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TCP/IP 协议详解

1. TCP 协议特点​

1.1 基本特性​

  • 面向连接：通信前需要建立连接
  • 可靠传输：确保数据完整性和顺序性
  • 全双工通信：双方可以同时收发数据
  • 面向字节流：把应用层数据看作字节流

1.2 可靠传输机制​

  • 序列号和确认号
  • 超时重传
  • 流量控制（滑动窗口）
  • 拥塞控制（慢启动、拥塞避免）

2. TCP 三次握手​

2.1 握手过程​

Client                Server
  |     SYN=1, seq=x     |    第一次握手
  |-------------------->|
  |  SYN=1, ACK=1      |    第二次握手
  |  seq=y, ack=x+1    |
  |<--------------------|
  |     ACK=1          |    第三次握手
  |     ack=y+1        |
  |-------------------->|

2.2 为什么是三次握手？​

  1. 第一次握手：客户端发送 SYN

    • 客户端：我想要建立连接
    • 服务端：知道客户端有发送能力

  2. 第二次握手：服务端回复 SYN+ACK

    • 服务端：我收到了，我也想建立连接
    • 客户端：知道服务端有收发能力

  3. 第三次握手：客户端发送 ACK

    • 客户端：我收到了，连接建立完成
    • 服务端：知道客户端有接收能力

必须三次的原因：

  1. 防止历史连接：

    • 如果是两次握手，可能会出现历史连接请求突然到达服务器，导致错误连接
    • 三次握手可以防止历史连接，因为第三次握手会确认双方的初始序列号

  2. 确认双方的收发能力：

    • 第一次握手：确认客户端的发送能力
    • 第二次握手：确认服务端的接收、发送能力
    • 第三次握手：确认客户端的接收能力

3. TCP 四次挥手​

3.1 挥手过程​

Client                Server
  |   FIN=1, seq=u      |    第一次挥手
  |-------------------->|
  |   ACK=1, ack=u+1    |    第二次挥手
  |<--------------------|
  |   FIN=1, seq=w      |    第三次挥手
  |<--------------------|
  |   ACK=1, ack=w+1    |    第四次挥手
  |-------------------->|

3.2 为什么是四次挥手？​

  1. 第一次挥手：客户端发送 FIN

    • 客户端：我的数据发完了，想要关闭连接
    • 服务端：知道客户端想要关闭

  2. 第二次挥手：服务端发送 ACK

    • 服务端：我知道了，但我可能还有数据要发送
    • 客户端：进入 FIN_WAIT_2 状态

  3. 第三次挥手：服务端发送 FIN

    • 服务端：我的数据也发完了，可以关闭了
    • 客户端：知道服务端要关闭

  4. 第四次挥手：客户端发送 ACK

    • 客户端：好的，我知道了
    • 服务端：收到确认，可以关闭

必须四次的原因：

  1. TCP 是全双工通信：

    • 两个方向的连接可以独立关闭
    • 一方关闭连接后，另一方还可以继续发送数据

  2. 延迟确认机制：

    • 第二次和第三次挥手不能合并
    • 服务端收到 FIN 后，可能还有数据需要发送
    • 必须等数据发送完才能发送 FIN

3.3 TIME_WAIT 状态​

  • 持续时间：2MSL（Maximum Segment Lifetime）
  • 作用：
    1. 确保最后一个 ACK 能到达服务端
    2. 防止历史连接中的数据段被新连接接收

4. TCP 可靠传输机制​

4.1 序列号和确认号​

发送方                接收方
  |   seq=100, data      |
  |-------------------->|
  |   ack=101           |
  |<--------------------|

4.2 超时重传​

发送方                接收方
  |   seq=100, data      |
  |         X           |  // 数据丢失
  |     超时重传         |
  |   seq=100, data      |
  |-------------------->|

4.3 流量控制​

  • 滑动窗口机制
  • 接收方通告窗口大小
  • 防止发送方发送速度过快

4.4 拥塞控制​

  1. 慢启动
  2. 拥塞避免
  3. 快重传
  4. 快恢复

2. UDP 协议​

特点​

  • 无连接
  • 不可靠传输
  • 快速传输
  • 支持广播和多播

应用场景​

  • 实时音视频
  • DNS查询
  • 游戏数据包