（各2字节）：这里的端口号与UDP报文中的端口号作用一样，都用于定位发送与接受的主机的进程

• 32位序列号（4字节）：范围是0-2^32-1，当序列号超过最大值时置0，序列号用于标识此次发送数据的顺序，它的值为该报文段中数据部分的第一个字节的序号

• 确认序列号（4字节）：确定序列号的值为某个TCP数据包中的序列号+数据的字节数，用于确认接收的数据：表示在该值之前的所有数据都已经被正确接收到，并期待下一次发送的数据为确认序列号之后的数据

• 首部长度（4位1字节）：也可以称为“数据偏移”，用于确认TCP首部长度，它表示一个015的数据，单位位4个字节，由于TCP拥有固定的20字节的首部，因此数据偏移最小值为5（若小于5则视为格式错误），因此一个TCP的数据包大小为2060字节

• 保留位（6位1字节）：目前暂未使用，置0

• URG（Urgent）：当URG为1时，表示紧急指针有效，紧急指针所指示的数据优先处理

• ACK：当ACK置1时，表示确认序列号字段的值有效，它用于确认接收的数据。在TCP连接的数据传出过程中，数据接收方每次收到数据后都会返回一个带ACK标志的TCP报文，通知发送端已成功接收到数据

• PSH：当PSH置1时，表示数据接收端应尽快把接受的数据推送到应用层，而不是等待缓存区满后再传输

• RST：当RST置1时，表示发生了严重的个错误或连接出现异常，需要中断TCP连接，重置连接状态

• **SYN（Synchronized）：**当SYN置1时，表示当前通信双方处于正在建立连接的状态通常出现在“三次握手”时候

• 窗口大小（2字节）：表示数据接收端允许发送端发送多个最大数据量

• 校验和（2字节）：用于检测TCP首部和数据部分在传输过程中是否发生错误

• 紧急指针（2字节）：表示紧急数据的结束位置在数据流钟得偏移量，当URG置1时有效

• 选项（0~40字节）：为可选字段，且长度不定，提供一些额外的功能和控制信息；若使用选项，则该字段的大小为4的整数倍

TCP协议的重要机制

TCP相比UDP之所以由更多的应用场景，最核心的因素时TCP提供可靠的传输，可靠的传输并不是要求网络数据100%到达，而是当数据丢包时TCP能有补救措施

网络层

网路层处理数据报的路由和转发，以便将数据从源传输到目的地

作用

• 负责将数据包从源主机传输到目的主机，跨越多个网络

• 处理路由选择和逻辑地址（IP地址）的分配

主要协议

主要有IP、ICMP、ARP

ICMP

用于网络诊断（如ping）

ARP

将IP地址解析为物理地址（MAC地址）

IP需要一个单独的文章介绍，这次只介绍个入门部分

网络层中的IP协议

IP的分类

最大主机号个数 = 2的主机号位数次方-2（要排除全为0和全为1的地址）

特殊主机号

• 主机号全为0：
  当主机号全为0时，该IP地址表示的是网络地址，它代表整个网络，而不是网络中的某一台具体的主机。
  主要用于网络路由器和子网划分等。网络设备通过识别网络地址来确认数据应该被发送到哪个网络区域。当路由器接收一个数据包时，会检查目标IP的网络部分，将数据包转发到对应的网络

• 主机号全为1：
  主机号全为1的IP地址被用作广播地址。在一个特定的网络中，发送到这个地址的数据包会被该网络中所有的主机接收

主机到网络接口层

负责将数据包从一台设备传输到另一台设备

这一层主要涉及到局域网（LAN）和广域网（WAN）之间的连接