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什么是TCP/IP協議?


計算機與網絡設備之間如果要相互通信,雙方就必須基于相同的方法.比如如何探測到通信目標.由哪一邊先發起通信,使用哪種語言進行通信,怎樣結束通信等規則都需要事先確定.不同的硬件,操作系統之間的通信,所有這一切都需要一種規則.而我們就將這種規則稱為協議 (protocol).

也就是說，TCP/IP 是互聯網相關各類協議族的總稱。


TCP/IP 的分層管理


TCP/IP協議里最重要的一點就是分層。TCP/IP協議族按層次分別為 應用層，傳輸層，網絡層，數據鏈路層，物理層。當然也有按不同的模型分為4層或者7層的。


為什么要分層呢？


把 TCP/IP 協議分層之后，如果后期某個地方設計修改，那么就無需全部替換，只需要將變動的層替換。而且從設計上來說，也變得簡單了。處于應用層上的應用可以只考慮分派給自己的任務，而不需要弄清對方在地球上哪個地方，怎樣傳輸，如果確保到達率等問題。

如上圖所示，我們將TCP/IP分為5層，越靠下越接近硬件。我們由下到上來了解一下這些分層。


物理層


該層負責 比特流在節點之間的傳輸，即負責物理傳輸，這一層的協議既與鏈路有關，也與傳輸的介質有關。通俗來說就是把計算機連接起來的物理手段。


數據鏈路層


控制網絡層與物理層之間的通信，主要功能是保證物理線路上進行可靠的數據傳遞。為了保證傳輸，從網絡層接收到的數據被分割成特定的可被物理層傳輸的幀。幀是用來移動數據結構的結構包，他不僅包含原始數據，還包含發送方和接收方的物理地址以及糾錯和控制信息。其中的地址確定了幀將發送到何處，而糾錯和控制信息則確保幀無差錯到達。如果在傳達數據時，接收點檢測到所傳數據中有差錯，就要通知發送方重發這一幀。


網絡層


決定如何將數據從發送方路由到接收方。網絡層通過綜合考慮發送優先權，網絡擁塞程度，服務質量以及可選路由的花費等來決定從網絡中的A節點到B節點的最佳途徑。即建立主機到主機的通信。


傳輸層


該層為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。傳輸層有兩個傳輸協議：TCP(傳輸控制協議)和 UDP(用戶數據報協議)。其中，TCP是一個可靠的面向連接的協議，udp是不可靠的或者說無連接的協議


應用層


應用程序收到傳輸層的數據后，接下來就要進行解讀。解讀必須事先規定好格式，而應用層就是規定應用程序的數據格式。主要的協議有：HTTP.FTP,Telent等。


TCP與UDP


TCP/UDP 都是傳輸層協議，但是兩者具有不同的特效，同時也具有不同的應用場景。

面向報文


面向報文的傳輸方式是應用層交給UDP多長的報文，UDP發送多長的報文，即一次發送一個報文。因此，應用程序必須選擇合適大小的報文。


面向字節流


雖然應用程序和TCP的交互是一次一個數據塊(大小不等)，但TCP把應用程序看成是一連串的無結構的字節流。TCP有一個緩沖，當應該程序傳送的數據塊太長，TCP就可以把它劃分短一些再傳送。


TCP的三次握手與四次揮手


具體過程如下：


第一次握手：建立連接。客戶端發送連接請求報文段，并將syn(標記位)設置為1，Squence Number(數據包序號)(seq)為x,接下來等待服務端確認，客戶端進入SYN_SENT狀態(請求連接)；


第二次握手：服務端收到客戶端的 SYN 報文段，對 SYN 報文段進行確認，設置 ack(確認號)為 x+1(即seq+1 ; 同時自己還要發送 SYN 請求信息，將 SYN 設置為1, seq為 y。服務端將上述所有信息放到 SYN+ACK 報文段中，一并發送給客戶端，此時服務器進入 SYN_RECV狀態。


SYN_RECV是指,服務端被動打開后,接收到了客戶端的SYN并且發送了ACK時的狀態。再進一步接收到客戶端的ACK就進入ESTABLISHED狀態。
第三次握手：客戶端收到服務端的 SYN+ACK(確認符) 報文段；然后將 ACK 設置為 y+1,向服務端發送ACK報文段，這個報文段發送完畢后，客戶端和服務端都進入ESTABLISHED(連接成功)狀態，完成TCP 的三次握手。


上面的解釋可能有點不好理解，用《圖解HTTP》中的一副插圖 幫助大家。




當客戶端和服務端通過三次握手建立了 TCP 連接以后,當數據傳送完畢,斷開連接就需要進行TCP的四次揮手。其四次揮手如下所示：


第一次揮手


客戶端設置seq和 ACK ,向服務器發送一個 FIN(終結)報文段。此時，客戶端進入 FIN_WAIT_1 狀態，表示客戶端沒有數據要發送給服務端了。


第二次揮手


服務端收到了客戶端發送的 FIN 報文段，向客戶端回了一個 ACK 報文段。


第三次揮手


服務端向客戶端發送FIN 報文段，請求關閉連接，同時服務端進入 LAST_ACK 狀態。


第四次揮手


客戶端收到服務端發送的 FIN 報文段后，向服務端發送 ACK 報文段,然后客戶端進入 TIME_WAIT 狀態。服務端收到客戶端的 ACK 報文段以后，就關閉連接。此時，客戶端等待 2MSL（指一個片段在網絡中最大的存活時間）后依然沒有收到回復，則說明服務端已經正常關閉，這樣客戶端就可以關閉連接了。


最后再看一下完整的過程：

如果有大量的連接，每次在連接，關閉都要經歷三次握手，四次揮手，這顯然會造成性能低下。因此。Http 有一種叫做 長連接（keepalive connections） 的機制。它可以在傳輸數據后仍保持連接，當客戶端需要再次獲取數據時，直接使用剛剛空閑下來的連接而無需再次握手。

一些問題匯總：


1. 為什么要三次握手？


為了防止已失效的連接請求報文突然又傳送到了服務端，因為產生錯誤。
具體解釋： “已失效的連接請求報文段”產生情況：
client 發出的第一個連接請求報文段并沒有丟失，而是在某個網絡節點長時間滯留，因此導致延誤到連接釋放以后的某個時間才到達 service。如果沒有三次握手，那么此時server收到此失效的連接請求報文段，就誤認為是 client再次發出的一個新的連接請求，于是向 client 發出確認報文段，同意建立連接，而此時 client 并沒有發出建立連接的情況，因此并不會理會服務端的響應，而service將會一直等待client發送數據，因此就會導致這條連接線路白白浪費。
如果此時變成兩次揮手行不行？
這個時候需要明白全雙工與半雙工，再進行回答。比如：
第一次握手： A給B打電話說，你可以聽到我說話嗎？
第二次握手： B收到了A的信息，然后對A說： 我可以聽得到你說話啊，你能聽得到我說話嗎？
第三次握手： A收到了B的信息，然后說可以的，我要給你發信息啦！

在三次握手之后，A和B都能確定這么一件事： 我說的話，你能聽到； 你說的話，我也能聽到。 這樣，就可以開始正常通信了，如果是兩次，那將無法確定。

2. 為什么要四次揮手？

TCP 協議是一種面向連接，可靠，基于字節流的傳輸層通信協議。TCP 是全雙工模式(同一時刻可以同時發送和接收)，這就意味著，當主機1發出 FIN 報文段時，只是表示主機1已結沒有數據要發送了，主機1告訴主機2，它的數據已經全部發送完畢；但是，這個時候主機1還是可以接受來自主機2的數據；當主機2返回 ACK報文段時，這個時候就表示主機2也沒有數據要發送了，就會告訴主機1，我也沒有數據要發送了，之后彼此就會中斷這次TCP連接。

3.為什么要等待 2MSL


MSL：報文段最大生存時間，它是任何報文段被丟棄前在網絡內的最長時間
原因如下：
保證TCP協議的全雙工連接能夠可靠關閉
保證這次連接的重復數據從網絡中消息
第一點： 如果主機1直接 關閉，由于IP協議的不可靠性或者其他網絡原因，導致主機2沒有收到主機1最后回復的 ACK。那么主機2就會在超時之后繼續發送 FIN，此時由于主機1已經關閉，就找不到與重發的 FIN 對應的連接。所以，主機1 不是直接進入 關閉，而是TIME_WAIT 狀態。當再次收到 FIN 的時候，能夠保證對方收到 ACK ，最后正確關閉連接。
第二點：如果主機1直接 關閉，然后又再向主機 2 發起一個新連接，我們不能保證這個新連接與剛才關閉的連接端口是不同的。也就是說有可能新連接和老連接的端口號是相同的。一般來說不會發生什么問題，但還是有特殊情況出現；假設新連接和已經關閉的老連接端口號是一樣的，如果前一次連接的某些數據仍然滯留在網絡中( Lost Duplicate )，那些延遲數據在建立新連接之后才到達主機2，由于新連接和老連接的端口號是一樣的，TCP 協議就認為哪個延遲的數據時屬于新連接的，這樣就和真正的新連接的數據包發生混淆了。所以TCP連接要在 TIME_WAIT 狀態等待兩倍 MSL ，保證本次連接的所有數據都從網絡中消失。