一文了解TCP/IP协议

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来源：公众号【网络技术干货圈】

作者：圈圈

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TCP/IP协议是现代计算机网络通信的基础，是互联网及局域网广泛使用的一套协议。TCP/IP协议集包括许多协议，其中最重要的是传输控制协议(TCP)和因特网协议(IP)。这些协议定义了数据如何在网络上进行传输和接收，为网络设备提供了通信的规则和标准。

TCP/IP协议集采用分层模型，以便于网络的设计、实现和管理。TCP/IP协议模型由四个层次组成，分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层。每一层负责不同的功能，并与相邻层次进行通信。

应用层是TCP/IP协议集的最高层，负责处理特定的网络应用程序，如电子邮件、文件传输和网页浏览。应用层协议包括HTTP、FTP、SMTP、DNS等。这些协议定义了应用程序如何使用网络资源进行通信。

传输层负责提供端到端的通信服务。传输层协议包括传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。TCP提供可靠的、面向连接的服务，而UDP提供不可靠的、无连接的服务。传输层的主要功能包括数据分段、错误检测和修复、流量控制等。

网络层负责数据包的路由和转发。网络层协议包括因特网协议(IP)、地址解析协议(ARP)、互联网控制报文协议(ICMP)等。IP协议是最重要的网络层协议，它定义了数据包的格式和地址结构，并负责数据包的路由。ARP用于将IP地址解析为物理地址，ICMP用于发送错误和状态信息。

网络接口层负责与物理网络的接口，包括以太网、Wi-Fi等。网络接口层协议定义了如何在物理网络上传输数据帧，以及如何处理链路层的错误和冲突。网络接口层协议包括以太网协议、PPP协议等。

TCP/IP协议通过分层模型来实现数据通信。当一个应用程序需要发送数据时，数据会经过每一层的处理，每一层添加相应的协议头信息，最后通过物理网络传输。接收端按照相反的顺序处理数据，逐层剥去协议头信息，最终将数据传递给目标应用程序。

在发送数据时，应用层将数据传递给传输层，传输层将数据分段并添加TCP或UDP头信息，形成段（segment）或数据报（datagram）。接着，网络层将段或数据报封装成IP包（packet），并添加IP头信息。最后，网络接口层将IP包封装成数据帧（frame），并添加链路层头信息，然后通过物理网络发送出去。

在接收数据时，数据帧从物理网络传输到网络接口层，网络接口层剥去链路层头信息，形成IP包。接着，网络层处理IP包并剥去IP头信息，形成段或数据报。传输层处理段或数据报，并剥去TCP或UDP头信息，最后将数据传递给应用层。

应用层协议

应用层是TCP/IP协议集的最高层，直接与应用程序交互。它提供各种网络服务，允许应用程序在网络上进行通信。常见的应用层协议包括HTTP/HTTPS、FTP/SFTP、SMTP/IMAP/POP3、DNS和DHCP。

1. HTTP/HTTPS

HTTP（超文本传输协议）

HTTP（HyperText Transfer Protocol）是用于在万维网（WWW）上传输超文本的协议。它是无状态的、面向对象的协议，基于请求/响应模型工作。

请求/响应模型：客户端（通常是浏览器）向服务器发送HTTP请求，服务器处理请求并返回HTTP响应。

HTTP方法：常见的HTTP方法包括GET（请求资源）、POST（提交数据）、PUT（更新资源）、DELETE（删除资源）等。

状态码：HTTP响应包含状态码，用于指示请求的结果。常见状态码包括200（成功）、404（未找到）、500（服务器错误）等。

HTTPS（安全超文本传输协议）

HTTPS（HyperText Transfer Protocol Secure）是HTTP的安全版本，通过TLS/SSL协议加密数据传输，确保数据的机密性和完整性。

加密：HTTPS使用TLS/SSL协议加密数据传输，防止数据被窃听或篡改。

身份验证：通过数字证书验证服务器的身份，确保客户端连接到的是合法服务器。

数据完整性：使用消息摘要算法确保数据在传输过程中未被修改。

2. FTP/SFTP

FTP（文件传输协议）

FTP（File Transfer Protocol）是用于在网络上传输文件的协议。它支持文件的上传、下载和管理。

连接模式：FTP支持主动模式和被动模式。在主动模式下，客户端开放端口等待服务器连接；在被动模式下，服务器开放端口等待客户端连接。

命令与响应：FTP使用命令与响应机制，客户端发送FTP命令，服务器返回响应码。

数据传输模式：FTP支持ASCII和二进制两种数据传输模式。

SFTP（安全文件传输协议）

SFTP（Secure File Transfer Protocol）是通过SSH（Secure Shell）加密传输文件的协议，确保文件传输的安全性。

加密：SFTP通过SSH协议加密数据传输，确保数据的机密性和完整性。

认证：使用SSH密钥或用户名密码进行身份验证。

文件操作：SFTP支持文件的上传、下载、重命名、删除等操作。

3. SMTP/IMAP/POP3

SMTP（简单邮件传输协议）

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）是用于发送电子邮件的协议。它定义了邮件如何从发件人传输到收件人的邮件服务器。

邮件传输过程：SMTP使用命令与响应机制，客户端发送SMTP命令，服务器返回响应码。邮件通过SMTP服务器逐级传输到目标服务器。

身份验证：SMTP支持用户名密码认证，确保只有授权用户才能发送邮件。

端口：SMTP默认使用端口25，SSL/TLS加密的SMTP使用端口465或587。

IMAP（互联网邮件访问协议）

IMAP（Internet Message Access Protocol）是用于从邮件服务器读取电子邮件的协议。与POP3不同，IMAP支持在服务器上管理邮件。

邮件同步：IMAP允许用户在多个设备上同步邮件，所有操作（如读取、删除、移动邮件）都在服务器上执行。

文件夹管理：IMAP支持在服务器上创建、删除和管理邮件文件夹。

离线访问：IMAP允许用户在离线状态下访问已下载的邮件。

POP3（邮局协议版本3）

POP3（Post Office Protocol version 3）是另一种从邮件服务器读取电子邮件的协议。与IMAP不同，POP3通常将邮件下载到本地设备并从服务器上删除。

邮件下载：POP3将邮件从服务器下载到本地设备，默认情况下邮件在服务器上被删除。

简单易用：POP3协议简单易用，适用于只在单个设备上访问邮件的用户。

端口：POP3默认使用端口110，SSL/TLS加密的POP3使用端口995。

4. DNS

DNS（Domain Name System）是用于将域名解析为IP地址的系统，是互联网的重要基础设施之一。

域名解析：DNS将人类可读的域名（如www.example.com）解析为计算机可识别的IP地址（如192.0.2.1）。

层次结构：DNS采用层次结构，包括根域名服务器、顶级域名服务器（如.com、.org）、权威域名服务器和缓存域名服务器。

记录类型：DNS使用不同类型的记录，如A记录（将域名解析为IPv4地址）、AAAA记录（将域名解析为IPv6地址）、MX记录（邮件交换记录）等。

查询过程：DNS查询过程包括递归查询和迭代查询。客户端向本地DNS服务器发送递归查询，本地DNS服务器逐级向上查询，直到找到权威DNS服务器。

5. DHCP

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是用于动态分配IP地址和其他网络配置的协议。

IP地址分配：DHCP服务器根据预定义的范围（IP地址池）动态分配IP地址给客户端。

配置参数：DHCP服务器还可以分配其他配置参数，如子网掩码、网关地址、DNS服务器地址等。

租约机制：DHCP使用租约机制，IP地址的分配是临时的，客户端需要定期更新租约。

工作流程：DHCP工作流程包括发现（Discover）、提供（Offer）、请求（Request）和确认（ACK）四个阶段。

传输层协议

传输层协议负责提供端到端的通信服务，确保数据可靠地从源节点传输到目的节点。TCP/IP协议集中的主要传输层协议包括传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。

1. TCP（传输控制协议）

TCP（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的传输层协议。它通过三次握手建立连接，确保数据的可靠传输。

TCP的主要特性

面向连接：在传输数据前，通信双方需要建立TCP连接，这个过程称为三次握手。传输完成后，连接需要通过四次挥手关闭。

可靠传输：TCP使用序列号和确认机制，确保数据包按顺序到达并且不丢失。接收方发送ACK（确认）消息，确认已接收到的数据。

流量控制：TCP使用滑动窗口机制进行流量控制，防止发送方发送数据过快，超出接收方的处理能力。

拥塞控制：TCP使用拥塞避免算法，如慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复，来防止网络拥塞。

TCP连接过程

三次握手：建立连接时，客户端和服务器进行三次握手：

客户端发送SYN（同步序列号）请求，标识序列号。

服务器接收到SYN后，发送SYN-ACK响应，确认收到SYN并标识自己的序列号。

客户端接收到SYN-ACK后，发送ACK确认，连接建立成功。

四次挥手：关闭连接时，客户端和服务器进行四次挥手：

客户端发送FIN（终止连接）请求，表示不再发送数据。

服务器接收到FIN后，发送ACK确认，但可能仍有数据要发送。

服务器完成数据发送后，发送FIN请求，表示不再发送数据。

客户端接收到FIN后，发送ACK确认，连接关闭。

TCP头部格式

TCP头部包含多个字段，用于管理数据传输。主要字段包括：

源端口和目标端口：标识通信双方的端口号。

序列号：标识数据段在整个数据流中的位置。

确认号：确认已接收的数据段的序列号。

标志位：包括SYN、ACK、FIN等，用于控制连接状态。

窗口大小：用于流量控制，表示接收方的缓冲区大小。

校验和：用于错误检测，确保数据的完整性。

2. UDP（用户数据报协议）

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的、简单的传输层协议。它提供不可靠的数据传输服务，适用于对传输速度要求较高且能容忍丢包的应用。

UDP的主要特性

无连接：UDP不建立连接，直接发送数据，无需三次握手和四次挥手。

不可靠传输：UDP不保证数据的可靠性、顺序性和完整性。数据包可能会丢失、重复或乱序到达。

低开销：UDP头部简单，只有8个字节，传输开销低，适用于实时应用。

适用场景：UDP适用于实时性要求高的应用，如视频流、音频流、在线游戏等。

UDP头部格式

UDP头部包含以下字段：

源端口和目标端口：标识通信双方的端口号。

长度：表示UDP头部和数据部分的总长度。

校验和：用于错误检测，确保数据的完整性。

TCP与UDP的对比

连接性：TCP是面向连接的，UDP是无连接的。

可靠性：TCP提供可靠传输，UDP不提供可靠性保证。

流量控制和拥塞控制：TCP具有流量控制和拥塞控制机制，UDP没有。

头部开销：TCP头部较大，开销高；UDP头部简单，开销低。

传输速度：TCP传输速度相对较慢，适用于可靠性要求高的应用；UDP传输速度快，适用于实时性要求高的应用。

网络层协议

网络层负责数据包的路由和转发，确保数据从源节点到达目的节点。TCP/IP协议集中的主要网络层协议包括因特网协议（IP）、地址解析协议（ARP）、互联网控制报文协议（ICMP）和路由协议。

1. IP（因特网协议）

IP（Internet Protocol）是网络层最重要的协议，负责数据包的路由和转发。IP协议有两个版本：IPv4和IPv6。

IPv4

IPv4（Internet Protocol version 4）是最早广泛使用的IP协议版本，使用32位地址，理论上可以提供约43亿个地址。

IP地址：IPv4地址由4个8位字节（总共32位）组成，以点分十进制表示（如192.168.1.1）。

子网划分：通过子网掩码（如255.255.255.0）将网络划分为多个子网，管理地址分配和路由。

路由：IPv4使用路由表和路由协议（如RIP、OSPF、BGP）进行数据包的路由。

头部格式：IPv4头部包含多个字段，包括版本、头部长度、总长度、标识、标志、片偏移、TTL（生存时间）、协议、头部校验和、源地址和目的地址等。

IPv6

IPv6（Internet Protocol version 6）是IPv4的继任者，使用128位地址，提供几乎无限的地址空间。

IP地址：IPv6地址由8组16位十六进制数字组成，以冒号分隔（如200185a300000370:7334）。

自动配置：IPv6支持无状态地址自动配置（SLAAC），简化了地址分配。

安全性：IPv6内置了IPsec（IP Security），提供数据加密和认证。

头部格式：IPv6头部简化了字段，只有8个固定长度的字段，包括版本、流量类、流标签、有效载荷长度、下一个头部、跳限制、源地址和目的地址。

2. ARP（地址解析协议）

ARP（Address Resolution Protocol）用于将IP地址解析为物理地址（如MAC地址），实现局域网内的通信。

工作原理：当主机需要知道另一个主机的物理地址时，它会发送ARP请求广播到网络，目标主机接收到请求后，发送ARP响应，包含其物理地址。

ARP缓存：每个主机维护一个ARP缓存，存储最近解析的IP地址和物理地址对，减少频繁的ARP请求。

3. ICMP（互联网控制报文协议）

ICMP（Internet Control Message Protocol）用于在网络设备之间传递控制消息和错误报告。

主要功能：ICMP用于报告网络错误、进行网络诊断和管理。常见的ICMP消息类型包括：

回显请求和应答（Echo Request/Reply）：用于Ping命令，测试网络连通性。

目标不可达（Destination Unreachable）：当路由器无法将数据包传递给目标时发送。

时间超过（Time Exceeded）：当数据包的TTL值减为零时发送。

重定向（Redirect）：当路由器发现更优路径时通知主机更新路由表。

4. 路由协议

路由协议用于在网络设备之间交换路由信息，建立和维护路由表，确保数据包选择最佳路径传输。

内部网关协议（IGP）

IGP（Interior Gateway Protocol）用于自治系统（AS）内部的路由选择。

RIP（路由信息协议）：基于距离矢量算法，使用跳数作为度量标准，适用于小型网络。RIP更新频率高，但收敛速度慢，容易产生路由环路。

OSPF（开放最短路径优先）：基于链路状态算法，使用Dijkstra算法计算最短路径，适用于大型网络。OSPF收敛速度快，支持多区域划分和负载均衡。

外部网关协议（EGP）

EGP（Exterior Gateway Protocol）用于自治系统之间的路由选择。

BGP（边界网关协议）：基于路径矢量算法，使用AS路径作为度量标准，负责互联网骨干网的路由选择。BGP提供灵活的路由控制和策略配置，适应复杂的网络拓扑结构。

网络接口层协议

网络接口层负责物理网络的访问与数据传输，包括定义数据帧格式和介质访问控制方法。主要的网络接口层协议包括以太网、Wi-Fi、PPP和一些其他链路层协议。

1. 以太网（Ethernet）

以太网是最广泛使用的局域网技术，定义了计算机如何在同一网络上相互通信。

以太网的主要特性

帧结构：以太网帧包括帧头、数据负载和帧尾。帧头包含目的地址、源地址和类型字段；帧尾包含帧校验序列（FCS），用于错误检测。

MAC地址：每个以太网设备都有一个唯一的MAC地址，用于在局域网上标识设备。

介质访问控制：以太网使用CSMA/CD（载波侦听多路访问/碰撞检测）方法控制对共享介质的访问。设备在发送数据前侦听网络，确保没有其他设备在发送数据。

以太网类型

标准以太网：支持10 Mbps传输速率。

快速以太网：支持100 Mbps传输速率。

千兆以太网：支持1 Gbps传输速率。

万兆以太网：支持10 Gbps及以上传输速率。

2. Wi-Fi（无线保真）

Wi-Fi是基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，允许设备在无线网络中通信。

Wi-Fi的主要特性

帧结构：Wi-Fi帧包括管理帧、控制帧和数据帧。每种帧类型用于不同的功能，如建立连接、管理网络和传输数据。

SSID：服务集标识符（SSID）用于标识无线网络，设备通过SSID连接到特定的无线网络。

加密：Wi-Fi支持多种加密方法，如WEP、WPA和WPA2，确保无线通信的安全性。

Wi-Fi标准

802.11a：支持5 GHz频段，最大传输速率为54 Mbps。

802.11b：支持2.4 GHz频段，最大传输速率为11 Mbps。

802.11g：支持2.4 GHz频段，最大传输速率为54 Mbps。

802.11n：支持2.4 GHz和5 GHz频段，最大传输速率为600 Mbps。

802.11ac：支持5 GHz频段，最大传输速率为1 Gbps及以上。

802.11ax：支持2.4 GHz和5 GHz频段，最大传输速率为10 Gbps及以上。

3. PPP（点对点协议）

PPP（Point-to-Point Protocol）是一种用于在点对点连接上传输数据的协议，广泛用于拨号连接、DSL和VPN等场景。

PPP的主要特性

帧结构：PPP帧包括标志字段、地址字段、控制字段、协议字段、信息字段和帧校验序列（FCS）。

链路控制协议（LCP）：用于建立、配置和测试数据链路连接。LCP通过发送LCP包进行链路的协商和配置。

网络控制协议（NCP）：用于在PPP连接上建立和配置不同的网络层协议，如IP、IPX等。

PPP扩展

PAP（口令验证协议）：用于在PPP连接上进行简单的密码验证。

CHAP（质询握手验证协议）：用于在PPP连接上进行更安全的验证，通过质询-响应机制验证用户身份。

4. 其他链路层协议

HDLC（高级数据链路控制）

HDLC（High-Level Data Link Control）是一种面向比特的链路层协议，用于点对点和点对多点连接。HDLC提供可靠的数据传输，支持全双工通信和流量控制。

ATM（异步传输模式）

ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一种用于传输语音、视频和数据的高速网络技术。ATM使用固定长度的53字节信元进行传输，提供低延迟和高带宽。

MPLS（多协议标签交换）

MPLS（Multiprotocol Label Switching）是一种用于高速网络中的数据转发技术，通过在数据包前添加标签进行快速转发。MPLS支持多种网络协议，提供流量工程和服务质量（QoS）功能。

总结

层级	协议
应用层	HTTP, HTTPS, FTP, SMTP, POP3, IMAP, DNS, DHCP
传输层	TCP, UDP
网络层	IP (IPv4, IPv6), ARP, ICMP, OSPF, BGP
网络接口层	Ethernet, Wi-Fi, PPP, HDLC, ATM, MPLS

应用层

应用层协议直接与用户交互，提供网络服务，如网页浏览、电子邮件和文件传输。

HTTP/HTTPS：用于网页浏览和安全的网页浏览。

FTP：用于文件传输。

SMTP/POP3/IMAP：用于电子邮件的发送和接收。

DNS：域名解析服务。

DHCP：动态主机配置协议，为网络设备分配IP地址。

传输层

传输层协议提供端到端的通信服务，确保数据可靠地传输。

TCP：面向连接的协议，提供可靠传输。

UDP：无连接的协议，提供不可靠但快速的传输。

网络层

网络层协议负责数据包的路由和转发。

IP (IPv4, IPv6)：提供IP地址和路由功能。

ARP：将IP地址解析为物理地址。

ICMP：用于网络错误报告和诊断。

OSPF：内部网关协议，用于路由选择。

BGP：外部网关协议，用于自治系统之间的路由选择。

网络接口层

网络接口层协议定义了数据在物理网络上的传输方式。

Ethernet：有线局域网技术。

Wi-Fi：无线局域网技术。

PPP：点对点协议，用于直接连接。

HDLC：高级数据链路控制协议。

ATM：异步传输模式，用于高速网络。

MPLS：多协议标签交换，用于快速数据转发。