TCP/IP 五層協議

在講解 TCP/IP 通訊傳輸流之前，首先複習一下 TCP/IP 的五層協議。

應用層：決定向使用者提供應用服務時通訊的活動。TCP/IP 協議族內預存了各類通用的應用服務。比如：FTP、DNS、HTTP 協議。

傳輸層：傳輸層對上層應用層，提供處於網路連線中的兩臺計算機之間的資料傳輸。在傳輸層有兩個性質不同的協議，分別是 TCP (Transmission Control Protocol，傳輸控制協議) 和 UDP (User Data Protocol，使用者資料包協議)

網路層：網路層用來處理在網路上流動的資料包。資料包是網路傳輸的最小資料單位。該層規定了通過怎樣的路徑到達對方計算機，並把資料包傳送給對方。與對方計算機通過多臺計算機或網路裝置進行傳輸時，網路層所起的作用就是在眾多的選項內選擇一條傳輸路線。

資料鏈路層: 在物理層提供位元流服務的基礎上，建立相鄰結點之間的資料鏈路，通過差錯控制提供資料幀 (Frame)在通道上無差錯的傳輸，並進行各電路上的動作系列。資料的單位稱為幀 (frame)

物理層：物理層建立在物理通訊介質的基礎上，作為系統和通訊介質的介面，用來實現資料鏈路實體間透明的位元 (bit) 流傳輸。只有該層為真實物理通訊，其它各層為虛擬通訊。

TCP/IP 資料傳輸流程

客戶端在應用層 (HTTP 協議) 發出一個 HTTP 請求。

為了方便傳輸，在傳輸層 (TCP 協議) 把從應用層處收到的資料 (HTTP 請求報文) 進行分割，並在各個報文上打上標記序號及埠號後轉發給網路層。

在網路層 (IP 協議)，增加作為通訊目的地的 MAC 地址後轉發給資料鏈路層。這樣，傳送給服務端的請求就準備齊全了。

當服務端在鏈路層接收到資料時，按序往上層傳送，一直到應用層。當傳輸到應用層時，才算真正的接收到由客戶端傳送過來的請求。

什麼是 MAC 地址？

媒體訪問控制地址 (Media Access Control Address)，也稱為區域網地址 (LAN Address)，乙太網地址 (Ethernet Address) 或實體地址 (Physical Address)，它是一個用來確認網上裝置位置的地址。ARP (Address Resolution Protocol) 是一種用來解析地址的協議，它可以根據 IP 地址反查出對應的 MAC 地址。

下圖展示了一臺電腦內網 IP 和 MAC 地址。在終端 (MAC OS 環境) 輸入 ifconfig，找到 en0，便可查詢本地乙太網的資訊。

那麼什麼是 MAC 地址呢？我們知道 IP 地址是可變的，可以通過各種方式分配 IP 地址給一個裝置，比如 DHCP， PPP，靜態 IP 等。而 MAC 地址一般來講是不會變的，裝置在生產時就被“烙”上了 唯一的標識，這個 唯一的標識 就是 MAC 地址。

逼乎上有個很有趣的例子：你中午在公司點了份外賣，收貨地址一定是寫公司的地址；晚上回到家，再點外賣時就得把地址寫成家 (IP 是動態的)。但無論在哪兒點外賣，訂單上的姓名和手機號一定是你自己的 (MAC 地址)。

中午外賣小哥把午餐送到公司門口，但收外賣的人肯定不止你一個 (多臺裝置在同一個 broadcast 網路裡)，因此他會通過手機號和姓名來找到你。

UDP 協議

使用者資料包協議 (User Datagram Protocol)，又稱使用者資料包協議，是一個簡單的面向資料包的傳輸協議。在 TCP/IP 模型中，UDP 為網路層以上和應用層以下提供了一個簡單的介面。UDP 只提供資料的 不可靠傳遞，它一旦把應用程式發給網路層的資料傳送出去，就不保留資料備份。UDP 在 IP 資料包的頭部僅僅加入了複用和資料校驗 (欄位)。

它的特點如下

• UDP 缺乏可靠性。UDP 本身不提供確認序號，序列號，超時重傳等機制。UDP 資料包可能在網路中被複制，被重新排序。即 UDP 不保證資料包會到達其最終目的地，也不保證各個資料包的先後順序，也不保證每個資料包只到達一次。

• UDP 頭部開銷小，它包含以下幾個資料：

    兩個十六位的埠號，分別是源埠和目的埠。
    
    整個資料包文的長度。
    
    整個資料包文的校驗和，用於發現頭部資訊和資料中的錯誤
  複製程式碼

• UDP 是面向無連線的。UDP 客戶端和伺服器之前不必存在長期的關係。UDP 傳送資料包之前也不需要經過握手建立連線的過程。

• UDP 不僅支援單播，還支援多播和廣播。

基於 UDP 協議的有：

域名系統 (DNS)

    DNS在進行區域傳輸的時候使用TCP協議，其它時候則使用UDP協議；
複製程式碼

簡單網路管理協議 (SNMP)

動態主機配置協議 (DHCP)

路由資訊協議 (RIP)

TCP 協議

TCP (Transmission Control Protocol, 傳輸控制協議) 是一種面向連線的、可靠的、基於位元組流服務的傳輸層通訊協議，由 IETF 的 RFC 793 定義。其中位元組流服務 (Byte Stream Service) 是指為了方便傳輸，將大塊資料分割成以報文段 (segment) 為單位的資料包進行管理。

• TCP 提供一種面向連線的、可靠的位元組流服務

• 在一個 TCP 連線中，僅有兩方進行彼此通訊。廣播和多播不能用於 TCP

• TCP 使用校驗和，確認和重傳機制來保證可靠傳輸

• TCP 給資料分節進行排序，並使用累積確認保證資料的順序不變和非重複

• TCP 使用滑動視窗機制來實現流量控制，通過動態改變視窗的大小進行擁塞控制

TCP 報文

埠號：包括源埠號和目的埠號，用來標識同一臺計算機的不同的應用程式。TCP 報頭中的源埠號和目的埠號同 IP 資料包中的源 IP 與目的 IP 唯一確定一條 TCP 連線。

源埠號：源埠和 IP 地址的作用是標識報文的返回地址。

目的埠號：目的埠指明接收方計算機上的應用程式介面。

序號：它是當前報文段傳送的資料組的第一個位元組的序號。在 TCP 傳送的流中，每一個位元組一個序號。比如一個報文段的序號為 300，此報文段的資料部分共有 100 位元組，則下一個報文段的序號為 400。序號 確保了 TCP 傳輸的有序性。

**確認號：**即 ACK(acknowledgement)，指明下一個期待收到的位元組序號，表明該序號之前的所有資料已經正確無誤的收到。確認號只有當 ACK 標誌為 1 時才有效。比如建立連線時，SYN 報文的 ACK 標誌位為 0。

首部長度：由於首部可能含有可選項內容，因此 TCP 報頭的長度是不確定的，報頭不包含任何任選欄位則長度為 20 位元組，4 位首部長度欄位所能表示的最大值為 1111，轉化為 10 進製為 15，15*32/8 = 60，故報頭最大長度為 60 位元組。首部長度也叫資料偏移，是因為首部長度實際上指示了資料區在報文段中的起始偏移值。

保留：為將來定義新的用途保留，現在一般置 0。

視窗：滑動視窗大小，用來告知傳送端接受端的快取大小，以此控制傳送端傳送資料的速率，從而達到流量控制。視窗大小是一個 16bit 欄位，因此視窗大小最大為 65535。

校驗和：奇偶校驗，此校驗和是對整個的 TCP 報文段，包括 TCP 頭部和 TCP 資料，以 16 位字進行計算所得。由傳送端計算和儲存，並由接收端進行驗證。

緊急指標：只有當 URG 標誌置 1 時緊急指標才有效。緊急指標是一個正的偏移量，和順序號欄位中的值相加表示緊急資料最後一個位元組的序號。 TCP 的緊急方式是傳送端向另一端傳送緊急資料的一種方式。

選項和填充：最常見的可選欄位是最長報文大小，又稱為 MSS (Maximum Segment Size)，每個連線方通常都在通訊的第一個報文段 (為建立連線而設定 SYN 標誌為 1 的那個段)中指明這個選項，它表示本端所能接受的最大報文段的長度。選項長度不一定是 32 位的整數倍，所以要加填充位，即在這個欄位中加入額外的零，以保證 TCP 頭是 32 的整數倍。

資料部分：TCP 報文段中的資料部分是可選的。在一個連線建立和一個連線終止時，雙方交換的報文段僅有 TCP 首部。如果一方沒有資料要傳送，也使用沒有任何資料的首部來確認收到的資料。在處理超時的許多情況中，也會傳送不帶任何資料的報文段。

上面寫了那麼多是不是不太好記，其實不用全都記住，記住個大概流程
複製程式碼

TCP 建立連線 (三次握手)

所謂三次握手 (three-way handshaking) 是指建立一個 TCP 連線時，需要客戶端和服務端共傳送三個包。它的目的是連線伺服器指定埠，建立 TCP 連線，並同步雙方的 序列號 和 確認號，交換 TCP 視窗大小資訊。在 socket 程式設計中，當客戶端執行 connect() 函式時，將觸發三次握手。

SYN：同步序列編號（Synchronize Sequence Numbers）。是TCP/IP建立連線時使用的握手訊號。在客戶機和伺服器之間建立正常的TCP網路連線時，客戶機首先發出一個SYN訊息，伺服器使用SYN+ACK應答表示接收到了這個訊息，最後客戶機再以ACK訊息響應。這樣在客戶機和伺服器之間才能建立起可靠的TCP連線，資料才可以在客戶機和伺服器之間傳遞。

seq:序列號，什麼意思呢？當傳送一個資料時，資料是被拆成多個資料包來傳送，序列號就是對每個資料包進行編號，這樣接受方才能對資料包進行再次拼接。

ack:這個代表下一個資料包的編號，這也就是為什麼第二請求時，ack是seq+1，

第一次握手

客戶端首先傳送一個 SYN 為 1 的包給服務端，指明客戶端要連線服務端的哪個介面以及初始序號 x。傳送完畢後，客戶端進入 SYN_SEND 狀態。

第二次握手

服務端收到後，回傳一個帶有 SYN/ACK 的確認包以示應答。即 SYN=1，ACK=1。服務端選擇自己的 ISN 序列號，放到 seq 中，同時將確認序號 ack 設定為客戶端的 ISN+1，即 x+1。傳送完畢後，服務端進入 SYN_RCVD (同步收到) 狀態。

第三次握手

客戶端收到確認後，再次傳送一個帶 ACK 標誌的資料包。即 ACK=1，ack=y+1，並將自己的序列號 seq=x+1。傳送完畢後，客戶端和伺服器雙雙進入 ESTABLISHED 狀態。至此，三次握手結束。

為什麼是三次握手，兩次不行嗎？

為了實現可靠資料傳輸，TCP 協議的通訊雙方，都必須維護一個序列號，以標識傳送出去的資料包中，哪些是已經被對方收到的。三次握手的過程即是通訊雙方相互告知序列號起始值，並確認對方已經收到了序列號起始值的必經步驟

如果只是兩次握手，至多隻有連線發起方的起始序列號能被確認，另一方選擇的序列號則得不到確認。

如果已經建立了連線，但是客戶端突然出現故障了怎麼辦？

TCP 還設有一個保活計時器 (keep-alive)，如果客戶端出現故障，伺服器不能一直等下去，白白浪費資源。伺服器每收到一次客戶端的請求後都會重新復位這個計時器，時間通常是設定為 2 小時，若兩小時還沒有收到客戶端的任何資料，伺服器就會傳送一個探測報文段，以後每隔 75 秒傳送一次。若一連傳送 10 個探測報文仍然沒反應，伺服器就認為客戶端出了故障，接著就關閉連線。

TCP 關閉連線 (四次揮手)

第一次揮手

客戶端呼叫 close() 函式，併傳送一個 FIN (finish) 標誌為 1 的資料包給服務端，來表示本方的資料已經全部傳送完畢，此時客戶端進入 FIN_WAIT_1 狀態。TCP 規定，FIN 報文段即使不攜帶資料，也要消耗一個序號。

第二次揮手

服務端收到客戶端的釋放報文後，發出確認報文，其中 ACK=1, ack=u+1，並且帶上自己的序列號 seq=v。表明自己接受到了客戶端關閉連線的請求，但還沒準備好關閉連線 (半關閉狀態)，也就是說客戶端已經沒有資料要傳送了，但服務端仍有可能會傳送資料。傳送完畢後，服務端進入 CLOSE_WAIT 狀態。

當客戶端收到該報文後，客戶端就進入 FIN-WAIT-2 狀態，等待伺服器傳送連線釋放報文。

第三次揮手

伺服器端準備好關閉連線時，會向客戶端傳送一個連線釋放報文，其中 FIN=1，ack=u+1。由於在半關閉狀態，伺服器很可能又傳送了一些資料，假定此時的序列號為 seq=w。傳送完畢後，服務端便進入 LAST-ACK(最後確認) 狀態。

第四次揮手

客戶端收到伺服器的連線釋放報文後，需要傳送一個確認包，其中 ACK=1，ack=w+1，而自己的序列號是 seq=u+1，並進入了 TIME-WAIT (時間等待)狀態，等待過程可能出現的要求重傳的 ACK 包。

此時 TCP 連線還沒有釋放，必須經過 2 * MSL (Maximum Segment Lifetime, 最長報文段壽命) 時間後，當客戶端撤銷相應的 TCB 後，才會進入 CLOSED 狀態。

而伺服器只要收到了客戶端發出的確認，立即進入 CLOSED 狀態。同樣，撤銷 TCB 後，就結束了這次的 TCP 連線。因此，伺服器結束 TCP 連線的時間要比客戶端早一些。

TCP 有哪些手段保證可靠交付

udp和tcp的區別

dns

DNS 報文格式

請求報文和 DNS 伺服器返回的應答報文都是統一的格式：

會話標識 (2 位元組)：它是 DNS 報文的 ID 標識，對於請求報文和其對應的應答報文，這個欄位是相同的，通過它可以區分 DNS 應答報文是哪個請求的響應。

標誌 (2 位元組)：它有 8 個部分，如下圖所示：

Questions 查詢欄位

QNAME 無符號 8bit 為單位長度不限表示查詢名。

QTYPE 無符號 16bit 整數表示查詢的協議型別。

QCLASS 無符號 16bit 整數表示查詢的類。

Answer/Authority/Additional

三者的格式相同，如下所示：

DNS 解析記錄

折騰過搭建網站的小夥伴們一定對 DNS 解析記錄不會陌生，下面通過表格複習一下。

域名解析過程

• 系統會檢查瀏覽器快取中有沒有這個域名對應的解析過的 IP 地址，如果快取中有，這個解析過程就將結束。瀏覽器快取是受這個域名的失效時間和快取的空間大小控制的。

• 如果使用者的瀏覽器快取中沒有，瀏覽器會查詢作業系統快取中即為本地的 Host 檔案。

• 路由器也可能會有快取。

• 如果前幾步都沒有找到，就會到 LDNS (Local DNS) 中查詢，LDNS 是你的 ISP 分配給你的 DNS (一般為兩個)，大部分情況下域名都會在這裡得到解析。下圖是 cloudflare 提供給我的兩個 DNS。

• 如果在 LDNS 沒有找到，那就要去 Root Server 域名伺服器請求解析了。根域名伺服器返回給本地域名伺服器一個 查詢主域名伺服器（gTLD Server）地址。gTLD 是國際頂級域名伺服器，如.com，.cn、.org 等，全球只有 13 臺左右。
• 本地域名伺服器會向 gTLD Server 地址傳送請求，它會返回一個 Name Server 域名伺服器的地址，這個 Name Server 通常就是你註冊域名的廠家，比如 NameCheap、狗爹、萬網等等。
• Name Server 域名伺服器會查詢儲存域名和 IP 的關係對映表，正常情況下都可以根據域名得到目標 IP 記錄，並連同一個 TTL 返回給本地域名伺服器。
• 本地域名伺服器根據 TTL 快取這個 IP，並將解析結果返回給客戶端，客戶端再根據 TTL 將 IP 資訊快取到本地系統快取裡。至此，域名解析過程結束。