文章目录

1. TCP / IP五层模型和OSI七层模型
- 1）OSI七层模型
- 2）TCP/IP 五层模型
2. TCP和UDP
- 1） TCP首部结构
- 2）UDP首部结构
- 3）TCP和UDP的区别
- 2.2 UDP和TCP对应的应用场景
3. TCP 建立连接时的三次握手
- 1）为什么需要三次握手，而不是两次
- 2）为什么是三次握手，而不是四次握手
- 3）如果第三次握手的 ACK 报文丢失，会发生什么
4. TCP 建立连接时的四次挥手
- 1）为什么需要四次挥手
- 2）为什么主动断开方的 TIME_WAIT 状态必须等待 2MSL
5. TCP 如何保证可靠性
- 1）检验和
- 2）序列号/确认应答：
- 3）滑动窗口：
- 4）拥塞控制：
- 5）流量控制：
6. 滑动窗口
7. 拥塞控制
- 1）慢开始
- 2）拥塞避免
- 4）快重传
- 5）快恢复

1. TCP / IP五层模型和OSI七层模型

1）OSI七层模型

OSI七层网络模型是一个逻辑上的定义和规范：把网络从逻辑上分为7层

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应用层： 为应用程序提供交互服务

表示层： 将数据格式转换成网络标准数据格式

会话层： 管理通信，负责建立和断开通信连接

传输层： 向主机进程提供通用的数据传输服务

网络层： 选择适合的路由和交换节点，确保数据的传送

数据链路层： 将网络层传下来的IP数据包组装成数据帧，在相邻节点之间传送

物理层： 实现相邻节点之间比特流的透明传输

2）TCP/IP 五层模型

在 TCP/IP 五层模型中，每层都呼叫它的下一层所提供的服务来完成自己的需求

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应用层： 为应用程序提供交互服务，如电子邮件传输（SMTP）、文件传输（FTP）

传输层： 向主机进程提供通用的数据传输服务，该层主要有以下两种协议：

TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务
UDP：提供面向无连接的、尽最大努力的数据传输服务，但不保证数据传输的可靠性

网络层： 选择适合的路由和交换节点，确保数据及时传送。主要包括IP协议

数据链路层： 将网络层传下来的IP数据包组装成数据帧，在相邻节点的链路上传送

物理层： 负责光/电信号的传播，在相邻节点之间比特流的透明传输

2. TCP和UDP

1） TCP首部结构

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2）UDP首部结构

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3）TCP和UDP的区别

	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠，不使用拥塞控制和流量控制	可靠传输，使用拥塞控制和流量控制
是否有序	无序	有序，消息在传输过程中可能会乱序，TCP会重新排序
传输速度	快	慢
连接对象个数	支持一对一、一对多、多对多通信	只能是一对一通信
传输方式	面向报文	面向字节流
首部开销	8字节	最小20字节，最大60字节

2.2 UDP和TCP对应的应用场景

TCP应用场景： TCP面向连接，能够保证数据的可靠性传输，因此常用于：

FTP 文件传输
HTTP服务器

UDP应用场景： UDP面向无连接，他可以随时发送数据，传输速度快，因此常用于：

视频、音频等多媒体通信
广播通信

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3. TCP 建立连接时的三次握手

简单流程如下：

第一次握手：客户端向服务端发送 同步报文（SYN），同时选择一个 随机数 x 作为初始序号，随后进入 同步已发送状态（SYN_SENT），等待服务端确认
第二次握手：服务端在收到客户端发来的同步报文之后，服务端向客户端发送 同步确认报文（SYN + ACK），同时选择一个 随机数 y 作为初始序号，确认序号为 x + 1，随后服务端由 收听状态（LISTEN）变为 同步已收到状态（SYN_RECV）
第三次握手：客户端在接收到服务端发来的同步确认报文之后，客户端向服务端发送 同步确认报文（SYN + ACk），序号为 x + 1，确认序号为 y + 1，随后客户端进入 连接已建立状态（ESTABLISHED），服务端在接收到这个同步确认报文之后，也立即进入 连接已建立状态（ESTABLISHED）

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1）为什么需要三次握手，而不是两次

三次握手才能让双方都确认自己和双方的接受能力都正常

第一次握手：客户端发送同步报文，服务器接收同步报文，服务器可以确定自己的接收能力正常和对方的发送能力正常

第二次握手：服务端发送同步确认报文，客户端接收同步确认报文，客户端可以确认自己的接收能力正常和发送能力正常，以及对方的接收能力正常和发送能力正常

第三次握手：客户端发送同步确认报文，服务端接收同步确认报文，服务端可以确认自己的发送能力正常，以及对方的接收能力正常
告知对方自己的初始序列号，并且确认收到对方的初始序列号

TCP 实现可靠传输的原因之一就是维护序列号和确认序列号，实现确认应答机制，通过这两个字段可以让双方知道哪些数据已经发出，哪些数据被对方确认对方接收，如果只是两次握手，那么双方只能知道对方的序列号，而不知道确认序列号

2）为什么是三次握手，而不是四次握手

因为三次握手之后就已经可以确认双方的发送和接受能力正常，而且双方也都知道对方的序列号和确认序列号，就不需要第四次了

3）如果第三次握手的 ACK 报文丢失，会发生什么

第三次握手的 ACK 报文丢失，服务端会根据超时重传机制，重新向客户端发送 SYN + ACK 报文，以便客户端重新发送 ACK 报文

如果重发指定次数之后，服务端还未收到客户端的 ACK 报文，那么一段时间之后，服务端就会自动断开这个连接

4. TCP 建立连接时的四次挥手

大致流程如下：

第一次挥手：主动断开方向被动断开方发送 释放报文（FIN），同时 随机选取一个数作为序号，随后主动连接方变为 结束等待1状态（FIN_WAIT_1）
第二次挥手：被动断开方向主动断开方发送 确认报文（ACK），同时随机选取一个数作为序号，并且将主动断开方发来的序号 +1 作为确认序号，随后被动连接方变为 关闭等待状态（CLOSE_WAIT），主动断开方在收到确认报文之后变为 结束等待2状态（FIN_WAIT_2）
第三次挥手：被动断开方向主动断开方发送 释放报文（FIN），同时将上一次发送数据的序号 +1作为本次序号，随后被动断开方变为 最后确认状态（LAST_ACK）
第四次挥手：主动断开方向被动断开方发送 确认报文（ACK），同时将上次发送数据的序号 +1作为本次序号，并且将被动断开方发送来的序号 +1 作为确认序号，随后主动断开方变为 等待时间状态（TIME_WAIT），被动断开方在收到确认报文之后变为 连接关闭状态（CLOSE）。主动连接方在经过 2MSL 时间 之后变为 连接关闭状态（CLOSE）

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1）为什么需要四次挥手

被动断开方在收到主动断开方的 FIN 报文之后，可能还会有一些数据需要发送，所以不会立即断开连接，但是会做出应答，返回给主动断开方 ACK 报文

在数据发送完之后，被动断开方会向主动断开方发送 FIN 报文，请求断开连接，主动断开方收到之后返回一个 ACK 报文，连接才会断开。被动断开方的 FIN 报文和 ACK 报文一般分开发送，从而导致多了一次，所以需要四次挥手

2）为什么主动断开方的 TIME_WAIT 状态必须等待 2MSL

主要原因有：

为了确保被动关闭方能够收到最后一次 ACK 报文，正常关闭连接

第四次挥手时，主动关闭方发送的 ACK 报文不一定会到达被关闭方，如果被动关闭方长时间未收到，就会重传 FIN 报文，并等到新的 ACK 报文，所以主动关闭方在 TIME_WAIT 等待 2MSL时间后，就可以保证双方的连接正常关闭
防止上一次 TCP 连接的数据包影响到下一次连接

如果主动断开方不等待 2MSL 时间直接关闭连接，然后又与另一个主机建立连接，并且上一次的被动关闭方未收到 ACK 报文，重传 FIN 报文，那么新的 TCP 连接就会收到一些不希望收到的数据。因此，需要等到 2MSL 时间，确保网络中的报文全部消失再关闭连接

5. TCP 如何保证可靠性

TCP提供了检验和、序列号/确认应答、超时重传、滑动窗口、拥塞控制和流量控制等方法实现可靠性传输

1）检验和

通过检验和的方式，接收端可以检测出来数据是否出现差错，假如出现差错就会丢弃TCP段，重新发送

2）序列号/确认应答：

TCP传输过程中，接收方每次收到数据后，都会给发送方进行确认应答，即发送ACK报文，这个ACK报文中包括对应的确认序列号、本次接收到哪些信息、下一次数据从哪里发送

序列号不仅仅是应答的作用，有了序列号就能够将接收到的数据根据序列号排序，并且去除相同序列号的数据

3）滑动窗口：

滑动窗口提高了报文传输的效率，避免发送方一次性发送数据过多导致接收方无法正常处理

4）拥塞控制：

数据传输过程中，可能由于网络状态的问题，造成网络拥堵，加入拥塞控制就可以在保证可靠性的同时，提高性能

5）流量控制：

如果主机A一直向主机B发送数据，不考虑主机B的接受能力，则可能导致主机B的接收缓冲区满了而无法接收数据，从而导致丢失大量数据，引发重传机制。而在重传过程中，如果主机B的缓冲区仍未好转，将会浪费大量时间进行重传，降低传输效率。所以引入流量控制机制，主机B通过告诉主机A自己缓冲区的大小，来控制发送的数据量。