TCP/IP UDP/IP协议

最新推荐文章于 2025-07-10 22:14:07 发布

zenghu_10

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分类专栏：分布式文章标签： TCP协议 IP协议三次握手四次挥手滑动窗口

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本文详细介绍了互联网上关键的低层协议——IP协议的工作原理及其在网络通信中的作用。此外，还对比了TCP/IP与UDP/IP的不同之处，并阐述了TCP如何实现可靠传输。

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什么是IP协议？

Internet 上使用的一个关键的低层协议是网际协议，通常称IP协议。我们利用一个共同遵守的通信协议，从而使 Internet 成为一个允许连接不同类型的计算机和不同操作系统的网络。要使两台计算机彼此之间进行通信，必须使两台计算机使用同一种语言。通信协议正像两台计算机交换信息所使用的共同语言，它规定了通信双方在通信中所应共同遵守的约定。

它提供了能适应各种网络硬件的灵活性，对底层网络硬件几乎没任何要求，任何一个网络只要能够从一个地点向另一个地点传送二进制数据，即可使用IP协议加入互联网络了。

IP协议提供了一组数据报文服务，每组分组报文都是由网络独立处理和分发，就像寄送快递包裹一样，为了实现这个功能，每个IP报文必须包含一个目的地址的字段；就像我们寄送快递都需要写明收件人信息，但是和我们寄送快递一样，也可能会出现包裹丢失问题，所以IP协议只是一个“尽力而为”的协议，在网络传输过程中，可能会发生报文丢失、报文顺序打乱，重复发送的情况。

什么是UDP/IP协议？

UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。（这里不做重点讲解）

什么是TCP/IP协议？

传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。

一个 http 请求，在整个网络中的请求过程

当应用程序用T C P传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息。

TCP四层网络模型：

传输层：包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。实际上TCP/IP标准并不定义与ISO数据链路层和物理层相对应的功能。相反，它定义像地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)这样的协议，提供TCP/IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口。

网络层：本层包含IP协议、RIP协议(Routing Information Protocol，路由信息协议)，负责数据的包装、寻址和路由。同时还包含网间控制报文协议(Internet Control Message Protocol,ICMP)用来提供网络诊断信息。

数据链路层：它提供两种端到端的通信服务。实现网卡接口的网络驱动，以处理数据在以太网线等物理媒介上的传输

物理层：因特网的应用层协议包括Finger、Whois、FTP(文件传输协议)、Gopher、HTTP(超文本传输协议)、Telent(远程终端协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、IRC(因特网中继会话)、NNTP（网络新闻传输协议）等。

简单理解：（寄快递为例）

传输层：选择快递公司（选择协议tcp头）

网络层：快递要寄送的目的地（ip）

数据链路层：快递要寄给的接受人（mac头）

物理层：开始派发快递（数据传输）

TCP 是如何做到可靠传输的？

由于TCP协议是一种可信的传输协议，所以在传输之前，需要通过三次握手建立一个连接，所谓的三次握手，就是在建立TCP链接时，需要客户端和服务端总共发送3 个包来确认连接的建立

TCP 三次握手

第一次：消息发送中，A随机选取一个序列号作为自己的初始序号发送给B；

第二次：消息B使用ack对A的数据包进行确认，因为已经收到了序列号为x的数据包，准备接收序列号为x+1的包，所以ack=x+1，同时B告诉A自己的初始序列号，就是seq=y；

第三次：消息A告诉B收到了B的确认消息并准备建立连接，A自己此条消息的序列号是x+1，所以seq=x+1，而ack=y+1是表示A正准备接收B序列号为y+1的数据包。

TCP 四次挥手协议

四次挥手表示 TCP 断开连接的时候,需要客户端和服务端总共发送 4 个包以确认连接的断开；客户端或服务器均可主动发起挥手动作(因为 TCP 是一个全双工协议)，在 socket 编程中，任何一方执行 close() 操作即可产生挥手操作。

    第一次挥手：A设置Sequence Number和Acknowledgment Number，向B发送一个FIN报文段;此时，A进入FIN_WAIT_1状态;这表示A没有数据要发送给B了;

    第二次挥手：B收到了A发送的FIN报文段，A回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1;A进入FIN_WAIT_2状态;B告诉A，我也没有数据要发送了，可以进行关闭连接了;

    第三次挥手：B向A发送FIN报文段，请求关闭连接，同时B进入CLOSE_WAIT状态;

第四次挥手：A收到B发送的FIN报文段，B发送ACK报文段，然后A进入TIME_WAIT状态;B收到A的ACK报文段以后，就关闭连接;此时，A等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，A也可以关闭连接了。

滑动窗口（数据传输过程的流量控制和确认机制）

建立可靠连接以后，就开始进行数据传输了。在通信过程中，最重要的是数据包，也就是协议传输的数据。如果数据的传送与接收过程当中出现收方来不及接收的情况，这时就需要对发方进行控制以免数据丢失。利用滑动窗口机制可以很方便的在TCP连接上实现对发送方的流量控制。TCP的窗口单位是字节，不是报文段，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。

滑动窗口协议

滑动窗口（Sliding window）是一种流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方不会考虑网络的拥挤情况直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，同时发送数据，导致中间节点阻塞掉包，谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题；发送和接受方都会维护一个数据帧的序列，这个序列被称作窗口。

简单解释下，发送和接受方都会维护一个数据帧的序列，这个序列被称作窗口。发送方的窗口大小由接受方确定，目的在于控制发送速度，以免接受方的缓存不够大，而导致溢出，同时控制流量也可以避免网络拥塞。下面图中的 4,5,6 号数据帧已经被发送出去，但是未收到关联的 ACK ， 7,8,9 帧则是等待发送。可以看出发送端的窗口大小为 6 ，这是由接受端告知的。此时如果发送端收到 4 号 ACK ，则窗口的左边缘向右收缩，窗口的右边缘则向右扩展，此时窗口就向前 “ 滑动了 ” ，即数据帧 10 也可以被发送。