网络-TCP/UDP/IP体系结构和协议简介

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/armwind/article/details/87564919

本文深入讲解TCP/IP四层协议网络结构，包括应用层、运输层、网络层和网络接口层的功能与作用。详细分析UDP与TCP协议的特点，首部结构及编程流程，以及IP协议的首部字段解释。

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标签：学习笔记。

文章目录

1.TCP/IP四层协议网络结构

在这里插入图片描述
虽然之前有很多网络体系结构，但是这个是现在用的最多

1应用层：应用层的作用是应用进程间的交互来完成一定功能。它定义的是应用进程间的通信规则。如SMTP协议
2运输层：为应用提供通用的数据传输服务。它可同时对多个进程提供服务，可以理解成Android中的服务。
该层主要用的两种协议：
(1)TCP:(transmission Control Protocol),它提供可靠的传输服务，像银行网络肯定使用的是TCP（不可靠钱就没了）
(2)UDP:(user datagram Protocol),它提供尽最大努力传输数据的服务。像我们传输视频时一般使用UDP传输。
3.网络层：它的作用就是把数据发送不同主机上的进程。在该层用的协议叫IP(internet protocol),和一些路由协议，像路由器到网络层就够了。
4.网络接口层：这里其实包含了数据链路层和物理层。可以这样理解数据链路层，A->B->C,A想传输数据到C，中间需要经过路由器B，但是A和C连接B的网络状态有可能不同，就需要加上一些同步信息、差错控制。以确保IP数据包正确的传输。还有物理层的理解，可以理解成传输比特流的硬件吧。

此外还有一个种漏斗状的网络结构。最顶层的是应用层的协议，像后面应用的实时流协议，都应用此层。
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2.UDP协议简介

2.1 UDP首部介绍

官方的文档为：https://tools.ietf.org/html/rfc768

                  0      7 8     15 16    23 24    31
                 +--------+--------+--------+--------+
                 |     Source      |   Destination   |
                 |      Port       |      Port       |
                 +--------+--------+--------+--------+
                 |                 |                 |
                 |     Length      |    Checksum     |
                 +--------+--------+--------+--------+
                 |
                 |          data octets ...
                 +---------------- ...

                      User Datagram Header Format

上面图引用自官方文档，能够看到UDP首部由8个字节组成。

source port：源端口发送请求的应用进程所拥有的端口
destination prot：目的应用进程所拥有的端口
length：UDP数据报的长度，这里要特别注意，长度包含了首部的8个字节。
checksum:UDP数据报的校验和，有错误直接丢弃。详细介绍可以查阅官方权威文档

科普：(端口)
一开始我的理解是一个进程对应一个端口，后来百度了一圈发现一个进程可以拥有多个端口，端口只和socket对象一一对应。后一篇博文，编程验证到底一个进程能不能拥有多个端口。
在这里插入图片描述
上面右侧可以直观的发现，顶层协议的数据头和数据部分，属于下层协议的数据部分。

2.2 UDP特点

UDP在发送数据之前不需要建立连接的，直接把数据都给对方。
UDP不保证数据的可靠,尽最大努力传输数据
UDP没有阻塞控制，平时在微信视频通话时，突然网络卡顿了，画面延迟，待网络恢复后，画面被快速播放(尽快将服务器上阻塞帧播放完毕)
UDP支持一对一，一对多，多对一，多对多的通信。

https://www.jianshu.com/p/3aea1d52e77f

2.3 UDP例程

例程可以从下载到。
在这里插入图片描述

数据包确认
本次client<—>server共通信6次，一来一回总共有12次，下面可以看到确实有12个数据报。client端运行后首先会向server发送要给“hello world消息”，这个可以从实例程序中了解到。
流的追踪
可以看到通过wireshark追踪的流和输入的是一样的。
协议分析
当前分析的这个数据包为client->server,所以根据下方解析出来的，可以确定server对应的端口为8888,而clent进程的端口为6666。此外由于例子中client端的发送缓冲设置为1024字节，所以下面看到数据长度为1024，加上UDP header为1032字节。

2.4 UDP编程流程图

流程图
图片引用自：https://blog.youkuaiyun.com/haiersister/article/details/22167967
vs2010 UDP工程下载
源码可以参考：http://www.cnblogs.com/lyggqm/p/6558002.html
VS2010工程client和server可以从这里下载到。

刚一开始编译时遇到下面这样的错误。

d:\program files (x86)\microsoft visual studio 10.0\vc\atlmfc\include\afx.h(24): fatal error C1189: #error : Building MFC application with /MD[d] (CRT dll version) requires MFC shared dll version. Please #define _AFXDLL or do not use /MD[d]

解决方法：
在这里插入图片描述
如上图将MFC的使用设置为“在共享 DLL 中使用 MFC”。问题接口解决。

3.TCP协议简介

官方权威文档：https://tools.ietf.org/html/rfc793#page-15

3.1 TCP首部

下图截取自官网其中每一个横线代表一个bit。
在这里插入图片描述

3.2 TCP特点

面向连接的运输层协议，在变成一开始时，客户端需与服务器建立连接，才能通信。
TCP连接只能有2个端点，只能一对一通信。建立连接后就可以拿到一个套接字(IP地址：端口)，套接字只能被通信两端所确定。
TCP提供可靠的交付服务
TCP时全双工的，任意时间客户端和服务的都可以同时发送数据。两边都有缓冲

3.3 TCP例程

实例代码可以在这里下载：https://download.youkuaiyun.com/download/armwind/10991891

实例程序输入效果:
通信整个过程
server运行开始前，本地已经开始抓包了，下面可以看到开始的三次握手过程（抓的包会提供在示例程序中）。
整个对话过程数据交互结果
可以发现与一开始输入是对应的。
TCP报文段分析
下面是三次握手后，client发送给server的第一句话。结合TCP协议格式对照理解头部字段。

3.4 TCP编程流程

流程图
图片引用自：https://blog.youkuaiyun.com/haiersister/article/details/22167967 这个图很完整。对着源码例程也是按着这个逻辑来的。
vs2010 TCP工程下载
源码可以参考：http://www.cnblogs.com/lyggqm/p/6558002.html
VS2010工程client和server可以从这里下载到。

4.IP协议简介

4.1 IP首部介绍

首部官方文档：https://tools.ietf.org/html/rfc791
在这里插入图片描述

version:ip协议的版本（4bit）
IHL:(Internet Header Length)首部长度。(4bit)
service type: 一般情况下不适用这个字段，直有在使用区分服务时，才有用（4bit）
totol length:首部和数据总长度
identification：计数器，每产生一个数据包计数器就加1，(16bit)
flags:（3bit）用来标记是不是后续还有数据，当mf=0，表示当前时最后一个数据报了。df：表示不能分片，就是数据不能截断。直有当df=0时才允许分片。

     Bit 0: reserved, must be zero
      Bit 1: (DF) 0 = May Fragment,  1 = Don't Fragment.
      Bit 2: (MF) 0 = Last Fragment, 1 = More Fragments.
          0   1   2
        +---+---+---+
        |   | D | M |
        | 0 | F | F |
        +---+---+---+

fragment offset:片内偏移，也就是说相对于用户数据字段七点，该片从何开始。(13bit)
time to live:(TTL)数据报在网络上的寿命，也可以称为跳数。跳数就是在路由器之间最多转发的次数，每转发一次TTL就减1（8bit）.
protocol:协议类型(8bit)：
header checksum：之检验数据报的首部，不包含数据部分。(16bit)
source address:源地址(32bit)
destination address:目的地址(32bit)