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TCP/IP协议（传输控制协议/互联网协议，Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是一组用于计算机网络通信的协议集合，是互联网和许多局域网的基础。它定义了数据如何在网络中传输、寻址、路由和接收。
第1层 链路/网络接口层—帧（Frame）
负责将数据封装成帧，通过物理介质传输，并包括地址解析和物理信号传输功能。
1. 链路层功能
- 帧的封装与拆装：将网络层数据包封装成帧，添加MAC地址和校验字段，并在接收端解封装。
- 帧边界识别：通过前导码、定界符或长度字段识别帧的开始和结束。
- 介质访问控制（MAC）：协调多设备对共享介质的访问，防止数据冲突（如CSMA/CD、CSMA/CA）。
- 差错检测：通过CRC或校验和检测帧传输错误，丢弃出错帧（通常不负责重传，重传一般由传输层负责）。
- 物理信号传输：将帧转化为物理信号（如电信号、光信号）并通过介质发送和接收。
- 地址解析：通过ARP协议将IP地址映射为MAC地址。
2. 常见协议
Ethernet（以太网）、Wi-Fi（IEEE 802.11）、PPP（点对点协议）、ARP（地址解析协议）、HDLC（高级数据链路控制协议）
2.1. ARP（地址解析协议）
ARP负责在同一局域网内，将网络层的IP地址（IPv4）映射到链路层的MAC地址。作为链路层协议，它为网络层的IP寻址提供支持，通常被视为网络层与链路层的接口协议。
ARP工作流程
- ARP请求（Request）
- 以广播方式发送到本地网络，目标MAC地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF（全网广播）。
- 请求包通过Ethernet帧传输（协议类型0x0806），包含：
- 发起者的IP地址和MAC地址。
- 目标MAC地址（填充为00:00:00:00:00:00，因为未知）。
- 目标IP地址（待解析的IP）。
- ARP回复（Reply）
- 以单播方式发送给请求者的MAC地址，通过Ethernet帧（协议类型0x0806）。
- 回复包包含：
- 回应者的IP地址和MAC地址。
- 发起者的IP地址和MAC地址（继承自请求包）。
- 缓存与超时
- 主机收到ARP回复后，将IP↔MAC映射存入ARP缓存（ARP table），减少后续请求。
- 缓存分为动态条目（通过ARP请求/回复生成）和静态条目（手动配置，不超时）。
- 动态条目通常在1-20分钟后超时（视操作系统而定，如Linux约20分钟，Windows可能更短），超时后需重新发送ARP请求。
- 扩展功能
- 反向ARP（RARP）：将MAC地址解析为IP地址，早期用于无盘工作站，现多被DHCP取代。
- 代理ARP（Proxy ARP）：路由器代表其他网络中的主机回复ARP请求，用于跨子网通信。
如何查看ARP缓存
Linux
查看：arp -n（显示ARP表，不解析主机名）或ip neigh show（显示邻居表，包括ARP和IPv6的NDP）。
添加静态：sudo arp -s 192.168.1.20 BB:BB:BB:BB:BB:BB（MAC地址使用冒号分隔）。
删除：sudo arp -d 192.168.1.20。
Windows
查看：arp -a（显示ARP缓存表）。
添加静态：arp -s 192.168.1.20 BB-BB-BB-BB-BB-BB（MAC地址使用连字符分隔）。
删除：arp -d 192.168.1.20。注意：Linux使用冒号分隔的MAC地址（如BB:BB:BB:BB:BB:BB），Windows使用连字符分隔（如BB-BB-BB-BB-BB-BB）。
3. 常见设备
- 网卡（NIC）：将数据转换为物理信号（如电信号或无线信号），并具有唯一的MAC地址
- 交换机（Switch）：根据MAC地址表转发数据帧，支持全双工通信，减少网络冲突。
- 网桥（Bridge）：连接两个网络段，根据MAC地址过滤和转发数据，适用于小型网络。
- 集线器：广播所有接收到的信号，带宽共享，易发生冲突，主要用于小型或早期网络。
- 传输介质：如双绞线、光纤、同轴电缆，用于承载物理信号。
第2层 网络层—数据包（Packet）
负责将数据从源主机传输到目的主机，即使它们不在同一个网络中。它通过逻辑寻址和路由选择来实现这一点，确保数据包能够跨越不同的网络和子网到达目的地。
1. 网络层功能
- 逻辑寻址：为每个网络设备分配唯一的IP地址（IPv4或IPv6），用于标识主机和网络。
- 路由选择：根据路由表和路由协议（如RIP、OSPF）确定数据包从源到目的地的最佳路径。
- 数据包转发：路由器根据目标IP地址和路由表将数据包转发到下一跳。
- 分片与重组：当数据包大小超过网络路径中的最大传输单元（MTU）时，网络层在源端或中间路由器将数据包分片，并在目的端重组。
- 差错检测：IP包头包含头部校验和，用于检测头部数据是否损坏（不检查数据部分）。
- 协议支持：支持ICMP（用于网络诊断，如ping）、IGMP（用于组播管理）等协议。
- 网络地址转换（NAT）：在私有网络和公共网络之间转换IP地址，允许多个设备共享一个公共IP。
- 拥塞反馈：通过ICMP协议报告网络拥塞状态，辅助传输层进行拥塞控制”。
2. 常见协议
- IP（Internet Protocol）：提供无连接的数据包传输服务，包括IPv4和IPv6。
- ICMP：用于网络诊断和错误报告，如ping和traceroute。
- IGMP：管理组播组成员，支持多播通信。
- ARP：为网络层提供IP到MAC地址的解析，操作上依赖链路层（ARP归属为链路层协议）。
- RIP/OSPF：动态路由协议，辅助路由选择
2.1. ICMP（互联网控制消息协议）
ICMP用于差错报告和网络诊断。
- 错误报告：当 IP 数据包在传输过程中因目的地不可达、路由超时等原因不能被正常转发或送达时，路由器或主机会利用 ICMP 向源主机发送差错报文，告知其具体的失败原因。
- 网络诊断：通过 “Echo Request/Reply” 机制（即 ping 命令），可以测试两台主机之间的连通性、往返时延（RTT）以及丢包率。
注意：ICMP不负责数据传输，仅用于控制和诊断。ICMP报文封装在IP数据包中，由网络层处理。
3. 常见设备
- 路由器（Router）：根据IP地址和路由表转发数据包，支持NAT（网络地址转换）和防火墙功能。
- 三层交换机（Layer 3 Switch）：结合链路层交换和网络层路由功能，根据IP地址进行快速转发。
第3层 传输层—TCP段或UDP数据报
负责在源主机和目的主机之间提供端到端的通信服务。根据所使用的协议，它可以确保数据的可靠传输（如TCP）或高效传输（如UDP）。传输层通过端口号标识应用程序，并提供流量控制、错误控制和连接管理等功能。
1. 传输层功能
- 端到端通信：在源设备和目的设备之间建立和管理通信会话。
- 数据分段与重组：将来自应用层的数据分割成适合网络传输的块（TCP称为段，UDP称为数据报），并在接收端按顺序重组。
- 端口寻址：使用端口号区分不同的应用程序，实现数据的多路复用和解复用。
- 流量控制：通过滑动窗口机制（如TCP）调节数据发送速率，避免网络拥塞。
- 错误控制：检测数据包的丢失或损坏，并根据需要请求重传（TCP支持，UDP不支持）。
- 连接管理：根据协议类型（如TCP面向连接，UDP无连接）建立、维护或终止连接。
2. 常见协议
2.1. TCP
是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。
工作机制：通过三次握手建立连接，四次握手断开连接。
- 面向连接：通信前必须“三次握手”建立连接，断开前“四次挥手”
- 可靠性保障：通过序列号、确认号、重传机制、校验等方式
- 有序交付：数据按顺序到达，不会乱（方法：序列号）
- 流量控制：控制发送速率（方法：滑动窗口）
- 拥塞控制：网络拥堵时主动降低数据传输速率（TCP慢启动等方法）
- 双向通信：全双工（双向传输）
- 错误检测：校验和保证数据不出错（方法：校验和等方法）
场景示例：
应用 |
协议 |
为什么用TCP？ |
网页浏览 |
HTTP/HTTPS |
要求完整、顺序、可靠 |
邮件 |
SMTP / IMAP / POP3 |
邮件不可丢 |
文件传输 |
FTP |
数据不可丢 |
SSH远程 |
SSH |
丢包或错包会导致断开连接 |
2.2. UDP
是一种无连接、不可靠、传输效率高的传输层协议。
- 无连接：不建立连接，直接发包
- 不可靠：不确认、不重传、不排顺序
- 效率高：头部小（8字节），资源消耗低
- 不保证顺序：包可能乱序到达
场景示例：
应用 |
协议 |
为什么用UDP？ |
视频/音频流 |
RTP / VoIP |
一点丢包不影响整体体验 |
DNS |
DNS |
查询快，包小，可靠性交给应用层 |
游戏 |
自定义UDP协议 |
掉一帧画面也能玩 |
3. TCP三次握手与四次挥手
3.1. 名词讲解
Seq：序列号（用于标识发送的数据字节流的顺序）每个 TCP 数据包（或段）都包含一个序列号。
SYN：表示该数据包用于发起连接请求或响应连接请求。
ACK：表示该数据包包含确认信息，用于通知发送方已成功接收某些数据。
FIN：表示发送方已完成数据发送，请求终止连接。3.2. 三次握手
客户端 <------------- 三次握手 -------------> 服务端
| -------------> SYN, Seq=x -------------> |
#客户端发起连接，客户端数据包的初始序列号为x
| <------- SYN+ACK, Seq=y, Ack=x+1 ------- |
#服务端响应客户端的连接请求,并且告知客户端我确认收到了请求。
#服务端数据包的初始序列号为y，希望客户端的下一个数据包使用x+1
| -------> ACK, Seq=x+1, Ack=y+1 --------> |
#客户端响应服务端的连接请求，并告知服务端我确认收到了请求。
#该数据包的序列号为x+1，希望服务端的下一个数据包使用y+1
#连接建立，双方进入ESTABLISHED（连接状态）3.3. 数据传输
客户端 <------------- 数据传输 -------------> 服务端
| -------> Seq=x+1, Ack=y+1 (1 byte) ----> |
#客户端发送1字节数据，希望服务端的下一个数据包使用y+1
#该包的序列号为x+1，这里假设传输的是1字节数据，所以是x+1。
#如果是100字节数据，那就是x+101。x+101是下一个包的起始序列号
| <----------- ACK, Seq=y+1, Ack=x+2 ----- |
#服务端确认收到数据，希望客户端的下一个数据包使用x+2。
#该包的序列号为y+13.4. 四次挥手
客户端 <------------- 四次挥手 -------------> 服务端
| ---------> FIN, Seq=x+2, Ack=y+1 ------> |
# 客户端发送FIN请求断开连接，希望服务端的下一个数据包使用y+1
# 该包的序列号为x+2，延续数据传输后的序列号
# FIN占用一个序列号，类似数据传输的1字节
| <-------- ACK, Seq=y+1, Ack=x+3 -------- |
# 服务端确认收到客户端的FIN，希望客户端的下一个数据包使用x+3
# 该包的序列号为y+1
| <--------- FIN, Seq=y+1, Ack=x+3 ------- |
# 服务端发送FIN请求断开连接，希望客户端的下一个数据包使用x+3
# 该包的序列号为y+1，延续服务端的序列号
| --------> ACK, Seq=x+3, Ack=y+2 -------> |
# 客户端确认收到服务端的FIN，希望服务端的下一个数据包使用y+2
# 该包的序列号为x+3，连接即将关闭3.5. 整体流程
客户端 <------------- 三次握手 -------------> 服务端
| -------------> SYN, Seq=x -------------> |
| <------- SYN+ACK, Seq=y, Ack=x+1 ------- |
| -------> ACK, Seq=x+1, Ack=y+1 --------> |
客户端 <------------- 数据传输 -------------> 服务端
| -------> Seq=x+1, Ack=y+1 (1 byte) ----> |
| <----------- ACK, Seq=y+1, Ack=x+2 ----- |
客户端 <------------- 四次挥手 -------------> 服务端
| ---------> FIN, Seq=x+2, Ack=y+1 ------> |
| <-------- ACK, Seq=y+1, Ack=x+3 -------- |
| <--------- FIN, Seq=y+1, Ack=x+3 ------- |
| --------> ACK, Seq=x+3, Ack=y+2 -------> |4. 常见设备
- 网关：在传输层进行协议转换，如将TCP/IP数据转换为其他协议。
- 负载均衡：根据端口号分发流量，优化服务器性能。
第4层 应用层
负责为用户应用程序提供网络服务和通信接口。它处理数据的格式化、表示、加密以及会话管理，确保应用程序能够通过网络进行有效通信。
1. 应用层功能
- 网络服务提供：为应用程序（如浏览器、邮件客户端、文件传输工具）提供通信功能，支持网页浏览、文件传输、电子邮件发送和接收等。
- 数据格式化：将应用程序的数据转换为网络可传输的格式（如HTTP请求、FTP命令），并在接收端将数据还原为应用程序可识别的格式。
- 会话管理：管理应用程序之间的通信会话，包括会话的建立、维护和终止。
- 安全性：通过协议内置的加密和认证机制（如HTTPS中的TLS/SSL）保护数据传输的安全性。
- 资源定位：通过DNS（域名系统）将域名解析为IP地址，帮助用户访问网络资源。
- 用户认证：通过协议（如FTP、SMTP、SSH）验证用户身份，确保访问安全。
2. 常见协议
- HTTP/HTTPS（超文本传输协议/安全超文本传输协议）：用于网页浏览，HTTPS提供加密保护。
- DHCP（动态主机配置协议）：动态分配IP地址，简化网络配置
- FTP（文件传输协议）：用于在网络上上传和下载文件。
- SMTP（简单邮件传输协议）：用于发送电子邮件。
- POP3/IMAP（邮局协议/互联网消息访问协议）：用于从邮件服务器接收电子邮件。
- DNS（域名系统）：将域名（如www.baidu.com）解析为IP地址。
- Telnet/SSH（远程登录协议/安全Shell协议）：用于远程登录到网络设备，SSH提供加密保护。
3. 常见软件
- Web服务器：如Apache、Nginx、IIS，提供网页内容。
- DNS服务器：如BIND，负责域名解析。
- 客户端应用程序：如浏览器（Chrome、Firefox）、邮件客户端（Outlook、Thunderbird）
如果按照设备划分的话可分为：
服务器（Server）：提供网络服务，如：Web服务器、邮件服务器等
客户端（Client）：请求服务的设备：如电脑或手机
TCP/IP通信流程
1. 发送端
- 应用层：在浏览器输入某网址，浏览器通过HTTP协议生成请求数据（例如GET /index.html）。
- 若使用HTTPS，数据会通过SSL/TLS加密，准备发送给Web服务器。
- 传输层：数据被分割成小块（Segment），添加TCP头部，形成TCP段。
- TCP头部包含源端口（随机端口，如49152）、目标端口（通常为80或443）、序列号、确认号和校验和，用于确保可靠传输。
- 网络层：TCP段被封装成IP数据包，添加IP头部，包含源IP地址和目的IP地址。
- 若使用IPv4，头部还包括协议类型（TCP）。
- 链路层：IP数据包被封装成数据帧，添加链路层头部（如以太网头部，包含源MAC地址和目标MAC地址）和尾部（如CRC校验），通过网卡准备发送到局域网。
- 数据帧通过物理介质（如网线、Wi-Fi）转换为电信号、光信号或无线信号传输到网络。
2. 接收端
- 链路层：接收电信号、光信号或无线信号，转换为数据帧。
- 检查MAC地址是否匹配，验证帧的完整性（通过CRC校验），剥离链路层头部和尾部，提取IP数据包。
- 网络层：解析IP数据包，检查目的IP地址是否匹配本地设备，剥离IP头部，提取TCP段，传递给传输层。
- 若需跨网络，路由器会根据IP地址转发数据包。
- 传输层：解析TCP段，检查端口号（例如80或443）以确定目标应用，验证序列号确保数据按序到达，剥离TCP头部，重组数据段，传递给应用层。
- 若数据丢失，触发重传机制。
- 应用层：Web服务器接收HTTP请求数据（若为HTTPS，解密SSL/TLS数据），处理请求，生成响应数据（如HTML网页内容），并通过相同流程返回给客户端。
