TCP学习笔记

TCP/IP 协议分层模型

TCP/IP 协议族按层次分别分为以下 4 层：应用层、传输层、网络层和数据链路层。层次化之后，每个层级只需要考虑自己的任务就可以了，不再需要弄清其他层级的功能了。

TCP/IP 协议族各层的作用如下。

应用层

应用层决定了向用户提供应用服务时通信的活动。

TCP/IP 协议族内预存了各类通用的应用服务。比如，FTP（FileTransfer Protocol，文件传输协议）和 DNS（Domain Name System，域名系统）服务就是其中两类。

HTTP 协议也处于该层。

传输层

传输层对上层应用层，提供处于网络连接中的两台计算机之间的数据传输。

在传输层有两个性质不同的协议：TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和 UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）。

网络层（又名网络互连层）

网络层用来处理在网络上流动的数据包。数据包是网络传输的最小数据单位。该层规定了通过怎样的路径（所谓的传输路线）到达对方计算机，并把数据包传送给对方。

与对方计算机之间通过多台计算机或网络设备进行传输时，网络层所起的作用就是在众多的选项内选择一条传输路线。

链路层（又名数据链路层，网络接口层）

用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱动、NIC（Network Interface Card，网络适配器，即网卡），及光纤等物理可见部分（还包括连接器等一切传输媒介）。硬件上的范畴均在链路层的作用范围之内。

TCP/IP 通信传输流

 

利用 TCP/IP 协议族进行网络通信时，会通过分层顺序与对方进行通信。发送端从应用层往下走，接收端则从数据链路层往上走。 

接收端的服务器在链路层接收到数据，按序往上层发送，一直到应用层。当传输到应用层，才能算真正接收到由客户端发送过来的 HTTP请求。 

发送端在层与层之间传输数据时，每经过一层时必定会被打上一个该层所属的首部信息。反之，接收端在层与层传输数据时，每经过一层时会把对应的首部消去。

这种把数据信息包装起来的做法称为封装（encapsulate）。

与 HTTP 关系密切的协议 : IP、TCP 和DNS

负责传输的 IP 协议

按层次分，IP（Internet Protocol）网际协议位于网络层。

IP 协议的作用是把各种数据包传送给对方。而要保证确实传送到对方那里，则需要满足各类条件。其中两个重要的条件是 IP 地址和 MAC地址（Media Access Control Address）。 IP 地址指明了节点被分配到的地址，MAC 地址是指网卡所属的固定地址。IP 地址可以和 MAC 地址进行配对。IP 地址可变换，但 MAC地址基本上不会更改。 

IP 间的通信依赖 MAC 地址。在网络上，通信的双方在同一局域网（LAN）内的情况是很少的，通常是经过多台计算机和网络设备中转才能连接到对方。而在进行中转时，会利用下一站中转设备的 MAC地址来搜索下一个中转目标。这时，会采用 ARP 协议（Address Resolution Protocol）。ARP 是一种用以解析地址的协议，根据通信方的 IP 地址就可以反查出对应的 MAC 地址。 

确保可靠性的 TCP 协议

按层次分，TCP 位于传输层，提供可靠的字节流服务。

所谓的字节流服务（Byte Stream Service）是指，为了方便传输，将大块数据分割成以报文段（segment）为单位的数据包进行管理。而可靠的传输服务是指，能够把数据准确可靠地传给对方。一言以蔽之，TCP 协议为了更容易传送大数据才把数据分割，而且 TCP 协议能够确认数据最终是否送达到对方。 

为了准确无误地将数据送达目标处，TCP 协议采用了三次握手（three-way handshaking）策略。用 TCP 协议把数据包送出去后，TCP不会对传送后的情况置之不理，它一定会向对方确认是否成功送达。 

TCP特性

• TCP提供一种面向连接、可靠的字节流服务
• 在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信，广播和多播不能用于TCP
• TCP使用校验和，确认和重传机制来保证可靠传输
• TCP给数据分节进行排序，并使用累积确认保证数据的顺序不变和非重复
• TCP使用滑动窗口机制来实现流量控制，通过动态改变窗口的大小进行拥塞控制

负责域名解析的 DNS 服务

DNS（Domain Name System）服务是和 HTTP 协议一样位于应用层的协议。它提供域名到 IP 地址之间的解析服务。

计算机既可以被赋予 IP 地址，也可以被赋予主机名和域名。比如www.cnblogs.com。

用户通常使用主机名或域名来访问对方的计算机，而不是直接通过 IP地址访问。因为与 IP 地址的一组纯数字相比，用字母配合数字的表示形式来指定计算机名更符合人类的记忆习惯。但要让计算机去理解名称，相对而言就变得困难了。因为计算机更擅长处理一长串数字。为了解决上述的问题，DNS 服务应运而生。DNS 协议提供通过域名查找 IP 地址，或逆向从 IP 地址反查域名的服务。 

三次握手

为了准确无误地将数据送达目标处，TCP 协议采用了三次握手（three-way handshaking）策略。握手过程中使用了 TCP 的标志（flag） —— SYN（synchronize） 和ACK（acknowledgement）。

三次握手过程：

• 第一次握手：客户端给服务端发一个 SYN 报文，并指明客户端的初始化序列号 ISN(c)。此时客户端处于 SYN_Send 状态。
• 第二次握手：服务器收到客户端的 SYN 报文之后，会以自己的 SYN 报文作为应答，并且也是指定了自己的初始化序列号 ISN(s)，同时会把客户端的 ISN + 1 作为 ACK 的值，表示自己已经收到了客户端的 SYN，此时服务器处于 SYN_REVD 的状态。
• 第三次握手：客户端收到 SYN 报文之后，会发送一个 ACK 报文，当然，也是一样把服务器的 ISN + 1 作为 ACK 的值，表示已经收到了服务端的 SYN 报文，此时客户端处于 establised 状态。
• 服务器收到 ACK 报文之后，也处于 establised 状态，此时，双方以建立起了链接，握手完毕。

通过三次握手，客户端和服务器端都能指定自己的初始化序列号，确认双方的接受能力、发送能力是否正常，为后面的可靠传输做准备。如果是https协议，三次握手过程中，还会进行数字证书的验证以及加密密钥的生成。

三次握手的一个重要功能是客户端和服务端交换ISN，用于让对方知道接下来接收数据的时候如何按序列号组装数据，为了避免攻击，这个ISN是动态生成的。另外，由于第三次握手的时候，客户端处于 established 状态，也就是说，对于客户端来说，他已经建立起连接了，并且也已经知道服务器的接收、发送能力是正常的了，所以此时是可以携带数据的。但是在前两次握手的时候，并不清楚服务器的接送、发送能力，携带数据会浪费服务器大量的处理时间，造成攻击，因此，前两次握手的时候，是不能携带数据的。

四次挥手

三次握手是客户端主动发起，用于建立连接的，而四次挥手则是用于关闭连接，既可以是客户端主动发起，也可以由服务器端发起。（下面假设由客户端主动发起）

四次挥手过程：

• 第一次挥手：客户端发送一个 FIN 报文，报文中会指定一个序列号。此时客户端处于FIN_WAIT1状态。
• 第二次握手：服务端收到 FIN 之后，会发送 ACK 报文，且把客户端的序列号值 + 1 作为 ACK 报文的序列号值，表明已经收到客户端的报文了，此时服务端处于 CLOSE_WAIT状态。（接受到关闭请求，但还没准备好）
• 第三次挥手：如果服务端也想断开连接了，和客户端的第一次挥手一样，发给 FIN 报文，且指定一个序列号。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态。（告诉客户端，自己已经准备好了）
• 第四次挥手：客户端收到 FIN 之后，一样发送一个 ACK 报文作为应答，且把服务端的序列号值 + 1 作为自己 ACK 报文的序列号值，此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。需要过一阵子以确保服务端收到自己的 ACK 报文之后才会进入 CLOSED 状态。服务端收到 ACK 报文之后，就处于关闭连接了，处于 CLOSED 状态。

需要注意的是，第四次挥手的时候，客户端发送了ACK报文以后，并没有立即关闭连接，而是等待了一段时间，这是因为，客户端需要确认服务器端是否收到了自己发送的ACK报文，如果没有收到的话，服务器端会重新发送FIN报文给客户端，如果客户端再次收到了FIN报文，则说明之前的ACK报文丢失了，需要再次发送ACK报文。所以，客户端收到FIN以后的TIME_WAIT状态持续的时间至少是一个报文的来回时间，一般设置一个计时，如果过了这个计时没有再次收到FIN报文，则代表对方成功接收ACK报文，然后进入 CLOSED 状态。