网络中常用协议

news2025/4/1 6:04:04

一, TCP协议

        TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网核心协议之一，位于传输层，为应用层提供可靠的、面向连接的数据传输服务。

1. TCP的核心特点

特性说明
面向连接通信前需通过三次握手建立连接，结束后通过四次挥手释放连接。
可靠传输通过确认应答（ACK）、超时重传、序列号机制保证数据不丢失、不重复、按序到达。
流量控制通过滑动窗口机制动态调整发送速率，避免接收方缓冲区溢出。
拥塞控制根据网络状况（如丢包）动态调整发送窗口（慢启动、拥塞避免、快重传等算法）。
全双工通信同一连接中双方可同时发送和接收数据。
字节流服务数据被看作无结构的字节流，应用层需自行定义消息边界（如HTTP的\r\n）。

2. TCP报文结构

TCP头部通常为20字节（可选项扩展至60字节），关键字段如下：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         源端口（16位）        |       目的端口（16位）         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       序列号（32位）                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     确认号（32位）                           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 数据偏移 | 保留 | 控制标志（URG/ACK/PSH/RST/SYN/FIN）|  窗口大小  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|        校验和（16位）        |        紧急指针（16位）         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         可选项（可选）                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

  • 关键字段说明：

    • 源/目的端口：标识应用层服务（如HTTP=80，SSH=22）。

    • 序列号（SEQ）：数据字节流的编号，解决乱序问题。

    • 确认号（ACK）：期望收到的下一个字节序号（表示之前数据已确认接收）。

    • 控制标志：

      • SYN：发起连接。

      • ACK：确认应答。

      • FIN：关闭连接。

      • RST：强制重置连接。

    • 窗口大小：接收方可用的缓冲区空间（流量控制）。

3. TCP连接管理

(1) 三次握手（建立连接）

plaintext

客户端（Client）                            服务端（Server）
    |                                            |
    |------------------ SYN=1, SEQ=x ------------>|
    |                                            |
    |<--------- SYN=1, ACK=1, SEQ=y, ACK=x+1 ----|
    |                                            |
    |------------------ ACK=1, SEQ=x+1, ACK=y+1 ->|
    |                                            |

  • 步骤解析：

    1. 第一次握手（SYN）

      • 客户端发送 SYN=1（请求建立连接）和随机初始序列号 seq=x。

      • 作用：客户端告诉服务端“我想建立连接，我的初始序列号是 x”。

    2. 第二次握手（SYN+ACK）

      • 服务端收到 SYN 后，回复 SYN=1（同意建立连接）和 ACK=1（确认收到客户端的 x），并发送自己的初始序列号 seq=y。

      • 作用：服务端告诉客户端“我收到你的请求了，同意建立连接，我的初始序列号是 y”。

    3. 第三次握手（ACK）

      • 客户端收到 SYN+ACK 后，回复 ACK=1（确认收到服务端的 y），并发送 ack=y+1。

      • 作用：客户端告诉服务端“我收到你的确认了，可以开始通信了”。

  • 为什么是三次？

  • 防止历史重复连接请求（旧SYN包）干扰
    如果只有两次握手，服务端收到 SYN 就直接建立连接，但网络可能有延迟的旧SYN包，导致服务端误认为客户端又发起了新连接，浪费资源。
    第三次握手让客户端确认服务端的响应，确保连接是当前有效的。

  • 同步双方的初始序列号（seq）
    双方需要交换初始 seq，用于后续数据排序和去重。三次握手确保双方都确认了对方的 seq。

(2) 四次挥手（释放连接）

TCP 是全双工通信（双方可同时收发数据），关闭连接时需要分别关闭两个方向的数据流。

客户端（Client）                            服务端（Server）
    |                                            |
    |------------------ FIN=1, SEQ=u ------------>|
    |                                            |
    |<------------- ACK=1, ACK=u+1 --------------|
    |                                            |
    |<------------- FIN=1, SEQ=v, ACK=u+1 -------|
    |                                            |
    |------------------ ACK=1, ACK=v+1 ---------->|
    |                                            |

为什么是四次挥手？

  • 第一次挥手（FIN）

    • 客户端发送 FIN=1（请求关闭连接）和 seq=u（当前数据流的最后一个字节序号）。

    • 作用：客户端告诉服务端“我这边数据发完了，准备关闭”。

  • 第二次挥手（ACK）

    • 服务端收到 FIN 后，回复 ACK=1（确认收到 FIN），并发送 ack=u+1。

    • 作用：服务端告诉客户端“我收到你的关闭请求了，但我可能还有数据要发”。

  • TCP是全双工的，需要分别关闭两个方向

    • 客户端可以主动关闭发送方向（第一次挥手），但服务端可能仍有数据要发送（第二次挥手只是确认）。

    • 服务端处理完数据后，再关闭自己的发送方向（第三次挥手）。

    • 客户端最后确认（第四次挥手）。

  • 如果合并第二次和第三次挥手？
    如果服务端没有剩余数据要发送，可以合并 ACK 和 FIN（变成三次挥手），但一般情况下，TCP 实现会分开处理，确保数据完整传输。

    • 第三次挥手（FIN）

      • 服务端处理完剩余数据后，发送 FIN=1（请求关闭连接）和 seq=v。

      • 作用：服务端告诉客户端“我这边也发完了，可以关闭了”。

    • 第四次挥手（ACK）

      • 客户端收到 FIN 后，回复 ACK=1（确认收到 FIN），并发送 ack=v+1。

      • 作用：客户端告诉服务端“我收到你的关闭请求了，可以彻底关闭了”。

二, TCP-IP协议通信模型

1. 概述

        TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol)协议，我们也叫做网络通讯协议。包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet 的核心协议。

1. TCP/IP四层模型

层级功能核心协议典型设备
应用层提供用户接口，处理应用程序逻辑（如HTTP网页、FTP文件传输）。HTTP、FTP、DNS、SMTP、SSH应用服务器、PC
传输层提供端到端的数据传输服务（可靠TCP或高效UDP）。TCP、UDP防火墙、负载均衡器
网络层负责寻址、路由选择，实现跨网络通信（如IP寻址、路由器跳转）。IP、ICMP、ARP、BGP路由器、三层交换机
网络接口层管理物理介质访问（如以太网、Wi-Fi），负责数据帧的封装和传输。Ethernet、Wi-Fi、PPP、HDLC交换机、网卡、光纤

注：

  • TCP/IP模型将OSI的应用层、表示层、会话层合并为应用层。

  • 网络接口层对应OSI的数据链路层+物理层。

2. 各层核心功能与协议

(1) 应用层（Application Layer）

  • 功能：直接面向用户，提供网络服务（如浏览器访问网页、邮件发送）。

  • 关键协议：

    • HTTP/HTTPS：网页传输（80/443端口）。

    • FTP：文件传输（21控制端口+20数据端口）。

    • DNS：域名解析（53端口）。

    • SMTP/POP3：邮件发送与接收（25/110端口）。

    • SSH：加密远程登录（22端口）。

(2) 传输层（Transport Layer）

  • 功能：确保数据可靠或高效地传输到目标应用（通过端口号区分服务）。

  • 关键协议：

    • TCP（Transmission Control Protocol）：

      • 面向连接，可靠传输（确认、重传、排序）。

      • 适用场景：网页（HTTP）、文件传输（FTP）、邮件（SMTP）。

    • UDP（User Datagram Protocol）：

      • 无连接，高效但不可靠（无确认、可能丢包）。

      • 适用场景：视频流（RTP）、DNS查询、在线游戏。

(3) 网络层（Internet Layer）

  • 功能：通过IP地址实现跨网络通信，选择最优路径（路由）。

  • 关键协议：

    • IP（Internet Protocol）：

      • 无连接、不可靠，仅负责寻址和分组转发（IPv4/IPv6）。

    • ICMP（Internet Control Message Protocol）：

      • 传递网络状态信息（如ping命令使用ICMP Echo Request/Reply）。

    • ARP（Address Resolution Protocol）：

      • 将IP地址解析为MAC地址（如局域网内通信）。

    • BGP/OSPF：

      • 路由协议，决定数据包如何跨网络传输。

(4) 网络接口层（Network Interface Layer）

  • 功能：管理物理网络介质（电缆、光纤、无线电波），封装数据帧。

  • 关键协议与技术：

    • Ethernet（以太网）：

      • 使用MAC地址标识设备（如00:1A:2B:3C:4D:5E）。

    • Wi-Fi（IEEE 802.11）：

      • 无线局域网通信（2.4GHz/5GHz频段）。

    • PPP（Point-to-Point Protocol）：

      • 拨号上网或点对点直连（如家庭宽带PPPoE）。

3. 数据封装与解封装流程

发送方（封装）

  1. 应用层：生成原始数据（如HTTP请求）。

  2. 传输层：添加TCP/UDP头部（包含源/目的端口号）。

  3. 网络层：添加IP头部（源/目的IP地址）。

  4. 网络接口层：添加帧头（MAC地址）和帧尾（FCS校验），转换为比特流通过物理介质传输。

接收方（解封装）

  1. 网络接口层：校验帧完整性，剥离MAC头部。

  2. 网络层：检查IP地址，决定是否接收或转发。

  3. 传输层：根据端口号交给对应应用程序（如80→HTTP服务）。

  4. 应用层：处理数据（如渲染网页）。

三, UDP协议

        UDP(User Datagram Protocol) : 用户数据报协议，是不可靠的无连接的协议。在数据发送前，因为不需要进行连接，所以可用于进行高效率的传输。

1. UDP的核心特点

特性说明
无连接通信前无需握手，直接发送数据，节省延迟。
不可靠传输不保证数据到达、不排序、不重传，可能丢包或重复。
头部开销小固定8字节头部（TCP至少20字节），传输效率高。
支持广播/多播可向多个目标发送数据（如视频流、在线会议）。
无拥塞控制发送速率由应用层控制，适合实时应用（如游戏、直播）。

2. UDP报文结构

UDP头部仅8字节，结构如下：

 0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|   源端口（16位）  | 目的端口（16位）  |
+--------+--------+--------+--------+
|   数据报长度（16位） |   校验和（16位）  |
+--------+--------+--------+--------+
|             数据（可变长度）        |
+-----------------------------------+

  • 关键字段：

    • 源端口/目的端口：标识发送方和接收方的应用（如DNS=53，QUIC=443）。

    • 数据报长度：包括头部和数据的总长度（最大65535字节）。

    • 校验和（可选）：检测数据是否损坏（IPv6强制要求）。

注：UDP的“不可靠”指协议本身不提供重传和排序，但应用层可自行实现可靠性（如QUIC协议）。

3. UDP工作流程

(1) 发送数据

  1. 应用层将数据交给UDP。

  2. UDP添加头部（源/目的端口、长度、校验和）。

  3. 直接发送给网络层（IP），不建立连接，无需等待确认。

(2) 接收数据

  1. 网络层（IP）将数据包传递给UDP。

  2. UDP检查目的端口，将数据交给对应应用。

  3. 无确认机制：接收方不发送ACK，发送方不知数据是否到达。

4. UDP的典型应用场景

(1) 实时多媒体传输

  • 视频/音频流：如Zoom、WebRTC（容忍少量丢包，延迟敏感）。

  • 在线游戏：如MOBA、FPS（低延迟优先于数据完整）。

(2) 简单查询/响应协议

  • DNS查询：域名解析（请求-响应模式，一次交互完成）。

  • DHCP：动态分配IP地址（基于UDP广播）。

(3) 广播/多播通信

  • 网络时间协议（NTP）：同步时钟。

  • IoT设备发现：如SSDP（Simple Service Discovery Protocol）。

(4) 自定义可靠协议

  • QUIC（HTTP/3底层协议）：在UDP上实现可靠传输，减少TCP握手延迟。

  • TFTP（简单文件传输）：基于UDP的轻量级文件传输。

5. UDP的优缺点

优点

  • 低延迟：无需握手和确认，适合实时应用。

  • 低开销：头部小，适合高频小数据包（如传感器数据）。

  • 灵活性：应用层可自定义可靠性或拥塞控制（如QUIC）。

缺点

  • 不可靠：需应用层处理丢包、乱序（如视频会议用前向纠错FEC）。

  • 无流量控制：可能淹没接收方（需应用层限速）。

  • 易受攻击：UDP洪水攻击（DDoS常见手段）

四,TCP协议和UDP协议的区别

        TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是传输层的两大核心协议，它们在设计目标、特性和适用场景上存在显著差异。以下是两者的详细对比：

1. 核心特性对比

对比项TCPUDP
连接方式面向连接（需三次握手建立连接）无连接（直接发送数据）
可靠性可靠传输（确认、重传、排序）不可靠（可能丢包、乱序、重复）
数据顺序保证数据按序到达不保证顺序
流量控制通过滑动窗口动态调整发送速率无流量控制
拥塞控制拥塞避免、慢启动、快重传等算法无拥塞控制，发送速率由应用层决定
头部开销至少20字节（含选项可达60字节）固定8字节
传输效率低（延迟高、协议开销大）高（延迟低、开销小）
通信模式仅支持单播（一对一）支持单播、广播、多播（一对多）
适用场景网页（HTTP）、文件传输（FTP）、邮件（SMTP）视频流、在线游戏、DNS、IoT传感器数据

2. 关键机制差异

(1) 连接管理

  • TCP：

    • 通信前需通过三次握手建立连接（SYN、SYN-ACK、ACK）。

    • 通信结束需通过四次挥手释放连接（FIN、ACK、FIN、ACK）。

    • 确保双方收发能力正常，避免资源浪费。

  • UDP：

    • 直接发送数据，无需握手或连接维护。

    • 适合高频、短时交互（如DNS查询）。

(2) 可靠性保障

  • TCP：

    • 确认应答（ACK）：接收方每收到数据包会发送确认。

    • 超时重传：未收到ACK时重发数据。

    • 序列号（SEQ）：标识数据顺序，解决乱序问题。

  • UDP：

    • 无ACK、无重传、无序列号，完全依赖应用层处理可靠性。

(3) 流量与拥塞控制

  • TCP：

    • 滑动窗口：根据接收方缓冲区大小动态调整发送窗口。

    • 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免等算法避免网络过载。

  • UDP：

    • 无内置控制机制，可能因发送过快导致网络拥塞或接收方丢包。

3. 典型应用场景

TCP适用场景

  • 需要可靠传输：

    • 网页浏览（HTTP/HTTPS）。

    • 文件传输（FTP、SFTP）。

    • 电子邮件（SMTP、IMAP）。

    • 数据库访问（MySQL、PostgreSQL）。

  • 长连接交互：

    • SSH远程登录。

    • 金融交易（如银行系统）。

UDP适用场景

  • 实时性优先：

    • 视频会议（Zoom、WebRTC）。

    • 在线游戏（王者荣耀、绝地求生）。

    • 语音通话（VoIP）。

  • 简单查询/响应：

    • DNS域名解析。

    • DHCP动态IP分配。

4. 如何选择TCP或UDP？

  • 选择TCP：

    • 数据必须完整到达（如文件下载）。

    • 需要自动处理乱序和重传（如网页加载）。

    • 通信双方需长期稳定连接（如数据库查询）。

  • 选择UDP：

    • 低延迟比可靠性更重要（如实时游戏）。

    • 数据量小且交互简单（如DNS查询）。

    • 应用层已实现可靠性（如QUIC协议）。

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