网络协议

常见网页协议

• TCP/IP 是互联网相关的各类协议族的总称
• IP（Internet Protocol）网际协议（网络层协议）IP 协议的作用是把各种数据包传送给对方。而要保证确实传送到对方那里，则需要满足各类条件。其中两个重要的条件是 IP 地址和 MAC 地址（Media Access Control Address）
• HTTP 超文本传输协议是一个用于传输超媒体文档（例如 HTML）的应用层协议。它是为 Web 浏览器与 Web 服务器之间的通信而设计的，但也可以用于其他目的
• TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
• UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接， 当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上

TCP/IP 的分层管理

利用 TCP/IP 协议族进行网络通信时，会通过分层顺序与对方进行通信

这些层基本上被分为4层：

• 应用层

  • 1、超文本传输协议（HTTP):万维网的基本协议
  • 2、文件传输（FTP文件传输协议）；
  • 3、远程登录（Telnet），提供远程访问其它主机功能, 它允许用户登录internet主机，并在这台主机上执行命令
  • 4、网络管理（SNMP简单网络管理协议），该协议提供了监控网络设备的方法， 以及配置管理,统计信息收集,性能管理及安全管理等
  • 5、域名系统（DNS），该系统用于在internet中将域名及其公共广播的网络节点转换成IP地址

• 传输层

  • 1、TCP
  • 2、UDP

• 网络层

  • 1、Internet协议（IP）
  • 2、Internet控制信息协议（ICMP）
  • 3、地址解析协议（ARP）ARP 是一种用以解析地址的协议，根据通信方的 IP 地址就可以反查出对应的 MAC 地址。
  • 4、反向地址解析协议（RARP）

• 链路层

  用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱动、NIC（Network Interface Card，网络适配器，即网卡），及光纤等物理可见部分（还包括连接器等一切传输媒介）。硬件上的范畴均在链路层的作用范围之内。

  OSI 七层模型

  

  附图 tcp段，IP分段 HTTP权威指南80页

  

TCP/IP 通信传输流

利用 TCP/IP 协议族进行网络通信时，会通过分层顺序与对方进行通信。发送端从应用层往下走，接收端则往应用层往上走。 发送端在层与层之间传输数据时，每经过一层时必定会被打上一个该层所属的首部信息。反之，接收端在层与层传输数据时，每经过一层时会把对应的首部消去。

这种把数据信息包装起来的做法称为封装（encapsulate），如下图所示

TCP

头部至少20个字节

待整理

TCP协议的特点

面向连接

面向连接，是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”，这样能建立可靠的连接。建立连接，是为数据的可靠传输打下了基础。

仅支持单播传输

每条TCP传输连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播和广播传输方式。

面向字节流

TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。

可靠传输

对于可靠传输，判断丢包，误码靠的是TCP的段编号以及确认号。TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK)；如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。

提供拥塞控制

当网络出现拥塞的时候，TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞

TCP提供全双工通信

TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。当然，TCP可以立即发送一个数据段，也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段（最大的数据段大小取决于MSS）

UDP

UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层——传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。

它有以下几个特点：

1. 面向无连接

首先 UDP 是不需要和 TCP一样在发送数据前进行三次握手建立连接的，想发数据就可以开始发送了。并且也只是数据报文的搬运工，不会对数据报文进行任何拆分和拼接操作。

具体来说就是：

• 在发送端，应用层将数据传递给传输层的 UDP 协议，UDP 只会给数据增加一个 UDP 头标识下是 UDP 协议，然后就传递给网络层了
• 在接收端，网络层将数据传递给传输层，UDP 只去除 IP 报文头就传递给应用层，不会任何拼接操作

2. 有单播，多播，广播的功能

UDP 不止支持一对一的传输方式，同样支持一对多，多对多，多对一的方式，也就是说 UDP 提供了单播，多播，广播的功能。

3. UDP是面向报文的

发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。因此，应用程序必须选择合适大小的报文

4. 不可靠性

首先不可靠性体现在无连接上，通信都不需要建立连接，想发就发，这样的情况肯定不可靠。

并且收到什么数据就传递什么数据，并且也不会备份数据，发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。

再者网络环境时好时坏，但是 UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP。

从上面的动态图可以得知，UDP只会把想发的数据报文一股脑的丢给对方，并不在意数据有无安全完整到达。

5. 头部开销小，传输数据报文时是很高效的

UDP 头部包含了以下几个数据：

• 两个十六位的端口号，分别为源端口（可选字段）和目标端口 （4字节？）
• 整个数据报文的长度
• 整个数据报文的检验和（IPv4 可选 字段），该字段用于发现头部信息和数据中的错误

因此 UDP 的头部开销小，只有八字节，相比 TCP 的至少二十字节要少得多，在传输数据报文时是很高效的

TCP与UDP的区别

	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信	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	首部开销小，仅8字节	首部最小20字节，最大60字节
适用场景	适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等）	适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输

TCP 拥塞控制

拥塞处理和流量控制不同，后者是作用于接收方，保证接收方来得及接受数据。而前者是作用于网络，防止过多的数据拥塞网络，避免出现网络负载过大的情况。

拥塞处理包括了四个算法，分别为：慢开始，拥塞避免，快速重传，快速恢复。

慢开始算法

慢开始算法，顾名思义，就是在传输开始时将发送窗口慢慢指数级扩大，从而避免一开始就传输大量数据导致网络拥塞。

慢开始算法步骤具体如下

1. 连接初始设置拥塞窗口（Congestion Window） 为 1 MSS（一个分段的最大数据量）
2. 每过一个 RTT 就将窗口大小乘二
3. 指数级增长肯定不能没有限制的，所以有一个阈值限制，当窗口大小大于阈值时就会启动拥塞避免算法。

拥塞避免算法

拥塞避免算法相比简单点，每过一个 RTT 窗口大小只加一，这样能够避免指数级增长导致网络拥塞，慢慢将大小调整到最佳值。

在传输过程中可能定时器超时的情况，这时候 TCP 会认为网络拥塞了，会马上进行以下步骤：

• 将阈值设为当前拥塞窗口的一半
• 将拥塞窗口设为 1 MSS
• 启动拥塞避免算法

快速重传

快速重传一般和快恢复一起出现。一旦接收端收到的报文出现失序的情况，接收端只会回复最后一个顺序正确的报文序号（没有 Sack 的情况下）。如果收到三个重复的 ACK，无需等待定时器超时再重发而是启动快速重传。具体算法分为两种：

TCP Taho 实现如下

• 将阈值设为当前拥塞窗口的一半
• 将拥塞窗口设为 1 MSS
• 重新开始慢开始算法

TCP Reno 实现如下

• 拥塞窗口减半
• 将阈值设为当前拥塞窗口
• 进入快恢复阶段（重发对端需要的包，一旦收到一个新的 ACK 答复就退出该阶段）
• 使用拥塞避免算法

TCP New Ren 改进后的快恢复

TCP New Reno 算法改进了之前 TCP Reno 算法的缺陷。在之前，快恢复中只要收到一个新的 ACK 包，就会退出快恢复。

在 TCP New Reno 中，TCP 发送方先记下三个重复 ACK 的分段的最大序号。

假如我有一个分段数据是 1 ~ 10 这十个序号的报文，其中丢失了序号为 3 和 7 的报文，那么该分段的最大序号就是 10。发送端只会收到 ACK 序号为 3 的应答。这时候重发序号为 3 的报文，接收方顺利接收并会发送 ACK 序号为 7 的应答。这时候 TCP 知道对端是有多个包未收到，会继续发送序号为 7 的报文，接收方顺利接收并会发送 ACK 序号为 11 的应答，这时发送端认为这个分段接收端已经顺利接收，接下来会退出快恢复阶段。