详解：TCP/IP五层（四层）协议模型

一.五层（四层）模型

1.概念

TCP/IP协议模型分为五层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。这五层每一层都依赖于其下一层给它提供的网络去实现需求。

1）物理层：这是最基本的一层，也是最接近硬件的一层。其规定了网络通信中的一些硬件设施要求。

2）数据链路层：完成两个相邻设备之间的如何进行通信。如通过网线把电脑链接到路由器/交换机上，这里的电脑与路由器/交换机就是相邻的设备。

3）网络层：完成两个任意设备之间的如何进行通信，考虑的是通讯中间的过程是怎么样的。

4）传输层：完成两个任意设备之间的如何进行通信，考虑的是通讯的起点和终点。

5）应用层：网络编程实现我们想要的效果（需求）。

举个形象例子：网购。我们可以将网购送货分成各个层次。首先最基础的，运货要有路，这个公路就是最基础的“物理层”。再说，快递员将货物运输到各个转运中心，这就是两个相邻的设备中间的通讯，是“数据链路层”。快递公司给快递小哥规划路线，让他怎么走，考虑的是中间的过程，这是“网络层”。网购商家只管填上发货地和收货地，其他不用管，不关心快递小哥是走哪几个转运中心的，只管能不能到收货地，这就是“传输层”。最后，快递到我们手里了，我们怎么使用是我们决定的，正如应用层代码是我们自己实现的，实现的是什么由我们自己决定，这就是“应用层”。

透过上面的例子大家应该对这五层模型是什么有了更深刻的印象了。

回答一下为什么有人说五层，有人说四层。说四层其实是将最下层的物理层和数据链路层合并成一个，与硬件设备直接相关，只是说法不同，实际上都是一样的。

2.网络设备所在分层

1）主机：通过应用程序满足网络通信的需求，涉及物理层 -> 应用层。

2）路由器：组建局域网，进行网络数据包转发，涉及物理层 -> 网络层。

3）交换机：对路由器接口的拓展，涉及物理层 -> 数据链路层。

二.传输层协议

传输层有两个核心协议，一个是TCP，一个是UDP。

1.UDP

1）特点：无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工。

UDP不保存通讯对端的信息，这就是无连接。UDP发出数据后直接就不管了，一点不可靠。UDP在读写数据的时候，是以一个数据报为单位去读写的，注意一次必须读写一个数据报，半个不行，因此不存在粘包问题（这个在下面的TCP会解释）。全双工的意思的能读也能写，与之对应的是半双工，只可以读或只可以写。

2）报文格式：

源端口号和目的端口号这两个好理解，就是起点和终点。

UDP长度指的是整个UDP的长度，包括报头和载荷，长度这个位置最多存储两个字节的数据，也就是整个UDP长度最长是64kb。如果我们传输的数据超过64kb，比较大，这个时候我们就要考虑拆包了传输了。

校验和用来验证数据是否发生修改。这个校验和不是用来保证数据安全的，而是用来防止数据在运输的过程中发生比特翻转的现象。比特翻转就是数据的比特位1变成0，0变成1。

UDP校验和使用了CRC（循环冗余校验）的方法，把每个字节都当作整数进行累加，不管溢出，直至最终，得到校验和。

数据在发出端计算一次校验和，再放入报文中，传给目的端，目的端再算一次校验和，看看两个是不是一样。如果是一样，只能确定可能没有发生比特翻转；而不一样，肯定是发生比特翻转了。

UDP在发现校验和不同时只会丢弃，不会重发，如果要重发要我们自己写代码实现。

2.TCP

1）特点：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。

TCP会保存对端的信息，这就是有连接。TCP有两个核心机制保证其是可靠传输。TCP在读写数据的时候是以字节为单位的，支持任意长度，因此存在粘包问题。TCP支持读也支持写。

2）报文格式：

TCP报文内容与TCP的核心机制有关，具体各个部分是什么在下面解释。这里只是补充下面没有提到的。

16位紧急指针（URG）在标志位处有，用来跳过前面的数据，直接从某一个开始读。

PSH（催促标志位）发送方给接收方的数据中带有这个标志，接收方会尽快的将这个数据read。

3.TCP十大核心机制

1）确认应答

在日常生活中，我们怎判断我们叫了某个人他有没有听见，他回应一声不就行了。

TCP也是这么想的，我们在发送数据后，需要对方给一个应答报文（acknowledge，简称ack）。我们收到了这个ack后，就知道了目的端已经收到数据了。这就是TCP是可靠传输的一大原因。

但是在数据传输时可能会出现先发后到的情况。我们在发送数据后，这个数据会经过多个路由器/交换机。每个数据走的路线不同，可能先发的数据走的“路”比较长，花的时间更长，导致“来的比较完”。

针对这种情况，TCP会对载荷中的每个字节进行编号，32位序号就是载荷部分第一个字节的序号，序号连续递增。

32位确认序号的目的就是告诉发送者，我已经收到了那些数据，下次发送从确认序号这个位置开始发。32位确认序号的值就是收到的数据载荷的最后一位+1。注意，这个32位确认序号只在应答报文中生效。

那怎么才能知道这个TCP是应答报文？这就是上面标志位（下图）管的了。

可以看到第二个表示位是ACK，也就是应答报文的意思，如果这一位是 1 ，说明这个报文就是应答报文。

说回来，有了序号之后，应用程序会通过socketAPI读到正确的顺序，不用担心先发后到的情况了。

2）超时重传

超时重传是针对丢包问题进行的处理。丢包问题是不可避免的客观情况。

TCP规定了一个超时时间阈值，这个阈值不是固定不变的，是动态变化的。如果超过这个阈值就是触发重传，同时延长这个时间阈值。但是这个重传和时间阈值是有上限的，超过这个上限后就是放弃传输。

一次信息传输可能有两种丢包情况：

情况一：源端口发送的数据丢失，这个时候直接重传就可以了。

情况二：目的端发送的ack丢失，源端口迟迟没有收到ack，会认为是自己发送的数据丢失，重发一次。这时目的端会收到相同的数据，TCP有一个接收缓存区，数据会先到缓存区，如果发现数据已经存在了就丢弃，如果没有就放入。

3）连接管理

连接分为建立连接和断开连接。

TCP建立连接是通过“三次握手”来实现的。

syn（synchronized，同步）表示的是同步报文，在上图表示为中有，如果syn是1的话，表示这个报文是同步报文。当然，一个报文可以既是同步报文也是应答报文。

建立连接的过程：1. A先给B发一个同步报文。2. B收到后会给A发一个同步报文同时发一个应答报文，这两个报文可以分开，但没必要，因为这两个都是内核负责的，可以保证同一时机。3. A收到同步报文和应答报文后会发给B一个应答报文。

三次握手的作用：1.探一探网络的通信链路是否通畅，这个网络可靠传输的前提条件。2.验证双发的发送能力和接收能力是不是正常。3.协商关键信息，比如通讯序号从几开始。

TCP断开连接是通过“四次挥手”来实现的。

FIN（finish，完成），表示发送方已经没有数据要发送了，请求断开连接，FIN位为1表示FIN报文。FIN不是由内核负责，而是与我们写的程序有关，代码中调用socket.close或进程结束时才会发送。

断开连接的过程：1.A给B发一个FIN，请求断开连接。2.B给A一个ACK，表示收到A的请求。3.等到B的逻辑执行完了，给A发送FIN，B请求断开连接。4.A给B发一个ACK，表示收到B的请求。

下图是整个连接的全过程

介绍一下上图中出现的部分状态的含义：

ESTABLISHED：连接完成，可以发送数据了。

CLOSE_WAIT：被发起FIN的一方进入该状态，表示等待程序调用close方法。

TIME_WAIT：主动发起FIN的一方进入该状态，表示等待对方结束。主动发起方不会一直等待对方发FIN，而是由一个等待上限，上限时间是2*MSL（网络上两个任意节点传输过程中消耗的最大时间）。

4）滑动窗口

前面说TCP采用一问一答的方法来进行数据传输，这个其实效率比较低。如果我们一下发好几个，不用等待应答，这样就可以提高效率。我们一下发出好几个后，返回一个应答，就再发送下一条。这个不就是滑动窗口嘛。

窗口越大，批量发的数据越多，效率就越高。但是窗口不能无限大，太大了会影响可靠性。

滑动窗口丢包的情况：

这个问题不大，超时后重传。

正如上图说的那样，1001-2000的数据丢了后，主机B没有收到这个数据，其会再应答报文的确认序号哪里一直返回1001。主机A连续3次收到相同的确认序号时会意识到1001-2000这部分数据丢失了，会重发1001-2000。已经发的2001-7000受不受影响呢？答案是不受影响，为什么？

前面说了，在读数据的时候会按顺序读数据，读到1001，发现没有，队列堵塞，后面的数据一直堵在哪里，等到1001-2000来了后才继续读。这个队列不是一个纯粹的队列，我们发的每个数据都是有序号的，可以根据这个序号来准确的算出数据应该放的位置，如果没有就空着这个位置。

这种重传的方式叫快速重传，即只传丢了的数据，不传其他数据。注意快速重传是在滑动窗口下出现的，不要弄错情况。

5）流量控制

前面说了窗口越大，效率越高，但窗口过大，就是影响可靠性。为了提高效率的同时保证传输可靠性，TCP对流量进行了控制。

TCP有一个接收缓冲区，里面有一些待处理的数据。进入缓冲区的速度取决于发送方发送的速度，出缓冲区的速度取决于应用程序读取的速度。TCP可以根据处理数据的速度，反馈给发送方，限制它的发送速度。

怎么做到的？滑动窗口的大小会动态变化。在TCP的报文中有一栏就是滑动窗口的大小。

这个窗口的大小等于接收缓冲区剩余空间的大小。剩的多了，就多放进来一点；剩的少了，就少放一点呗。

一旦发现返回的窗口的大小是0，发送方就会暂停发送，过一段时间发送一个窗口探测包，“问问”接收方的接收缓存区有没有空间，有空间了，继续传输数据。

6）拥塞控制

上面说的流量控制是依据接收的处理能力进行限制。而拥塞控制是依据传输链路的转发能力进行限制的。它通过不断试验的方法区找到一个合适的窗口大小，大了就减，小了就加，说白了就是“面多加水，水多加面”。

拥塞机制的工作过程：

先慢启动，再指数增长，再线性增长。发现丢包了，窗口减小，回到新的阈值处。

7）延时应答

默认情况，发送方发送数据后会立即返回ack，但是如果我们延时发送ack，效率会提高。

如果延时发送，接收缓冲区的数据会被处理更多，这个时候返回ack，会返回更大的滑动窗口大小。我们知道窗口越大，效率越高，这样延时发送就会提高效率。

所有包都可以延时应答吗？不是。有数量限制，每隔N个包就要应答一次。也有时间限制，超过最大延迟时间就应答一次。

8）捎带应答

基于延时应答，TCP可以将上次的ack捎并带回，这样将两个包放在一起传输，提高了效率。

9）面向字节流

前面在介绍TCP的特点的时候就提到了一点，因为TCP是面向字节流传输的，支持任意长度，因此就有粘包问题。

什么是粘包问题？粘包问题粘的是应用层数据包，各个包之间由于没有长度限制，而且是面向字节流，不是数据报，因此有时候会分不清字节要读到哪里停止，会出现多读或漏读的情况。粘包问题在TCP层面是无解的，我们要在应用层方面区解决这个问题。定义好应用层的协议，明确包之间的边界。

10）异常情况的处理

TCP通讯过程中会出现的特殊情况。

情况一：进程崩溃/主机关机

本质上与主动退出没有区别

情况二：主机断电/网线断开

分为接收方断电和发送方断电。

接收方断电：发送方发送的数据没有ack返回，超时重传后还没有返回。重传到一定次数会触发“重置TCP连接”，发送方会主动发一个复位报文（RST），如果还没有用，发送方就会单方面释放连接。

发送方断电：发送方断电后，接收方此时判断不出来发送方是断电了还是暂时没有数据发送。等待一段时间后接收方会发送一个特殊报文—“心跳包”，这个报文不携带数据，只是为了触发ack，跟上面的窗口探测一样。如果不跳了，就发一个复位报文，如果还不好使，就单方面释放连接。

三.网络层协议

1.IP协议基础

概念：用于唯一标识网络中的每台计算机。我们可以在cmd中查看ip地址:ipconfig。

IP地址的表示形式：点分十进制 xx.xx.xx.xx，每个十进制数的范围是0—255。

IP地址的组成：网络地址+主机地址。

同一个局域网当中网络地址必须相同，主机地址必须不同。相邻的局域网中网络地址必须不同，主机地址随意。

Ipv4是由4个字节（32位）表示，而I，Pv6是由16个字节（128位）表示。

IP协议的作用主要是下面两个：

1）地址管理，用来标识网络上的某个设备的位置。

2）路由选择，在两个通信的节点之间，规划出一个合理的路径。

这是以前使用的IPv4地址分类，现在不用了：

各类表示范围：

那现在的IPv4怎么分网络号和主机号呢？

打开ipconfig：

看到下面的子网掩码，255的表示网络地址位，0表示主机地址位。

特殊的IP地址：

1）将IP地址中的主机地址全部设成0就成了网络号，代表这个局域网

2）将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包

3）127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1

2.IP协议报文

1）4位版本：IPv4或IPv6

2）4位首部长度：因为报头有选项这一栏，所以报头长度也是变长的

3）8位服务类型：决定了IP地址的工作方式，3位优先权字段（已弃用）+ 4位TOS字段 + 1位保留字段（必须设置为0）。4位TOS字段分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。注意这四个TOS字段是不共存的，只能是其中一个，要根据实际情况选择。

4）16位总长度（字节数）：报头+载荷的长度

5）16位标识、3位标志，13位片偏移：

IP协议内置了拆包组包的功能，拆完了包我们要给包一个标识，要不然怎么组包，怎么知道谁跟谁是一组的。16位标识位就是给包一个标识，拆出来的包都是一个标识，组包的时候就将相同标识的包组在一起。3位标志用来标志有没有触发拆包操作，并且记录这个包是不是最后一个包。13位片偏移描述了先后顺序，偏移小的放在前面，偏移大的放在后面

6）8位生存空间（TTL）：一个IP数据报能在网络上传输的最大时间，单位是次数，IP数据报每经过一个路由器就TTL就减小一次

7）8位协议：标识传输层使用什么协议

3.NAT机制

NAT机制，即网络地址转换，是当今网络时间解决IPv4不够用的最重要的方式。

其将说有IP分成两类：一是公网/外网，另一是私网/内网。公网IP是唯一的，但是私网IP在不同的局域网中是可以重复的。

如上面的例子，运营商路由器具有NAT功能，能将我的设备的IP地址进行转换：192.168.100.1->100.1.1.1。

可能会有多个设备对运营商的服务器发送请求，但是到了运营商的路由器都会被转换成同一个IP

服务器收到请求后会返回给运营商路由器。但是运营商怎么知道这个哪一个设备发送的请求呢？

运营商在地址转换时会将两个地址存入一个记录映射关系的表格，记录替换前的地址和替换后的地址，同时也会记录端口。NAT设备进行转换的时候可以修改端口号，这一就避免了端口相同找不到源地址的情况。

4.路由选择

这里介绍路由选择的简单模型：探索式。

网络环境是非常复杂的，路由器没有办法将所有的网络信息都存储，只存储周围的网络情况。当数据包到了某个路由器，就会匹配这个路由器的路由表。路由表中记录了这个路由器周围的设备的IP地址是什么，以及记录每个设备要通过哪个口转发过去。

如果目的IP地址刚好匹配到了路由表中的记录，就直接转发到对应的口。

如果没有匹配到，路由表会有一个特殊的表项——下一跳，指向的设备就是上一级路由器所在的位置。

四.数据链路层

1.以太网

以太网帧格：

1）目的地址和源地址这里存储的地址不是IP地址，而是mac地址（物理地址）。

想看这个地址要在cmd中输入：ipconfig /all

2）类型是用来确定载荷的数据格式的

3）CRC：帧尾，校验和

4）ARP：根据IP地址，得到对应的mac地址。具体做法：通过广播地址，发送ARP数据报，询问周围的网络设备的IP地址和mac地址，路由器会构建出一个映射表来存储这些IP地址和ARP地址

五.应用层

1.DNS

可以认为是应用层的一个协议也可以认为是一个系统。这个系统就是域名解析系统（域名是什么在后面的网络基础知识中有）。

最初DNS通过一个hosts文件，这个文件中存储域名和IP地址的映射关系。我们在访问某个网站的时候，会先查询DNS服务器，把域名对应的IP拿到，再访问服务器。

现在全世界的服务器这么多，我们都访问DNS服务器，服务器会承受海量的并发量，容易挂。

这里有两个方法去解决：

1）缓存，我们再DNS服务器找到IP地址后会存储再缓存中，下次访问这个域名就不用去DNS服务器查找了

2）DNS服务器有很多，存储原始数据的是根服务器，各个网络运营商可以搭建镜像服务区。

2.InetAddress类

常用方法：

方法	说明
getLocalHost	获取本机InetAddress对象
getByName	根据主机名/域名获取InetAddress对象
getHostName	获取InetAddress对象的主机名
getHostAddress	获取InetAddress对象的地址

代码示例：

//1.获取本机的InetAddress对象
InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();
//输出设备名称和IP
System.out.println(localHost);

//2.根据主机名 获取InetAddress对象
InetAddress host1 = InetAddress.getByName("LAPTOP-RPIOC01F");
System.out.println(host1);

//3.根据域名 获取InetAddress对象
InetAddress host2 = InetAddress.getByName("www.bilibili.com");
System.out.println(host2);

//4.通过 InetAddress 对象，获取对应的地址
String hostAddress = host2.getHostAddress();
System.out.println(hostAddress);

//5.根据 InetAddress 对象，获取对应主机名/域名
String hostName = host2.getHostName();
System.out.println(hostName);

3.TCP网络通信

1）Socket

Socket开发网络应用程序被广泛采用，以至于成为事实上的标准。通信的两端都要有Socket，是两台机器间通信的端点。网络通信其实就是Socket间的通信。

Socket允许程序把网络连接当成一个流，数据在两个Socket间通过IO传输。

一般主动发起通信的应用程序属客户端，等待通信请求的为服务端。

怎么理解这个Socket呢？可以从它的英文原意入手，socket->插座、插口。它就是一个插口，中间连接一个数据通道。

2）使用字节流

代码示例：

//客户端

//1.连接服务器（ip，端口）,如果连接成功返回Socket对象
Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 9999);
System.out.println("客户端返回："+socket.getClass());
//2.连接上后，生成Socket对象，通过socket.getOutputStream()得到和socket对象关联的输出流对象
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
//3.通过输出流，写入数据到数据通道
outputStream.write("hello".getBytes());
//4.设置结束标记
socket.shutdownOutput();
//5.关闭流对象
outputStream.close();
socket.close();
System.out.println("客户端退出");

//服务端

//1. 在本机的9999端口监听，等待连接
//要求在本机没有其他服务在监听9999
//这个 ServerSocket 通过accept() 返回多个Socket
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
System.out.println("服务端在9999端口监听，等待中。。。");
//2.当没有客户端连接9999端口时，程序会阻塞，等待连接
// 如果有客户端连接，则会返回Socket对象，程序继续
Socket socket = serverSocket.accept();
//3.通过 读取客户端写入到数据通道的数据
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
//4.IO读取
byte[] bf=new byte[1024];
int readLen=0;
while((readLen=inputStream.read(bf))!=-1){
    System.out.println(new String(bf,0,readLen));
}
//5.关闭流
inputStream.close();
socket.close();
serverSocket.close();

3）使用字符流传输文件

代码示例：

//客户端

//1.连接服务端,得到Socket对象
Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8888);
//2.创建读取磁盘文件的输入流
String path="C:\\JavaNet\\Java.png";
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(path));
//将文件内容读入数组中
byte[] bytes=StreamUtils.streamToByteArray(bis);
//3.传输到服务端
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
bos.write(bytes);
bis.close();
socket.shutdownOutput();    //设置写入数据结束

//4.接收消息
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
byte[] b=new byte[1024];
int readLen=0;
while ((readLen=inputStream.read(b))!=-1){
    System.out.println(new String(b,0,readLen));
}
//5.关闭流
inputStream.close();
bos.close();
socket.close();

//服务端

//获得端口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务端在8888端口等待...");
//等待连接
Socket socket = serverSocket.accept();
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(socket.getInputStream());
//拿到文件
byte[] bytes=StreamUtils.streamToByteArray(bis);
String path="C:\\JavaNet\\pic.png";
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(path));
bos.write(bytes);
bos.close();

//发送信息
BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
writer.write("已收到图片");
writer.flush();         //刷新内容到数据通道
socket.shutdownOutput();
System.out.println("已收到图片");

//关闭资源
writer.close();
bis.close();
socket.close();
serverSocket.close();

4）补充

使用缓冲流一定注意要刷新数据到数据管道，否则就白写了。

在写入完后一定要记得设置写入数据结束。

4.UDP网络通信编程

1）基本流程

核心的两个类/对象 DatagramSocket 与 DatagramPacket；建立发送端，接收端；发送数据前，建立数据包DatagramPacket对象；调用DatagramSocket的发送接收方法；最后关闭DatagramSocket。

2）应用

代码示例：

//发送端

//1.创建DatagramSocket对象，准备在9998接收数据
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9998);
//2.将需要发送的数据，封装到对象
byte[] data="秘制小汉堡".getBytes();
//说明：封装 DatagramPacket 对象，data ，长度，主机IP，端口
DatagramPacket packet =
        new DatagramPacket(data, data.length, InetAddress.getByName("10.40.91.181"),9999);
socket.send(packet);
socket.close();
System.out.println("B结束了");

//接收端

//1.创建一个DatagramSocket对象，准备在9999接收数据
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9999);
//2.构建一个 DatagramPacket对象，准备接收数据
byte[] buf=new byte[1024];
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);
//3.准备接收数据,将通过网络传输的DatagramPacket对象填充到packet对象
//有数据就会接收，没数据就会阻塞
System.out.println("正在等待连接");
socket.receive(packet);
//4.可以把packet 进行拆包，取出数据，并显示
int length=packet.getLength();  //实际接收的数据字节长度
byte[] data=packet.getData();
String regStr = new String(data, 0, length);
System.out.println(regStr);
//关闭资源
socket.close();
System.out.println("A结束");