TCP协议原理

一个数据包的生命过程：数据包如何送达主机、主机如何将数据包转交给应用、数据是如何被完整地送达应用程序

互联网，实际上是一套理念和协议组成的体系架构 。其中，协议是一套众所周知的规则和标准，如果各方都同意使用，那么它们之间的通信将变得毫无障碍。数据通信是通过数据包来传输的。如果发送的数据很大，那么该数据就会被拆分为很多小数据包来传输。之后再由接收方按照数据包中的一定规则将小的数据包整合成全部数据。

IP 是非常底层的协议，只负责把数据包传送到对方电脑，不负责该数据包将由哪个程序去使用。

数据包要在互联网上进行传输，就要符合网际协议（Internet Protocol，简称 IP）标准。计算机的地址就称为 IP 地址，访问任何网站实际上只是你的计算机向另外一台计算机请求信息。

简单理解数据传输过程就是：装包和拆包。 如果要想把一个数据包从主机 A 发送给主机 B，那么在传输之前，数据包上会被附加上主机 B 的 IP 地址信息，这样在传输过程中才能正确寻址。额外地，数据包上还会附加上主机 A 本身的 IP 地址，有了这些信息主机 B 才可以回复信息给主机 A。这些附加的信息会被装进一个叫 IP 头的数据结构里。IP 头是 IP 数据包开头的信息，包含 IP 版本、源 IP 地址、目标 IP 地址、生存时间等信息。

过程：

1、上层将含有“数据”的数据包交给网络层；

2、网络层再将 IP 头附加到数据包上，组成新的 IP 数据包，并交给底层；

3、底层通过物理网络将数据包传输给主机 B；

4、数据包被传输到主机 B 的网络层，在这里主机 B 拆开数据包的 IP 头信息，并将拆开来的数据部分交给上层；

5、最终，含有“数据”信息的数据包就到达了主机 B 的上层了。

基于 IP 之上开发能和应用打交道的协议，最常见的是“用户数据包协议（User Datagram Protocol）”，简称 UDP。负责将传输的数据包交给某一应用程序。

UDP 中一个最重要的信息是端口号，端口号其实就是一个数字，每个想访问网络的程序都需要绑定一个端口号。通过端口号 UDP 就能把指定的数据包发送给指定的程序了， 所以 IP 通过 IP 地址信息把数据包发送给指定的电脑，而 UDP 通过端口号把数据包分发给正确的程序。 和 IP 头一样，端口号会被装进 UDP 头里面，UDP 头再和原始数据包合并组成新的 UDP 数据包。UDP 头中除了目的端口，还有源端口号等信息。

为了支持 UDP 协议，我把前面的三层结构扩充为四层结构，在网络层和上层之间增加了传输层

过程：

1、 上层将数据包交给传输层；传输层会在数据包前面附加上 UDP 头，组成新的 UDP 数据包，再将新的 UDP 数据包交给网络层；

2、网络层再将 IP 头附加到数据包上，组成新的 IP 数据包，并交给底层；

3、数据包被传输到主机 B 的网络层，在这里主机 B 拆开 IP 头信息，并将拆开来的数据部分交给传输层；

4、在传输层，数据包中的 UDP 头会被拆开，并根据 UDP 中所提供的端口号，把数据部分交给上层的应用程序；

5、最终，含有信息的数据包就旅行到了主机 B 上层应用程序这里。

在使用 UDP 发送数据时，有各种因素会导致数据包出错，虽然 UDP 可以校验数据是否正确，但是对于错误的数据包， UDP 并不提供重发机制，只是丢弃当前的包 ，而且 UDP 在发送之后也无法知道是否能达到目的地。虽说 UDP 不能保证数据可靠性，但是传输速度却非常快 ，所以 UDP 会应用在一些关注速度、但不那么严格要求数据完整性的领域，如在线视频、互动游戏等

上文说到的使用 UDP 来传输会存在两个问题 ：

1、数据包在传输过程中容易丢失；

2、大文件会被拆分成很多小的数据包来传输，这些小的数据包会经过不同的路由，并在不同的时间到达接收端，而 UDP 协议并不知道如何组装这些数据包，从而把这些数据包还原成完整的文件。

所以TCP协议很好地解决的这个问题。

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

1、对于数据包丢失的情况，TCP 提供重传机制；

2、TCP 引入了数据包排序机制，用来保证把乱序的数据包组合成一个完整的文件。

和 UDP 头一样，TCP 头除了包含了目标端口和本机端口号外，还提供了 用于排序的序列号 ，以便接收端通过序号来重排数据包

一个完整的 TCP 连接的生命周期包括了“建立连接”“传输数据”和“断开连接”三个阶段。

首先，建立连接阶段。这个阶段是通过“三次握手”来建立客户端和服务器之间的连接。TCP 提供面向连接的通信传输。面向连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。所谓 三次握手 ，是指在建立一个 TCP 连接时，客户端和服务器总共要发送三个数据包以确认连接的建立。

其次，传输数据阶段。在该阶段，接收端需要对每个数据包进行确认操作，也就是接收端在接收到数据包之后，需要发送确认数据包给发送端。所以当发送端发送了一个数据包之后，在规定时间内没有接收到接收端反馈的确认消息，则判断为数据包丢失，并触发发送端的重发机制。同样，一个大的文件在传输过程中会被拆分成很多小的数据包，这些数据包到达接收端后，接收端会按照 TCP 头中的序号为其排序，从而保证组成完整的数据。

最后，断开连接阶段。数据传输完毕之后，就要终止连接了，涉及到最后一个阶段“ 四次挥手 ”来保证双方都能断开连接。

三次握手和四次挥手限于篇幅可看另一篇文章： TCP协议中 的三次握手和四次挥手

1、IP 负责把数据包送达目的主机。

2、UDP 负责把数据包送达具体应用（可能会丢包)。

3、而 TCP 保证了数据完整地传输 ，它的连接可分为三个阶段：建立连接、传输数据和断开连接。

完整的数据流程

TCP/IP模型包括：

● 网络层

● 网际层

● 传输层

● 应用层

一、网络层

是模型的最低层，负责将帧放进线路，或从线路中取下帧。

TCP/IP的网络层对应着OSI的物理层和数据链路层。这也就是为什么这一层包含物理通信介质和在这些介质上传送帧的通信协议。

二、网际层

网际层（互联网层）：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。

● ICMP网际控制消息协议：问题出现时向IP发送错误报告。

我们平时用的ping用它。

● IGMP网际分组管理协议：向路由器通知多播组成员的存在。

广播不能跨路由器，路由器是隔离广播的，但它隔离不了多播，它可以跨路由器。

● ARP地址解析协议：判断主机的硬件地址。

三、传输层

传输层是TCP/IP模型中非常特殊和重要的一层，它包括了OSI传输层、会话层、表示层和应用层的各部分功能，包括两个传输协议（TCP协议和UDP协议）在计算机之间提供通信对话。

四、应用层

应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

络通信的工作原理1)TCP/IP协议的数据传输过程：TCP/IP协议所采用的通信方式是分组交换方式。所谓分组交换，简单说就是数据在传输时分成若干段，每个数据段称为一个数据包，TCP/IP协议的基本传输单位是数据包，TCP/IP协议主要包括两个主要的协议，即TCP协议和IP协议，这两个协议可以联合使用，也可以与其他协议联合使用，它们在数据传输过程中主要完成以下功能：1)首先由TCP协议把数据分成若干数据包，给每个数据包写上序号，以便接收端把数据还原成原来的格式。2)IP协议给每个数据包写上发送主机和接收主机的地址，一旦写上的源地址和目的地址，数据包就可以在物理网上传送数据了。IP协议还具有利用路由算法进行路由选择的功能。3)这些数据包可以通过不同的传输途径(路由)进行传输，由于路径不同，加上其它的原因，可能出现顺序颠倒、数据丢失、数据失真甚至重复的现象。这些问题都由TCP协议来处理，它具有检查和处理错误的功能，必要时还可以请求发送端重发。简言之，IP协议负责数据的传输，而TCP协议负责数据的可靠传

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