普通易懂網絡協議（TCP/IP概述）

近期事情，跟網絡協議干系，這讓我天然會更深開學習網絡協議，而之前很長一段時間，我對網絡協議的了解都停留在比力淺的層面。

好比：TCP是面向毗連的、可靠傳輸，而UDP好壞毗連的、不成靠傳輸，TCP建連必要3次握手，會形成delay，UDP更快。

好比：socket編程，辦事器socket create、bind、listen、accept、read/write、shutdown/close，客戶端socket create、connect、read/write、shutdown/close，再加上epoll/select這幾下子。

再好比：我曉得網絡編程要無視SIGPIPE信號不然會掛，read前往0代表對端主動關閉，非壅閉的read要放在循環里要思索前往值，多路復用以及壅閉、非壅閉的區別。

TCP/UDP的區別上，我是如此了解的：從北京到杭州，TCP相當于修了一條高鐵線路（建連）再通車發貨（傳輸數據），而UDP相當于寄快遞，丟了不管（直接傳輸數據）。

外表的了解對不合錯誤？可以說對，也可以說不合錯誤。關于使用步驟員來說，有了外表的熟悉+熟習socket編程接口，夠了嗎？不夠嗎？

大物理學家費曼提出一個高效的費曼學習法，即從成績動手，試著把成績都講出來，以教代學，一旦你能把成績都講清晰，便學會了。以是我想實驗一下把TCP/IP講清晰，借此讓本人學明白，特地協助一下讀者。

固然《TCP/IP詳解卷1》是一本關于互聯網協議族很嚴謹細致的書，但在我看來，它略微有點難懂，約莫必要讀幾遍，才干心心相印。固然我沒有才能把這個成績說的更好，但由于我履歷過從稀里懵懂到稍有所悟的歷程，這約莫是大師不成比的，我將盡力用普通易懂的言語把TCP/IP干系的知識講清晰。

TCP/IP是什么

TCP/IP協議族是一組協議的聚集，也叫互聯網協議族，用來完成互聯網上主機之間的互相通訊。TCP和IP只是此中的2個協議，也是很緊張的2個協議，以是用TCP/IP來定名這個互聯網協議族，實踐上，它還包含其他協議，好比UDP、ICMP、IGMP、ARP/RARP等。

網絡分層

大學《盤算機網絡》教科書上有經典的網絡ISO七層模子，但七層區分太細了，稍顯繁瑣，不容易記取。

互聯網協議族TCP/IP按粗粒度的四層區分，兩種區分的比力圖讓互干系系一清二楚。

分層是盤算機范疇的常用本事，好比互聯網后端的三層架構“接入-邏輯-存儲”就是分層頭腦的典范使用。

分層是為了斷絕，通太過層區分本能機能，拆解成績，層與層之間商定接口，屏蔽完成細節。

TCP/IP自下到上區分為鏈路層、網絡層、傳輸層、使用層。下屬向表層提供才能，表層使用下屬的才能提供更高的籠統。

1. 鏈路層，也稱網絡接口層，包含利用體系的裝備驅動步驟和網卡，它們一同處理與傳輸前言（光纖等）的物理接口細節。

2. 網絡層，也就是IP層，賣力處理IP datagram在網絡中的傳輸，IP層傳輸的是IP datagram，借助路由表，把IP datagram從網絡的一端傳輸到另一端，簡而言之：IP完成包的路由傳輸，IP協媾和路由器事情在網絡層。

3. 傳輸層，提供端到端之間的通訊，包含提供面向毗連和高可靠性的TCP，以及無毗連不成靠的UDP。貌似TCP更好，但實踐不是如此，UDP由于不必要建連開支，以是更快，使用得也很廣，好比新一代互聯網協議HTTP3就從TCP轉向UDP，應依據順應場景選擇傳輸層協議。

4. 使用層，跟使用干系，不同使用處理不同成績，必要不同的使用層協議。

鏈路層處理數據在前言上的傳輸，以及主機與網卡、光纖等打交道的細節。由于與硬件干系，以是必要借助體系的驅動步驟，鏈路層協議就是界說這些細節的，好比怎樣把數據從網卡發送到光纖，接納什么格式編碼等，它處理的數據在前言上表現、活動的成績。

光有鏈路層功效一定是不夠的，網絡上有不計其數的機器，主機A與B通訊，你不克不及將數據發到主機C，以是模仿實際，要為主機分派網絡地點，經過IP地點去標識網絡中的一臺主機，發送一個數據包，必要準確路由到目標地，這就好比你從家到公司，要顛末哪些途徑，必要輿圖，而路由表就相似這張輿圖。IP處理的是數據包在網絡中的傳輸路由的成績。

有了網絡層的傳輸路由才能，還不夠，由于IP報在傳輸歷程中約莫丟包，好比正中履歷過的路由器緩沖區滿了便會丟包，如此不成靠，假如必要可靠傳輸的才能，便必要傳輸層基于IP層，提供更多的才能，TCP處理了可靠性成績。具體而言，假如丟包了，TCP層會賣力超時重傳，它經過吸收確認和重傳機制確保了可靠傳輸。別的，由于IP報都是獨立路由的，以是從主機A到主機B，一份數據被拆分紅x、y兩個IP報先后發送，這2個包約莫選擇不同的傳輸途徑，如此有約莫y包先于x包抵達，但我們渴望在吸收端（主機B）規復這個數據的信息，但我們無法控制IP報的抵達排序，以是，我們必要在吸收端規復數據，我只必要在x、y包里紀錄它屬于數據塊的哪個局部，然后重組這份數據，這正是TCP做的，它會重新組裝IP報，從而確保排序性，遞交給使用層。

偶爾分并不必要確?？煽啃詼睾托蛐?，這便是UDP能提供的，它只是簡便的把數據封裝成IP報，然后經過IP層路由發送到目標端。

再往上，便是使用層協議了，好比http，又好比游戲辦事器自界說協議，使用層協議通?；赥CP大概UDP做傳輸。

分層

什么是協議？懶得去翻協議的種種威望界說了，我以為協議就是商定，跟實際生存中協議這個詞涵義差不多。網絡協議就是通訊兩邊協同恪守的商定，更具體一點，就是界說數據在網絡上傳輸的格式、端正和流程。

由于網絡是分層模子，不同層有不同層的作用，以是為各層界說各層的端正，各層對應的各層協議。

前方講了TCP/IP協議族包含很多協議，這些協議分屬不同的分層，承當不同的作用。

1. TCP和UDP是兩種主要的傳輸層協議。
2. IP是網絡層的主要協議，TCP、UDP都必要使用IP協議舉行數據傳輸。
3. ICMP是互聯網控制報文協議，是IP的從屬協議，IP層用它來與其他主機或路由器互換錯誤報文和其他緊張信息。好比一個Packet顛末某個路由器節點的時分，凌駕網絡對Packet的長度限定，而又不分片，則會給發送端發送一個ICMP包報告錯誤信息，屬于ICMP是用來幫助IP完成數據包傳輸的。
4. IGMP是Internet組辦理協議，用來把一個包多播到多個主機。
5. ARP（地點剖析協議）和RARP（逆地點剖析協議）是用來轉換IP層和鏈路層的地點，IP層使用IP地點，鏈路層使用Mac地點

使用層和傳輸層使用端到端（end-to-end）協議，網絡層提供的是逐跳（hop-by-hop）協議。

封裝

A給B經過網絡傳送一塊數據，可以假想僅僅是傳輸這塊原始數據是不夠的，由于網絡傳輸歷程中，網絡包到了某個路由器，必要轉發，而轉發必需依托數據包的一些附加信息，好比目標機器。

發送端在發送數據的時分，將原始數據依照協議格式加上一些控制信息，包裝成可在網絡上準確傳輸數據包的歷程叫封裝。

TCP/IP協議族是層層封裝的，從使用層到鏈路層，每顛末一層都要添加一些分外信息（首、尾部）。

1. 用戶數據顛末使用步驟加上使用步驟首部，轉給TCP層處理
2. 顛末TCP層加上TCP首部，產生TCP段（segment）
3. TCP segment顛末IP層再加上IP首部，產生IP數據包（datagram）
4. IP datagram經過鏈路層，經以太網驅動步驟處理后，加上以太網首部+尾部，產生以太網幀（frame），以太網幀的長度在46~1500之間

改準確的說，在IP和鏈路層傳輸的數據單位叫分組（Packet），分組既可以是一個IP datagram也可以是IP datagram的一個分片（fragment）。

UDP的封裝跟TCP略有不同，主要表如今顛末傳輸層（UDP）之后添加的是8字節UDP首部，產生UDP datagram。

封裝歷程中，顛末TCP/UDP層的時分，會把端標語添加到TCP/UDP首部；顛末IP層的時分，會把協議典范（TCP or UDP or ICMP or IGMP）添加到IP首部；顛末鏈路層的時分，會把幀典范（IP or ARP or RARP）添加到以太網首部。這些信息將被用于吸收端的處理。

吸收端收到數據后，要實行跟發送端相反的解封利用，我們可以把發送端的數據封裝比如成沐浴后一層層穿衣服，而吸收端的利用，相似沐浴前一層層脫衣服，把首尾部剝離，獲取轉達的原始數據。

由于網絡上的主機有不同字節序，如今要經過網絡傳輸，便必要商定一致的網絡字節序（大端序），接納小端序的主機在網絡傳輸數據的時分要轉為大端序。

地點

互聯網上每個接口都有一個唯一的網絡地點，也叫IP地點，IP地點有IPv4和IPv6兩個版本，IPv4是32位4字節的整數，每個字節（8bit）的取值范圍是0~255，以是可以把4字節的IPv4用四個點分開的byte值表現，好比140.252.13.88，每個十進制數值對應32位整數中的每個字節，這種表現法叫點分十進制表現法，很顯然，點分十進制法和int32兩種表現法之間很容易互相轉換。

IPv4地點區分為ABCDE五類，32位地點表現的數值空間僅限，難以為互聯網上的一切聯網裝備分派獨立的IP地點，以是便存在動態分派、共享、公網+內網地點轉化（NAT）等成績，實質上是為了處理IP地點不夠用的成績。

IPv6使用128bit，2的128次方就十分大了，號稱可以為地球上每粒沙子分派一個ip地點。

IP數據報（網絡層）用IP地點、而以太網幀（鏈路層）則是用硬件（48位Mac）地點，ARP和RARP用于IP地點和硬件地點之間做映射（轉換）。

端口

TCP/UDP接納16位端標語來識別（區分）使用，好比主機A向主機B發送了一個IP報，主機B的內核收到該IP報之后，應該交給哪個使用步驟去向理呢？端標語就是用來干這個的，內核會維護端標語到使用步驟之間的對應干系。

比力常用的使用層協議有商定的端標語，也就是著名端標語，而1024~5000之間的端標語是分派給TCP/IP暫且用的，而大于5000的另做他用。也就是說，你用TCP辦法去連網絡辦事器，當地為該socket分派的端標語會在1024~5000之間，這取決于利用體系的端口分派戰略。

域名體系

域名體系（DNS）提供主機名字和IP地點之間的轉換，好比www.baidu.com是一個域名，使用步驟可以經過一個標準庫函數（gethostbyname）來取得給定名字主機的IP地點，標準庫函數（gethostbyaddr）完成逆利用。

ip地點是一串數字，涵義不清、也不便利于影象，主機名涵義更明晰，www.baidu.com你就很容易記取，這也是為什么存在IP地點還必要主機名的緣故。

分用

吸收端吸收到以太網數據幀（Frame）之后，必要像剝洋蔥一樣，從協議棧由底向上升，即依照鏈路層->網絡層->傳輸層->使用層的排序，去掉各層協議添加的首尾部，將數據取出，交給最表層使用步驟，這個歷程叫Demultiplexing，尊從冊本的翻譯叫分用。

回憶前方封裝的形貌，在傳輸層、網絡層、鏈路層，分散將端標語存入TCP/IP首部，將協議典范存入IP首部，將幀典范存入以太網幀首部。以是在吸收端，將一層層拆掉首部，取出對應信息，然后做分派，丟給不同模塊處理，上圖就是整個處理歷程。

小結

本文講了地點、域名、端口、TCP/IP分層模子、封裝、分用等看法。

你最好能記取TCP/IP鏈路層->網絡層->傳輸層->使用層的四層區分。

TCP segment、UDP datagram、IP datagram、IP fragment、以太網frame、以及IP層和鏈路層之間傳輸的數據單位packet，這些看法你最好分清晰，如此扳談的時分會顯得比力專業而不是很土。

數據封裝，多看幾遍你便能記取了。

TCP封裝格式：以太網首部(14)+IP首部(20)+TCP首部(20)+使用數據+以太網尾部(4)

UDP封裝格式：以太網首部(14)+IP首部(20)+UDP首部(8)+使用數據+以太網尾部(4)

使用層協議在使用層完成，而傳輸層、網絡層、鏈路層都是在內核完成，以是想修正大概優化底層協議很難，由于你幾乎動不了內核，由于網絡上的多量裝備OS你沒法一并改正來，這就是所謂的網絡裝備僵化成績，HTTP3用UDP交換TCP，就是想在使用層本人去完成可靠傳輸等。

每個以太網幀有長度限定（48~1500），網絡上每個裝備也有對包的長度限定，IP報大了就要分片，分片約莫產生在發送端，也有約莫產生在正中裝備，但應該盡力制止分片，IP報會帶有信息讓分片后可以重組，MTU的看法可以了解一下。

ICMP和IGMP邏輯上屬于網絡層，由于他們是IP協議的從屬協議，但實踐上，ICMP和IGMP報文都被封裝為IP datagram傳輸，以是又可以把他們視為IP層之上的協議。

相反ARP和RARP用于IP地點和硬件MAC地點互相轉換，邏輯上屬于鏈路層，但實踐上arp和rarp報文跟IP datagram一樣，都被封裝成以太網Frame傳輸。

吸收端收到以太網幀之后，會走分用流程，終極將原始數據交給使用步驟。

TCP/IP協議的使用步驟常常使用socket編程接口。

有很多跟網絡干系的東西，好比ping、ifconfig、netstat、arp、tcpdump、wireshark等。

成績

一年前，我對網絡編程這塊，頭腦里充溢疑問。

眾所周知，TCP建連三次握手和斷連四次握手，但如前所述，任何時分，從主機A都可以隨意發一個IP報到主機B，網絡主機之間是經過IP層完成路由轉發的，兩點之間的每個IP報都是獨立路由的，既然如此，為什么還要建連？還要糜費時間做A->B、B->A、A->B往返？直接把包發已往不就完了嗎？

假定經過AB創建的3個IP報的作用是表現AB之間的網絡連通性？哪又有什么作用？由于網絡是隨時厘革的，如今連通又不代表下一刻連通。建連之后仿佛并不存在AB之間的真正毗連，只是兩頭OS層面維護的一個形態（數據目標）？是假造毗連？

建連畢竟是什么意思？客戶端發送一個IP報到辦事器去倡導毗連？那跟傳輸數據的平凡IP報又有什么區別？

雙工是什么意思？為什么socket關閉一半傳輸之后就不克不及發送數據了？網絡上IP報不是可以隨意傳輸嗎？這個限定是哪個場合添加的？

擁塞控制是什么？Nagle是什么？滑動窗口是什么？TCP為什么要?；?？

socekt的編程接口和種種看法跟TCP/IP原理有怎樣的對應干系？學完TCP/IP原理對了解socket編程有什么協助？

沒有窮究TCP/IP原理之前，我但是是有很多成績的，只是做使用步驟開發，仿佛沒搞懂那些成績也還可以將就干，但畢竟是有點糊里懵懂，以為不太爽。

原本我想一篇文章講清晰TCP/IP的主要內容，但是寫著寫著發覺，如此文章會十分長，以是我決定多寫幾篇，每篇都講清晰一個主題。

后續方案

1. 協議格式
2. TCP、UDP的區別，建連、擁塞控制，面向毗連和可靠傳輸畢竟是什么涵義？基于UDP編程怎樣完成可靠傳輸？
3. 編程接口：socket TCP/UDP編程
4. 互聯網使用層協議：http、http2、http3（quic）