目录
1.应用层协议
2.传输层协议
3.UDP协议格式
4.TCP协议格式
5.TCP的安全效率机制
1.确认应答机制
2.超时重传机制
但是，主机A未收到B发来的确认应答，也可能是因为ACK丢失了；
3.连接管理机制
编辑
面试题：会不会有可能变成三次挥手？
面试题：第二个FIN丢包了如何处理？
4.滑动窗口机制
情况一：数据包已经抵达，ACK被丢了
情况二：数据包就直接丢了
滑动窗口效率：
那么滑动窗口取多大最合适呢？
5.流量控制
6.拥塞控制
7.延迟应答
8.捎带应答
9.面向字节流
10.缓冲区，大小限制
11.粘包问题
解决方案（明确两个包之间的界限）
思考：对于UDP协议来说，是否也存在 "粘包问题" 呢？
6.TCP异常情况
为什么TCP这么复杂？
怎么对UDP实现安全和效率的控制？
6.IP协议
IP协议
7.数据链路层重点协议
1.以太网帧格式 :
8.总结
MTU:
1.应用层协议
确定数据组织格式，常用的协议有XML，JSON
2.传输层协议
3.UDP协议格式
4.TCP协议格式
- 源/目的端口号：表示数据是从哪个进程来，到哪个进程去；
- 4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有多少个4字节）；所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60
- 6位标志位:
- URG：紧急指针是否有效
- ACK：确认号是否有效
- PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
- RST：对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为复位报文段
- SYN：请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为同步报文段
- FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为结束报文段
- 16位校验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有问题。此处的检验和不光包含TCP首部，也包含TCP数据部分。
- 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据；
5.TCP的安全效率机制
1.确认应答机制
解决了发收乱序的问题
2.超时重传机制
- 主机A发送数据给B之后，可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机B；
- 如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答，就会进行重发；
但是，主机A未收到B发来的确认应答，也可能是因为ACK丢失了；
因此主机B会收到很多重复数据，那么TCP协议可以利用前面提到的序列号，就可以很容易做到去重的效果
- 最理想的情况下，找到一个最小的时间，保证 "确认应答一定能在这个时间内返回"。
- 但是这个时间的长短，随着网络环境的不同，是有差异的。
- 如果超时时间设的太长，会影响整体的重传效率；
- 如果超时时间设的太短，有可能会频繁发送重复的包；
- Linux中（BSD Unix和Windows也是如此），超时以500ms为一个单位进行控制，每次判定
- 超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。
- 如果重发一次之后，仍然得不到应答，等待 2*500ms 后再进行重传
3.连接管理机制
在正常情况下，TCP要经过三次握手建立连接
在这个基础上，双方就可以正常的接收发送
三次握手还有一个重要功能，就是协商序列号从哪里开始
面试题：三次挥手的过程
面试题：三次挥手过程能简化成两次吗？四次呢？
两次不可以，没有完整验证双方的收发能力
四次挥手断开连接
12表示客户端发送的断开请求，被服务器接受并应答，服务器会做一些断开前的准备
34表示应用程序的断开请求，比如调用了close（）方法
接收到客户端的应答CAK之后，服务器就可以释放资源
若出现大量close_wait则可能是应用程序没有正确关闭资源
面试题：会不会有可能变成三次挥手？
ACK是操作系统实现的TCP协议的应答
第二个FIN是应用程序级别的，这两个操作之间是有时间差的，
大概率不会合并在一起
面试题：第二个FIN丢包了如何处理？
触发超时重传机制
4.滑动窗口机制
- 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000个字节（四个段）。
- 发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送；
- 收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据；依次类推；
- 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应 答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉；
- 窗口越大，则网络的吞吐率就越高；
那么如果出现了丢包，如何进行重传？这里分两种情况讨论
情况一：数据包已经抵达，ACK被丢了
情况二：数据包就直接丢了
- 当某一段报文段丢失之后，发送端会一直收到 1001 这样的ACK，就像是在提醒发送端 "我想 要的是 1001" 一样；
- 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 "1001" 这样的应答，就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送；
- 这个时候接收端收到了 1001 之后，再次返回的ACK就是7001了（因为2001 - 7000）接收端 其实之前就已经收到了，被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中；
这种机制被称为 "高速重发控制"（也叫 "快重传"）
滑动窗口效率：
效率的该地取决于窗口的大小
窗口越大效率越高
假设窗口无限大，此时发送方完全不需要等待ACK，此时效率就和UDP一样
那么滑动窗口取多大最合适呢？
每个程序启动时都会去申请系统资源，发送与接收缓存区都是申请来的系统资源
主要是通过发送方与接收方动态协商来确定的，也就是流量控制
发送方不能为了提高效率而无节制的扩大窗口大小
5.流量控制
- 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 "窗口大小" 字段，通过ACK端通知发送端；
- 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高；
- 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端；
- 发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；
- 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一 个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。
接收端如何把窗口大小告诉发送端呢？回忆我们的TCP首部中，有一个16位窗口字段，就是存放了窗口大小信息；那么问题来了，16位数字最大表示65535，那么TCP窗口最大就是65535字节么？实际上，TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M，实际窗口大小是 窗口字段的值左移 M位；
由于客户端发送的频率越来越高，就会导致缓冲区填满的情况发生
每隔一段时间进行一次窗口探测询问窗口大小，然后进行窗口更新
6.拥塞控制
- 此处引入一个概念程为拥塞窗口
- 发送开始的时候，定义拥塞窗口大小为1；
- 每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1；
- 每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较，取较小的值作为 实际发送的窗口；
- 为了不增长的那么快，因此不能使拥塞窗口单纯的加倍。
- 此处引入一个叫做慢启动的阈值
- 当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长
- 当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；
- 在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1；
- 在每次通信过程中试探网络的拥堵状态，从而调整窗口的大小
具体窗口取多大，以哪个值为主？
以小的为主
少量的丢包，我们仅仅是触发超时重传；大量的丢包，我们就认为网络拥塞；当TCP通信开始后，网络吞吐量会逐渐上升；随着网络发生拥堵，吞吐量会立刻下降；拥塞控制，归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方，但是又要避免给网络造成太大压力的 折中方案。
7.延迟应答
- 假设接收端缓冲区为1M。一次收到了500K的数据；如果立刻应答，返回的窗口就是500K；
- 但实际上可能处理端处理的速度很快，10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了；
- 在这种情况下，接收端处理还远没有达到自己的极限，即使窗口再放大一些，也能处理过 来；
- 如果接收端稍微等一会再应答，比如等待200ms再应答，那么这个时候返回的窗口大小就是 1M；
- 数量限制：每隔N个包就应答一次；
- 时间限制：超过最大延迟时间就应答一次；
8.捎带应答
9.面向字节流
10.缓冲区，大小限制
- 调用write时，数据会先写入发送缓冲区中；
- 如果发送的字节数太长，会被拆分成多个TCP的数据包发出；
- 如果发送的字节数太短，就会先在缓冲区里等待，等到缓冲区长度差不多了，或者其他合适 的时机发送出去；
- 接收数据的时候，数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区；
- 然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据；
- 另一方面，TCP的一个连接，既有发送缓冲区，也有接收缓冲区，那么对于这一个连接，既 可以读数据，也可以写数据。这个概念叫做 全双工
由于缓冲区的存在，TCP程序的读和写不需要一一匹配
11.粘包问题
- 首先要明确，粘包问题中的 "包" ，是指的应用层的数据包。
- 在TCP的协议头中，没有如同UDP一样的 "报文长度" 这样的字段，但是有一个序号这样的字 段。
- 站在传输层的角度，TCP是一个一个报文过来的。按照序号排好序放在缓冲区中。
- 站在应用层的角度，看到的只是一串连续的字节数据。
- 那么应用程序看到了这么一连串的字节数据，就不知道从哪个部分开始到哪个部分，是一个 完整的应用层数据包。
解决方案（明确两个包之间的界限）
- 对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可；例如上面的Request结构，是固定大小 的，那么就从缓冲区从头开始按sizeof（Request）依次读取即可；
- 对于变长的包，可以在包头的位置，约定一个4byte的字段，从而表示数据的具体长度
- 对于变长的包，还可以在包和包之间使用明确的分隔符（应用层协议，是程序猿自己来定 的，只要保证分隔符不和正文冲突即可）；
思考：对于UDP协议来说，是否也存在 "粘包问题" 呢？
- 对于UDP，如果还没有上层交付数据，UDP的报文长度仍然在。同时，UDP是一个一个把数 据交付给应用层。就有很明确的数据边界。
- 站在应用层的站在应用层的角度，使用UDP的时候，要么收到完整的UDP报文，要么不收。 不会出现"半个"的情况。
6.TCP异常情况
1.程序崩溃：操作系统会回收进程资源，其中包括释放文件描述符，其中就相当于调用了对应Socket的close（），之后出发FIN操作，进而进入四次挥手阶段
2.正常关机：系统会强制结束进程，回收所有的资源
3.主机掉电/网线断开：
1.接收方掉电
- 发送方并不知道，还会一直发送数据
- 发送数据后收不到ACK应答，会触发超时重传机制
- 多次重传一直收不到ACK应答，会尝试进行连接重置（RST）
- 连接充值失败，放弃连接
2.发送方掉电
- 一般发生在长连接中，服务端与客户端会维持一个心跳包（客户端每隔一秒给服务器发送一个数据包证明自己还存活）
- 如果服务器一直收不到心跳包，比如十秒，就自动认为客户端挂了，自行断开连接
- 客户端网络恢复后自行重连即可（RST）
为什么TCP这么复杂？
因为既要保证可靠性，又要尽可能地提高性能
可靠性：
校验和
序列号（按序到达）
- 确认应答
- 超时重传
- 连接管理
- 流量控制
- 拥塞控制
提高性能
- 滑动窗口
- 快速重传
- 延迟应答
- 捎带应答
其他：
定时器
超时重传定时器，心跳包定时器，TIME_WAIT定时器
怎么对UDP实现安全和效率的控制？
参考TCP的可靠性机制在应用层实现类似的逻辑
6.IP协议
- 4位版本号：IP协议的版本,
- 8位服务类型：4位TOS字段，和1位保留
- 字段（必须置为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这四者相互冲突，只能选择一个
IP协议
- 16位总长度：IP数据报整体占多少个字节。
- 16位标识：唯一的标识主机发送的报文，如果IP报文在数据链路层被分片，那么每一篇里面的Id都是相同的
- 3位标志字段：第一位保留，第二位置为1表示禁止分片，第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为0，其他是1。类似于一个结束标记。
- 13位分片偏移：分片相对于原始IP报文开始处的偏移，实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）
-
8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数（到达目标主机端口的最大跳转次数）。一般是64。每次 经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出 现路由循环
-
8位协议：表示上层协议的类型。
-
16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏
- 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端
- 1.一个IP只能同时表示一台主机，为了解决IP不够用
- 一：动态分配，使用时才分配，不用时将其收回
- 二：NET机制，一个子网所有机器，共用一个公网IP地址，子网里的机器分配内网IP，所以不同内网的IP不能互相访问
7.数据链路层重点协议
1.以太网帧格式 :
8.总结
MTU:
最大传输单元（分片的由来）文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-487446.html
不同的数据链路对应的物理层产生的限制 文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-487446.html
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