TCP/IP协议族之TCP、UDP协议详解（小白也能看懂）

前言

        在进行网络编程之前，我们必须要对网络通信的基础知识有个大概的框架，TCP/IP协议族涉及到多种网络协议，一般说TCP/IP协议，它不是指某一个具体的网络协议，而是一个协议族。本篇章主要针对IP协议、TCP和UDP协议记录总结。

1. 分层模型

1.1 OSI模型标准

OSI七层参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于通信系统间网络互联的标准体系，称为OSI参考模型或七层模型。下面对七层模型简单介绍：

1.1.1 物理层

利用传输介质（双绞线、电缆等）为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输；简单的说就是数据的传输通道，传送电平信号，数据单位是比特（bit）。

该层设备有集线器、网线、中继器等。

1.1.2 数据链路层

负责建立和管理节点间逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错检测等功能。

接收来自物理层的位流形式的数据，并封装成数据帧格式传送到上一层；或者把上层的数据帧拆装为位流形式的数据再转发到物理层。数据的单位称为帧。

该层设备有网桥、交换机等。

1.1.3 网络层

负责将数据传输到目标地址，就是路由和寻址，数据单位称为包；IP协议就处于网络层。

该层设备有路由器。

1.1.4 传输层

为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括差错校验处理和流控等。数据单位称为段。TCP、UDP协议处于传输层中。

1.1.5 会话层

负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。将不同实体之间表示层的连接称为会话。因此会话层的任务就是组织和协调两个会话进程之间的通信，并对数据交换进行管理；数据单位是报文。

1.1.6 表示层

提供各种用于应用层数据的编码和转换功能，确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别；数据单位是报文。

1.1.7 应用层

为上层用户提供应用接口，也为用户直接提供各种网络服务；数据单位是报文。常见协议有HTTP、FTP、DNS等。

1.2 TCP/IP分层模型

TCP/IP分层模型有两种：四层和五层模型，它们是对OSI七层模型的简化。 

2. 通信流程

了解了各层之间的框架后，我们就会好奇，各层次之间是怎么互相配合通信的呢？（以下针对TCP/IP协议模型讲解）

当应用程序传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络，其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息（有时还要增加尾部信息），这叫做对数据的封装。应用层要发送的数据经过层层封装传输到目标机，目标机从最底层一步步将封装的数据拆解到应用层，最终还原了数据的本身形态。

举例说明：假如应用程序使用TCP协议发送数据“hello”，从上到下，首先经过应用层，在应用层将原始数据“hello”添加APP首部，此时数据变成了“APP首部+hello”，然后依次通过传输层、网络层，最后达到网络接口层，在最底层数据就被封装成了“各层的首部信息+hello”，将这些数据信息通过传输介质（例如网线）以二进制的形式发送比特流到目标机，目标机接收到封装后的数据后，从最底层到最高层，逐层拆包（大概的意思就是网络层就将IP首部拆除、输出层将TCP首部拆除），最后还原数据“hello”。

3. 网络层IP协议

3.1 IP地址概述

每个网络主机都会有一个IP地址，每个节点通过IP地址进行区分不同的主机，从而进行通信，路由器和主机都有一个IP地址。该IP地址是软件层面的一个地址，如192.168.xxx.xxx，而不是硬件层面的MAC地址。

IP地址分为IPv4地址和IPv6地址。IPv4地址有32位正整数表示，IPv6地址由128位正整数表示。

现在我们用的都是IPv4地址，将32位的 IP 地址以每8位为一组，分成4组，每组以 “.” 隔开，再将每组数转换成十进制数。

IP地址由网络标识和主机标识组成，可以通过子网掩码来确定网络地址和主机地址分别占用多少位。其中网络标识 = IP地址 & 子网掩码。

3.2 IP首部

不含选项字段的IP首部包含20个字节，如下图所示。

其中32位源IP地址指明发送端主机的IP地址，32位目的IP地址指明接收端主机的IP地址，这样我们就可以知道数据从哪里来，要发往何处了。

3.3 IP路由选择

如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或都在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么IP数据报就直接送到目的主机上。否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。

IP层既可以配置成路由器的功能，也可以配置成主机的功能。本质上的区别在于主机从不把数据报从一个接口转发到另一个接口，而路由器则要转发数据报。

IP层可以从TCP、UDP、ICMP、IGMP或者网络接口接收数据报并发送，IP层在内存中有一个路由表，当IP层接收并发送数据报时都会去检索下路由表，检查目的IP地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址，如果不是，被设置成路由器功能的IP层就会对数据报进行转发（没设置成路由器功能的IP层会把该数据报废弃）。

3.4 IP地址分类 

IP地址可以分为5类：A类、B类、C类、D类和E类。我们常用的第一个字节为192的处于C类。

分配主机地址时，不可以全部为 0 或全部为 1。因为全部为 0 只有在表示对应的网络地址或 IP 地址不可以获知的情况下才使用，而全部为 1 的主机通常作为广播地址。

3.4.1 A类

A类IP地址由1个字节网络地址（网络地址最高位必须为“0”）和3个字节主机地址组成。

网络地址范围是0~127；

主要分配给具有大量主机而局域网络个数较少的大型网络使用；

广播地址为：XXX.255.255.255；

A类地址中设有私有地址和保留地址：

10.X.X.X：是私有地址，在互联网中不能使用，而被用在局域网中的地址；

127.X.X.X：是保留地址，也称为环回地址，主要用来测试网络协议是否工作正常，比如在电脑中使用ping命令去ping 127.1.1.1就可以测试本地TCP/IP协议是否正常。

0.0.0.0：只能用作源地址。0.0.0.0是不能被ping通的，在服务器中，0.0.0.0并不是一个真实的的IP地址，它表示本机中所有的IPv4地址。监听0.0.0.0的端口，就是监听本机中所有IP的端口。

3.4.2 B类

B类IP地址由2个字节的网络地址（网络地址最高两位必须为“10”）和2个字节的主机地址组成。

网络地址范围是128~191；

一般分配给中型网络使用；

广播地址为：XXX.XXX.255.255；

B类地址中设有私有地址和保留地址：

172.16.0.0 ~ 172.31.255.255：是私有地址；

169.254.X.X：是保留地址。

3.4.3 C类

C类IP地址由3字节的网络地址（网络地址最高三位必须为“110”）和1字节的主机地址组成。

网络地址范围是192~223；

广播地址为：XXX.XXX.XXX.255；

分配给小型网络使用，如一般的局域网和校园网；

192.168.X.X：是私有地址。

3.4.4 D类

D类IP地址第一个字节以“1110”开始，不分网络地址和主机地址，它是一个专门保留的地址，它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（多播），多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。

地址范围：224.0.0.0~239.255.255.255 。

3.4.5 E类

E类IP地址以“1111”开始，为将来使用保留。

地址范围：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255。

3.5 子网掩码

除了IP地址以外，主机还需要知道有多少比特用于子网号及多少比特用于主机号。这是在引导过程中通过子网掩码来确定的。子网掩码是一个32 bit的值，其中值为1的比特留给网络号和子网号，为0的比特留给主机号。

如下图所示：B类地址的两种不同的子网掩码格式，一个子网号和主机号都是8 bit宽，另一个划分成10 bit的子网号和6 bit的主机号。

4. 传输层协议

4.1 TCP协议

4.1.1  TCP协议概述

TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的流协议。

何为面向连接呢？

就是说两个使用TCP协议的应用（通常是一个客户端和一个服务端），在互相通信交换信息之前，必须先建立一个TCP连接，即进行三次握手，互相确认身份后连接。，连接上后，TCP就可以进行全双工通信了。

可靠又从何而来? 

① 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块（由TCP传递给IP的信息单位称为报文段）。

② 当TCP发出一个报文段后，它会启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能
及时收到一个确认，将重发这个报文段。（即发送端发送的每个TCP报文段都必须得到接收方的应答，才能认为这个TCP报文段传输成功）

③ 当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认（这个确认不是立即发送，通常将延迟几分之一秒才发送）。

④ TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错， TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发送端超时并重发）。

⑤ TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会乱序，同理TCP报文段的到达也可能会乱序，由于重传机制，也可能会收到重复的数据；所以TCP协议还会将接收到的TCP报文段重排、整理、再交付给应用层。

⑥ TCP还提供流控制，客户端和服务端都有固定大小的缓冲空间，发送或接收的数据不能超过这个缓冲空间。

流服务：

两个应用程序通过TCP连接交换8 bit字节构成的字节流，TCP不在字节流中插入记录标识符，我们将其称为字节流服务。

4.1.2 TCP首部

TCP报文段的格式如下，TCP首部如果没有其它选项的存在，仅占20字节。

源端口号和目的端口号：用于寻找发送端和接收端的应用进程，这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址就可以确定唯一一个TCP连接。IP地址加端口号也称为一个插口(socket)。

seq序号：用来标识从TCP发送端向TCP接收端发送的数据字节流，它的值表示在这个报文段中的第一个数据字节所处位置码，TCP协议会对发送或者接收的数据进行编号（按字节的形式）。

在TCP传送的数据流中，每一个字节都有一个序号。假如当前报文段的序号为100，且数据占100字节，则下一个报文段的序号就是200，序号到达2^32 - 1后又从0开始。

ack确认序号：期望收到的下一个报文段的首部中的序号，只有ACK标志为1时，确认序号才有效。

无法对数据流中选定的部分进行确认；例如，如果1～1024字节已经成功收到，下一报文段中包含序号从2049～3072的字节，收端并不能确认这个新的报文段，它所能做的就是发回一个确认序号为1025的ack。

也无法对一个报文段进行否认；例如，如果收到包含1025～2048字节的报文段，但它的检验和错，TCP接收端所能做的就是发回一个确认序号为1025的ack。

首部长度：仅占4 bit，表示TCP首部的总长度，4字节为一个单位计算，所以TCP首部总长度不能超过60(15*4)字节。

URG：紧急指针字段标志，如果是1表示紧急指针字段有效；

ACK：只有当ACK=1时，确认序号字段才有效；

PSH：为1时，接收方应该尽快将本报文段立即传送给应用层；

RST：为1时，表示出现连接错误，必须释放连接，然后再重建传输连接；还用来拒绝一个不法的报文段或拒绝打开一个连接；

SYN：“SYN=1，ACK=0”时表示请求建立一个新连接，带SYN标志的TCP报文段为同步报文段；

FIN：为1表示发送方没有数据要传输了，要求释放连接。

窗口大小：用于流控制，单位为字节，起始于ack确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。它是一个16 bit字段，因而最大为65535字节。

检验和：包含了TCP首部和TCP数据，是一个强制性的字段，由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。

紧急指针：是一个正的偏移量，和seq序号字段中的值相加表示报文段最后一个字节的序号。

4.1.3 端口号

端口号用来标识能进行网络通信的进程，取值范围为0~65535。

一个主机通常只有一个IP地址，但是可以有多个端口号，每个端口号表示一个能上网的进程。

一个拥有IP地址的主机可以提供许多服务，比如Web服务、FTP服务、SMTP服务等，这些服务都是能够进行网络通信的进程，而IP地址只能区分网络中不同的主机，并不能区分主机中的这些进程，显然不能只靠IP地址，因此才有了端口号。通过“IP地址+端口号”来区分主机不同的进程。

服务端中的这些服务有默认的端口号：

HTTP服务：默认端口号为80；

FTP服务：默认为21；

SSH服务：默认为22；

Telnet服务：默认为23。

4.1.4 TCP通信状态

CLOSED状态：表示一个初始状态；

LISTENING状态：表示服务端的某个SOCKET处于监听状态，监听客户端的连接请求；

SYN_SENT状态(客户端)：表示客户端已发送SYN报文；

SYN_REVD状态(服务端)：表示服务端接受到了SYN报文；

ESTABLISHED状态：表示连接已经建立；

FIN_WAIT_1状态：在ESTABLISHED状态时，主动关闭连接，向对端发送了FIN=1报文；

FIN_WAIT_2状态：对端接收到FIN=1报文，然后回应ACK=1报文后，则主动发起关闭端进入到该状态；

TIME_WAIT状态：表示收到了对端的FIN=1报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了；

LAST_ACK状态：它是被动关闭的一方，在发送FIN=1报文后，最后等待对方的ACK报文；

CLOSE_WAIT状态：表示等待关闭。

4.1.5 TCP连接的建立（重点）

TCP是一个面向连接的协议，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。双方建立连接的方式也叫做“握手”，需要进行三次“握手”才能完全建立起通信连接。

三次握手工作过程（客户端发起、服务端监听）：

第一次握手：客户端将报文段TCP首部中的SYN置为1，随机产生一个seq序号为J的值，然后把该数据包发送给服务端，表示请求建立连接，发送完成后，客户端会进入SYN_SENT状态，等待服务端确认。

第二次握手：服务端接收到客户端发过来的数据包后，解析发现SYN被置1了，知道客户端在请求建立连接了，于是，服务端将标志位SYN和ACK都置1，且随机生成一个seq序号为K的值，ack确认序号置为J+1的数据包发送到客户端，以确认客户端的连接请求，服务器端发送完后就会进入到SYN_RCVD状态。

第三次握手：客户端接收到服务端发来的确认数据包后，解析ack确认序号是否为J+1，ACK标志位是否为1，如果正确，则将ACK标志位置为1，ack确认序号置为K+1，然后把数据包发送给服务端，发送完后客户端进入ESTABLISHED状态；服务端接收到数据包后，检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则服务端也进入ESTABLISHED状态，连接建立成功，自此客户端和服务端之间就可以正常通信了。

4.1.6  TCP连接的断开（重点）

因为TCP的通信是全双工的，每个通信方向都要单独关闭，所以断开总共需要四个数据包来确认连接的断开。这四个通信过程我们叫它“四次挥手”。发起断开请求可以是客户端，也可以是服务端。

以下以客户端发起断开请求为例：

第一次挥手：客户端将FIN=1、随机生成seq序号值为M的数据包发给服务端，表示主动发起断开请求，发送完成后客户端进入FIN_WAIT_1状态，等待服务端应答；

第二次挥手：服务端接收到FIN=1的断开连接请求数据包，将标志位ACK置为1，ack确认序号置为M+1的数据包发回给客户端，表示确认了单方面的断开请求，此时客户端进入FIN_WAIT_2状态，而服务端此时还有数据要跟客户端通信，连接还没有完全关闭，等待服务端也发送FIN=1数据包；

第三次挥手：当服务端已经没有数据要发送了，则向客户端发送FIN=1、seq序号为N的数据包，表示断开连接请求，此时服务端进入LAST_ACK状态；

第四次挥手：客户端接收到服务端发来的FIN=1数据包后，回发一个ACK=1、ack确认序号为N+1的数据包，客户端此时进入TIME_WAIT状态，等待2ms延迟没收到服务端信息后就进入关闭状态，服务端接收到应答数据后就断开了连接，进入关闭状态。

4.2 UDP协议

4.2.1 UDP协议概述

UDP(User Datagram Protocol):用户数据报协议，是一种无连接、不可靠的协议。

不可靠性体现在它把应用程序传给IP层的数据包发送出去，可以确保发送消息的大小，却不能保证消息一定会到达，出现差错直接丢弃，无反馈机制。

由于它不像TCP协议那样复杂，无连接、重发机制、应答机制等，所以它的传输速度会较快。

UDP协议传输出现错误的概率是很小的，并且它的实时性非常好，常用于实时视频的传输，比如直播、网络电话等，所以，UDP协议还是会被应用与对传输速度有要求，并且可以容忍出现差错的数据传输中。

4.2.2 UDP首部

源端口号和目的端口号同TCP一样；

UDP长度：指的是UDP首部和UDP数据的字节长度； 

UDP检验和：包含UDP首部和UDP数据，UDP的检验和是可选的，而TCP的检验和是必需的。

参考文章：

TCP_IP详解卷1

正点原子嵌入式Linux C应用编程指南文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-785533.html

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