TCP/IP网络模型

一、TCP/IP网络模型

计算机与网络设备要相互通信，双方就必须基于相同的规则进行通信，我们把这种规则称为协议（protocol）。

TCP/IP 是互联网相关的各类协议族的总称，比如：TCP，UDP，IP，FTP，HTTP，ICMP，SMTP 等都属于 TCP/IP 族内的协议。

TCP/IP模型是互联网的基础，它是一系列网络协议的总称。这些协议可以划分为四层，分别为链路层、网络层、传输层和应用层。

• 链路层：负责封装和解封装IP报文，发送和接受ARP/RARP报文等。
• 网络层：负责路由以及把分组报文发送给目标网络或主机。
• 传输层：负责对报文进行分组和重组，并以TCP或UDP协议格式封装报文。
• 应用层：负责向用户提供应用程序，比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

在整个数据传输过程中，数据在发送端时经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾（仅数据链路层需要封装协议尾）部分，也就是要对数据进行协议封装，以标识对应层所用的通信协议。

二、TCP

概念：

• TCP协议全称是传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

场景：

• 当一台计算机想要与另一台计算机通讯时，两台计算机之间的通信需要畅通且可靠，这样才能保证正确收发数据。

特点：

• 面向连接：

  • 是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”，这样能建立可靠的连接。

• 面向字节流：

  • TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。

• 可靠性：

  • 连接管理：三次挥手四次握手，可靠传输的基础。
  • 传输数据：
    • 序列号：TCP传输时，将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号。 同时序列号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。
    • 确认号：TCP传输的过程中，每次接收方收到数据后，都会对传输方进行确认应答，也就是发送ACK报文。这个ACK报文当中带有对应的确认序列号，告诉发送方，接收到了哪些数据，下一次的数据从哪里发。
    • 超时重传：TCP传输的过程中，发送方发送数据后会等待接收方响应的ACK报文，并根据ACK报文来判断数据是否传输成功。如果发送方发送完数据后，长时间没有等到接收方的ACK报文，那么发送方会重新发送这些数据。
    • 校验和：发送方根据TCP头部和数据来计算校验和，接收方收到数据后，以同样的方式计算校验和，并与发送方的校验和进行对比，若不一致，则直接丢弃TCP报文。目的是保证TCP头部和数据在传输过程中不被修改。
  • 提供流量控制：TCP根据接收端对数据的处理能力(窗口大小字段的值)来决定发送端的发送速度。
  • 提供拥塞控制：当网络出现拥塞的时候，TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞
• 仅支持单播传输：每条TCP传输连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播和广播传输方式。
• TCP提供全双工通信：TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。当然，TCP可以立即发送一个数据段，也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段（最大的数据段大小取决于MSS）

三、UDP

概念：

• UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。

特点：

• 面向无连接：首先 UDP 是不需要和 TCP一样在发送数据前进行三次握手建立连接的，想发数据就可以开始发送了。并且也只是数据报文的搬运工，不会对数据报文进行任何拆分和拼接操作。
  • 在发送端，应用层将数据传递给传输层的 UDP 协议，UDP 只会给数据增加一个 UDP 头标识下是 UDP 协议，然后就传递给网络层了
  • 在接收端，网络层将数据传递给传输层，UDP 只去除 IP 报文头就传递给应用层，不会任何拼接操作
• 有单播，多播，广播的功能：UDP 不止支持一对一的传输方式，同样支持一对多，多对多，多对一的方式，也就是说 UDP 提供了单播，多播，广播的功能。
• UDP是面向报文的：发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。因此，应用程序必须选择合适大小的报文
• 不可靠性：首先不可靠性体现在无连接上，通信都不需要建立连接，想发就发，这样的情况肯定不可靠。并且收到什么数据就传递什么数据，并且也不会备份数据，发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。再者网络环境时好时坏，但是 UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP。
• 头部开销小，只有八字节，相比 TCP 的至少二十字节要少得多，在传输数据报文时是很高效的。
  • UDP 头部包含了以下几个数据：
    • 两个十六位的端口号，分别为源端口（可选字段）和目标端口
    • 整个数据报文的长度
    • 整个数据报文的检验和（IPv4 可选 字段），该字段用于发现头部信息和数据中的错误。

 

四、TCP和UDP的比较

1. 对比

	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信	只能是一对一通信
传输方式	面向报文	面向字节流
首部开销	首部开销小，仅8字节	首部最小20字节，最大60字节
适用场景	适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等）	适用于要求可靠传输的应用，例如查看网页、发生电子邮件、文件传输

2. 总结

• TCP向上层提供面向连接的可靠服务 ，UDP向上层提供无连接不可靠服务。
• 虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确，但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为
• 对数据准确性要求高，速度可以相对较慢的，可以选用TCP