TCP/IP协议
TCP/IP协议模型
各层常见协议
1.链路层：
ARP：地址解析协议，根据IP地址获取真实物理地址MAC地址的一种协议。当主机需要发送一个IP包时，会查本地高速缓存，若不存在，主机便会发送一个ARP包，从含有该IP映射的主机中获取相关的ARP包。解包后会更新本地ARP缓存。
RARP：与ARP协议相反。
2.网络层：
IP协议：TCP/IP协议的核心，所有的传输层协议以及IP辅助协议都以IP数据格式传送。IP协议是不可靠的，TCP可靠的原因是加入了多种机制，保证可靠传输。换而言之，IP协议只负责IP数据传送，不保证安全性。
ICMP协议：IP辅助协议，全称网络控制报文协议。正如前文所述，IP协议是不可靠的传输。ICMP协议就是用来封装IP数据包传输错误时的信息（如主机不可达等），并将其传送回主机。
3.传输层：
TCP协议：面向连接（客户端与服务端建立起端到端的全双工通信）的传输层协议，采用字节流方式，传输可靠，但速度慢。
UDP协议：无连接（广播式）的传输层协议，采用报文方式，传输不可靠可能丢包，但速度快。
4.应用层协议：
Http协议：超文本传输协议，端口号80。默认采用TCP协议实现。所以Http的请求过程首先要建立TCP连接（三次握手），然后客户端发出Http请求，服务端处理请求并响应。
Https协议：Http协议基础上进行了加密，端口443。由于用来加密的原因，所以在发生请求前需要进行加密。更多次的握手保证了数据的安全性，但同时也降低了效率。
其他常见：
IP地址
IP地址一共32位，一共五类IP地址。
IP数据包的封装
封装过程：（Http为例）
IP数据报：（建议每32bit按行的方式去理解）
四个字节共32Bit的数据按每次8Bit传输。（每一行）
版本号代表当前IP协议的版本如IPV4或IPV6，头部长度代表首部占32Bit（4个字节）的数目，包含可选选项，四个位表示首部最长1111=15（行）即4*15=60个字节，没有任何选项的即图中所示默认为5（行）即4*5=20个字节。（如图所示的前五行）
服务类型包含一个3Bit的优先权字段，4Bit的Tos字段以及末尾1Bit的置零字段。TOS字段包含四个选项最小时延、最大吞吐、最高可靠、最小费用。
总长度代表的是整个IP数据包的长度，以字节为单位，则最长为65535。但由于MTU（最大传输单元）的存在，有可能会被分片。同时利用总长度和首部长度可知数据的起始位置。
TTL生存时间字段设置可经过的最大路由器数，每经过一个路由器就减一。当该字段为0时，就丢弃该报文，并通过ICMP协议返回相关信息。TraceRoute就是通过这个原理实现的，先设置TTL为1尝试，然后为2直至通路为止，由此获得所有的路由信息。
Ping、TraceRoute和DNS
Ping：基于ICMP协议的应用程序。前文可知ICMP包含报文传输过程中的错误，所以根据这一信息可以测试主机间的联通状态
TraceRoute：通过将TTL从一递增的设置数据包尝试，直至获取所有路由表的程序。
DNS协议：域名解析服务，类似于ARP协议。ARP时IP与MAC地址的映射，DNS则是域名与IP地址的映射。
TCP连接的建立与断开。
预备知识：
TCP头部结构：
五个关键位置：
SYN：建立连接标识，ACK：响应标识，FIN：断开连接标识，seq（seq number）：发送序号，ack（ack number）：响应序号。
从图可知FIN、ACK、SYN三个标志位只有1Bit要不为0，要不为1，而seq和ack支持32bit。
1.三次握手（建立连接）：
客户端发送SYN，seq=x，进入SYN_SEND状态。
服务端响应SYN，ACK，seq=y，ack =x+1，进入SYN_RCVD状态。
客户端回应ACK，seq=x+1，ack=y+1.进入ESTABLISHED状态，服务端收到也进入该状态。
简而言之：A告诉B建立连接，B收到后告诉A我收到了建立连接的消息，然后A收到后通知B你给我的确认我收到了。
三次握手的原因：
为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。
2.四次挥手（断开连接）：
主机A发送FIN，ACK，seq=x，ack=z，进入FINWAIT_1状态。
主机B回应ACK，seq=z，ack=x+1，主机A收到后进入FINWAIT_2状态。
主机B发送FIN，ACK，seq=y，ack=x，进入LAST_ACK状态。
主机A回应ACK，seq=x，ack =y进入TIME_WAIT状态，等待主机B收到后关闭连接，进入Closed状态。
简而言之：A告诉B我已经没有数据要传输了，B发送响应我同意你的关闭请求。然后B在请求A关闭连接，B收到请求后，发送确认关闭连接的响应。如果2MSL没收到回复，证明B已关闭。
四次挥手的原因：
TCP是全双工模式，这就意味着，当主机A发出FIN报文段时，只是表示主机A已经没有数据要发送了，但是，这个时候主机A还是可以接受来自主机B的数据；当主机B返回响应ACK报文段时，表示它已经知道主机A没有数据发送了，但是主机B还是可以发送数据到主机A的；当主机B也发送了FIN报文段时，这个时候就表示主机B也没有数据要发送了，就会告诉主机A，我也没有数据要发送了，之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。
为什么要等待2MSL（MSL是指报文最大生存时间）：
1.保证全双工通信的TCP协议可靠关闭。
2.保证这次连接的重复数据段从网络中消失
TCP协议可靠性的几个方面
1.超时重传
原理：在发送数据报文后开启一个计时器，如果超过了时间仍没有收到ACK回应就重发该数据报文。直到成功为止。
RTO：重传超时时间，该值影响超时重传的效率。若过长，效率低，若过短，则会导致网络更加拥塞，导致更多的超时和重传。
RTT：连接往返时间，即一个TCP数据包发送到接收到相应的响应时间，例如游戏中的延迟。
RTO最好是RTT的时间，但由于RTT不固定，所以使用自适应算法。
2.流量控制
意义：解决接收端处理数据不如发送端发送数据快，导致数据过多无法处理。
实现原理：滑动窗口机制。通过ACK报文响应窗口值的大小表示当前缓存可以接受的数据报文大小，由此实现控制客户端发送报文大小，从而实现流量控制。
3.拥塞控制
意义：为了避免发送方因为IP网络拥塞而遏制。
解决的几种方法：慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复。
拥塞窗口概念：类似于滑动窗口，但限制的是本机发送的大小（cwnd），若网络拥塞则该值小，若不拥塞则该值大（即动态变化，取决于网络情况）。通过不同的算法控制拥塞窗口的大小从而尽量减少拥塞的出现。
慢开始算法：开始由于不知道网络情况，为了防止在网络拥堵的情况下注入过多数据，所以开始的cwnd值较小然后逐渐增加。最初设置为MSS（最大报文长度）每经过一个轮次（服务端对客户端的每个报文的确认响应）加一。列入最初为1，发送一个报文，收到一个确认，cwnd为2，然后发送两个报文，收到两个确认，cwnd变为4。所以慢开始指的不是增长速率慢，而是cwnd的初始值小。
为了避免cwnd增长过快，需要使用ssthresh变量设置cwnd的门限。当cwnd小于ssthresh时使用慢开始算法。当cwnd大于ssthresh时，停止使用慢开始算法，改用拥塞避免算法，二者相等时，两个算法皆可以使用。注意，当发生网络拥塞时ssthresh会变为当前cwnd值的一半（乘法缩小算法），拥塞窗口设置为1。然后重新开始慢开始算法，直至cwnd=ssthresh时执行拥塞避免算法。
拥塞避免算法：每经过一个RTT往返就加一，这样cwnd变为线性增长而非起始的成倍增长，增长速率相对于慢开始放缓。并非完全避免拥塞，只是通过限制cwnd的大小增长塑速率减少了网络拥塞的可能性。
快重传与快恢复：在超时重传中，主要是由于超过了定时器的限制，才进行重传。快重传重新定义了一种丢包标准，即如果连续三次收到重复ACK包即认为该seq（序列）包丢失，然后立即进行重传。而快恢复算法一般与快重传算法一起使用。当收到三个重复ACK包时，就进行乘法缩小算法，把ssthresh减半（减半为拥塞发生时的cwnd的值的一半，不开始慢开始算法，cwnd不置零，设置为ssthresh值的一半，然后执行拥塞避免算法使cwnd线性增长）
TCP的定时器
重传定时器：前文中保证TCP可靠传输的超时重传机制使用的定时器，当发送报文后开始计时，若没有在定时器结束前收到ACK包，则代表数据丢失，进行重传，避免陷入无限等待。
坚持定时器：对付零窗口通知设立。以滑动窗口为例，当从零窗口恢复时，接受端发送一个非零的ACK包，而ACK包没有对应的响应，若此ACK包丢失，则发送端仍认为为零窗口状态，而接收端不会重新发送非零的ACK包，则陷入死循环状态。解决方法就是在发送端确认窗口为0时实力该计时器，计时结束发送探测报文告知接收端重发ACK包，并每个一段时间将该计时器重置哦，直至出现非零窗口。
保活计时器：防止TCP连接出现长时间的空闲，一般设置为两个小时。如果某端因为出现了故障，两个小时后另一端发送10个探测报文（每个间隔一段时间）没有收到回复则直接断开TCP连接，而非通过四次挥手断开连接。
时间等待计时器：TCP连接断开时四次挥手使用的计时器。即等待2MSL后关闭主动关闭一端的连接。
