深入理解TCP/IP

通过此贴记录一下学习笔记，如若有哪处有错，还请诸位大佬指点一二！

1、TCP/IP基础知识

1.1 TCP/IP协议分层模型

1. 硬件（物理层）：负责数据传输的硬件，相当于以太网或电话线路等物理层的设备。
2. 网络接口层（数据链路层）：互联设备之间传送和识别数据帧，比如数据帧与比特流之间的转换、数据帧的生成与接受等
3. 网络层：地址管理与路由选择。此层主要负责寻址和路由选择，将数据传输到正确的地址。常用的协议有 ： IP / ARP / ICMP(从IP中解析出MAC地址)
4. 传输层：管理两个节点之间的数据传输，负责可靠传输。常见协议有：TCP\UDP等
5. 应用层（会话层及以上的分层）：会话层负责建立和断开通讯链接，以及数据分割等数据传输相关的管理；表现层负责将应用处理的信息转化为方便网络传输的格式，或将下一层的数据转换为上层能够处理的格式；应用层主要针对的是具体的应用场景，如SMTP\FTP\SNMP\TELNET与SSH等

数据结构：
接收端MAC地址+发送端MAC地址+以太网类型 -> 发送端IP地址+接收端IP地址+协议类型 -> 目标端口号+源端口号 -> 数据 -> 循环冗余校验

问题：既然MAC地址是唯一的，那么为什么还要多余设计一个IP地址呢 ？

IP 地址是一个网卡在网络世界中的通讯地址，相当于我们现实世界的门牌号码，也就是说一个网卡在同一时间段内，只能有一个IP地址，一个机器可以有多个IP地址（有线网卡与无线网卡）。MAC地址也是唯一的，可以看作是网卡的身份证号，它是根据供应商的不同决定的唯一性标识，所以必然就导致其没有办法进行规律化和区域化。为了定位位置，只有MAC地址肯定是不行的，所以需要设计IP地址来实现远程定位详细地址的协议。（MAC地址也可以定位，不过通讯范围小，仅仅局限于一个子网内）。

1.2、数据链路层

数据链路层是TCP/IP协议的基础，必须了解

MAC地址在网卡出厂时，就被写入到了ROM中，地址长48位：第1位是单播地址0/多播地址1，第二位是全局地址0/局部地址1，3至24位由IEEE管理使其不重复，25~48位由厂商管理，保证产品之间不重复。但是呢，MAC地址也是可能出现重复的状况，但是只要不同属于一个数据链路就不会出现问题（比如，人们可以自己在微机板上烧录自己的MAC地址）

共享介质型网络有两种介质访问方式：争用方式和令牌传递方式。其中，争用方式会发生冲突，可以使用CSMA/CD方法，使每个站在发送前检查冲突。；令牌传递方式则使用一段叫做“令牌”的特殊报文段，控制传输权限，只有获得令牌的站才可以发送数据（会出现令牌环问题，采用生成树方法或源路由法解决）。

非共享介质网络通常采用全双工通信，可以使用交换机，根据信号中的目标地址，将信号直接传输至目标机器。交换机有两种转发方式：存储转发和直接转发，存储转发可以避免发送因重复而破环的帧和错误帧；直接转发具有延迟较短的优点，但是不可避免地有发送错误帧的可能。

2、IP 网络协议

从上面的描述中可以看出，数据链路层主要负责在互联同一数据链路的节点之间进行包传递，如果需要跨数据链路进行数据通信的话，就需要用到IP协议了

IP协议为了实现简单化与高速化，采用了面向无连接的方式进行数据传输（如若出错，使用ICMP返回错误信息）。

IP地址32位，由网络标识与主机标识共同确保其唯一性。其有四个等级：A、B、C、D，主要区别在于网络标识位的位数不同。（主机标识不可全部为0或1）。随着互联网覆盖范围的增加，ABCD分类不够用了，此时引入子网掩码，自由地定位自己地网络标识位的长度，相对缓解了全局IP不足的问题。

有了IP地址之后，另外需要路由控制来控制数据包的转发。路由控制由路由控制表来实现，其保存了网络地址与下一步应该发送至的路由器的地址。

此时有一个问题：网络层与数据链路层之间进行数据交换时，不同的数据链路层允许传输的最大传输单元大小不同，所以必须得对IP数据分片处理。分片后，在目标主机处进行重组。此时问题又来了：如果某个分片丢失，则一整段数据就都无用了，为了解决这个问题，提出了路径MTU发现 ，提前寻找所有数据链路中允许传输包的最小值，发送主机在发送数据前，就将数据分片，这样就不需要在传输过程中进行分片处理了。（路径MTU原理：发送端主机发送数据时，不允许分片，如果出错，使用ICMP的不可达消息将该处数据链路层的MTU大小发送给主机，然后使用该MTU进行传输，不断迭代，直到成功发送为止，最后一次MTU即为合适大小）。

–引用于CSDN粪逗er

IP协议有关技术： DNS(Domain Name System) \ ARP(Address Resolution Protocal) \ ICMP \ DHCP(Dynamic Host Configuration Protocal) \ NAT(NetWork Address Translator) 等。有时间的话，再另开新帖进行记录。

3、TCP与UDP

终于写到这块了，只记录一些容易忽略的东西

UDP 为了追求速度，不提供任何复杂的控制机制。如若出现丢包、乱序等问题，也不会进行纠正处理。如果需要这些操作，只能在应用层面进行处理。

UDP首部非常简单，为源端口号、目标端口号、包长度和校验和

TCP

问题1：重发超时如何确定？

最理想的情况下，找到一个最小时间，保证“确定应答一定能够在这个时间段内返回”。然而这个时间会随着数据包所途经的网络环境的不同而变化。所以，它在每次发包时，都会计算往返时间及其偏差，将二者相加后，重发超时的时间就是比这个总和稍大一些的值。

问题2：tcp如何确定发送数据包的大小？

最理想的情况下，最大消息长度（MSS）为IP中不会被分片处理的最大数据长度。MSS是在三次握手的时候，在两端主机之间被计算得出的。

问题3：在使用窗口控制的时候，如果出现段丢失的情况怎么办？

没有使用窗口控制时，未收到确认应答信息的数据都会被重发。而使用了窗口控制之后，某些确认应答即使丢失了，也不需要进行重发操作。而当出现数据丢失的情况下，如果收到一个自己应该接收的序号以外的数据，会针对当前为止收到的数据返回确认应答。这种机制比超时管理更加高效。

问题4：拥塞控制

慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复。启动时，采用慢启动策略，将拥塞窗口大小设为1，随着每次包的成功往返，拥塞窗口以1、2、4指数级增长。为防止网络阻塞的发生，设置一个慢启动阈值，当窗口大小超过阈值后，按比例增长，呈直线上升趋势。发生段丢失时，如果是由重复确认应答而触发的高速重发控制时，网络环境不一定很差，所以窗口大小被设置为慢启动阈值+3个数据段的大小；如果时因为超时重传而触发的超时控制的话，网络环境一定非常堵塞，故窗口大小从1重新开始。（慢开始阈值都变为当前窗口大小的一半）

未完待续……