在计算机网络通信中，从数据传输的方向定义，到分层协议的协作，再到 TCP 的可靠传输保障，每个环节都有明确的规则与机制。本文将系统梳理网络通信的核心概念，包括数据传输模式、协议分层、TCP/UDP 特性、数据同步机制等，帮助快速理解网络通信的底层逻辑。
一、数据传输基本模式：单工、半双工与全双工
数据传输方向是网络通信的基础属性，主要分为三种模式，常见于路由器交换机等设备的通信功能中：
- 单工：数据仅支持单向传输，同一时刻只能一方接收或发送（如早期的广播、打印机通信）。
- 半双工：数据支持双向传输，但同一时间只能一个方向传输。需先判断是否有数据接入，避免信号碰撞，需等一方传输完成后，另一方才能发送（如以太网早期的半双工模式）。
- 全双工：数据支持双向同时传输，同一时间可同时接收和发送（如现代以太网、手机通话）。
二、网络协议分层：OSI 七层与 TCP/IP 四层
协议分层是为了将复杂的网络通信拆解为独立模块，不同分层负责不同功能，上层依赖下层提供的服务。
2.1 OSI 七层协议（理论模型）
从顶层到下层，功能逐步贴近硬件：
- 应用层：提供应用接口与网络服务（如 HTTP、HTTPS、FTP、DNS）。
- 表示层：负责数据编码与转换，确保跨系统数据可识别（如 HTML、DOC 格式处理、数据加密解密）。
- 会话层：建立、管理、终止表示层实体间的通信会话（如会话连接的创建与释放）。
- 传输层：建立主机端到端连接，提供可靠 / 透明的数据传输（TCP、UDP，负责进程间通信）。
- 网络层：通过路由算法选择数据包传输路径（IP 协议，负责主机到主机的逻辑通信）。
- 数据链路层：定义电信号分组规则，处理帧的传输（如 MAC 地址相关操作）。
- 物理层：利用传输介质（网线、光缆）实现比特流（0 和 1）的透明传送。
通过下面图片，我们可以更生动的去了解这个过程，大致做了什么：
2.2 TCP/IP 四层协议（实际应用模型）
OSI 模型过于复杂，实际网络中常用 TCP/IP 四层模型，对应关系如下：
| TCP/IP 四层 | 核心功能 | 代表协议 |
|---|---|---|
| 应用层 | 提供用户级应用服务 | HTTP、FTP、DNS |
| 传输层 | 进程间数据传输 | TCP（可靠）、UDP（不可靠） |
| 网络层 | 主机间路由与数据包转发 | IP、ARP |
| 链路层 | 硬件设备间的帧传输 | 以太网协议、MAC |
大致流程如下：
三、核心协议解析：IP、TCP 与 UDP
3.1 IP 协议：网络层的 “地址与路由” 基础
IP 协议是网络层的核心，负责将数据包从源主机转发到目标主机，特点如下：
-
协议本质：“尽力而为” 的无连接协议，不保证数据包不丢失、不重复、按序到达（需依赖传输层 TCP 补充可靠性）。
-
核心依赖：IP 通信需通过 MAC 地址实现物理转发，通过 ARP 协议解析 “IP 地址→MAC 地址” 的映射。
-
子网掩码：32 位二进制值，用于分离 IP 中的 “网络部分” 与 “主机部分”，判断目标主机是否在同一子网（同子网直接通信，异子网需通过路由器转发）。
-
IP 报文头部关键字段：
- 源 / 目的 IP 地址：标识数据包的发送端与接收端。
- TTL（生存时间）：数据包可经过的路由跳数，每过 1 个路由减 1，为 0 时丢弃（避免循环转发）。
- 协议字段：标识上层协议（如 6 代表 TCP，17 代表 UDP）。
IPv4 与 IPv6 的区别
- IPv4：32 位地址，最多支持约 42 亿台设备，地址已枯竭。
- IPv6：128 位地址（格式如
abcd:0000:1111:2222:1357:2468:5555:6789），可提供海量地址，同时优化了安全性、移动性等问题。
3.2 TCP 与 UDP：传输层的 “可靠与高效” 选择
TCP 和 UDP 均位于传输层，面向不同通信需求设计，核心差异如下：
| 特性 | TCP（传输控制协议） | UDP（用户数据包报协议） |
|---|---|---|
| 连接方式 | 面向连接（需三次握手建立连接） | 无连接（直接发送，无需建立连接） |
| 可靠性 | 可靠（确认应答、超时重传、错误校验） | 不可靠（无确认，丢包不重传） |
| 数据顺序 | 按序传输（通过序列号排序） | 无序（数据包独立，无顺序保证） |
| 速度 | 较慢（需握手、重传等开销） | 较快（无额外开销） |
| 头部大小 | 最小 20 字节（最大 60 字节） | 固定 8 字节 |
| 应用场景 | 需可靠传输（HTTP/HTTPS、FTP、文件传输） | 需高速传输（QQ 语音 / 视频、DNS 查询） |
TCP/UDP 头部关键字段
- TCP 头部：含源 / 目的端口、序列号（数据排序）、确认号（期望接收的下一字节）、窗口大小（流量控制）、标志位（SYN 建立连接、FIN 断开连接、ACK 确认）。
- UDP 头部：仅含源 / 目的端口、UDP 长度（数据包总长度）、校验和（检测数据错误）。
四、TCP 核心机制：连接建立、断开与可靠性保障
4.1 三次握手：建立可靠连接
TCP 通过三次握手确保双方 “发送 / 接收能力正常”，流程如下：
- 客户端→服务器：发送 SYN=1（请求建立连接），初始序列号 seq=x，进入 SYN_SENT 状态。
- 服务器→客户端：回复 SYN=1+ACK=1（确认请求 + 发起自身连接），序列号 seq=y，确认号 ack=x+1，进入 SYN_RCVD 状态。
- 客户端→服务器：回复 ACK=1（确认服务器连接），序列号 seq=x+1，确认号 ack=y+1，双方进入 ESTABLISHED 状态，连接建立。
核心作用：防止 “已失效的连接请求” 导致资源浪费（如旧请求延迟到达，三次握手可忽略无效请求）。
4.2 四次挥手：优雅断开连接
TCP 是全双工协议，断开连接需双方确认 “无数据残留”，流程如下：
- 客户端→服务器：发送 FIN=1（请求断开），序列号 seq=u，进入 FIN-WAIT-1 状态。
- 服务器→客户端：回复 ACK=1（确认收到断开请求），确认号 ack=u+1，进入 CLOSE-WAIT 状态（此时服务器可继续发送剩余数据）。
- 服务器→客户端：发送 FIN=1（服务器无数据可发，请求断开），序列号 seq=w，确认号 ack=u+1，进入 LAST-ACK 状态。
- 客户端→服务器：回复 ACK=1（确认服务器断开），确认号 ack=w+1，进入 TIME-WAIT 状态（等待 2MSL，确保服务器收到确认），之后关闭连接；服务器收到 ACK 后直接关闭。
关键状态作用：
- FIN-WAIT-1：等待服务器对 “客户端断开请求” 的确认。
- FIN-WAIT-2：等待服务器发送 “自身断开请求”（确保服务器无残留数据）。
- TIME-WAIT：等待 2MSL（报文最大生存时间），防止服务器未收到 ACK 而重发 FIN，避免数据残留。
4.3 TCP 可靠性保障机制
TCP 通过多机制确保数据可靠传输：
- 校验和：发送方计算数据校验值，接收方核对，不一致则丢弃。
- 确认应答：接收方收到数据后回复 ACK，携带 “期望接收的下一字节序号”，发送方未收到 ACK 则重传。
- 超时重传：发送方发送数据后启动定时器，超时未收到 ACK 则重传。
- 流量控制：通过 “窗口大小”（接收方告知发送方 “可接收的最大字节数”）控制发送速率，避免接收方缓存溢出。
- 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复算法，避免网络拥塞（如慢启动阶段 cwnd 指数增长，拥塞避免阶段 cwnd 线性增长）。
五、TCP 粘包 / 拆包：问题与解决方案
TCP 基于 “字节流” 传输，无数据边界，易出现粘包（多请求合并）或拆包（大请求拆分）问题，UDP 基于 “报文” 传输（含长度字段），无此问题。
5.1 粘包 / 拆包原因
- 粘包：发送数据小于 TCP 发送缓冲区，TCP 合并多个请求一次发送。
- 拆包：发送数据大于 TCP 缓冲区或 MSS（最大报文长度），TCP 拆分多次发送。
- 接收方未及时读取缓存数据，导致多个数据包堆积，形成粘包。
5.2 解决方案
- 消息定长：每个数据包固定长度，接收方按固定长度读取（不足补 0）。
- 设置边界：包尾加特殊符号（如回车换行），接收方按符号分割消息（如 FTP 协议）。
- 消息头 + 消息体：消息头含 “消息总长度” 字段，接收方先读头再读对应长度的体。
六、TCP/IP 数据传输完整流程（以 HTTP 请求为例）
-
DNS 解析：将域名（如www.xxx.com）解析为目标服务器 IP 地址。
-
TCP 三次握手：客户端与服务器建立 TCP 连接。
-
HTTP 请求发送：
- 应用层：构造 HTTP 请求报文（如 GET/POST）。
- 传输层：添加 TCP 头部（源 / 目的端口、序列号），形成 TCP 段。
- 网络层：添加 IP 头部（源 / 目的 IP），形成 IP 数据包。
- 链路层：添加 MAC 头部（源 / 目的 MAC），形成数据帧，通过物理层传输。
-
服务器接收与响应：
- 物理层→链路层→网络层→传输层→应用层：逐层剥离头部，服务器处理 HTTP 请求。
- 按相反流程构造 HTTP 响应，通过 TCP 连接返回客户端。
-
TCP 四次挥手：数据传输完成，断开 TCP 连接。
