学习笔记——网络参考模型——TCP/IP模型（传输层）

四、TCP/IP模型-传输层

一、TCP

1、TCP定义

TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)∶为应用程序提供可靠的面向连接的通信服务。目前，许多流行的应用程序都使用TCP。

连接：正式发送数据之前，提前建立好一种虚拟的"点到点"式的连接 =单播的模式

面向连接：如果某应用层协议的四层使用TCP端口，那么在正式的数据报文传输之前，需要先建立连接。只有建立完连接之后才可以传输数据。

全双工的协议:即可以同时发送数据，同时接收数据。

架构：C/S:客户端/服务器 B/S:浏览器/服务器

2、TCP报文格式

TCP报文头部∶

Source Port∶源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。

Destination Port∶目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。

Sequence Number∶序号字段。TCP链接中传输的数据流每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送数据的第一个字节的序号。长度为32比特。

Acknowledgment Number∶确认序列号，是期望收到对方下一个报文段数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收到的数据段的最后一个字节数据的序号加1。只有Ack标识为1，此字段有效。长度为32比特。

Header Length∶头部长度，指出TCP报文头部长度，以32比特(4字节)为计算单位。若无选项内容，则该字段为5，即头部为20字节。

Reserved∶保留，必须填0。长度为6比特。

Control bits∶控制位，包含FIN、ACK、SYN等标志位，代表不同状态下的TCP数据段。

Window∶窗口TCP的流量控制，这个值表明当前接收端可接受的最大的数据总数(以字节为单位)。窗口最大为65535字节。长度为16比特。

Checksum∶校验字段，是一个强制性的字段，由发端计算和存储，并由收端进行验证。在计算检验和时，要包括TCP头部和TCP数据，同时在TCP报文段的前面加上12字节的伪头部。长度为16比特。

Urgent∶紧急指针，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节(紧急数据放在本报文段数据的最前面)。长度为16比特。

Options∶选项字段(可选)，长度为0-40字节。

3、TCP建立与断开

TCP三次握手，四次挥手

三次握手：面向连接的高层协议在正式传输数据之前需要先建立连接，建立连接的过程需要来回发送三个报文，我们将建立连接的过程，称为三次握手。

第一步：TCP会话的建立-三次握手

任何基于TCP的应用，在发送数据之前，都需要由TCP进行"三次握手"建立连接。

第二步：TCP会话的确认

TCP连接建立的详细过程如下∶

由TCP连接发起方(图中PC1)，发送第一个SYN位置1的TCP报文。初始序列号a为一个随机生成的数字，因为没收到过来自PC2的任何报文，所以确认序列号为0;

接收方(图中PC2)接收到合法的SYN报文之后，回复一个SYN和ACK置1的TCP报文。初始序列号b为一个随机生成的数字，同时因为此报文是回复给PC1的报文，所以确认序列号为a+1;

PC1接收到PC2发送的SYN和ACK置位的TCP报文后，回复一个ACK置位的报文，此时序列号为a+1，确认序列号为b+1。PC2收到之后，TCP双向连接建立。

第一次握手：SYN     客户端(随机：1029)————>服务器(80)(下左图)

第二次握手：SYN+ACK 客户端<——————服务器(上右图)

第三次握手：ACK (确认) 客户端——————>服务器(上左图)

第四步：TCP会话的终止----四次挥手：当数据传输完成，TCP需要通过"四次挥手"机制断开TCP连接，释放系统资源。(上右图和下左图)

主机在关闭连接之前，要确认收到来自对方的ACK

TCP的序列号与确认序列号

TCP的序列号与确认序列号：TCP使用序列号和确认序列号字段实现数据的可靠和有序传输。

假设PC1要给PC2发送一段数据，传输过程如下∶

1.PC1将全部待TCP发送的数据按照字节为单位编上号。假设第一个字节的编号为"a+1"，第二个字节的序号为"a+2"，依次类推。

2.PC1会把每一段数据的第一个字节的编号作为序列号(Sequence number)，然后将TCP报文发送出去。

3.PC2在收到PC1发送来的TCP报文后，需要给予确认同时请求下一段数据，如何确定下一段数据呢?序列号( a+1)+载荷长度=下一段数据的第一个字节的序号(a+1+12)

4.PC1在收到PC2发送的TCP报文之后，发现确认序列号为"a+1+12"，说明"a+1"到"a+12"这一段的数据已经被接受，需要从"a+1+12"开始发送。

为了提升发送效率，也可以一次性发送多段数据，由接收方统一确认。

查看已经建立好的tcp连接：   netstat    -an

可靠传输

收到对方的数据需要发送一个tcp ：ack 报文来确认

ack确认包里面包含了接收方需要的下一个报文的序列号

4、TCP的窗口滑动机制

滑动窗口机制: 测试数据传输的带宽瓶颈 ，尽可能利用带宽的最大值来传输数据。同时还有校验机制，保证数据可靠传输。

TCP通过滑动窗口机制来控制数据的传输速率。

使用滑动窗口机制，可以探测出双方链路的最大传输能力

5、TCP会话的拥塞和流量控制

1.在TCP三次握手建立连接时，双方都会通过Window字段告诉对方本端最大能够接受的字节数(也就是缓冲区大小)。

2.连接建立成功之后，发送方会根据接受方宣告的Window大小发送相应字节数的数据。

3.接受方接受到数据之后会放在缓冲区内，等待上层应用来取走缓冲的数据。若数据被上

层取走，则相应的缓冲空间将被释放。

4.接收方根据自身的缓存空间大小通告当前的可以接受的数据大小(Window)。

5.发送方根据接收方当前的Window大小发送相应数量的数据。

二、UDP

1、UDP定义

UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)∶提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性的保证。

UDP不提供重传机制，占用资源小，处理效率高。

一些时延敏感的流量，如语音、视频等，通常使用UDP作为传输层协议。

2、UDP报文格式

UDP报文头部∶

Source Port∶源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。

Destination Port∶目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。

Length∶该字段指定UDP报头和数据总共占用的长度。可能的最小长度是8字节，因为UDP报头已经占用了8字节。由于这个字段的存在，UDP报文总长不可能超过65535 字节(包括8字节的报头，和65527字节的数据)。

Checksum∶校验字段，覆盖UDP头部和UDP数据的校验和，长度为16比特。

3、UDP 适用场景

A、传输速度快，且高层的应用层对数据传输的可靠性有校验机制。

B、要求极快的传输速度，实时性较高，延迟敏感，即使丢包也无所谓。

例如：IPTV、远程教学、音视频会议、现场直播、DNS、DHCP、游戏报文(英雄联盟、QQ飞车)等。

4、TCP和UDP对比

传输控制协议/TCP	用户数据包协议/UDP
面向连接的协议	非面向连接的协议
可靠传输	不可靠传输(尽力而为的传输)
只能适应于单播的数据通信
速度慢，准确性高 (打电话)	不提供重传机制，速度快，准确性差 (群聊)
支持流控及窗口机制	无流控及窗口机制
FTP服务[20/21]   SSH远程管理服务[22]    Telnet远程管理服务[23]   SMTP服务[25]     HTTP服务[80]     Https[443]	DNS服务[53]     DHCP[67/68]     TFTP[]
可以基于已经建立好的连接，灵活的对接下来传递的数据进行控制。 无法满足即时性的要求，传递一些大文件，稳定性要求极高。 3.自带分片功能。	1.保证数据进行传输，但是UDP无法对传递的数据进行控制。 如果相对数据做控制，此时借用上层的应用层。 2.可以很好的满足即时性通信的要求。传递即时性流量，对时间要求比较高的流量。 3.UDP对于上层传达的数据，"全盘接收"[无分片机制]，用于相对比较小的流量。

三、端口

端口号(Port)用来区分不同的网络服务。

端口Port [逻辑端口] 基于应用级别的互访，端口到端口的互访 ==复用/分用

复用：多个不同的应用都可以利用传输层的协议进行通信。

分用：传输层可以基于不同的端口定位本地的不同的应用服务。

传输层端口范围：传输层=0-65535 [端口的总数] === TCP/UDP

0-1023端口(知名端口/常用端口): 提前保留出来的端口

客户端使用的源端口一般随机分配，目标端口则由服务器的应用指定；

源端口号一般为系统中未使用的，且大于1023；

目的端口号为服务端开启的应用(服务)所侦听的端口，如HTTP缺省使用80。

四、网关

1、网关(Gateway)基础

网关是用来转发来自不同网段之间的数据包。网关就是一台具有路由功能的三层网络设备，如∶路由器、三层交换机、防火墙、服务器等。

网关地址就是设备的接口地址。

位于不同网络间的主机，要实现通讯，必须把数据包发送给网关。

2、网关的作用

PC访问互联网三要素：① IP地址  ② 网关 (gateway) ③ DNS (域名解析)

网关的作用：网关相当于缺省路由(默认路由)，当PC想访问外网(其他网段)，此时PC需要将报文交给网关处理。

局域网互访不需要网关，不同网段的PC互访时才需要网关。

网关通常是上游路由器的接口IP。

网关必须是离PC“最近”的路由器接口的IP地址。即网关必须和PC的IP在同一网段。

案例：配置接口IP地址

进入系统模式     system-view

进入路由的接口       interface g0/0/0

配置IP地址           ip address 192.168.1.100 255.255.255.0

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