网络原理---TCP/IP

活动发起人@小虚竹 想对你说：

这是一个以写作博客为目的的创作活动，旨在鼓励大学生博主们挖掘自己的创作潜能，展现自己的写作才华。如果你是一位热爱写作的、想要展现自己创作才华的小伙伴，那么，快来参加吧！我们一起发掘写作的魅力，书写出属于我们的故事。我们诚挚邀请你参加为期14天的创作挑战赛！

提醒：在发布作品前，请将不需要的内容删除。

1.应用层

我们之前编写完了基本的 java socket ，要知道，我们之前所写的所有代码都在应⽤层，都是为了 完成某项业务，如翻译等。关于应⽤层，我们在讲解完毕基本的 TCP/IP 协议之后，我们会单独来进 ⾏讲解。

2.传输层

负责数据能够从发送到传输到接收端。

2.1 再谈端口号

端口号标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序。

在TCP/IP协议中,⽤"源IP","源端⼝号","⽬的IP","⽬的端⼝号","协议号"这样⼀个五元组来标识⼀个 通信(可以通过netstat-n查看);

端⼝号范围划分

• 0-1023:知名端⼝号,HTTP,FTP,SSH等这些⼴为使⽤的应⽤层协议,他们的端⼝号都是固定的.

• 1024-65535:操作系统动态分配的端⼝号.客⼾端程序的端⼝号,就是由操作系统从这个范围分配 的.

2.2UDP协议

UDP协议格式

• 16位UDP⻓度,表⽰整个数据报(UDP⾸部+UDP数据)的最⼤⻓度; 如果校验和出错,就会直接丢弃;

UDP的特点：

• 无连接：知道对端的IP和端⼝号就直接进⾏传输,不需要建⽴连接，
• 不可靠传输：没有确认机制,没有重传机制;如果因为⽹络故障该段⽆法发到对⽅,UDP协议层也不会给应 ⽤层返回任何错误信息;（如何理解这里的不可靠，⾯向数据报 应⽤层交给UDP多⻓的报⽂,UDP原样发送,既不会拆分,也不会合并;）
• 面向数据报：不能够灵活的控制读写数据的次数和数量
• 全双工

我们接下来了解UDP报头，我们所熟知的HTTP协议的报头是文本格式的，UDP/TCP/IP的报头是二进制格式的。

长度

整个UDP数据报长度（报头+载荷），长度属性也是两个字节，表示范围0~65535（64KB）.

端口号

一个端口号的取值范围是0~65535，实际上一般把1024以下的端口保留，我们写代码都用1024~65535这个范围的。服务器的端口是程序员指定的（提前指定好，客户端才能访问到），客户端的端口是系统自动分配的空闲端口（如果提前指定了，可能会与你客户端上的程序起冲突）。

校验和

验证数据是否发生修改，之前我们将HTTP的数字签名是为了防止黑客篡改（防人），但UDP的校验和不是为了防人，和安全性无关，而是为了防止出现运输过程中的“比特翻转”（即1变0,0变1）。

发送之前，先计算一个校验和，把整个数据包的数据都代入，把数据与校验和一起发送给对端，接收方收到之后重新计算一下校验和，和收到的校验和进行对比（UDP发现校验和不一致，就会直接丢弃）。UDP的校验和使用了CRC方式来进行校验（循环冗余校验），把每个字节（除了校验和位置的部分之外），都当做整数，进行累加，溢出来也没有关系，继续加最终得到结果，crc校验和传输到对端，数据出现错误了，对端再次 计算的校验和就会和第一个校验和不以样。

认为两个原始数据相同，使用相同的校验和算法，得到的校验和也应该是相同的，反之，两个校验和相同，原始数据一定也相同（可能存在变数）。

UDP使⽤注意事项

UDP总长度最大是64KB，可以表述为UDP总长度达到64KB或UDP携带的载荷长度达到64KB上限。

我们注意到,UDP协议⾸部中有⼀个16位的最⼤⻓度.也就是说⼀个UDP能传输的数据最⼤⻓度是 64K(包含UDP⾸部). 然⽽64K在当今的互联⽹环境下,是⼀个⾮常⼩的数字.如果我们需要传输的数据超过64K,就需要在应⽤层⼿动的分包,多次发送,并在接收端⼿动拼装。

2.3TCP协议

TCP协议特点：有链接，面向字节流，可靠传输，全双工。

TCP协议段格式

1.16位源端口号/16位目的端口号：传输层的核心内容；

2.4位首部长度：表⽰该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节);所以TCP头部最⼤⻓度是15* 4=60。

3.选项：选项的存在，导致tcp报头长度是可变的。

4.保留6位：TCP报头中就预留了一些“保留位”，现在先不用，但是先占个位子。

5.：TCP最核心的6个标志位

•  URG:紧急指针是否有效.
•  ACK:确认号是否有效，ack为1，表示是应答报文.
•  PSH:提⽰接收端应⽤程序⽴刻从TCP缓冲区把数据读⾛.
•  RST:对⽅要求重新建⽴连接;我们把携带RST标识的称为复位报⽂段.
• SYN:请求建⽴连接;我们把携带SYN标识的称为同步报⽂段.
•  FIN:通知对⽅,本端要关闭了,我们称携带FIN标识的为结束报⽂段.

6.16位校验和：用来校验数据是否出现错误.

7.针对确认应答中的情况，给数据进行编号，其中确认序号只在应答报文中才生效。

8.16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据

TCP的核心机制

可靠性：此处的可靠性，不是说A给B发一个消息，B100%能收到，而是A给B发了消息之后，尽量让B收到消息。

TCP核心机制一:确认应答

保证可靠性的一个关键前提，发送方知道自己的数据是否被对方收到，需要对方给返回一个“应答报文”（acknowledge.ack）,发送方知道应答报文，就可以确认对方收到了。

举个例子，我们用短信给别人发送多条消息时，正常情况下，如图所示

但是在网络上会出现后发先至的情况，如图所示，这种情况会引起误解，

那么针对这种情况，我们又该如何解决，接下来我们介绍一下TCP的解决方案

TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为序列号。上述列子编号如上图所示：

每⼀个ACK都带有对应的确认序列号,意思是告诉发送者,我已经收到了哪些数据;下⼀次你从哪⾥开始 发.

1.TCP是面向字节流的，在编号时，不是按照用条、2条来编号的，而是按照“字节”的方式来编号的，每个字节都分配一个编号，编号是连续递增的。

        一个TCP的载荷是由多个字节构成的，需要多个编号，那么此处的序号该怎么填写：序号字段填写载荷部分的第一个字节的序号，序号连续递增；确认序号填法是把收到的载荷数据的最后一个字节序号+1。

2.引入序号之后，接收方就可以根据序号对数据进行排序，TCP需要先处理后发先至的情况，确保应用程序通过socket api读到的数据顺序（即确保代码里读到的数据和发送方写入的数据顺序一致）是正确的。

3.TCP报头不参与排序，序号、确认序号都是针对载荷的，TCP在接收方这里会安排“接收缓冲区”，（内存，操作系统内核里），通过网卡读到的数据，先放到缓冲区中，后续代码里调用read，也是从接收缓冲区来读的。

4.在接收缓 冲中，根据序号来排序，序号小的在前面，大的在后面，确保前面的数据已经到了，然后read才能接触阻塞，如果是后面的数据先到，read会继续阻塞，不会读取到数据。

TCP核心机制二：超时重传

1.超时重传是针对丢包的情况做出处理，这里首先会设置一个超时时间，

比如A给B发送数据等B的回应，如果达到等待时间上限，还没有收到ack，A就认为传输过程中发生丢包情况。这里的丢包可能是A给B发生的数据丢了或者B给A返回的ack丢了。

2.为什么会发生丢包现象？

因为网络结构是非常复杂的，数据报经过某个路由器，交换机转发的时候，该路由器、交换机已经非常繁忙了，导致当前所需要转发的数据量超出路由器、交换机的转发能力上限，此时，数据报会消耗更多的时间，才能到达对方，跟糟糕的是，数据报太多，路由器、交换机根本处理不过来，接收缓冲区已满，只能丢弃。

3.丢包是不能避免的客观现象，而重传是有效对抗丢包的手段。

4.如何判断是否丢包？

引入超时时间来判断是否丢包，TCP中，判断超时时间的阈值，不是固定数值，是动态改变的。

假设当前A向B发送数据，丢包时间的阈值是T，当A给B传输发生超时之后，就会延长这个时间阈值，即延长这个时间，但不是无休止的，超时次数达到一定程度或等待时间达到一定程度，就会认为网络出现严重故障，放弃这一次传输。

5.针对A给B发生的数据丢了或者B给A返回的ack丢了这两种情况，发送方A区分不了当前是那种情况，所有都重传。

情况1

A给B发生的数据丢了，直接重传就可以了。

情况2

对于这种情况，B已经收到了一份数据，如果重传，B就会收到两份一样的数据，如果tcp不处理，可能会使应用层读到两次一样的数据，所以tcp会在内部进行去重操作，此时根据序号，在接收缓冲区中寻找，如果存在，就直接丢弃；如果不存在，才放进去。

注：确认应当和超时重传是TCP最核心的两个机制，保证了TCP能够进行可靠运输。