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1、TCP

01-TCP简介

传输控制协议(Transmission Control Protocol:TCP)是互联网协议套件TCP/IP中的核心协议之一，属于传输层的协议。它为应用层提供可靠，面向连接等待通讯服务。确保数据在网络中的完整传输。TCP有美国在20世纪70-80年代初开发，为不同类型的计算机网络提供统一的通讯方式。

TCP在网络通信中的作用

• 可靠传输
  
  • TCP会确保数据包先后顺序，完整无误地传输到目标端，使用确认应答和重传机制来实现可靠性
• 面向连接
  
  • 在数据传输开始之前，TCP会在通讯双方之间建立一个稳定的连接，确保双方都准备好发送和接收数据
• 流量控制
  
  • 通过调整数据发送速率，防止发送方过快地发送数据，导致接收方缓存溢出
• 堵塞控制
  
  • 监控网络状况，调整数据传输速率，异避免因网络拥堵导致数据包丢失或者延迟
• 数据分段与重组
  
  • 将应用层数据分割成适当大小的段进行传输，并子啊接收端重新组装为最原始的数据流

02-TCP的基本原理

面向连接的协议

TCP是一种面向连接的协议，这意味着在数据传输开始之前，通讯双方必须建立一个连接，确保双方都能准备好继续数据传输，

这个过程涉及到一一系列的握手操作，以确保双方的发送和接收能力，在这个过程中，使用三次握手建立连接，从而确保双方的序列号已经协商好，能够进行高效的通讯。

a-建立连接的步骤：

• 1、客户端发送SYN：SendYesNo
  
  • 客户端向服务端发送一个带有SYN(同步)标志的数据包，表明希望建立连接
• 2、服务端回应SYN-ACK
  
  • 服务端收到SYN数据包之后，回应一个带有SYN和ACK确认标志的数据包，表示已经收到客户端的SYN，并同意建立连接。
• 3、客户端确认ACK
  
  • 客户端收到服务端的SYN-ACK数据包后，发送一个带有ACK标志的数据包，服务端收到这个ACK包之后，连接建立完成

通过三次握手，双方确认彼此的发送和接收能力，并交换初始序列号，为可靠的数据传输奠定基础。

b-断开连接的步骤：

TCP连接的终止采用四次挥手 Four-Way-Hasdshake过程，确保双方都能正常关闭连接（不丢失数据的情况下）

• 1、第一次挥手：主动关闭连接的一方（如客户端）发送一个带有FIN标识的数据包，表示当前没有数据要发送
• 2、第二次挥手：被动关闭连接的一方（如服务端）接收到FIN标志后，发送一个带有ACK【确认应答】标志的数据包，确认收到关闭请求。
• 3、第三次挥手：被动关闭连接的一方，准备关闭连接时，发送一个带有FIN标志的数据包，表示同意关闭连接。
• 4、第四次挥手：主动关闭连接的一方，收到FIN后，发送一个带有ACK标志的数据包，确认连接的完全关闭。

通过四次挥手，确保双方都能够有序关闭连接，避免数据丢失和资源浪费。

第二次和第三次，被动关闭端需要发送ACK包和FIN包，为什么要分开发送呢？

• 1、需要等待数据传输的完成
  
  • 被动关闭端可能仍然有数据需要发送给主动关闭端。在发送 ACK 包后，被动关闭端可以继续发送剩余的数据。
• 2、确保数据传输
  
  • 分开发送 ACK 和 FIN 包可以确保被动关闭端有足够的时间来发送所有待传输的数据，并且这些数据都被可靠地传输
• 3、半关闭状态
  
  • 在某些情况下，一方可能想要关闭发送能力，但仍然想要接收数据。这种状态称为“半关闭”。第二次挥手允许被动关闭端继续接收数据，直到它准备好完全关闭连接
• 4、协议规定
  
  • TCP 协议规定了这样的“四次挥手”过程，以确保双方都有机会完成数据传输和确认
• 5、确保可靠性
  
  • 分开发送 ACK 和 FIN 包可以确保即使在网络延迟或重传的情况下，连接的关闭也是可靠和有序的。

03-可靠传输机制

为确保数据传输的可靠性，TCP引入以下机制

• 1、序列号：每一个字节的数据都被赋予了一个序列号，用于标识在数据传输的过程中的位置，确保数据按顺序到达
• 2、确认应答：接收方会对收到的数据包确认应答，告知发送方数据已经成功接收
• 3、重传机制：如果发送方在超出时间内没有收到确认应答，会重新发送数据包，确保数据最终到达
• 4、数据完整性校验：使用校验来检测数据在传输过程中是否被篡改或者损坏

04-流量控制和拥塞控制

流量控制

流量控制应用防止发送方过快发送数据，导致接收方的缓冲区溢出，TCP通过滑动窗口机制来实现流量控制，接收方在每一次确认应答中告知发送方自己缓冲区的剩余空间，发送方根据收到该信息调整发送速率，确保不会发送超出接收方能处理的数据量。

拥塞控制

拥塞控制用于防止网络堵塞，确保数据在网络中高效传输，TCP采用多种算法监测和调整数据传输速率，以适应未来的当前负载状况，主要的拥塞控制算法包括：

• 1、慢开始
  
  • 初始阶段，随着每一个成功的确认应答，拥塞窗口指数增长，快速弹出网络的承载能力
• 2、拥塞避免
  
  • 当拥塞窗口达到一定的阈值后，改为线性增长，避免过快地增加数据发送速率导致网络拥堵
• 3、快速重传和快速恢复
  
  • 当检测到数据包丢失时，立即重传缺失的数据包，并调整拥塞窗口以快速恢复传输速率

05-TCP报文结构

TCP报文段(TCP Segement)是TCP协议在传输数据时使用的基本单位，每一个报文有头部和数据部分组成，头部包含了控制信息和元数据，用于管理数据传输的各种机制。

TCP报文头部的各个字段详解

标志位详解

数据部分：

TCP报文段的数据部分承载了应用层的数据。数据的具体内容有上层协议（HTTP,FTP）决定，TCP负责将这些数据可靠的传输到目标端，数据部分的长度取决于TCP报文的总长度将去头部长度，最大可到达65535字节，实际传输受到MTU(最大传输单元)的限制

当应用层发送的数据超过网络承载的最大保温程度MSS，TCP会将数据拆分为多个报文段进行传输。接收端收到多个报文段后，根据序列号将数据组装为原始数据流。

06-七层模型

Open Systems Interconnection

• 1、物理层
  
  • 负责在物理媒介上传输原始比特流。
  • 以太网（Ethernet）、无线局域网（WLAN）、光纤通道（Fibre Channel）
• 2、数据链路层
  
  • 负责在相邻节点间的帧传输和错误检测
  • 常用协议：以太网（Ethernet）、${\color{red}点对点协议（PPP）}$、${\color{purple}局域网协议（LAP）}$、${\color{green}媒体访问控制（MAC）}$
• 3、网络层
  
  • 负责在不同网络间的路由和数据包传输。
  • 常用协议：互联网协议（IP）、互联网控制消息协议（ICMP）、地址解析协议（ARP）、逆向地址解析协议（RARP）、互联网组管理协议（IGMP）。
• 4、传输层
  
  • 负责提供端到端的数据传输服务，确保数据的完整性和可靠性。
  • 常用协议：传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）、流控制传输协议（SCTP）。
• 5、会话层
  
  • 负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。
  • 常用协议：远程过程调用（RPC）、结构化查询语言（SQL）、网络文件系统（NFS）。
• 6、表示层
  
  • 负责数据的表示、安全和压缩。
  • 常用协议：安全套接字层（SSL）、安全/多用途互联网邮件扩展（S/MIME）、超文本传输协议（HTTP）。
• 7、应用层
  
  • 负责为应用软件提供网络服务。
  • 常用协议：超文本传输协议（HTTP）【80端口】、超文本传输协议（HTTPS）【443端口】、文件传输协议（FTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、域名系统（DNS）、动态主机配置协议（DHCP）、简单网络管理协议（SNMP）。

每一层都为相邻层提供服务，并且依赖于下一层所提供的服务。这种分层的架构有助于网络设计、实现和故障排除。在实际应用中，许多协议可能会跨越多个层次。

2、UDP

用户数据包协议(User Datagram Protocol: UDP) 是无连接的，不可靠的传输层协议，它不建立连接，也不确保数据包的顺序和完整性。UDP适用于对实时性要求高而且可以容忍一定量的数据丢失的应用场景，视频直播，在线游戏。

3、TCP与UDP的对比

4、HTTP