通俗易懂講解什么是TCP/IP

近期工作，跟網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)，這讓我有機(jī)會更深入學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而之前很長一段時間，我對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解都停留在比較淺的層面。

比如：TCP是面向連接的、可靠傳輸，而UDP是非連接的、不可靠傳輸，TCP建連需要3次握手，會造成delay，UDP更快。

比如：socket編程，服務(wù)器socket create、bind、listen、accept、read/write、shutdown/close，客戶端socket create、connect、read/write、shutdown/close，再加上epoll/select這幾下子。

再比如：我知道網(wǎng)絡(luò)編程要忽視SIGPIPE信號不然會掛，read返回0代表對端主動關(guān)閉，非阻塞的read要放在循環(huán)里要考慮返回值，多路復(fù)用以及阻塞、非阻塞的區(qū)別。

TCP/UDP的區(qū)別上，我是這樣理解的：從北京到杭州，TCP相當(dāng)于修了一條高鐵線路（建連）再通車發(fā)貨（傳輸數(shù)據(jù)），而UDP相當(dāng)于寄快遞，丟了不管（直接傳輸數(shù)據(jù)）。

上面的理解對不對？可以說對，也可以說不對。對于應(yīng)用程序員來說，有了上面的認(rèn)識+熟悉socket編程接口，夠了嗎？不夠嗎？

大物理學(xué)家費(fèi)曼提出一個高效的費(fèi)曼學(xué)習(xí)法，即從問題入手，試著把問題都講出來，以教代學(xué)，一旦你能把問題都講清楚，便學(xué)會了。所以我想嘗試一下把TCP/IP講清楚，借此讓自己學(xué)明白，順便幫助一下讀者。

雖然《TCP/IP詳解卷1》是一本關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族很嚴(yán)謹(jǐn)詳盡的書，但在我看來，它稍微有點(diǎn)晦澀，可能需要讀幾遍，才能心領(lǐng)神會。雖然我沒有能力把這個問題說的更好，但因?yàn)槲医?jīng)歷過從稀里糊涂到稍有所悟的過程，這可能是大師不可比的，我將盡量用通俗易懂的語言把TCP/IP相關(guān)的知識講清楚。

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族，用來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上

主機(jī)

之間的相互通信。TCP和IP只是其中的2個協(xié)議，也是很重要的2個協(xié)議，所以用TCP/IP來命名這個互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族，實(shí)際上，它還包括其他協(xié)議，比如UDP、ICMP、IGMP、ARP/RARP等。

四層劃分，兩種劃分的對照圖讓彼此關(guān)系一目了然。

分層是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的常用技巧，比如互聯(lián)網(wǎng)后端的三層架構(gòu)“接入-邏輯-存儲”就是分層思想的典型應(yīng)用。

分層是為了隔離，通過分層劃分職能，拆解問題，層與層之間約定接口，屏蔽實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

TCP/IP自下到上劃分為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。下層向上層提供能力，上層利用下層的能力提供更高的抽象。

1. 鏈路層，也稱網(wǎng)絡(luò)接口層，包括操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)卡，它們一起處理與傳輸媒介（光纖等）的物理接口細(xì)節(jié)。

2. 網(wǎng)絡(luò)層，也就是IP層，負(fù)責(zé)處理IP datagram在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，IP層傳輸?shù)氖荌P datagram，借助路由表，把IP datagram從網(wǎng)絡(luò)的一端傳輸?shù)搅硪欢?，簡而言之：IP實(shí)現(xiàn)包的路由傳輸，IP協(xié)議和路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層。

3. 傳輸層，提供端到端之間的通信，包括提供面向連接和高可靠性的TCP，以及無連接不可靠的UDP。貌似TCP更好，但實(shí)際不是這樣，UDP因?yàn)椴恍枰ㄟB開銷，所以更快，應(yīng)用得也很廣，比如新一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議HTTP3就從TCP轉(zhuǎn)向UDP，應(yīng)根據(jù)適應(yīng)場景選擇傳輸層協(xié)議。

4. 應(yīng)用層，跟應(yīng)用相關(guān)，不同應(yīng)用解決不同問題，需要不同的應(yīng)用層協(xié)議。

鏈路層處理數(shù)據(jù)在媒介上的傳輸，以及主機(jī)與網(wǎng)卡、光纖等打交道的細(xì)節(jié)。因?yàn)榕c硬件相關(guān)，所以需要借助系統(tǒng)的驅(qū)動程序，鏈路層協(xié)議就是定義這些細(xì)節(jié)的，比如怎么把數(shù)據(jù)從網(wǎng)卡發(fā)送到光纖，采用什么格式編碼等，它解決的數(shù)據(jù)在媒介上表示、流動的問題。

光有鏈路層功能肯定是不夠的，網(wǎng)絡(luò)上有成千上萬的機(jī)器，主機(jī)A與B通信，你不能將數(shù)據(jù)發(fā)到主機(jī)C，所以仿照現(xiàn)實(shí)，要為主機(jī)分配網(wǎng)絡(luò)地址，通過IP地址去標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的一臺主機(jī)，發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，需要正確路由到目的地，這就好比你從家到公司，要經(jīng)過哪些路徑，需要地圖，而路由表就類似這張地圖。IP解決的是數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路由的問題。

有了網(wǎng)絡(luò)層的傳輸路由能力，還不夠，因?yàn)镮P報在傳輸過程中可能丟包，比如中間經(jīng)歷過的路由器緩沖區(qū)滿了便會丟包，這樣不可靠，如果需要可靠傳輸?shù)哪芰?，便需要傳輸層基于IP層，提供更多的能力，TCP解決了可靠性問題。具體而言，如果丟包了，TCP層會負(fù)責(zé)超時重傳，它通過接收確認(rèn)和重傳機(jī)制保證了可靠傳輸。另外，因?yàn)镮P報都是獨(dú)立路由的，所以從主機(jī)A到主機(jī)B，一份數(shù)據(jù)被拆分成x、y兩個IP報先后發(fā)送，這2個包可能選擇不同的傳輸路徑，這樣有可能y包先于x包到達(dá)，但我們希望在接收端（主機(jī)B）恢復(fù)這個數(shù)據(jù)的信息，但我們無法控制IP報的到達(dá)順序，所以，我們需要在接收端恢復(fù)數(shù)據(jù)，我只需要在x、y包里記錄它屬于數(shù)據(jù)塊的哪個部分，然后重組這份數(shù)據(jù)，這正是TCP做的，它會重新組裝IP報，從而保證順序性，遞交給應(yīng)用層。

有時候并不需要保證可靠性和順序性，這便是UDP能提供的，它只是簡單的把數(shù)據(jù)封裝成IP報，然后通過IP層路由發(fā)送到目的端。

再往上，便是應(yīng)用層協(xié)議了，比如http，又比如游戲服務(wù)器自定義協(xié)議，應(yīng)用層協(xié)議通?；赥CP或者UDP做傳輸。

協(xié)議？懶得去翻協(xié)議的各種權(quán)威定義了，我認(rèn)為協(xié)議就是約定，跟現(xiàn)實(shí)生活中協(xié)議這個詞含義差不多。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是通信雙方共同遵守的約定，更具體一點(diǎn)，就是定義數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)母袷?、?guī)則和流程。

因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)是分層模型，不同層有不同層的作用，所以為各層定義各層的規(guī)則，各層對應(yīng)的各層協(xié)議。

前面講了TCP/IP協(xié)議族包含很多協(xié)議，這些協(xié)議分屬不同的分層，承擔(dān)不同的作用。

1. TCP和UDP是兩種主要的傳輸層協(xié)議。
2. IP是網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議，TCP、UDP都需要利用IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
3. ICMP是互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議，是IP的附屬協(xié)議，IP層用它來與其他主機(jī)或路由器交換錯誤報文和其他重要信息。比如一個Packet經(jīng)過某個路由器節(jié)點(diǎn)的時候，超過網(wǎng)絡(luò)對Packet的長度限制，而又不分片，則會給發(fā)送端發(fā)送一個ICMP包報告錯誤信息，屬于ICMP是用來輔助IP完成數(shù)據(jù)包傳輸?shù)摹?/li>
4. IGMP是Internet組管理協(xié)議，用來把一個包多播到多個主機(jī)。
5. ARP（地址解析協(xié)議）和RARP（逆地址解析協(xié)議）是用來轉(zhuǎn)換IP層和鏈路層的地址，IP層使用IP地址，鏈路層使用Mac地址

應(yīng)用層和傳輸層使用端到端（end-to-end）協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層提供的是逐跳（hop-by-hop）協(xié)議。

層層封裝的，從應(yīng)用層到鏈路層，每經(jīng)過一層都要添加一些額外信息（首、尾部）。

1. 用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過應(yīng)用程序加上應(yīng)用程序首部，轉(zhuǎn)給TCP層處理
2. 經(jīng)過TCP層加上TCP首部，產(chǎn)生TCP段（segment）
3. TCP segment經(jīng)過IP層再加上IP首部，產(chǎn)生IP數(shù)據(jù)包（datagram）
4. IP datagram通過鏈路層，經(jīng)以太網(wǎng)驅(qū)動程序處理后，加上以太網(wǎng)首部+尾部，產(chǎn)生以太網(wǎng)幀（frame），以太網(wǎng)幀的長度在46~1500之間

更準(zhǔn)確的說，在IP和鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元叫分組（Packet），分組既可以是一個IP datagram也可以是IP datagram的一個分片（fragment）。

UDP的封裝跟TCP略有不同，主要體現(xiàn)在經(jīng)過傳輸層（UDP）之后添加的是8字節(jié)UDP首部，產(chǎn)生UDP datagram。

封裝過程中，經(jīng)過TCP/UDP層的時候，會把端口號添加到TCP/UDP首部；經(jīng)過IP層的時候，會把協(xié)議類型（TCP or UDP or ICMP or IGMP）添加到IP首部；經(jīng)過鏈路層的時候，會把幀類型（IP or ARP or RARP）添加到以太網(wǎng)首部。這些信息將被用于接收端的處理。

接收端收到數(shù)據(jù)后，要執(zhí)行跟發(fā)送端相反的解封操作，我們可以把發(fā)送端的數(shù)據(jù)封裝比喻成洗澡后一層層穿衣服，而接收端的操作，類似洗澡前一層層脫衣服，把首尾部剝離，獲取傳遞的原始數(shù)據(jù)。

因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)有不同字節(jié)序，現(xiàn)在要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，便需要約定統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序（大端序），采用小端序的主機(jī)在網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的時候要轉(zhuǎn)為大端序。

點(diǎn)分十進(jìn)制表示法，很顯然，點(diǎn)分十進(jìn)制法和int32兩種表示法之間很容易相互轉(zhuǎn)換。

IPv4地址劃分為ABCDE五類，32位地址表示的數(shù)值空間有限，難以為互聯(lián)網(wǎng)上的所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分配獨(dú)立的IP地址，所以便存在動態(tài)分配、共享、公網(wǎng)+內(nèi)網(wǎng)地址轉(zhuǎn)化（NAT）等問題，本質(zhì)上是為了解決IP地址不夠用的問題。

IPv6使用128bit，2的128次方就非常大了，號稱可以為地球上每粒沙子分配一個ip地址。

IP數(shù)據(jù)報（網(wǎng)絡(luò)層）用IP地址、而以太網(wǎng)幀（鏈路層）則是用硬件（48位Mac）地址，ARP和RARP用于IP地址和硬件地址之間做映射（轉(zhuǎn)換）。

端口號來識別（區(qū)分）應(yīng)用，比如

主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)送了一個IP報，主機(jī)

B的內(nèi)核收到該IP報之后，應(yīng)該交給哪個應(yīng)用程序去處理呢？端口號就是用來干這個的，內(nèi)核會維護(hù)端口號到應(yīng)用程序之間的對應(yīng)關(guān)系。

比較常用的應(yīng)用層協(xié)議有約定的端口號，也就是知名端口號，而1024~5000之間的端口號是分配給TCP/IP臨時用的，而大于5000的另做他用。也就是說，你用TCP方式去連網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，本地為該socket分配的端口號會在1024~5000之間，這取決于操作系統(tǒng)的端口分配策略。

域名系統(tǒng)

域名系統(tǒng)（DNS）提供主機(jī)名字和IP地址之間的轉(zhuǎn)換，比如www.baidu.com是一個域名，應(yīng)用程序可以通過一個標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)（gethostbyname）來獲得給定名字主機(jī)的IP地址，標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)（gethostbyaddr）實(shí)現(xiàn)逆操作。

ip地址是一串?dāng)?shù)字，含義不清、也不便于記憶，主機(jī)名含義更清晰，www.baidu.com你就很容易記住，這也是為什么存在IP地址還需要主機(jī)名的原因。

剝洋蔥一樣，從協(xié)議棧由底向上升，即遵照鏈路層->網(wǎng)絡(luò)層->傳輸層->應(yīng)用層的順序，去掉各層協(xié)議添加的首尾部，將數(shù)據(jù)取出，交給最上層應(yīng)用程序，這個過程叫Demultiplexing，尊從書本的翻譯叫分用。

回顧前面封裝的描述，在傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層，分別將端口號存入TCP/IP首部，將協(xié)議類型存入IP首部，將幀類型存入以太網(wǎng)幀首部。所以在接收端，將一層層拆掉首部，取出對應(yīng)信息，然后做分派，丟給不同模塊處理，上圖就是整個處理過程。

域名

、端口、TCP/IP分層模型、封裝、分用等概念。

你最好能記住TCP/IP鏈路層->網(wǎng)絡(luò)層->傳輸層->應(yīng)用層的四層劃分。

TCP segment、UDP datagram、IP datagram、IP fragment、以太網(wǎng)frame、以及IP層和鏈路層之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元packet，這些概念你最好分清楚，這樣交談的時候會顯得比較專業(yè)而不是很土。

數(shù)據(jù)封裝，多看幾遍你便能記住了。

TCP封裝格式：以太網(wǎng)首部(14)+IP首部(20)+TCP首部(20)+應(yīng)用數(shù)據(jù)+以太網(wǎng)尾部(4)

UDP封裝格式：以太網(wǎng)首部(14)+IP首部(20)+UDP首部(8)+應(yīng)用數(shù)據(jù)+以太網(wǎng)尾部(4)

應(yīng)用層協(xié)議在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，而傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層都是在內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，所以想修改或者優(yōu)化底層協(xié)議很難，因?yàn)槟銕缀鮿硬涣藘?nèi)核，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上的大量設(shè)備OS你沒法一并改過來，這就是所謂的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僵化問題，HTTP3用UDP替代TCP，就是想在應(yīng)用層自己去實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)取?/p>

每個以太網(wǎng)幀有長度限制（48~1500），網(wǎng)絡(luò)上每個設(shè)備也有對包的長度限制，IP報大了就要分片，分片可能發(fā)生在發(fā)送端，也有可能發(fā)生在中間設(shè)備，但應(yīng)該盡量避免分片，IP報會帶有信息讓分片后可以重組，MTU的概念可以了解一下。

ICMP和IGMP邏輯上屬于網(wǎng)絡(luò)層，因?yàn)樗麄兪荌P協(xié)議的附屬協(xié)議，但實(shí)際上，ICMP和IGMP報文都被封裝為IP datagram傳輸，所以又可以把他們視為IP層之上的協(xié)議。

同樣ARP和RARP用于IP地址和硬件MAC地址相互轉(zhuǎn)換，邏輯上屬于鏈路層，但實(shí)際上arp和rarp報文跟IP datagram一樣，都被封裝成以太網(wǎng)Frame傳輸。

接收端收到以太網(wǎng)幀之后，會走分用流程，最終將原始數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序。

TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序經(jīng)常使用socket編程接口。

有很多跟網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的工具，比如ping、ifconfig、netstat、arp、tcpdump、wireshark等。

主機(jī)A都可以任意發(fā)一個IP報到主機(jī)B，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)

之間是通過IP層實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)的，兩點(diǎn)之間的每個IP報都是獨(dú)立路由的，既然這樣，為什么還要建連？還要浪費(fèi)時間做A->B、B->A、A->B來回？直接把包發(fā)過去不就完了嗎？

假設(shè)通過AB建立的3個IP報的作用是表示AB之間的網(wǎng)絡(luò)連通性？哪又有什么作用？因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)是隨時變化的，此刻連通又不代表下一刻連通。建連之后似乎并不存在AB之間的真正連接，只是兩端OS層面維護(hù)的一個狀態(tài)（數(shù)據(jù)對象）？是虛擬連接？

建連到底是什么意思？客戶端發(fā)送一個IP報到服務(wù)器去發(fā)起連接？那跟傳輸數(shù)據(jù)的普通IP報又有什么區(qū)別？

雙工是什么意思？為什么socket關(guān)閉一半傳輸之后就不能發(fā)送數(shù)據(jù)了？網(wǎng)絡(luò)上IP報不是可以任意傳輸嗎？這個限制是哪個地方添加的？

擁塞控制是什么？Nagle是什么？滑動窗口是什么？TCP為什么要?；?？

socekt的編程接口和各種概念跟TCP/IP原理有怎樣的對應(yīng)關(guān)系？學(xué)完TCP/IP原理對理解socket編程有什么幫助？

沒有深究TCP/IP原理之前，我其實(shí)是有很多問題的，只是做應(yīng)用程序開發(fā)，好像沒搞懂那些問題也還可以湊合干，但終究是有點(diǎn)糊里糊涂，感覺不太爽。

本來我想一篇文章講清楚TCP/IP的主要內(nèi)容，但是寫著寫著發(fā)現(xiàn)，這樣文章會非常長，所以我決定多寫幾篇，每篇都講清楚一個主題。

協(xié)議格式

TCP、UDP的區(qū)別，建連、擁塞控制，面向連接和可靠傳輸?shù)降资鞘裁春x？基于UDP編程怎么實(shí)現(xiàn)可靠傳輸？

編程接口：socket TCP/UDP編程

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議：http、http2、http3（quic）

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