TCP/IP协议组——完整工作过程分析
参考链接：https://blog.csdn.net/weixin_42621338/article/details/87354737?utm_source=app
1.什么是TCP/IP
TCP/IP是一套用于网络通信的协议集合或者系统。TCP/IP协议模型就有OSI模型分为7层。但其实一般我们所谈到的都是四层的TCP/IP协议栈。
网络接口层：主要是指一些物理层层次的接口，比如电缆等
网络层：提供了独立于硬件的逻辑寻址，实现物理地址和逻辑地址的转换。网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（互联网控制报文协议），IGMP协议(Internet组协议管理)
传输层：为网络提供了流量控制，错误控制和确认服务。传输层有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）
应用层：为文件传输，网络排错和Internet操作提供具体的程序应用
2.数据包
在TCP/IP协议中数据由上至下将数据封装成包，然后再由下至上的拆包。那么数据又是怎么打包的呢？
在装包的时候，每一层都会增加一些信息用于传输，这部分信息叫做报头。当上层数据到达本层的时候，会将数据加上报头打包在一起形成新的数据包继续往下一层传递。拆包的时候就是反着来了，就像俄罗斯套娃一样，拆完最外面一层得到需要的报头，向上传递。
接下来由上至下的分析整个TCP/IP协议的工作过程
1.应用层
应用层作为TCP/IP协议的最上层，其实是我们接触最多的。
由于在传输层的传输协议大致分成了TCP和UDP，所以在应用层对应的协议也就分成了两部分。
运行在TCP协议上的协议：
- HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议），主要用于普通浏览。
- HTTPS（Hypertext Transfer Protocol over Secure Socket Layer, or HTTP over SSL，安全超文本传输协议）,HTTP协议的安全版本。
- FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议），由名知义，用于文件传输。
- POP3（Post Office Protocol, version 3，邮局协议），收邮件用。
- SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议），用来发送电子邮件。
- TELNET（Teletype over the Network，网络电传），通过一个终端（terminal）登陆到网络。
- SSH（Secure Shell，用于替代安全性差的TELNET），用于加密安全登陆用。
运行在UDP协议上的协议：
- BOOTP（Boot Protocol，启动协议），应用于无盘设备。
- NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），用于网络同步。
- DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议），动态配置IP地址。
Http协议的工作流程
一次Http操作称为一个事务，其整个工作流程如下：
1）地址解析
比如客户端浏览器请求浏览页面：www.baidu.com。其实这是一个默认路径，因为平常默认会省略协议名、端口号，访问主页的时候路径也会省略，所以完整路径写法是http://www.baidu.com:80/index.html。这就是我们常说的URL统一资源定位符，用来定位我们访问资源在服务器上的位置。
从这个URL中可以分解出协议名、主机名、端口号、访问对象的路径
- 协议名：http
- 主机名：www.baidu.com
- 端口号：80（http协议的默认端口）
- 路径：/index.html
在这时候需要域名系统DNS协议解析域名，得到主机的ip。
2）封装http请求数据包
将以上部分（我们想要访问的服务器页面资源）结合自己的本机信息生成一个请求数据报文，封装成一个HTTP请求数据包。至于http的请求数据报文什么样，点击这个。
DNS协议工作流程
1）通过域名访问网页
2）计算机会先将域名发送到一个解析域名的服务器上
- 在其服务器上有很多服务器，能解析各种各样的域名，比如有专门解析.org的，解析.com的，解析.net的。等等，最主要的有一个根域名服务器
- 域名解析(在服务器上查找IP地址)的过程有两种算法，迭代查询，递归查询。一般是两种查询的结合
- 本机计算机找到其中一台解析域名的服务器(可能是.com)，如果没有找到对应的IP地址，那么就会去找根域名服务器，根域名服务器知道所有的子服务器，所以他肯定知道该域名所对应的IP地址在那个子服务器中，所以告诉第一次查询的服务器要他去另一台服务器上找，找到了，就将其返回给计算机，以后在有另一台计算机也通过这个域名访问，那么第一台服务器会有原来的域名IP地址的缓存，就不用去找根服务器了。
3）找到服务器ip地址就可以访问了
2.传输层
http封装请求数据包以后传给传输层，tcp协议部分开始运作。这里将数据包和TCP报头生成TCP报文，打包成新的数据包。
TCP报文结构（点击查看详情）：
为了完成三次挥手四次握手，这里需要知道序列号seq、确认应答序号ack（小写字母）、控制位：
序列号seq：
因为在TCP是面向字节流的，他会将报文都分成一个个字节，给每个字节进行序号编写，比如一个报文有900个字节组成，那么就会编成1-900个序号，然后分几部分来进行传输，
比如第一次传，序列号就是1，传了50个字节， 那么第二次传，序列号就为51，所以序列号就是传输的数据的第一个字节相对所有的字节的位置。
确认应答ack：
如刚说的例子，第一次传了50个字节给对方，对方也会回应你，其中带有确认应答，就是告诉你下一次要传第51个字节来了，所以这个确认应答就是告诉对方下一次要传第多少个字节了。也就是说告诉序列号下一次从哪里开始
控制位目前有6个
URG:紧急，当URG为1时，表名紧急指针字段有效，标识该报文是一个紧急报文，传送到目标主机后，不用排队，应该让该报文尽量往下排，让其早点让应用程序给接受。
ACK:确认，当ACK为1时，确认序号才有效。当ACK为0时， 确认序号没用
PSH：推送，当为1时，当遇到此报文时，会减少数据向上交付，本来想应用进程交付数据是要等到一定的缓存大小才发送的，但是遇到它，就不用在等足够多的数据才向上交付，
而是让应用进程早点拿到此报文，这个要和紧急分清楚，紧急是插队，但是提交缓存大小的数据不变，这个推送就要排队，但是遇到他的时候，会减少交付的缓存数据，提前交付。
RST:复位，报文遇到很严重的差错时，比如TCP连接出错等，会将RST置为1，然后释放连接，全部重新来过。
SYN：同步，在进行连接的时候，也就是三次握手时用得到，下面会具体讲到，配合ACK一起使用
FIN：终止，在释放连接时，也就是四次挥手时用的。
三次握手：
在通信之前，会先通过三次握手的机制来确认两端口之间的连接是否可用。而UDP是不需要确认的，直接传
最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。
某个时刻客户端和服务器要进行通信，此时双方都有备好的端口，服务器的端口会处于监听状态，等待客户端的连接。
怎么知道服务器端口号的？
http在访问url中已经拿到！
怎么知道客户端要连接进来，服务器才进入listen状态？
TCP老早就创建了传输控制块TCB，时刻待命准备接受客户端的连接请求，此时服务器就被动地进入了listen状态。
第一次握手：
客户端想要连接，创建传输控制块TCB，状态变为主动打开。发送给服务器不包含数据内容的连接请求报文。该请求报文首部中同步位SYN=1，同时选择一个初始序列号seq=x（携带了x个字节）。然后客户端进入 SYN-SENT （同步已发送）状态，告诉服务器我想和你同步连接。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
第二次握手：
TCP服务器收到连接请求报文，如果同意连接则发送确认报文。为了保证下次客户端发送报文时seq序列号是正确的，需要发送确认号ack=x+1，同时确认号ack要生效必须发送ACK=1，再加上同步位SYN=1，序列号seq=y（携带Y个字节），然后服务器也进 入SYN-RCVD (同步已收到) 状态，完成同步连接。这个报文也是SYN报文，也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
第三次握手：
客户端收到确认后还要再向服务器发送确认报文。确认报文已经不是请求报文SYN了，不再包含SYN同步位。发送的内容有序列号seq=x+1（和第二次握手的ACK对应），确认号ack=y+1，ACK=1。客户端发送确认报文以后进入ESTABLISHED（已建立）状态，服务器接收到确认报文以后也进入ESTABLISHED状态。此时TCP连接完成建立。
然后就可以发送TCP接收到Http的数据包后生成的新数据包了！
但是貌似看起来两次握手请求就可以完成事，为什么非要三次握手呢？
主要是为了防止已经失效的连接请求报文突然又传到了服务器，从而产生错误。
如果是两次握手，假设一种情景：客户端发送了第一个请求连接报文并未丢失，只是因为网络问题在网络节点中滞留太久了。由于客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到。于是再发送一条请求连接报文，此时一路畅通完成两次握手建立连接，传输数据，关闭连接。然后那个前一条龟速的请求报文终于走到了服务器，再次和服务器建立连接，这就造成了不必要的资源浪费。
如果是三次握手，就算那一条龟速的请求报文最后到达了服务器，然后服务器也发送了确认连接报文，但是此时客户端已经不会再发出确认报文了，服务器也接受不到确认报文，于是无法建立连接。
四次挥手：
数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。
第一次挥手：
客户端从ESTABLISHED状态变为主动关闭状态，客户端发送请求释放连接报文给服务器，FIN=1，seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
第二次挥手：
服务器接收到客户端发来的请求释放报文以后，发送确认报文告诉客户端我收到了你的请求，内容差不多就是seq=v，ack=u+1，ACK=1，此时服务器进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。
为什么是CLOSE-WAIT状态？可能自己服务器这端还有数据没有发送完，所以这个时候整个TCP的连接就变成了半关闭状态。服务器还能发送数据，客户端也能接收数据，但客户端不能再发送数据了，只能发送确认报文。
客户端接收到服务器传来的确认报文以后，进入 FIN-WAIT-1（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放的报文（在这之前，还需要接受服务器没有发送完的最后的数据）。
第三次挥手：
服务器所有的数据都发送完了，认为可以关闭连接了，于是向客户端发送连接释放报文，内容FIN=1，seq=w，ack=u+1（客户端没发送消息，所以提醒客户端下一次还是从u+1开始发送序列），ACK=1。此时服务器进入了 LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端发送确认报文。
第四次挥手：
客户端接收到了服务器发送的连接释放报文，必须发出确认。确认报文seq=u+1，ack=w+1，ACK=1。此时客户端进入 TIME-WAIT （时间等待）状态，但是没有立马关闭。此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
因为这个确认报文可能丢失。服务器收不到确认报文心想这可能是我没传到或者丢失了啊，于是服务器再传一个FIN，然后客户端再重新发送一个确认报文。然后刷新2∗∗MSL时间。直到这个时间内收不到FIN连接释放报文，客户端撤销TCB进入CLOSE状态。
而服务器，在接收到确认报文的时候就立马变为CLOSE状态了。所以服务器结束TCP连接的时间略早于客户端。
万一确认连接以后客户端故障怎么办？
TCP设有一个保活计时器。显然客户端故障时服务器不会智障般等下去，白白浪费资源。服务器每次收到一次客户端的请求以后都会刷新这个保活计时器，时间通常设置为2小时。若2个小时依旧没有收到客户端的任何数据，服务器会发送一个探测报文段，每隔75分钟发一个，如果连发十个都没有数据反应，那么服务器就知道客户端故障了，关闭连接。
3.网络层
TCP数据包到了这一层，再加上IP报文生成新的IP数据包
前面有提到网络层主要负责物理地址（mac）和逻辑地址（ip）的转换。
ICMP（Internet Control Message Protocol：互联网控制消息协议）：主要负责网络层和传输层的数据交换，是为了更有效地转发IP数据报文和提高数据报文交付成功的机会，是介于传输层和网络层之间的协议。
ARP（Address Resolution Protocol：地址解析协议）：主要是将IP地址解析成MAC地址的协议。
RARP（Reverse Address Resolution Protocol：逆地址解析协议）：正好相反，是将MAC地址解析成IP地址的协议。
IP协议（Internet Protocol：网际协议）：是TCP/IP协议族中最为核心的协议。它提供不可靠、无连接的服务，也即依赖其他层的协议进行差错控制。
报文结构格式（了解更多）：
再谈谈IP地址 ：
TCP/IP协议网络上每个网络适配器都有一个唯一的ip地址
IP 地址是一个 32 位的地址,这个地址通常分成 4 端，每 8 个二进制为一段，但是为了方便阅读，通常会将每段都转换为十进制来显示，比如大家非常熟悉的 192.168.0.1（本地局域网）
IP地址分为两部分，一部分是网络ID，另一部分是主机ID。但是具体哪一部分是网络D，哪一部分是主机ID并没有明确规定。因为有的网络需要主机很少，因此较短；而有些比较长，因此主机ID较长。
绝大部分 IP 地址属于以下几类
A 类地址：IP 地址的前 8 位代表网络 ID ，后 24 位代表主机 ＩＤ
B 类地址：IP 地址的前 16 位代表网络 ID ，后 16 位代表主机 ＩＤ
C 类地址：IP 地址的前 24 位代表网络 ID ，后 8 位代表主机 ＩＤ
从以下的图中就可以很简单区分IP地址属于哪一类了，比如我的ip地址192.168.0.1就是属于C类
注意：
1.十进制第一段大于 223 的属于 D 类和 E 类地址，这两类比较特殊也不常见，这里就不做详解介绍了。
2.每一类都有一些排除地址，这些地址并不属于该类，他们是在一些特殊情况使用地址
3.除了这样的方式来划分网络，我们还可以把每个网络划分为更小的网络块，称之为子网
4.网络接口层（更多）
其实这里还可以分为数据链路层和物理层
这一层主要涉及到一些物理传输，比如以太网，无线局域网，电缆等
IP数据包到了这层就不一样了啊！数据链路会在IP数据报的首尾加上首部和尾部代表数据包的结束，封装成帧。首部和尾部都是8位2进制表示，可以一样也可以不一样。
那么具体数据包在链路层是怎么传递的呢？
链路：一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点，通俗的将，就是一根线，其中不经过任何东西，这样的就是链路，一条链路只是一条通路的一个组成部分
数据链路：除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。 通俗讲，就是经过了一些交换机呀，什么的。
最终到达目的地，所有路段就是数据链路，而数据链路中就包含了多段链路。
适配器：也就是网卡，就是用来实现数据链路上一些协议。
帧：数据链路层上传送的就是帧
如果再往下到物理层呢？就成为比特流传输了。