TCP/IP五层模型
目录
一. 概述
1.TCP基础入门
2.TCP数据报结构
3. TCP/IP五层协议模型讲解：
4. 网络设备所在分层编辑
5. TCP的三次握手
一. 概述
作为一名程序员，对于TCP/IP五层协议，重点掌握应用层和传输层，特别是以下两层对应的协议：
1. 应用层：HTTP协议、FTP协议、SMTP协议和POP3协议等。这些协议是应用程序与网络的接口，程序员需要了解其通信过程和数据格式，从而编写适合的程序进行数据交互。
2. 传输层：TCP和UDP协议。TCP协议可确保传输的数据完整性和顺序性，使用范围较广；UDP协议传输速度更快，但无法保证数据的完整性和顺序性。
1.TCP基础入门
1、TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，数据在传输前要建立连接，传输完毕后还要断开连接。
2、客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误，为数据的传输开辟通道。
3、TCP建立连接时要传输三个数据包，俗称三次握手（Three-way Handshaking）
2.TCP数据报结构
①序号：Seq（Sequence Number）序号占32位，用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序号，计算机发送数据时对此进行标记。
②确认号：Ack（Acknowledge Number）确认号占32位，客户端和服务器端都可以发送，Ack = Seq + 1。
③标志位：每个标志位占用1Bit，共有6个，分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具体含义如下：
URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
ACK：确认序号有效。
PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
RST：重置连接。
SYN：建立一个新连接。
FIN：断开一个连接。
3. TCP/IP五层协议模型讲解：
**应用层：**负责程序之间的沟通，简单的电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议等（Telent）等。我们程序员网络编程就是针对应用层来进行的。
**传输层：**负责两台主机之间的数据传输。如传输控制协议 (TCP)，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
**网络层：**负责地址管理和路由选择。例如在IP协议中，通过IP地址来标识一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路（路由）。路由器（Router）工作在网路层。
**数据链路层：**负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网，无线LAN等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层。
**物理层：**负责光/电信号的传递方式。比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤，现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）工作在物理层。
举例：
我在网上买一个物品，需要卖家信息（源IP地址）、我的信息（目的IP地址）。物流（协议）要历经广州，长沙，武汉。运输路径可以是空运（广州直达武汉）、慢达（广州、长沙、武汉）。
应用层：告诉快递站，卖家要快递给我的货物是什么，根据货物的类型好用相应的包装发送。
应用层负责程序之间的沟通，规定使用的格式。
传输层：我和卖家都不关注中间是怎么传输的，只关心起点和终点对应的就是源IP地址与目的IP地址。
传输层主要关注源IP地址与目的IP地址，不考虑中间路径。
网络层：发货地址是长沙，收获地址是武汉。长沙到武汉可以空运、火车，网络层可选择合适的路径进行运输。
网络层主要负责两个遥远节点之间的路径规划。
数据链路层：运输路径选择了慢达，广州到长沙使用的是货车，长沙再到武汉使用的火车。
数据链路层主要负责两个相邻节点之间的传输。
物理层：网络通信的基础设施，也就是一些网线、光纤、网络接口，也就是网络上的告诉公路。
4. 网络设备所在分层
何为网络设备，就是联网所需要的设备，如电脑主机、路由器、交换机、集线器等。
**主机：**它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容，对应的TCP/IP五层模型的下四层即：传输层、网络层、数据链路层、物理层。
**路由器：**它实现了从网络层到物理层，对应的是TCP/IP五层模型的下三层即：网络层、数据链路层、物理层。
**交换机：**它实现从了从数据链路层到物理层，对应的是TCP/IP五层模型的下两层。
**集线器：**只实现了物理层。
5. TCP的三次握手
📝过程描述
①首先 Client 端发送连接请求报文
②Server 段接受连接后回复 ACK 报文，并为这次连接分配资源。
③Client 端接收到 ACK 报文后也向 Server 段发生 ACK 报文，并分配资源，这样 TCP 连接就建立了。
☕️用川航举例子
①四川8633请求建立连接(SYN)，并且发送出序号。
②服务端接受到信号，即有确认号（ACK）,此时并同样返回请求序号Seq
③客户端接受到信号，即有确认号（ACK），连接已经建立。
小结：三次握手的关键是要确认对方收到了自己的数据包，这个目标就是通过“确认号（Ack）”字段实现的。计算机会记录下自己发送的数据包序号Seq，待收到对方的数据包后，检测“确认号（Ack）”字段，看Ack = Seq + 1是否成立，如果成立说明对方正确收到了自己的数据包。
📝如果只有两次握手 这个时候客户端没有回应，这样会浪费服务端的资源
📝那你是否思考过为什么需要第三次通信 ？
1、在第一次通信过程中，A向B发送信息之后，B收到信息后可以确认自己的收信能力和A的发信能力没有问题。
2、在第二次通信中，B向A发送信息之后，A可以确认自己的发信能力和B的收信能力没有问题，但是B不知道自己的发信能力到底如何，所以就需要第三次通信。
3、在第三次通信中，A向B发送信息之后，B就可以确认自己的发信能力没有问题。
4、 小结：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
四.TCP的四次挥手
📖建立连接非常重要，它是数据正确传输的前提；断开连接同样重要，它让计算机释放不再使用的资源。如果连接不能正常断开，不仅会造成数据传输错误，还会导致套接字不能关闭，持续占用资源，如果并发量高，服务器压力堪忧。
//过程描述
- A：“任务处理完毕，我希望断开连接。”
- B：“哦，是吗？请稍等，我准备一下。”
- 等待片刻后……
- B：“我准备好了，可以断开连接了。”
- A：“好的，谢谢合作。”
第一次挥手：Clien发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client,Server进入CLOSE_WAIT状态。
第三次挥手： Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，发送ACK给Server，Server进入CLOSED状态，完成四次握手。
☕️川航图举例
①客户端申请断开连接即FIN （我这边准备断开连接了）
②服务端接收信息返回，表示我已经接收到 （收到，请稍等，我这边准备一下）
③服务端发送信息表示可以断开连接 (我准备好了，你可以断开连接了）
④客户端接受信息，同时返回信息通知服务端自己收到信息，开始断开 连接(好的，拜拜！）
数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。
📝为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？
①因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。
②但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。
③只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。
补充问题
📝TCP的三次握手一定能保证传输可靠吗？不能
三次握手比两次更可靠，但也不是完全可靠，而追加更多次握手也不能使连接更可靠了。因此选择了三次握手。
世界上不存在完全可靠的通信协议。从通信时间成本空间成本以及可靠度来讲，选择了“三次握手”作为点对点通信的一般规则。