TCP/IP协议详解
TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的传输层协议。
TCP特点
- ✅ 面向连接：通信前需要建立连接
- ✅ 可靠传输：保证数据完整、有序到达
- ✅ 流量控制：防止发送方发送过快
- ✅ 拥塞控制：防止网络拥塞
- ❌ 开销大：头部至少20字节
- ❌ 速度慢：需要建立连接和确认
TCP头部结构
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
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Source Port | Destination Port |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Sequence Number |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Acknowledgment Number |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Data | |U|A|P|R|S|F| |
| Offset| Reserved |R|C|S|S|Y|I| Window |
| | |G|K|H|T|N|N| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Checksum | Urgent Pointer |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+重要字段：
- 序列号（Sequence Number）：标识发送的数据字节
- 确认号（Acknowledgment Number）：期望收到的下一个字节
- 标志位：
- SYN：建立连接
- ACK：确认
- FIN：结束连接
- RST：重置连接
- PSH：推送数据
- URG：紧急数据
- 窗口大小（Window）：流量控制
TCP三次握手
建立连接的过程。
客户端 服务器
│ │
│────── SYN (seq=x) ──────────>│ 1. SYN
│ │
│<─── SYN-ACK (seq=y,ack=x+1) ─│ 2. SYN-ACK
│ │
│────── ACK (ack=y+1) ────────>│ 3. ACK
│ │
│ 连接建立 │为什么是三次握手？
- 第一次握手：客户端发送SYN，服务器知道客户端能发送
- 第二次握手：服务器发送SYN-ACK，客户端知道服务器能发送和接收
- 第三次握手：客户端发送ACK，服务器知道客户端能接收
两次握手的问题：
- 服务器无法确认客户端是否收到SYN-ACK
- 可能导致历史连接请求被接受
TCP四次挥手
断开连接的过程。
客户端 服务器
│ │
│────── FIN (seq=u) ──────────>│ 1. FIN
│ │
│<────── ACK (ack=u+1) ────────│ 2. ACK
│ │
│<────── FIN (seq=v) ──────────│ 3. FIN
│ │
│────── ACK (ack=v+1) ────────>│ 4. ACK
│ │
│ 连接关闭 │为什么是四次挥手？
- TCP是全双工通信，双方都需要关闭连接
- 第2、3次可以合并（如果服务器没有数据要发送）
TIME_WAIT状态
- 主动关闭方在发送最后一个ACK后进入TIME_WAIT状态
- 等待2MSL（Maximum Segment Lifetime）后才关闭
- 目的：确保对方收到最后的ACK
MSL：报文最大生存时间，通常为2分钟
TCP可靠传输
1. 序列号和确认号
- 每个字节都有序列号
- 接收方返回确认号（ACK）
发送：seq=1000, data="Hello"
接收：ack=1005 (1000 + 5个字节)2. 超时重传
- 发送数据后启动定时器
- 超时未收到ACK则重传
发送 seq=1000
等待 ACK...
超时！
重传 seq=10003. 快速重传
- 收到3个重复ACK立即重传
- 不等超时
发送 seq=1000, 1500, 2000, 2500
收到 ack=1500 (正常)
收到 ack=1500 (重复1)
收到 ack=1500 (重复2)
收到 ack=1500 (重复3)
立即重传 seq=15004. 累积确认
- 一次确认多个连续的数据包
收到 seq=1000, 1500, 2000
发送 ack=2500 (确认前面所有数据)TCP流量控制
使用滑动窗口机制控制发送速率。
滑动窗口
发送窗口：
┌─────────┬─────────┬─────────┬─────────┐
│ 已发送 │ 可发送 │ 不可发送 │ 未来 │
│ 已确认 │ 未确认 │ │ │
└─────────┴─────────┴─────────┴─────────┘
^ ^
| |
发送窗口 窗口大小接收窗口：
- 接收方告诉发送方自己的缓冲区大小
- 防止发送方发送过快导致接收方缓冲区溢出
TCP拥塞控制
防止网络拥塞的机制。
1. 慢启动（Slow Start）
- 初始cwnd=1（拥塞窗口）
- 每收到一个ACK，cwnd加倍
RTT1: cwnd=1
RTT2: cwnd=2
RTT3: cwnd=4
RTT4: cwnd=82. 拥塞避免（Congestion Avoidance）
- 达到阈值（ssthresh）后，cwnd线性增长
- 每个RTT增加1个MSS
cwnd = ssthresh后
每RTT: cwnd += 13. 快速重传和快速恢复
- 收到3个重复ACK时触发
- 立即重传丢失的数据包
- cwnd减半（而不是降到1）
拥塞检测
↓
快速重传
↓
cwnd = cwnd / 2
ssthresh = cwnd
↓
快速恢复拥塞控制算法对比
cwnd
↑
| 拥塞避免（线性增长）
ssthresh | /
| /
| /
| / 慢启动（指数增长）
| /
| /
| /
|/
+──────────────────→ timeUDP协议
UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议。
UDP特点
- ✅ 无连接：不需要建立连接
- ✅ 速度快：开销小，延迟低
- ✅ 支持广播和多播
- ❌ 不可靠：不保证数据到达
- ❌ 无流量控制
- ❌ 无拥塞控制
UDP头部结构
0 7 8 15 16 23 24 31
+--------+--------+--------+--------+
| Source Port | Destination Port|
+--------+--------+--------+--------+
| Length | Checksum |
+--------+--------+--------+--------+
| Data (variable) |
+-----------------------------------+仅8字节，非常简洁。
UDP应用场景
- 实时音视频通信（RTP）
- DNS查询
- DHCP
- 在线游戏
- 视频直播
- 物联网（IoT）
TCP vs UDP
| 特性 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接 | 面向连接 | 无连接 |
| 可靠性 | 可靠传输 | 不可靠传输 |
| 速度 | 慢 | 快 |
| 头部开销 | 20字节+ | 8字节 |
| 流量控制 | 有 | 无 |
| 拥塞控制 | 有 | 无 |
| 应用场景 | 文件传输、Web浏览、邮件 | 实时音视频、DNS、游戏 |
IP协议
IP（Internet Protocol，网际协议）是网络层协议，负责数据包的路由和转发。
IPv4头部结构
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
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version| IHL |Type of Service| Total Length |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Identification |Flags| Fragment Offset |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Time to Live | Protocol | Header Checksum |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Source Address |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Destination Address |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+重要字段：
- TTL（Time To Live）：数据包最大跳数
- Protocol：上层协议（6=TCP, 17=UDP）
- Source/Destination Address：源/目的IP地址
IP分片
- MTU（Maximum Transmission Unit）：最大传输单元，通常为1500字节
- 数据包超过MTU需要分片
- 分片在目的地重组
ICMP协议
ICMP（Internet Control Message Protocol，网际控制消息协议）用于网络诊断。
ICMP消息类型
- Echo Request/Reply：ping命令使用
- Destination Unreachable：目标不可达
- Time Exceeded：TTL超时，traceroute使用
- Redirect：路由重定向
ping工作原理
客户端 服务器
│ │
│── ICMP Echo Request (type=8) >│
│ │
│<─ ICMP Echo Reply (type=0) ──│
│ │traceroute工作原理
发送TTL=1的数据包 → 第1跳路由器返回Time Exceeded
发送TTL=2的数据包 → 第2跳路由器返回Time Exceeded
发送TTL=3的数据包 → 第3跳路由器返回Time Exceeded
...
直到到达目标主机ARP协议
ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）将IP地址解析为MAC地址。
ARP工作流程
1. 主机A要发送数据给主机B（192.168.1.2）
2. 查ARP缓存，没有B的MAC地址
3. 广播ARP请求："谁是192.168.1.2？"
4. 主机B回应："我是192.168.1.2，MAC是xx:xx:xx"
5. 主机A记录到ARP缓存
6. 发送数据包ARP缓存
bash
# 查看ARP缓存
arp -a
# Linux
ip neigh show
# 清除ARP缓存
arp -d 192.168.1.1💡 提示
这是一个demo文档，欢迎补充更多TCP/IP相关内容。