网络中常用协议

一, TCP协议

        TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网核心协议之一，位于传输层，为应用层提供可靠的、面向连接的数据传输服务。

1. TCP的核心特点

特性	说明
面向连接	通信前需通过三次握手建立连接，结束后通过四次挥手释放连接。
可靠传输	通过确认应答（ACK）、超时重传、序列号机制保证数据不丢失、不重复、按序到达。
流量控制	通过滑动窗口机制动态调整发送速率，避免接收方缓冲区溢出。
拥塞控制	根据网络状况（如丢包）动态调整发送窗口（慢启动、拥塞避免、快重传等算法）。
全双工通信	同一连接中双方可同时发送和接收数据。
字节流服务	数据被看作无结构的字节流，应用层需自行定义消息边界（如HTTP的\r\n）。

2. TCP报文结构

TCP头部通常为20字节（可选项扩展至60字节），关键字段如下：

 0                   1                   2                   30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         源端口（16位）        |       目的端口（16位）         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       序列号（32位）                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     确认号（32位）                           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 数据偏移 | 保留 | 控制标志（URG/ACK/PSH/RST/SYN/FIN）|  窗口大小  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|        校验和（16位）        |        紧急指针（16位）         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         可选项（可选）                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

• 关键字段说明：

  • 源/目的端口：标识应用层服务（如HTTP=80，SSH=22）。

  • 序列号（SEQ）：数据字节流的编号，解决乱序问题。

  • 确认号（ACK）：期望收到的下一个字节序号（表示之前数据已确认接收）。

  • 控制标志：

    • SYN：发起连接。

    • ACK：确认应答。

    • FIN：关闭连接。

    • RST：强制重置连接。

  • 窗口大小：接收方可用的缓冲区空间（流量控制）。

3. TCP连接管理

(1) 三次握手（建立连接）

plaintext

客户端（Client）                            服务端（Server）|                                            ||------------------ SYN=1, SEQ=x ------------>||                                            ||<--------- SYN=1, ACK=1, SEQ=y, ACK=x+1 ----||                                            ||------------------ ACK=1, SEQ=x+1, ACK=y+1 ->||                                            |

• 步骤解析：

  1. 第一次握手（SYN）

     • 客户端发送 SYN=1（请求建立连接）和随机初始序列号 seq=x。

     • 作用：客户端告诉服务端“我想建立连接，我的初始序列号是 x”。

  2. 第二次握手（SYN+ACK）

     • 服务端收到 SYN 后，回复 SYN=1（同意建立连接）和 ACK=1（确认收到客户端的 x），并发送自己的初始序列号 seq=y。

     • 作用：服务端告诉客户端“我收到你的请求了，同意建立连接，我的初始序列号是 y”。

  3. 第三次握手（ACK）

     • 客户端收到 SYN+ACK 后，回复 ACK=1（确认收到服务端的 y），并发送 ack=y+1。

     • 作用：客户端告诉服务端“我收到你的确认了，可以开始通信了”。

• 为什么是三次？

• 防止历史重复连接请求（旧SYN包）干扰
  如果只有两次握手，服务端收到 SYN 就直接建立连接，但网络可能有延迟的旧SYN包，导致服务端误认为客户端又发起了新连接，浪费资源。
  第三次握手让客户端确认服务端的响应，确保连接是当前有效的。

• 同步双方的初始序列号（seq）
  双方需要交换初始 seq，用于后续数据排序和去重。三次握手确保双方都确认了对方的 seq。

(2) 四次挥手（释放连接）

TCP 是全双工通信（双方可同时收发数据），关闭连接时需要分别关闭两个方向的数据流。

客户端（Client）                            服务端（Server）|                                            ||------------------ FIN=1, SEQ=u ------------>||                                            ||<------------- ACK=1, ACK=u+1 --------------||                                            ||<------------- FIN=1, SEQ=v, ACK=u+1 -------||                                            ||------------------ ACK=1, ACK=v+1 ---------->||                                            |

为什么是四次挥手？

• 第一次挥手（FIN）

  • 客户端发送 FIN=1（请求关闭连接）和 seq=u（当前数据流的最后一个字节序号）。

  • 作用：客户端告诉服务端“我这边数据发完了，准备关闭”。

• 第二次挥手（ACK）

  • 服务端收到 FIN 后，回复 ACK=1（确认收到 FIN），并发送 ack=u+1。

  • 作用：服务端告诉客户端“我收到你的关闭请求了，但我可能还有数据要发”。

• TCP是全双工的，需要分别关闭两个方向

  • 客户端可以主动关闭发送方向（第一次挥手），但服务端可能仍有数据要发送（第二次挥手只是确认）。

  • 服务端处理完数据后，再关闭自己的发送方向（第三次挥手）。

  • 客户端最后确认（第四次挥手）。

• 如果合并第二次和第三次挥手？
  如果服务端没有剩余数据要发送，可以合并 ACK 和 FIN（变成三次挥手），但一般情况下，TCP 实现会分开处理，确保数据完整传输。

  • 第三次挥手（FIN）

    • 服务端处理完剩余数据后，发送 FIN=1（请求关闭连接）和 seq=v。

    • 作用：服务端告诉客户端“我这边也发完了，可以关闭了”。

  • 第四次挥手（ACK）

    • 客户端收到 FIN 后，回复 ACK=1（确认收到 FIN），并发送 ack=v+1。

    • 作用：客户端告诉服务端“我收到你的关闭请求了，可以彻底关闭了”。

二, TCP-IP协议通信模型

1. 概述

        TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol)协议，我们也叫做网络通讯协议。包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet 的核心协议。

1. TCP/IP四层模型

层级	功能	核心协议	典型设备
应用层	提供用户接口，处理应用程序逻辑（如HTTP网页、FTP文件传输）。	HTTP、FTP、DNS、SMTP、SSH	应用服务器、PC
传输层	提供端到端的数据传输服务（可靠TCP或高效UDP）。	TCP、UDP	防火墙、负载均衡器
网络层	负责寻址、路由选择，实现跨网络通信（如IP寻址、路由器跳转）。	IP、ICMP、ARP、BGP	路由器、三层交换机
网络接口层	管理物理介质访问（如以太网、Wi-Fi），负责数据帧的封装和传输。	Ethernet、Wi-Fi、PPP、HDLC	交换机、网卡、光纤

注：

• TCP/IP模型将OSI的应用层、表示层、会话层合并为应用层。

• 网络接口层对应OSI的数据链路层+物理层。

2. 各层核心功能与协议

(1) 应用层（Application Layer）

• 功能：直接面向用户，提供网络服务（如浏览器访问网页、邮件发送）。

• 关键协议：

  • HTTP/HTTPS：网页传输（80/443端口）。

  • FTP：文件传输（21控制端口+20数据端口）。

  • DNS：域名解析（53端口）。

  • SMTP/POP3：邮件发送与接收（25/110端口）。

  • SSH：加密远程登录（22端口）。

(2) 传输层（Transport Layer）

• 功能：确保数据可靠或高效地传输到目标应用（通过端口号区分服务）。

• 关键协议：

  • TCP（Transmission Control Protocol）：

    • 面向连接，可靠传输（确认、重传、排序）。

    • 适用场景：网页（HTTP）、文件传输（FTP）、邮件（SMTP）。

  • UDP（User Datagram Protocol）：

    • 无连接，高效但不可靠（无确认、可能丢包）。

    • 适用场景：视频流（RTP）、DNS查询、在线游戏。

(3) 网络层（Internet Layer）

• 功能：通过IP地址实现跨网络通信，选择最优路径（路由）。

• 关键协议：

  • IP（Internet Protocol）：

    • 无连接、不可靠，仅负责寻址和分组转发（IPv4/IPv6）。

  • ICMP（Internet Control Message Protocol）：

    • 传递网络状态信息（如ping命令使用ICMP Echo Request/Reply）。

  • ARP（Address Resolution Protocol）：

    • 将IP地址解析为MAC地址（如局域网内通信）。

  • BGP/OSPF：

    • 路由协议，决定数据包如何跨网络传输。

(4) 网络接口层（Network Interface Layer）

• 功能：管理物理网络介质（电缆、光纤、无线电波），封装数据帧。

• 关键协议与技术：

  • Ethernet（以太网）：

    • 使用MAC地址标识设备（如00:1A:2B:3C:4D:5E）。

  • Wi-Fi（IEEE 802.11）：

    • 无线局域网通信（2.4GHz/5GHz频段）。

  • PPP（Point-to-Point Protocol）：

    • 拨号上网或点对点直连（如家庭宽带PPPoE）。

3. 数据封装与解封装流程

发送方（封装）

1. 应用层：生成原始数据（如HTTP请求）。

2. 传输层：添加TCP/UDP头部（包含源/目的端口号）。

3. 网络层：添加IP头部（源/目的IP地址）。

4. 网络接口层：添加帧头（MAC地址）和帧尾（FCS校验），转换为比特流通过物理介质传输。

接收方（解封装）

1. 网络接口层：校验帧完整性，剥离MAC头部。

2. 网络层：检查IP地址，决定是否接收或转发。

3. 传输层：根据端口号交给对应应用程序（如80→HTTP服务）。

4. 应用层：处理数据（如渲染网页）。

三, UDP协议

        UDP(User Datagram Protocol) : 用户数据报协议，是不可靠的无连接的协议。在数据发送前，因为不需要进行连接，所以可用于进行高效率的传输。

1. UDP的核心特点

特性	说明
无连接	通信前无需握手，直接发送数据，节省延迟。
不可靠传输	不保证数据到达、不排序、不重传，可能丢包或重复。
头部开销小	固定8字节头部（TCP至少20字节），传输效率高。
支持广播/多播	可向多个目标发送数据（如视频流、在线会议）。
无拥塞控制	发送速率由应用层控制，适合实时应用（如游戏、直播）。

2. UDP报文结构

UDP头部仅8字节，结构如下：

 0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|   源端口（16位）  | 目的端口（16位）  |
+--------+--------+--------+--------+
|   数据报长度（16位） |   校验和（16位）  |
+--------+--------+--------+--------+
|             数据（可变长度）        |
+-----------------------------------+

• 关键字段：

  • 源端口/目的端口：标识发送方和接收方的应用（如DNS=53，QUIC=443）。

  • 数据报长度：包括头部和数据的总长度（最大65535字节）。

  • 校验和（可选）：检测数据是否损坏（IPv6强制要求）。

注：UDP的“不可靠”指协议本身不提供重传和排序，但应用层可自行实现可靠性（如QUIC协议）。

3. UDP工作流程

(1) 发送数据

1. 应用层将数据交给UDP。

2. UDP添加头部（源/目的端口、长度、校验和）。

3. 直接发送给网络层（IP），不建立连接，无需等待确认。

(2) 接收数据

1. 网络层（IP）将数据包传递给UDP。

2. UDP检查目的端口，将数据交给对应应用。

3. 无确认机制：接收方不发送ACK，发送方不知数据是否到达。

4. UDP的典型应用场景

(1) 实时多媒体传输

• 视频/音频流：如Zoom、WebRTC（容忍少量丢包，延迟敏感）。

• 在线游戏：如MOBA、FPS（低延迟优先于数据完整）。

(2) 简单查询/响应协议

• DNS查询：域名解析（请求-响应模式，一次交互完成）。

• DHCP：动态分配IP地址（基于UDP广播）。

(3) 广播/多播通信

• 网络时间协议（NTP）：同步时钟。

• IoT设备发现：如SSDP（Simple Service Discovery Protocol）。

(4) 自定义可靠协议

• QUIC（HTTP/3底层协议）：在UDP上实现可靠传输，减少TCP握手延迟。

• TFTP（简单文件传输）：基于UDP的轻量级文件传输。

5. UDP的优缺点

优点

• 低延迟：无需握手和确认，适合实时应用。

• 低开销：头部小，适合高频小数据包（如传感器数据）。

• 灵活性：应用层可自定义可靠性或拥塞控制（如QUIC）。

缺点

• 不可靠：需应用层处理丢包、乱序（如视频会议用前向纠错FEC）。

• 无流量控制：可能淹没接收方（需应用层限速）。

• 易受攻击：UDP洪水攻击（DDoS常见手段）

四,TCP协议和UDP协议的区别

        TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是传输层的两大核心协议，它们在设计目标、特性和适用场景上存在显著差异。以下是两者的详细对比：

1. 核心特性对比

对比项	TCP	UDP
连接方式	面向连接（需三次握手建立连接）	无连接（直接发送数据）
可靠性	可靠传输（确认、重传、排序）	不可靠（可能丢包、乱序、重复）
数据顺序	保证数据按序到达	不保证顺序
流量控制	通过滑动窗口动态调整发送速率	无流量控制
拥塞控制	拥塞避免、慢启动、快重传等算法	无拥塞控制，发送速率由应用层决定
头部开销	至少20字节（含选项可达60字节）	固定8字节
传输效率	低（延迟高、协议开销大）	高（延迟低、开销小）
通信模式	仅支持单播（一对一）	支持单播、广播、多播（一对多）
适用场景	网页（HTTP）、文件传输（FTP）、邮件（SMTP）	视频流、在线游戏、DNS、IoT传感器数据

2. 关键机制差异

(1) 连接管理

• TCP：

  • 通信前需通过三次握手建立连接（SYN、SYN-ACK、ACK）。

  • 通信结束需通过四次挥手释放连接（FIN、ACK、FIN、ACK）。

  • 确保双方收发能力正常，避免资源浪费。

• UDP：

  • 直接发送数据，无需握手或连接维护。

  • 适合高频、短时交互（如DNS查询）。

(2) 可靠性保障

• TCP：

  • 确认应答（ACK）：接收方每收到数据包会发送确认。

  • 超时重传：未收到ACK时重发数据。

  • 序列号（SEQ）：标识数据顺序，解决乱序问题。

• UDP：

  • 无ACK、无重传、无序列号，完全依赖应用层处理可靠性。

(3) 流量与拥塞控制

• TCP：

  • 滑动窗口：根据接收方缓冲区大小动态调整发送窗口。

  • 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免等算法避免网络过载。

• UDP：

  • 无内置控制机制，可能因发送过快导致网络拥塞或接收方丢包。

---

3. 典型应用场景

TCP适用场景

• 需要可靠传输：

  • 网页浏览（HTTP/HTTPS）。

  • 文件传输（FTP、SFTP）。

  • 电子邮件（SMTP、IMAP）。

  • 数据库访问（MySQL、PostgreSQL）。

• 长连接交互：

  • SSH远程登录。

  • 金融交易（如银行系统）。

UDP适用场景

• 实时性优先：

  • 视频会议（Zoom、WebRTC）。

  • 在线游戏（王者荣耀、绝地求生）。

  • 语音通话（VoIP）。

• 简单查询/响应：

  • DNS域名解析。

  • DHCP动态IP分配。

4. 如何选择TCP或UDP？

• 选择TCP：

  • 数据必须完整到达（如文件下载）。

  • 需要自动处理乱序和重传（如网页加载）。

  • 通信双方需长期稳定连接（如数据库查询）。

• 选择UDP：

  • 低延迟比可靠性更重要（如实时游戏）。

  • 数据量小且交互简单（如DNS查询）。

  • 应用层已实现可靠性（如QUIC协议）。