TCP/IP 协议
TCP/IP 协议
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议
TCP：是用来检测数据传输中的差错并进行流量控制的协议，TCP如果发现问题，就要发出重新传输的信号，直到所有数据安全传输到目的地。
IP：最重要的作用是给网络中的每一台电脑分配一个唯一的地址。
TCP/IP的最大的优点是：兼容性 和 异构性（物理结构不同的网络相互连接在一起）
通信协议：计算机之间通信要共同遵守的原则称为通信协议
网络协议的三大要素：
- 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种回答
- 语法：数据与控制信息的结构或格式
- 时序：事件实现顺序的详细说明
协议栈：
协议栈（英语：Protocol stack），又称协议堆叠，是计算机网络协议套件的一个具体的软件实现。协议套件中的一个协议通常是只为一个目的而设计的，这样可以使得设计更容易。因为每个协议模块通常都要和上下两个其他协议模块通信，它们通常可以想象成是协议栈中的层。最低级的协议总是描述与硬件的物理交互。每个高级的层次增加更多的特性。用户应用程序只是处理最上层的协议
- 在实际中，协议栈通常分为三个主要部分：媒体、传输、应用。一个特定的操作系统或平台往往有两个定义良好的软件接口：一个在媒体层与传输层之间，另一个在传输层与应用层之间。
- 媒体到传输接口定义了传输协议的软件怎样使用特定的媒体和硬件（“驱动程序”）。例如：此接口定义的 TCP/IP 传输软件怎么与以太网硬件对话。这些接口的例子包括 Windows和DOS 环境下的 ODI和NDIS。
- 应用到传输接口定义了应用程序如何应用传输层。例如：此接口定义一个网络浏览器程序怎样和 TCP/IP 传输软件对话。这些接口的例子包括 Unix世界中伯克利套接字和微软的 Winsock
参考博客：https://blog.csdn.net/wangguchao/article/details/101756484
物联网的七大通信协议：
1、REST/HTTP（松耦合服务调用）：REST即表述性状态传递，是基于HTTP协议开发的一种通信风格。
适用范围：REST/HTTP 主要为了简化互联网中的系统架构，快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合，降低了客户端和服务器之间的交互延迟。因此适合在物联网的应用层面，通过 REST 开放物联网中资源，实现服务被其他应用所调用。
特点：
- REST 指的是一组架构约束条件和原则。满足这些约束条件和原则的应用程序或设计就是 RESTful。
- 客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的。
- 在服务器端，应用程序状态和功能可以分为各种资源，它向客户端公开，每个资源都使用 URI(标识、定位任何资源的字符串) 得到一个唯一的地址。所有资源都共享统一的界面，以便在客户端和服务器之间传输状态。
- 使用的标准的 HTTP 方法，比如：GET、PUT、POST和DELETE。
REST/HTTP 其实是互联网中服务调用 API 封装风格，物联网中采集到物联网应用系统中，在物联网应用系统中，可以通过开发 REST API 的方式，把数据服务开放出去，被互联网中其他应用所调用。
2、CoAP协议：受限于应用协议，应用于无线传感网中协议。
使用范围：CoAP是简化了HTTP协议的 RESTful API，CoAP 是 6LowPAN 协议栈中的应用层协议，它适用于在资源受限的通信的 IP 网络。
特点：
- 报头压缩：CoAP包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4B的基本报头，基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为 10 ~ 20B
- 方法和URIs：为了实现客户端访问服务器上的资源，CoAP支持 GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP还支持 URIs，这是Web架构的主要特点。
- 传输层使用 UDP 协议：CoAP协议是建立在 UDP 协议之上，以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。
- 支持异步通信：HTTP 对 M2M（Machine-to-Machine）通常不适用，这是由于事务总是由客户端发起。而CoAP协议支持异步通信，这对 M2M 通信应用来说是常见的休眠 / 唤醒机制。
- 支持资源发现：为了自主的发现和使用资源，它支持内置的资源发现格式，用于发现设备上的资源列表，或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持 RFC5785中的格式，在CoAP中用／．well—known／core的路径表示资源描述。
- 支持缓存：CoAP协议支持资源描述的缓存以优化其性能。
3、MQTT协议(低带宽)
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )，消息队列遥测传输，由IBM开发的即时通讯协议，相比来说比较适合物联网场景的通讯协议。MQTT协议采用发布/订阅模式，所有的物联网终端都通过TCP连接到云端，云端通过主题的方式管理各个设备关注的通讯内容，负责将设备与设备之间消息的转发。
适用范围：
在低带宽、不可靠的网络下提供基于云平台的远程设备的数据传输和监控。
特点：
- 使用基于代理的发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布
- 使用 TCP/IP 提供网络连接
- 小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量
- 支持QoS，有三种消息发布服务质量：“至多一次”， “至少一次”， “只有一次”
协议主要实现和应用：
- 已经有PHP，JAVA，Python，C，C#等多个语言版本的协议框架
- IBM Bluemix 的一个重要部分是其 IoT FoundaTIon 服务，这是一项基于云的 MQTT 实例
- 移动应用程序也早就开始使用MQTT，如 Facebook Messenger 和com等
- MQTT协议一般适用于设备数据采集到端（Device-》Server，Device-》Gateway），集中星型网络架构（hub-and-spoke），不适用设备与设备之间通信，设备控制能力弱，另外实时性较差，一般都在秒级。
4、DDS协议(高可靠性、实时)
DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems)，面向实时系统的数据分布服务。
适用范围：
分布式高可靠性、实时传输设备数据通信。目前DDS已经广泛应用于国防、民航、工业控制等领域。
特点：
- 以数据为中心
- 使用无代理的发布/订阅消息模式，点对点、点对多、多对多
- 提供多大21种QoS服务质量策略
协议主要实现：
- OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现
- OpenSplice DDS
DDS很好地支持设备之间的数据分发和设备控制，设备和云端的数据传输，同时DDS的数据分发的实时效率非常高，能做到秒级内同时分发百万条消息到众多设备。DDS在服务质量（QoS）上提供非常多的保障途径，这也是它适用于国防军事、工业控制这些高可靠性、可安全性应用领域的原因。但这些应用都工作在有线网络下，在无线网络，特别是资源受限的情况下，没有见到过实施案例。
5、AMQP协议(互操作性)
AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)，先进消息队列协议，用于业务系统例如PLM，ERP，MES等进行数据交换。
适用范围：
最早应用于金融系统之间的交易消息传递，在物联网应用中，主要适用于移动手持设备与后台数据中心的通信和分析。
特点：
- Wire级的协议，它描述了在网络上传输的数据的格式，以字节为流
- 面向消息、队列、路由（包括点对点和发布/订阅）、可靠性、安全
协议实现：
- Erlang中的实现有 RabbitMQ
- AMQP的开源实现，用C语言编写OpenAMQ
- Apache Qpid
- stormMQ
6、XMPP协议(即时通信)
XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)可扩展通讯和表示协议，一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。
适用范围：
即时通信的应用程序，还能用在网络管理、游戏、远端系统监控等。
特点：
- 客户机/服务器通信模式
- 分布式网络
- 简单的客户端，将大多数工作放在服务器端进行
- 标准通用标记语言的子集XML的数据格式
XMPP是基于XML的协议，由于其开放性和易用性，在互联网及时通讯应用中运用广泛。相对HTTP，XMPP在通讯的业务流程上是更适合物联网系统的，开发者不用花太多心思去解决设备通讯时的业务通讯流程，相对开发成本会更低。但是HTTP协议中的安全性以及计算资源消耗的硬伤并没有得到本质的解决。
7、JMS协议
JMS (Java Message Service)，即消息服务，这是JAVA平台中著名的消息队列协议。
Java消息服务应用程序接口，是一个Java平台中关于面向消息中间件(MOM)的API，用于在两个应用程序之间，或分布式系统中发送消息，进行异步通信。Java消息服务是一个与具体平台无关的API，绝大多数MOM提供商都对JMS提供支持。
JMS是一种与厂商无关的 API，用来访问消息收发系统消息，它类似于JDBC（Java Database Connectivity）。这里，JDBC 是可以用来访问许多不同关系数据库的 API，而 JMS 则提供同样与厂商无关的访问方法，以访问消息收发服务。许多厂商都支持 JMS，包括 IBM 的 MQSeries、BEA的 Weblogic JMS service和 Progress 的 SonicMQ。 JMS 能够通过消息收发服务（有时称为消息中介程序或路由器）从一个 JMS 客户机向另一个 JMS客户机发送消息。消息是 JMS 中的一种类型对象，由两部分组成：报头和消息主体。报头由路由信息以及有关该消息的元数据组成。消息主体则携带着应用程序的数据或有效负载。根据有效负载的类型来划分，可以将消息分为几种类型，它们分别携带：简单文本（TextMessage）、可序列化的对象 （ObjectMessage）、属性集合 （MapMessage）、字节流 （BytesMessage）、原始值流 （StreamMessage），还有无有效负载的消息 （Message）。
协议的基本设计原则：
- 每一个独立的网络必须按自己的标准建立起来，当这个网络和互联网连接的时候，不需要对其内部做任何改动。
- 网络应该在最佳的状态下完成通信。
- 如果一个 “信报” 没有到达目的地，最初发出 “信报” 的节点将很快重发该 “信报”。
- 网络之间由叫做 “黑匣子” 的设备进行互相连接，这里所谓的 “黑匣子” 就是后来被称为类似 “网关” 和 “路由器” 的设备。
在1982年做出了在 ARPANET 上使用 TCP/IP 以代替原来使用的网络控制协议（NCP）的决定
TCP/IP的4层架构
| 第4层（应用层） | Telnet、FTP、HTTP、DNS、SNMP、SMTP等 |
|---|---|
| 第3层（传输层） | TCP 和 UDP |
| 第2层（网络层） | IP、ICMP 和 IGMP |
| 第1层（网络接口层） | 设备驱动程序和网络接口卡等 |
综上所述：网络协议是分层的，在这种层次结构中各层有明确的分工，不同层的协议从上到下形成了一个栈结构的依赖关系，通常将其形象地称为协议栈。但 TCP和IP 是该协议栈中的两个最重要的协议，所以人们常常将该协议栈简称为 TCP/IP
网络接口层
网络接口层位于 TCP/IP 协议栈的最底层，它负责将其之上的网络层要发送出去的数据（即 IP 数据报）发送到其下面的物理网络，或接收由物理网络发送到该目标机的数据帧，并抽出 IP 数据报给网络层。
数据传输介质：也称为数据传输媒体，它是数据信号在传输过程中的物理载体。
传输介质：
- 有线传输介质
- 同轴电缆：以硬铜线为芯，外包保护套、屏蔽金属网和塑料绝缘层的传输介质。优点是信号的传输距离较远，覆盖的地域范围较大，且技术较成熟。其缺点是电缆较硬，折曲困难，重量重等。同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线。
- 双绞线
- 光缆
- 无线传输介质
- 无线传输
数据传输方式：
-
1、数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是指在某个区间内产生的连续值。数字数据是指一些离散值。数字信号是离散信号，如计算机通信所用的由二进制代码 “0” 和 “1” 组成的信号。
-
2、通信系统模型：点到点的通信是通信系统的基础。
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3、数据传输方式：
- 模拟传输：指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。当传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。
- 数字传输：指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码器编码，变换成数字信号。
-
4、串行通信与并行通信：
- 串行通信指数据流一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可，其优点是易于实现。
- 并行通信可以一次同时传送一个字节（字符），即8个码元。并行传送传输效率高，但传输设备要增加7倍，一般用于近距离范围内，要求快速的传输。
-
5、数据通信方式：
- 单工通信方式
- 半双工通信方式
- 全双工通信方式
数据编码技术：
- 1、数字数据的模拟信号编码：这种编码方式是将数字数据调制成模拟信号进行传输
- （1）幅移键控法：是使用载波频率的两个不同振幅来表示二进制值，在一般情况下，用振幅恒定载波的存在与否来表示两个二进制位。
- （2）频移键控法：是使用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值。FSK 比 ASK 的编码效率高，抗干扰性较强。
- （3）相移监控法：是使用载波信号的相位移动来表示二进制数据。在 PSK方式中，信号相位与前面信号序列同相位的信号表示0，信号相位与前面信号序列反相位的信号表示1
- 2、数字数据的数字信号编码：最简单的信号编码方法是用信号的两个不同电压值来表示两个二进制数据
- （1）NRZ码：是用信号的幅度来表示二进制数据的，通常用正电压表示数据 “1”，用负电压表示数据 “0” ，并且在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零码。
- （2）DNRZ码：是NRZ码的一种改进形式，它是用信号的相位变化来表示二进制数据的，一个信号位的起始处有跳变表示数据 “1”，无跳变表示数据 “0”。
- （3）曼切斯特码：用一个信号码元中间电压跳变的相位不同来区分数据 “1” 和 “0”，它用正的电压跳变表示 “0”，用负的电压跳变表示 “1”.
- （4）差分曼切斯特码：是曼切斯特码的一种改进形式，其差别在于每个码元的中间跳变只作为同步时钟信号，而数据“0”和“1”的取值是用信号位的起始处有无跳变来表示，若有跳变则为 “0”，若无跳变则为 “1”.这种编码也是一种自同步编码，令牌环网采用这种差分曼切斯特编码。
- 3、模拟数据的数字信号编码
- 在数字化的电话交换和传输系统中，需要将模拟的话音数据编码成信号再进行传输。这里常用的编码技术是脉冲编码调制（PCM技术）。根据采样原理，如果在规定的时间间隔内使用最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样的话，这些数字化的采样值中则包含了不混叠而又便于分离的全部原始信号特征，利用低通滤波器可以不失真地从这些采样值中重新恢复出信号。
信道复用技术
在一个网络系统中，线路容量或者介质带宽是非常宝贵的资源，必须尽量地提高介质利用率。
可以采用多路复用技术从时间和空间两个方面来解决多路信号同时复用单一介质的问题。多路复用技术主要有3种：频分多路复用、时分多路复用和光波分多路复用
- 1、频分多路复用技术：将物理通道的总带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同（或略为宽一点，以保证各路信号带宽不相互重叠）的子信道，每一个子信道传输一路信号，就可以达到同时在单一介质上传输多路给定信号的目的，这就是频分多路复用。
- 2、时分多路复用技术：每路信号按时间先后轮流交替地使用单一信道，那么在宏观上多路数字信号便可以实现同时传输。各路信号可以按位、字节、块或帧等为单位交替地使用单一信道。
- 3、光波分多路复用技术：是在一根光纤中能同时传播多个光波信号的技术。光波分多路复用的原理就是将一条单纤转换为多条 “虚纤”，每条虚纤工作在不同的波长上。
数据链路层：
数据链路层的概念
一般认为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须要有一条物理线路上传送数据时，除了必须要有一条物理线路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，这样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。
现在常用的方法是使用 网络适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件，它包括了数据链路层和物理层这两层的功能。
主要功能
- 链路建立和拆除：数据链路的建立、维持和释放。
- 帧传输（帧同步）：接收方能从收到的比特流中准确的区分出一帧的开始位置和结束位置。
- 流量控制：控制发送方发送数据的速率，使接收方来得及接收。
- 差错控制：接收方检测并丢弃收到的差错帧，要求发送方重传丢弃的帧。
- 数据链路管理：提供各种服务质量参数，包括检测到不可纠正错误的平均时间、漏检差错率、传输延迟和吞吐量等，以及对异常情况的处理。
数据链路的流量控制
停止-等待流量控制机制：是数据链路层中最基本最简单的协议。
- （1）数据链路层从网络层接收一个分组后，加上数据链路层帧头和桢尾，再把它经物理层发送出去，同时启动一个定时计数器。
- （2）接收方链路层收到数据帧后，发一个确定帧 ACK（接收数据正确）或否定性确认帧 NAK（数据有误）给发送方链路层。
- （3）收到正确帧提交给网络层，接收到的错误帧被丢弃。
- （4）发方如果在计时时间范围内得到的是 ACK，则发送下一帧；如果收到的是 NAK 或者计时时间已到而没收到 ACK ，则将重发刚才送出去的帧。
连续ARQ协议
- 发送方连续发送数据帧，不必等待确认帧的返回。
- 接收方只能按序接收数据帧。接收方将出错帧及其后续帧一起丢弃；在超时未收到出错帧的确认帧的情况下，发送方从出错帧开始重传所有已发送但未确认的帧。
数据链路的流量控制机制
滑动窗口流量控制机制
- 发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口。
- 发送窗口用来对发送端进行流量控制。
- 发送窗口的大小 Wt 代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。
接收端设置接收窗口
- 在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。
- 若接受到的数据帧在接受窗之外，则一律将其丢弃。
- 只有当收到的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置同时发送对该帧的确认。
网际层
网际层在 TCP/IP 协议栈的第二层，也称为互联网络层（互联层），因该层的主要协议是 IP ，所以也可简称为 IP 层。它是 TCP/IP 协议栈中最重要的一层，主要功能是把源主机上的分组根据需要发送到互联网中的任何一台主机上。
在网际层传输的数据单位叫 IP 数据报，也称为 IP 分组。
传输层
在 TCP/IP 协议簇中，传输层处于第三层。传输层完成通常所说的两台主机之间的通信，其实质是两台主机上对应的应用进程之间的通信。传输层提供的应用进程之间的通信，也叫 端到端（End to End）的通信。端到端的通信是在传输层两个通信的实体之间进行的，这就好像是在两个通信的实体之间建立了一条逻辑通路一样，它屏蔽掉了 IP层 的路由选择和物理网络等细节。
应用层
应用层在 TCP/IP 协议簇的第四层，即最高层，它提供面向用户的网络服务，如进行文件的传输服务和远程登录服务等。比较常用的有 远程登录协议（Telnet）、文件传输协议（FTP）、超文本传输协议（HTTP）、域名系统（DNS）、简单网络管理协议（SNMP）和简单邮件传输协议（SMTP）等
由于传输层可以使用 TCP，也可以使用 UDP。因此，有些应用协议是基于 TCP的（如 FTP 和 HTTP等），有些应用层协议是基于 UDP 的（如 SNMP 等）。
计算机的拓扑结构：
- 总线型拓扑结构
- 星型拓扑结构（数据通信方式）
- 环形拓扑结构
数据的封装与解封中：一般 TCP 传给 IP 的数据单元称作 TCP报文段或简称为 TCP段。IP 传给网络接口层的数据单元称作 IP 数据报。通过以太网传输的比特流叫做数据帧
操作系统边界的下面各层是包含在操作系统内核中由操作系统来实现的，它们共同处理数据传输过程中的通信问题
地址边界的下层为各个物理网络，不同的物理网络使用的物理地址各不相同，因此，在地址边界的下面只能是各个互联起来的网络使用自己能识别的物理地址。
OSI/RM的7个功能层划分原则如下：
| 层次号 | 层次名 |
|---|---|
| 第7层 | 应用层（直接面向用户应用，包含使用网络服务的各种应用程序。） |
| 第6层 | 表示层（主要作用是为异构的计算机通信提供一种公共表示方式，以便使传输的信息最终送到目标端以后保持原来信息的含义而不发生改变） |
| 第5层 | 会话层（功能是在传输层的基础上提供应用进程之间的会话控制机制，包括建立和维持会话，并使会话过程保持同步） |
| 第4层 | 传输层（提供源节点和目标节点之间端到端的可靠传输服务；为了保证源端通信实体之间的可靠性，传输层还要进行再次检查；此外，传输层还要具有差错恢复、流量控制等功能。传输层的服务一般要经历传输连接建立、数据传送和传输连接释放3个阶段） |
| 第3层 | 网络层（定义通信子网络之间传输的数据单元，建立网络之间的互联，进行路由选择和中继，进行拥塞控制等） |
| 第2层 | 数据链路层（可以在不可靠的物理介质中提供可靠的数据传输，该层的作用包括物理地址寻址，数据的成帧、流量控制，数据的检错、重发等） |
| 第1层 | 物理层（是为设备之间的数据传输提供介质及互连设备，即建立源节点与目标节点之间的数据传输通路，实现比特流的透明传输） |
网络接口层：物理层 和 数据链路层
网际层：网络层
传输层：传输层
应用层：会话层、表示层 和 应用层
- 网路中各节点都有相同的层次。
- 不同节点的同等层具有相同的功能。
- 同一节点内相邻层之间通过接口通信。
- 每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。
- 不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。