作者：MobMsg，資深全端工程師一枚，架構(gòu)師社區(qū)合伙人！

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TCP/IP 協(xié)議族

Internet 的核心協(xié)議就是 TCP/IP，廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，目前已有20+年發(fā)展史，是現(xiàn)用國際通行標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP 是個協(xié)議族，包含有多種協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)模型及分層如圖所示

TCP/IP 協(xié)議族全家福?

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TCP/IP 五層網(wǎng)絡(luò)模型

應(yīng)用層：應(yīng)用程序通過TCP/IP互連網(wǎng)絡(luò)后發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。選擇所需服務(wù)類型，按照傳輸層要求組織數(shù)據(jù)，向下傳遞報文序列或字節(jié)流2種類型

傳輸層：提供應(yīng)用層間通信服務(wù)，又稱端到端通信。提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有序送達到目的地。數(shù)據(jù)發(fā)送后需對方回送確認信息，有丟失的數(shù)據(jù)需發(fā)送方重發(fā)分組。傳輸?shù)膶ο笫莻鬏攲臃纸M

網(wǎng)際層：又稱IP層，負責(zé)機器間通信，接收到傳輸層請求后，向目的地傳送信息分組。此分組會被封裝進IP數(shù)據(jù)報中，由路由選擇算法決定直送目的地或發(fā)給路由，然后將數(shù)據(jù)向下傳遞給網(wǎng)絡(luò)接口層。接收到數(shù)據(jù)報時，檢驗正確性，由路由選擇算法決定本地處理或轉(zhuǎn)發(fā)，若目的地屬于本機所在網(wǎng)絡(luò)，就把數(shù)據(jù)報的報頭剝?nèi)?#xff0c;選擇適當(dāng)?shù)膫鬏攲訁f(xié)議向上傳遞分組

網(wǎng)絡(luò)接口層：又稱數(shù)據(jù)鏈路層，處于TCP/IP協(xié)議層之下，負責(zé)接收IP數(shù)據(jù)報并將數(shù)據(jù)報通過選定網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去

硬件層：處理連接網(wǎng)絡(luò)的硬件部分。包括控制操作系統(tǒng)、硬件的設(shè)備驅(qū)動、NIC（Network Interface Card，網(wǎng)絡(luò)適配器，即網(wǎng)卡），及光纖等 物理可見部分（還包括連接器等一切傳輸媒介）

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TCP/IP 內(nèi)含協(xié)議職責(zé)

應(yīng)用層協(xié)議職能

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TCP 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸流程

傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol,TCP）是 Internet 傳輸層協(xié)議，提供面向連接的可靠傳輸服務(wù)，可靠性由重發(fā)技術(shù)保證。TCP 報文首部的大小一定是4字節(jié)的倍數(shù)，其中固定首部大小為20字節(jié)且不變

TCP 數(shù)據(jù)包示意圖

ACK：確認位，當(dāng)它的值為1時，確認號才是有效的

TCP 三次握手建立連接

第一次握手：建立連接時，客戶端發(fā)送SYN包（syn=i）到服務(wù)器，并進入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認。SYN表示同步序列編碼（Synchronize Sequence Numbers）

第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=i+1），同時自己也發(fā)送一個SYN包（seq=j），即SYN+ACK包，此時服務(wù)器進入SYN_RECV狀態(tài)

第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK的包后，向服務(wù)器發(fā)送確認包ACK(j+1)，此包發(fā)送完畢，客戶端與服務(wù)器進入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手

三次握手建立連接示意圖

TCP 正常數(shù)據(jù)傳輸過程

本圖表示傳輸2個數(shù)據(jù)報的過程。主機A向B發(fā)送第一個 N 字節(jié)的數(shù)據(jù)包，SEQ為 i ，主機B收到后需要立即向主機A發(fā)送確認ACK包，ACK = i + N +1 ，這樣主機A才可確認數(shù)據(jù)傳輸成功。第二個數(shù)據(jù)包傳輸時，SEQ數(shù)值 = R，主機B收到后立即回傳ACK，此時ACK = R + N + 1，之后數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程持續(xù)此流程，需要注意的是發(fā)送方只有收到目標(biāo)方的確認包后才會清除緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)

ACK確認位 = SEQ數(shù)據(jù)編號 + 傳遞的字節(jié)數(shù)N + 1。第一個字節(jié)的SEQ編號由本地隨機產(chǎn)生，SEQ+N的作用是為了讓主機A確認發(fā)送給主機B的數(shù)據(jù)是否全部接收 / 是否出現(xiàn)丟失

正常數(shù)據(jù)傳輸示意圖

TCP 數(shù)據(jù)重傳與快重傳

• 數(shù)據(jù)重傳：主機A向主機B傳送數(shù)據(jù)，但中間發(fā)生錯誤，主機B未能收到。經(jīng)過一段時間后，主機A未收到主機B的ACK確認包，故主機A再次重傳此數(shù)據(jù)包。主機A每次發(fā)送數(shù)據(jù)時都會啟動一個定時器，規(guī)定時間沒收到響應(yīng)包則啟動重傳

• 快重傳：重傳發(fā)生在超時之后，但當(dāng)主機A收到3個以上重復(fù)的ACK，其實就說明有數(shù)據(jù)丟失，也需要重傳，此時重傳定時器還沒有結(jié)束，所以叫快速重傳

數(shù)據(jù)重傳示意圖

TCP 四次揮手結(jié)束連接

第一次揮手：客戶端發(fā)送一個FIN，用來關(guān)閉客戶端到服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳送，客戶端進入FIN_WAIT_1狀態(tài)

第二次揮手：服務(wù)端收到FIN后，發(fā)送一個ACK給客戶端，確認序號為收到序號+1（與SYN相同，一個FIN占用一個序號），服務(wù)端進入CLOSE_WAIT狀態(tài)

第三次揮手：服務(wù)端發(fā)送一個FIN，用來關(guān)閉服務(wù)端到客戶端的數(shù)據(jù)傳送，服務(wù)端進入LAST_ACK狀態(tài)

第四次揮手：客戶端收到FIN后，客戶端進入TIME_WAIT狀態(tài)，接著發(fā)送一個ACK給服務(wù)端，確認序號為收到序號+1，服務(wù)端進入CLOSED狀態(tài)，完成四次揮手

四次揮手結(jié)束連接示意圖

TCP 滑動窗口與擁塞控制

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IP 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸流程

網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol,IP）通常被認為提供的是無連接和不可靠的，但實際上，在網(wǎng)絡(luò)性能良好的情況下，IP傳送的數(shù)據(jù)能夠完好無損的到達目的地

無連接是指沒有確定目標(biāo)系統(tǒng)是否已做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備之前就發(fā)送數(shù)據(jù)。不可靠是指目的系統(tǒng)不對成功完成接收到的分組進行確認

IP 數(shù)據(jù)報示意圖

IP 發(fā)送數(shù)據(jù)

發(fā)送數(shù)據(jù)時，源計算機上的IP協(xié)議需要確定目的地是否在同一網(wǎng)絡(luò)，若目的地在同一網(wǎng)絡(luò)，使用直達通信，若不在同一網(wǎng)絡(luò)，則需要通過網(wǎng)關(guān)或路由器完成通信：

主機A組裝目的IP地址為主機B的數(shù)據(jù)報，之后進行路由選擇，再將次數(shù)據(jù)報發(fā)送至默認路由器（由APR地址解析確定路由器，得到下一默認路由器IP地址與MAC地址的映射關(guān)系，然后以該MAC地址為幀的目的地址形成一個幀，并將IP數(shù)據(jù)報封裝在幀的數(shù)據(jù)區(qū)，最后由具體的物理網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）完成數(shù)據(jù)報的真正傳輸）

IP 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

路由器接收到主機A的數(shù)據(jù)幀后，去掉幀頭并對其進行處理，發(fā)現(xiàn)此數(shù)據(jù)報的目的地非本地，需要將其轉(zhuǎn)發(fā)，由路由選擇算法及本地路由表確定下一跳路由器地址，通過ARP地址解析確定下一跳路由的IP地址與MAC地址的映射關(guān)系后，將該MAC地址作為數(shù)據(jù)幀的目的地將數(shù)據(jù)報封裝為數(shù)據(jù)幀，通過以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。重復(fù)此步驟直到第N個路由器與目的地直連，通過ARP地址解析確定目的主機的IP地址與MAC地址的映射關(guān)系，利用該MAC地址作為幀的目的地址，將IP數(shù)據(jù)報封裝成幀，并由以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的真正傳遞

IP 接收數(shù)據(jù)

主機B接收到數(shù)據(jù)幀后，解封該幀并對其進行處理，確定本機即為目的地址后，將數(shù)據(jù)報中封裝的數(shù)據(jù)交由上層協(xié)議進行處理，隨即逐層處理并上交直到應(yīng)用層，完成此次通信

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TCP/IP 五大重要特性

邏輯編址：通過IP地址+主機ID，確保計算機可尋

路由選擇：通過網(wǎng)絡(luò)路徑選擇協(xié)議，確保數(shù)據(jù)包到達目的地

域名解析：將域名映射為IP地址，使用域名一是便于記憶，二是域名相對固定不變

錯誤檢測：確保分組交換的可靠性傳遞，確認數(shù)據(jù)正常接收

流量控制：監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞出現(xiàn)

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络原理梳理丨清晰认识 TCP/IP 协议，图解秒懂！的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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