TCP/IP ​

介绍 ​

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 是互联网的基础协议套件，定义了设备如何在网络中通信。它采用分层架构，将复杂的通信过程分解为相对独立的层次，每层负责特定功能。TCP/IP 不仅包括 TCP 和 IP 两个核心协议，还包含多个支持协议，共同构成了现代互联网的通信基础。

历史 ​

TCP/IP 起源于 20 世纪 70 年代的美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 项目，旨在创建可靠的、可互操作的计算机网络。1974 年，文顿·瑟夫和鲍勃·卡恩发表了 TCP/IP 设计论文。1983 年，ARPANET 正式采用 TCP/IP，取代了之前的 NCP 协议。随着 BSD Unix 集成 TCP/IP 栈，它逐渐成为事实标准。1990 年代互联网商业化浪潮中，TCP/IP 成为全球互联网的唯一协议标准。

协议栈 ​

TCP/IP 采用四层模型，与 OSI 七层模型对应关系如下：

应用层 (Application)    - 对应OSI应用层、表示层、会话层
传输层 (Transport)     - 对应OSI传输层
网络层 (Internet)      - 对应OSI网络层
网络接口层 (Network Interface) - 对应OSI数据链路层、物理层

各层功能：

• 应用层：提供用户服务 (HTTP、FTP、DNS 等)
• 传输层：端到端通信 (TCP、UDP)
• 网络层：寻址和路由 (IP、ICMP)
• 网络接口层：物理传输 (以太网、Wi-Fi)

核心特点 ​

分层架构 ​

TCP/IP 采用严格的分层设计，每层只与相邻层交互，各层独立发展。

应用数据 -> [传输层封装] -> [网络层封装] -> [网络接口层封装] -> 物理传输
接收方反向解封装 -> [网络接口层] -> [网络层] -> [传输层] -> 应用数据

优势：模块化设计、易于实现和维护、技术演进互不影响。

端到端原则 ​

智能置于网络边缘，核心网络保持简单。端系统负责可靠性、流量控制等复杂功能，网络只负责数据包转发。

主机A [智能] -- 简单网络 -- 主机B [智能]

优点：网络架构简单、扩展性强、创新集中在终端。

包交换技术 ​

数据被分割为独立的数据包，每个包包含目的地址，通过网络独立路由。

数据 -> 分割为包1,包2,包3 -> 分别路由 -> 目的地重组

与电路交换对比：

电路交换: 建立专用路径 -> 持续通信 -> 释放路径
包交换: 数据包独立寻路，共享网络资源

优势：网络资源利用率高、容错性强。

全局寻址系统 ​

IP 地址唯一标识网络中的设备，支持网络层路由。IPv4 使用 32 位地址，IPv6 使用 128 位地址。

IPv4: 192.168.1.1 (点分十进制)
IPv6: 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334 (十六进制)

配合 DNS 系统将域名解析为 IP 地址：

www.example.com --DNS查询--> 192.0.2.1

可靠性机制 ​

TCP 提供可靠的字节流服务，确保数据完整、有序交付。

发送方: 数据分段 -> 编号 -> 发送 -> 等待确认 -> 超时重传
接收方: 接收数据 -> 按序重组 -> 发送确认 -> 交付应用

通过序列号、确认机制、重传计时器实现可靠性。

流量控制 ​

TCP 使用滑动窗口机制进行流量控制，防止发送方淹没接收方。

发送窗口: [已确认][可发送][等待发送]
接收窗口大小通告 -> 发送方调整发送速率

图示：

发送方: |已确认|可发送|受限|
接收方: |已处理|可用缓冲|

拥塞控制 ​

TCP 动态调整发送速率避免网络拥塞，包含慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复等算法。

慢启动: 指数增长窗口 -> 到达阈值 -> 拥塞避免: 线性增长
检测丢包 -> 调整阈值 -> 重新慢启动或快速恢复

工作原理 ​

数据封装过程 ​

数据在发送时从上到下封装，接收时从下到上解封装。

应用数据
↓ 添加TCP头
TCP段 (Segment)
↓ 添加IP头
IP数据包 (Packet)
↓ 添加帧头帧尾
帧 (Frame)
↓ 转换为信号
物理传输

三次握手 ​

TCP 建立连接需要三次握手，确保双方就绪：

客户端 -> SYN=1, seq=x -> 服务器
客户端 <- SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 <- 服务器
客户端 -> ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 -> 服务器
连接建立

四次挥手 ​

TCP 终止连接需要四次挥手，确保数据完整传输：

客户端 -> FIN=1 -> 服务器
客户端 <- ACK=1 <- 服务器
(服务器可能继续发送数据)
客户端 <- FIN=1 <- 服务器
客户端 -> ACK=1 -> 服务器
连接关闭

核心协议 ​

IP 协议 ​

网络层核心协议，提供无连接、不可靠的数据包传输服务。

• IPv4：32 位地址，头部 20-60 字节
• IPv6：128 位地址，简化头部设计 IP 数据包结构：

[版本|头长|服务类型|总长度]
[标识|标志|片偏移]
[生存时间|协议|头部校验和]
[源IP地址]
[目的IP地址]
[选项|填充]
[数据]

TCP 协议 ​

面向连接的可靠传输协议，提供字节流服务。 TCP 段结构：

[源端口|目的端口]
[序列号]
[确认号]
[头长|保留|标志位|窗口大小]
[校验和|紧急指针]
[选项|填充]
[数据]

标志位：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN

UDP 协议 ​

无连接的简单传输协议，提供数据报服务。 UDP 数据报结构：

[源端口|目的端口]
[长度|校验和]
[数据]

特点：开销小、延迟低、无可靠性保证

支持协议 ​

• ICMP：网络控制消息，用于 ping、traceroute
• ARP：地址解析协议，IP 地址到 MAC 地址映射
• DNS：域名解析系统
• DHCP：动态主机配置协议

路由机制 ​

IP 路由基于路由表，每个路由器独立决策下一跳。

路由表:
目标网络 | 子网掩码 | 下一跳 | 接口
192.168.1.0 | 255.255.255.0 | 直接 | eth0
0.0.0.0 | 0.0.0.0 | 192.168.1.1 | eth0

路由过程：

收到数据包 -> 提取目的IP -> 查找路由表 -> 匹配最长前缀 -> 转发到下一跳

安全考虑 ​

固有漏洞 ​

• IP 欺骗：伪造源 IP 地址
• 嗅探攻击：网络流量监听
• 会话劫持：接管 TCP 连接
• 拒绝服务：耗尽资源

防护机制 ​

• IPsec：网络层加密和认证
• TLS/SSL：传输层安全
• 防火墙：包过滤和状态检测
• VPN：建立安全隧道