TCP/IP网络模型
TCP/IP协议将网络分为4层
从上到下依次是 应用层 传输层 网络层 数据链路层
TCP/IP 分别为传输层和网络层的协议。
一个应用A向应用B传输信息的大致过程
封装为 包 封装为 帧 检查 IP 头部 若匹配，剥离 IP 头部，将段交给传输层。
添加 IP 头部 添加 帧头和帧尾 若不匹配且本机为路由器，则重新路由转发
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应用A->传输层->网络层->数据链路层->网络介质->数据链路层->网络层->传输层->应用B(接收数据)
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添加 传输层头部 比特流 剥离帧头和帧尾 检查端口号，确定目标应用
封装为 段 或 数据报。 校验帧完整性 剥离传输层头部，将原始数据交给应用层。
高层 低层 低层 高层IP
IP（Internet Protocol，互联网协议）是用于在计算机网络中标识和定位设备的一组规则。
它是互联网通信的基础协议之一，主要作用是为每个连接到网络的设备分配一个唯一的地址（称为IP地址），确保数据能够准确地在设备之间传输。IP协议是一种 无连接 和 不可靠 的协议。
无连接：IP协议在发送数据之前不会建立连接。
不可靠：IP协议不保证数据按顺序到达，不保证数据不重复，也不保证数据不丢失。
IP协议会通过IP地址标识网络中的设备，在一个网络中，设备的IP地址是唯一的。
IP协议会根据网络最大传输单元(MTU)拆分数据包，并在接收端重组。
IP会将数据包封装成有固定20字节头部的数据包
IP协议的两个版本
- IPv4
- IPv6
IPv4地址由32位二进制数组成，可表示约43亿地址。为方便阅读，IPv4地址可用点分十进制表示。如192.168.0.1
IPv4目前是主流的IP表示方案，但也存在着能够表示的地址不够的问题。
IPv6解决了这一问题。其地址为128位的二进制数，可以表示约3.4×10³⁸地址个地址。
IPv6的头部为固定的40字节，每个设备都可以有公网地址。IPv6的地址还可以表示为十六进制冒号分隔的形式 如 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334。
IP核心机制
1. 分片和重组机制
IP会将数据包分片与重组，当数据包的大小超过MTU，数据包会被拆分成多个分片，到达接收端后，数据包会被根据标志和片位移重组。
2. TTL机制
TTL，即Time to Live(生存时间)。没经过一个路由器，TTL值会减1。当一个数据包的TTL值为0时，这个数据包会被路由器丢弃。
设定TTL值并在其为0时丢弃是为了防止数据包在网络中无限循环。
3. 路由机制
每个路由器都有一张路由表，存储目标网络和下一跳的映射。
如果目标IP和路由器在同一个子网，数据包会被直接发给目标设备。
如果目标IP和路由器不在同一个子网，数据包会被发送到默认网关。
判断是否在同一子网——子网掩码
IPv4地址 = 网络地址 + 主机号
如果两个IP的网络地址相同，那么可以确定这两个IP在同一个子网
通过子网掩码便可以确定一个IP地址的网络地址。
网络地址 = IP地址 & 子网掩码TCP
| 特性 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接方式 | 面向连接（三次握手建立，四次挥手释放 ） | 无连接，直接发送数据 |
| 可靠性 | 可靠传输（确认、重传、校验） | 不可靠传输（无确认、无重传） |
| 流量控制 | 通过滑动窗口动态调节发送速率 | 无流量控制 |
| 拥塞控制 | 有（慢启动、拥塞避免等算法） | 无 |
| 数据顺序 | 保证数据按顺序到达 | 不保证顺序 |
| 头部开销 | 较大（20 字节固定 + 可选字段） | 较小（固定 8 字节） |
| 传输方式 | 基于字节流（无明确边界） | 基于数据报（有明确边界） |
| 传输效率 | 低（握手、重传、控制机制） | 高（无额外控制） |
| 延迟 | 较高（可靠性机制引入延迟） | 较低（适合实时应用） |
| 广播/多播支持 | 仅支持单播 | 支持广播和多播 |
| 典型应用场景 | HTTP、FTP、电子邮件、文件传输 | 视频流、在线游戏、DNS、VoIP、实时通信 |
TCP是一种 面向连接 的 可靠 传输协议。 并且TCP协议支持流量控制和拥塞控制，可以进行全双工通信。
使用TCP协议通信前需要先建立连接，通信结束后也需要断开连接。
可靠传输机制
- 校验和
每个TCP报文都带校验和字段，通过校验和可以验证数据的完整性。
- 确认应答机制
接收方在成功接收数据后，会向发送方发送一个带ACK标志位的数据包，该数据包中包含了确认号
确认号是成功接收的这个数据包下一个数据包的序列号，表示以确认号为序列号的数据包之前的数据包都收到了。
- 超时重传机制
在一定时间后，如果还没有收到某个数据包的ACK，发送方会重传该数据包。
- 快速重传：接收方检测到乱序包，会重新发送前一个ACK。当发送方收到三次重复ACK时，会立即重传。
- 滑动窗口
使用TCP协议的发送方和接收方各维护了一个滑动窗口。 通过这两个滑动窗口TCP可以实现流量控制和拥塞控制。
TCP三次握手四次挥手
三次握手
- 客户端向服务器发送一个带有标志位SYN的数据包，表明自己希望与服务器建立连接。 客户端的TCP状态变为SYN_SENT
- 服务器回复一个带有标志位SYN和ACK的数据包，表示同意建立连接。 服务器的TCP状态变为SYN_RECEIVED
- 客户端接收到服务器的SYN-ACK包后，回应一个ACK包，表示连接建立。 服务器和客户端的TCP状态都变为ESTABLISHED，连接建立。
三次握手
服务器: LISTEN -> SYN_R可靠传输四大机制、握手/挥手状态转换、滑动窗口原理CVD -> ESTABLISHED
客户端: CLOSED -> SYN_SENT -> ESTABLISHED
四次挥手
- 主动方向被动方发送一个带标志位FIN的数据包，表示自己想要终止连接。 主动方进入FIN_WAIT_1状态。
- 被动方收到FIN包，回应一个ACK包，表示确认收到关闭请求。 被动关闭方进入CLOSE_WAIT状态。 主动方接收ACK后进入FIN_WAIT_2状态
- 被动方在数据发送完毕后，向主动方发送一个带FIN标识位的数据包，表示被动方也要终止连接。 被动方进入LAST_ACK状态。
- 主动方收到FIN包后，向被动方发送一个ACK包，并进入TIME_WAIT状态。被动方接收ACK后终止连接，主动方一段时间后终止连接。
发送FIN 接收ACK 接收FIN并发送ACK
四次挥手 | | |
主动方: ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT -> CLOSED
被动方: ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> LAST_ACK -> CLOSED
| | |
接收FIN,回应ACK 数据发送完毕 接收ACK
利用TCP/IP协议，我们可以实现服务器和客户端之间的通信。
服务器：
#include<iostream>
#include<memory.h>
#include<arpa/inet.h>
int main() {
int lfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
sockaddr_in sin;
memset(&sin,0,sizeof(sockaddr_in));
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_port = htons(1234);
sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if(bind(lfd,(sockaddr*)&sin,sizeof(sockaddr_in)) == -1) {
perror("bind");
}
listen(lfd,3);
sockaddr_in client_sin;
socklen_t client_sin_len = sizeof(sockaddr_in);
int sock = accept(lfd,(sockaddr*)&client_sin,&client_sin_len);
send(sock,"Hello World!",13,0);
close(sock);
close(lfd);
return 0;
}客户端：
#include<iostream>
#include<arpa/inet.h>
#include<memory.h>
int main() {
sockaddr_in sin;
memset(&sin,0,sizeof(sockaddr_in));
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_port = htons(1234);
inet_pton(AF_INET,"localhost",&sin.sin_addr);
int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
connect(sock,(sockaddr*)&sin,sizeof(sockaddr_in));
char buff[13] = {};
recv(sock,buff,13,0);
std::cout<<buff;
close(sock);
return 0;
}通过TCP/IP协议，服务器可以向客户端发送一条消息Hello World!。客户端接收Hello World!后将其打印在客户端的屏幕上。
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