网络基础知识（3）—

首先给大家说明的是，TCP/IP 协议它其实是一个协议族，包含了众多的协议，譬如应用层协议 HTTP、 FTP、MQTT…以及传输层协议 TCP、UDP 等这些都属于 TCP/IP 协议。

所以，我们一般说 TCP/IP 协议，它不是指某一个具体的网络协议，而是一个协议族。网络通信当中涉及到的网络协议实在太多了，对于应用开发来说，可能使用更多的是应用层协议，譬如 HTTP、FTP、SMTP 等。

HTTP 协议

HTTP 超文本传输协议（英文：HyperText Transfer Protocol，缩写：HTTP）是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。HTTP 是万维网数据通信的基础。HTTP 的应用最为广泛，譬如大家经常会打开网页浏览器查询资料，通过浏览器便可开启 HTTP 通信。

HTTP 协议工作于客户端（用户）、服务器端（网站）模式下，浏览器作为 HTTP 客户端通过 URL向HTTP服务端即 WEB 服务器发送请求。Web 服务器根据接收到的请求后，向客户端发送响应信息。借助这种浏览器和服务器之间的 HTTP 通信，我们能够足不出户地获取网络中的各种信息。

FTP 协议

FTP 协议的英文全称为 File Transfer Protocol，简称为 FTP，它是一种文件传输协议，从一个主机向一个主机传输文件的协议。FTP 协议同样也是基于客户端-服务器模式，在客户端和服务器之间进行文件传输，譬如我们通常会使用 FTP 协议在两台主机之间进行文件传输，譬如一台 Ubuntu 系统主机和一台 Windows 系统主机，将一台主机作为 FTP 服务器、另一台主机作为 FTP 客户端，建立 FTP 连接之后，客户端可以从服务器下载文件，同样也可以将文件上传至服务器。

FTP 除了基本的文件上传/下载功能外，还有目录操作、权限设置、身份验证等机制，许多网盘的文件传输功能都是基于 FTP 实现的。

其它的 TCP/IP 协议就不给大家介绍了，有兴趣的读者可以自行百度了解。

下小节我们重点给大家介绍下工作在传输层的 TCP、UDP 协议，这两种协议相比各位读者听得比较多。

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 IP 的传输协议。由网络基础知识（1）——从OSI七层模型和TCP/IP说起可知，TCP 协议工作在传输层，对上服务socket接口，对下调用 IP 层（网络层）。关于 TCP 协议我们需要理解的重点如下：

TCP 协议工作在传输层，对上服务 socket 接口，对下调用 IP 层；
TCP 是一种面向连接的传输协议，通信之前必须通过三次握手与客户端建立连接关系后才可通信；
TCP 协议提供可靠传输，不怕丢包、乱序。

TCP 协议如何保证可靠传输？

TCP 协议采用发送应答机制，即发送端发送的每个 TCP 报文段都必须得到接收方的应答，才能认为这个 TCP 报文段传输成功。
TCP 协议采用超时重传机制，发送端在发送出一个 TCP 报文段之后启动定时器，如果在定时时间内未收到应答，它将重新发送该报文段。
由于 TCP 报文段最终是以 IP 数据报发送的，而 IP 数据报到达接收端可能乱序、重复、所以 TCP 协议还会将接收到的 TCP 报文段重排、整理、再交付给应用层。

TCP 协议的特性

TCP 协议的特点如下所示：

⚫ 面向连接的

TCP 是一个面向连接的协议，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一个 TCP 连接，否则将无法发送数据，通过三次握手建立连接，后面在介绍。

⚫ 确认与重传

当数据从主机 A 发送到主机 B 时，主机 B 会返回给主机 A 一个确认应答；TCP 通过确认应答 ACK 实现可靠的数据传输。当发送端将数据发送出去之后会等待对端的确认应答。如果有确认应答，说明数据已经成功到达对端。反之，数据丢失的可能性比较大。在一定的时间内如果没有收到确认应答，发送端就可以认为数据已经丢失，并进行重发。由此，即使产生了丢失，仍然可以保证数据能够到达对端，实现可靠传输。

⚫ 全双工通信

TCP 连接一旦建立，就可以在连接上进行双向的通信。任何一个主机都可以向另一个主机发送数据，数据是双向流通的，所以 TCP 协议是一个全双工的协议。

⚫ 基于字节流而非报文

将数据按字节大小进行编号，接收端通过 ACK 来确认收到的数据编号，通过这种机制能够保证 TCP 协议的有序性和完整性，因此 TCP 能够提供可靠性传输。

⚫ 流量控制（滑动窗口协议）

TCP 流量控制主要是针对接收端的处理速度不如发送端发送速度快的问题，消除发送方使接收方缓存溢出的可能性。TCP 流量控制主要使用滑动窗口协议，滑动窗口是接受数据端使用的窗口大小，用来告诉发送端接收端的缓存大小，以此可以控制发送端发送数据的大小，从而达到流量控制的目的。这个窗口大小就是我们一次传输几个数据。对所有数据帧按顺序赋予编号，发送方在发送过程中始终保持着一个发送窗口，只有落在发送窗口内的帧才允许被发送；同时接收方也维持着一个接收窗口，只有落在接收窗口内的帧才允许接收。这样通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制。

⚫ 差错控制

TCP 协议除了确认应答与重传机制外，TCP 协议也会采用校验和的方式来检验数据的有效性，主机在接收数据的时候，会将重复的报文丢弃，将乱序的报文重组，发现某段报文丢失了会请求发送方进行重发，因此在 TCP 往上层协议递交的数据是顺序的、无差错的完整数据。

⚫ 拥塞控制

如果网络上的负载（发送到网络上的分组数）大于网络上的容量（网络同时能处理的分组数），就可能引起拥塞，判断网络拥塞的两个因素：延时和吞吐量。拥塞控制机制是：开环（预防）和闭环（消除）。

流量控制是通过接收方来控制流量的一种方式；而拥塞控制则是通过发送方来控制流量的一种方式。 TCP 发送方可能因为 IP 网络的拥塞而被遏制，TCP 拥塞控制就是为了解决这个问题（注意和 TCP 流量控制的区别）。

TCP 拥塞控制的几种方法：慢启动，拥塞避免，快重传和快恢复。

TCP 报文格式

当数据由上层发送到传输层时，数据会被封装为 TCP 数据段，我们将其称为TCP报文（或 TCP 报文段），TCP 报文由 TCP 首部+数据区域组成，一般 TCP 首部通常为 20 个字节大小，具体格式如下图所示：

下面分别对其中的字段进行介绍：

源端口号和目标端口号

源端口号和目标端口号各占 2 个字节，一个 4 个字节，关于端口号的概念会在 29.5.3 小节进行介绍。每个 TCP 报文都包含源主机和目标主机的端口号，用于寻找发送端和接收端应用进程，这两个值加上 IP 首部中的源 IP 地址和目标 IP 地址就能确定唯一一个 TCP 连接。有时一个 IP 地址和一个端口号也称为 socket （插口）。

序号

占 4 个字节，用来标识从 TCP 发送端向 TCP 接收端发送的数据字节流，它的值表示在这个报文段中的第一个数据字节所处位置码，根据接收到的数据区域长度，就能计算出报文最后一个数据所处的序号，因为 TCP 协议会对发送或者接收的数据进行编号（按字节的形式），那么使用序号对每个字节进行计数，就能很轻易管理这些数据。在 TCP 传送的数据流中，每一个字节都有一个序号。例如，一报文段的序号为 300，而且数据共100 字节，则下一个报文段的序号就是 400；序号是 32bit 的无符号数，序号到达 2^32-1 后从 0 开始。

确认序号

确认序号占 4 字节，是期望收到对方下次发送的数据的第一个字节的序号，也就是期望收到的下一个报文段的首部中的序号；确认序号应该是上次已成功收到数据字节序号+1。只有 ACK 标志为 1 时，确认序号才有效。TCP 为应用层提供全双工服务，这意味数据能在两个方向上独立地进行传输，因此确认序号通常会与反向数据（即接收端传输给发送端的数据）封装在同一个报文中（即捎带），所以连接的每一端都必须保持每个方向上的传输数据序号准确性。

首部长度

首部长度字段占 4 个 bit 位，它指出了 TCP 报文段首部长度，以字节为单位，最大能记录 15*4=60 字节的首部长度，因此，TCP 报文段首部最大长度为 60 字节。在字段后接下来有 6bit 空间是保留未用的，供以后应用，现在置为 0。

6 个标志位：URG/ACK/PSH/RST/SYN/FIN

保留位之后有 6 个标志位，分别如下：

①、URG：首部中的紧急指针字段标志，如果是 1 表示紧急指针字段有效。

②、ACK：只有当 ACK=1 时，确认序号字段才有效。

③、PSH：当 PSH=1 时，接收方应该尽快将本报文段立即传送给其应用层。

④、RST：当 RST=1 时，表示出现连接错误，必须释放连接，然后再重建传输连接。复位比特还用来拒绝一个不法的报文段或拒绝打开一个连接。

⑤、SYN：SYN=1，ACK=0 时表示请求建立一个连接，携带 SYN 标志的 TCP 报文段为同步报文段。

⑥、FIN：为 1 表示发送方没有数据要传输了，要求释放连接。

窗口大小

占用 2 个字节大小，表示从确认号开始，本报文的发送方可以接收的字节数，即接收窗口大小，用于流量控制。