TCP/IP 五层协议

在讲解 TCP/IP 通信传输流之前，首先复习一下 TCP/IP 的五层协议。

应用层：决定向用户提供应用服务时通信的活动。TCP/IP 协议族内预存了各类通用的应用服务。比如：FTP、DNS、HTTP 协议。

传输层：传输层对上层应用层，提供处于网络连接中的两台计算机之间的数据传输。在传输层有两个性质不同的协议，分别是 TCP (Transmission Control Protocol，传输控制协议) 和 UDP (User Data Protocol，用户数据报协议)

网络层：网络层用来处理在网络上流动的数据包。数据包是网络传输的最小数据单位。该层规定了通过怎样的路径到达对方计算机，并把数据包传送给对方。与对方计算机通过多台计算机或网络设备进行传输时，网络层所起的作用就是在众多的选项内选择一条传输路线。

数据链路层: 在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧 (Frame)在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。数据的单位称为帧 (frame)

物理层：物理层建立在物理通信介质的基础上，作为系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体间透明的比特 (bit) 流传输。只有该层为真实物理通信，其它各层为虚拟通信。

TCP/IP 数据传输流程

客户端在应用层 (HTTP 协议) 发出一个 HTTP 请求。

为了方便传输，在传输层 (TCP 协议) 把从应用层处收到的数据 (HTTP 请求报文) 进行分割，并在各个报文上打上标记序号及端口号后转发给网络层。

在网络层 (IP 协议)，增加作为通信目的地的 MAC 地址后转发给数据链路层。这样，发送给服务端的请求就准备齐全了。

当服务端在链路层接收到数据时，按序往上层发送，一直到应用层。当传输到应用层时，才算真正的接收到由客户端发送过来的请求。

什么是 MAC 地址？

媒体访问控制地址 (Media Access Control Address)，也称为局域网地址 (LAN Address)，以太网地址 (Ethernet Address) 或物理地址 (Physical Address)，它是一个用来确认网上设备位置的地址。ARP (Address Resolution Protocol) 是一种用来解析地址的协议，它可以根据 IP 地址反查出对应的 MAC 地址。

下图展示了一台电脑内网 IP 和 MAC 地址。在终端 (MAC OS 环境) 输入 ifconfig，找到 en0，便可查找本地以太网的信息。

那么什么是 MAC 地址呢？我们知道 IP 地址是可变的，可以通过各种方式分配 IP 地址给一个设备，比如 DHCP， PPP，静态 IP 等。而 MAC 地址一般来讲是不会变的，设备在生产时就被“烙”上了唯一的标识，这个唯一的标识就是 MAC 地址。

逼乎上有个很有趣的例子：你中午在公司点了份外卖，收货地址一定是写公司的地址；晚上回到家，再点外卖时就得把地址写成家 (IP 是动态的)。但无论在哪儿点外卖，订单上的姓名和手机号一定是你自己的 (MAC 地址)。

中午外卖小哥把午餐送到公司门口，但收外卖的人肯定不止你一个 (多台设备在同一个 broadcast 网络里)，因此他会通过手机号和姓名来找到你。

UDP 协议

用户数据报协议 (User Datagram Protocol)，又称使用者资料包协议，是一个简单的面向数据报的传输协议。在 TCP/IP 模型中，UDP 为网络层以上和应用层以下提供了一个简单的接口。UDP 只提供数据的不可靠传递，它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去，就不保留数据备份。UDP 在 IP 数据报的头部仅仅加入了复用和数据校验 (字段)。

它的特点如下

UDP 缺乏可靠性。UDP 本身不提供确认序号，序列号，超时重传等机制。UDP 数据报可能在网络中被复制，被重新排序。即 UDP 不保证数据报会到达其最终目的地，也不保证各个数据报的先后顺序，也不保证每个数据报只到达一次。

UDP 头部开销小，它包含以下几个数据：

  两个十六位的端口号，分别是源端口和目的端口。
  
  整个数据报文的长度。
  
  整个数据报文的校验和，用于发现头部信息和数据中的错误

UDP 是面向无连接的。UDP 客户端和服务器之前不必存在长期的关系。UDP 发送数据报之前也不需要经过握手创建连接的过程。
UDP 不仅支持单播，还支持多播和广播。

基于 UDP 协议的有：

域名系统 (DNS)

    DNS在进行区域传输的时候使用TCP协议，其它时候则使用UDP协议；

简单网络管理协议 (SNMP)

动态主机配置协议 (DHCP)

路由信息协议 (RIP)

TCP 协议

TCP (Transmission Control Protocol, 传输控制协议) 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流服务的传输层通信协议，由 IETF 的 RFC 793 定义。其中字节流服务 (Byte Stream Service) 是指为了方便传输，将大块数据分割成以报文段 (segment) 为单位的数据包进行管理。

TCP 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务
在一个 TCP 连接中，仅有两方进行彼此通信。广播和多播不能用于 TCP
TCP 使用校验和，确认和重传机制来保证可靠传输
TCP 给数据分节进行排序，并使用累积确认保证数据的顺序不变和非重复
TCP 使用滑动窗口机制来实现流量控制，通过动态改变窗口的大小进行拥塞控制

TCP 报文

端口号：包括源端口号和目的端口号，用来标识同一台计算机的不同的应用进程。TCP 报头中的源端口号和目的端口号同 IP 数据报中的源 IP 与目的 IP 唯一确定一条 TCP 连接。

源端口号：源端口和 IP 地址的作用是标识报文的返回地址。

目的端口号：目的端口指明接收方计算机上的应用程序接口。

序号：它是当前报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在 TCP 传送的流中，每一个字节一个序号。比如一个报文段的序号为 300，此报文段的数据部分共有 100 字节，则下一个报文段的序号为 400。序号确保了 TCP 传输的有序性。

**确认号：**即 ACK(acknowledgement)，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当 ACK 标志为 1 时才有效。比如建立连接时，SYN 报文的 ACK 标志位为 0。

首部长度：由于首部可能含有可选项内容，因此 TCP 报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为 20 字节，4 位首部长度字段所能表示的最大值为 1111，转化为 10 进制为 15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为 60 字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。

保留：为将来定义新的用途保留，现在一般置 0。

窗口：滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小是一个 16bit 字段，因此窗口大小最大为 65535。

校验和：奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。

紧急指针：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

选项和填充：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为 MSS (Maximum Segment Size)，每个连接方通常都在通信的第一个报文段 (为建立连接而设置 SYN 标志为 1 的那个段)中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是 32 位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证 TCP 头是 32 的整数倍。

数据部分：TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

上面写了那么多是不是不太好记，其实不用全都记住，记住个大概流程

TCP 建立连接 (三次握手)

所谓三次握手 (three-way handshaking) 是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务端共发送三个包。它的目的是连接服务器指定端口，建立 TCP 连接，并同步双方的序列号和确认号，交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中，当客户端执行 connect() 函数时，将触发三次握手。

SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。是TCP/IP建立连接时使用的握手信号。在客户机和服务器之间建立正常的TCP网络连接时，客户机首先发出一个SYN消息，服务器使用SYN+ACK应答表示接收到了这个消息，最后客户机再以ACK消息响应。这样在客户机和服务器之间才能建立起可靠的TCP连接，数据才可以在客户机和服务器之间传递。

seq:序列号，什么意思呢？当发送一个数据时，数据是被拆成多个数据包来发送，序列号就是对每个数据包进行编号，这样接受方才能对数据包进行再次拼接。

ack:这个代表下一个数据包的编号，这也就是为什么第二请求时，ack是seq+1，

第一次握手

客户端首先发送一个 SYN 为 1 的包给服务端，指明客户端要连接服务端的哪个接口以及初始序号 x。发送完毕后，客户端进入 SYN_SEND 状态。

第二次握手

服务端收到后，回传一个带有 SYN/ACK 的确认包以示应答。即 SYN=1，ACK=1。服务端选择自己的 ISN 序列号，放到 seq 中，同时将确认序号 ack 设置为客户端的 ISN+1，即 x+1。发送完毕后，服务端进入 SYN_RCVD (同步收到) 状态。

第三次握手

客户端收到确认后，再次发送一个带 ACK 标志的数据包。即 ACK=1，ack=y+1，并将自己的序列号 seq=x+1。发送完毕后，客户端和服务器双双进入 ESTABLISHED 状态。至此，三次握手结束。

为什么是三次握手，两次不行吗？

为了实现可靠数据传输，TCP 协议的通信双方，都必须维护一个序列号，以标识发送出去的数据包中，哪些是已经被对方收到的。三次握手的过程即是通信双方相互告知序列号起始值，并确认对方已经收到了序列号起始值的必经步骤

如果只是两次握手，至多只有连接发起方的起始序列号能被确认，另一方选择的序列号则得不到确认。

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP 还设有一个保活计时器 (keep-alive)，如果客户端出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为 2 小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔 75 秒发送一次。若一连发送 10 个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

TCP 关闭连接 (四次挥手)

第一次挥手

客户端调用 close() 函数，并发送一个 FIN (finish) 标志为 1 的数据包给服务端，来表示本方的数据已经全部发送完毕，此时客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。TCP 规定，FIN 报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

第二次挥手

服务端收到客户端的释放报文后，发出确认报文，其中 ACK=1, ack=u+1，并且带上自己的序列号 seq=v。表明自己接受到了客户端关闭连接的请求，但还没准备好关闭连接 (半关闭状态)，也就是说客户端已经没有数据要发送了，但服务端仍有可能会发送数据。发送完毕后，服务端进入 CLOSE_WAIT 状态。

当客户端收到该报文后，客户端就进入 FIN-WAIT-2 状态，等待服务器发送连接释放报文。

第三次挥手

服务器端准备好关闭连接时，会向客户端发送一个连接释放报文，其中 FIN=1，ack=u+1。由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为 seq=w。发送完毕后，服务端便进入 LAST-ACK(最后确认) 状态。

第四次挥手

客户端收到服务器的连接释放报文后，需要发送一个确认包，其中 ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是 seq=u+1，并进入了 TIME-WAIT (时间等待)状态，等待过程可能出现的要求重传的 ACK 包。

此时 TCP 连接还没有释放，必须经过 2 * MSL (Maximum Segment Lifetime, 最长报文段寿命) 时间后，当客户端撤销相应的 TCB 后，才会进入 CLOSED 状态。

而服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入 CLOSED 状态。同样，撤销 TCB 后，就结束了这次的 TCP 连接。因此，服务器结束 TCP 连接的时间要比客户端早一些。

TCP 有哪些手段保证可靠交付

udp和tcp的区别

dns

DNS 报文格式

请求报文和 DNS 服务器返回的应答报文都是统一的格式：

会话标识 (2 字节)：它是 DNS 报文的 ID 标识，对于请求报文和其对应的应答报文，这个字段是相同的，通过它可以区分 DNS 应答报文是哪个请求的响应。

标志 (2 字节)：它有 8 个部分，如下图所示：

Questions 查询字段

QNAME 无符号 8bit 为单位长度不限表示查询名。

QTYPE 无符号 16bit 整数表示查询的协议类型。

QCLASS 无符号 16bit 整数表示查询的类。

Answer/Authority/Additional

三者的格式相同，如下所示：

DNS 解析记录

折腾过搭建网站的小伙伴们一定对 DNS 解析记录不会陌生，下面通过表格复习一下。

域名解析过程

系统会检查浏览器缓存中有没有这个域名对应的解析过的 IP 地址，如果缓存中有，这个解析过程就将结束。浏览器缓存是受这个域名的失效时间和缓存的空间大小控制的。
如果用户的浏览器缓存中没有，浏览器会查找操作系统缓存中即为本地的 Host 文件。
路由器也可能会有缓存。
如果前几步都没有找到，就会到 LDNS (Local DNS) 中查找，LDNS 是你的 ISP 分配给你的 DNS (一般为两个)，大部分情况下域名都会在这里得到解析。下图是 cloudflare 提供给我的两个 DNS。

如果在 LDNS 没有找到，那就要去 Root Server 域名服务器请求解析了。根域名服务器返回给本地域名服务器一个查询主域名服务器（gTLD Server）地址。gTLD 是国际顶级域名服务器，如.com，.cn、.org 等，全球只有 13 台左右。
本地域名服务器会向 gTLD Server 地址发送请求，它会返回一个 Name Server 域名服务器的地址，这个 Name Server 通常就是你注册域名的厂家，比如 NameCheap、狗爹、万网等等。
Name Server 域名服务器会查询存储域名和 IP 的关系映射表，正常情况下都可以根据域名得到目标 IP 记录，并连同一个 TTL 返回给本地域名服务器。
本地域名服务器根据 TTL 缓存这个 IP，并将解析结果返回给客户端，客户端再根据 TTL 将 IP 信息缓存到本地系统缓存里。至此，域名解析过程结束。