【计算机网络】TCP/IP协议(DNS协议、IP协议、TCP协议、UDP协议、三次握手、四次挥手）

TCP/IP协议

TCP/IP协议
TCP/IP各层作用与常见协议
各种协议与HTTP协议的关系

TCP/IP协议

本文参考《图解HTTP》——上野宣

TCP/IP是Internet上所有网络和主机之间进行交流时所使用的共同“语言”，是Internet上使用的一组完整的标准网络连接协议。

TCP/IP协议，严格来说是一个协议族，里面包括很多协议（Telnet、HTTP、SMTP、TCP、UDP、IP、ARP等），由于TCP协议和IP是结构中最核心的协议，所以统称为TCP/IP协议。

TCP/IP协议族里重要的一点就是分层，共有4个层次，它们分别是应用层、传输层、网络层、数据链路层。TCP/IP层次结构与OSI层次结构的对照关系如图所示。

利用 TCP/IP协议族进行网络通信时，会通过分层顺序与对方进行通信。发送断从应用层往下走，接收端则从链路层往上走。

TCP/IP各层作用与常见协议

应用层：
应用层决定了向用户提供应用服务的通信活动。
TCP/IP协议族内预存了各类通用的应用服务。比如，FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）和DNS（Domain Name Systrm，域名系统）服务就是其中两类，HTTP(超文本传输协议）也处于该层。

DNS（域名系统）：

提供域名到IP地址之间的解析服务。
计算机既可以被赋予IP地址，也可以被赋予主机名和域名，比如www.baidu.cn（域名）。用户通常使用主机名或者域名来访问对方的计算机，而不是直接通过IP地址访问。因为与IP地址的一组纯数字相比，用字母配合数字的表示形式来指定计算机名更符合人类的记忆习惯。但要让计算机去理解名称，相对而言就变得困难了。因为计算机更擅长处理一长串数字。
为解决这个问题，DNS服务应运而生，DNS协议提供通过域名查找IP地址，或逆向从IP地址反查域名的服务。

HTTP(Hyper-Text Transfer Protocol，超文本传输协议）

HTTP是一种建立在TCP上的无状态连接，负责 web 服务器与 web 浏览器（客户端）之间的通信。
整个基本的工作流程是客户端发送一个HTTP请求，说明客户端想要访问资源的请求和请求的动作，服务端收到请求后，服务端开始处理请求，并根据请求做出相应的动作访问服务器资源，最后通过发送HTTP响应把结果返回给客户端。Web是建立在HTTP协议上进行通信的。

FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）
SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）

传输层：
传输层对上层应用层，提供处于网络连接中的两台计算机之间的数据传输。
在传输层有两个性质不同的协议：TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Data Protocol，用户数据报协议)

TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议）
TCP是一个面向连接，可靠的数据传输服务。提供可靠的字节流服务。
字节流服务是指：为了方便传输，将大块数据分割成以报文段（segment)为单位的数据包进行管理。可靠的传输服务是指：能够把数据可靠的传输给对方。
TCP协议的特性

面向连接
为了准确无误的将数据送达目标处，TCP进行数据传输之前必须建立（三次握手）一个TCP连接，而且数据传输完成后要释放连接（四次挥手）。
双工
只要建立了TCP连接，就能在发送端和接收端间进行双向的数据传输服务，但这种传输只是端到端的传输。
可靠
TCP提供流量控制，解决接收方不能及时处理数据的问题；提供拥塞控制，解决因网络通信拥堵延迟带来的数据丢失问题；提供差错控制，解决数据被破坏、重复、失序和丢失的问题，从而保证数据传输的可靠性。
基于字节流
为了方便传输，将大块数据分割成以报文段（segment)为单位的数据包进行管理。发送端以字节流形式发送数据，接收端也把数据作为字节流来接收。

TCP三次握手：
建立一个TCP连接时，需要客户端和客服端总共发送三个包确认连接的建立。
握手过程中使用了TCP的标志———SYN(synchronous，建立联机）和ACK（acknowledgement，确认）

第一次握手：发送端首先发送一个带SYN(SYN = i)的数据包给接收端，并进入一个SYN_SENT的状态，等待接收端的确认。（发送端：喂，你听的到吗？）
第二次握手：接收端收到SYN数据包，确认发送端的SYN，知道发送端请求建立连接（ACK = i + 1 )，同时自己也发送一个带SYN +ACK（SYN = k )的数据包回应发送端，并进入SYN_RECV状态。（接收端：我听到到，你听的到吗？）
第三次握手：发送端收到接收端的SYN+ACK包，向接收端发送一个ACK(ACK = k +1 )，此包发送完毕，发送端和接收端进入Established状态，完成三次握手，发送端和接收端开始传送数据。（发送端：我听的到，我们可以开始聊天了）

TCP四次挥手
FIN(finish结束)

第一次挥手：客户端主动发送一个FIN(finish结束)，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1的状态。（客户端：我说完了，挂了）
第二次挥手：服务端收到FIN后，发送一个FIN+ACK(确认）给客户端，服务端进入CLOSE_WAIT的状态。【服务端可能还有一些数据没有传送完，不能立马关闭】（服务端：等等，我还没有说完）
第三次挥手：服务器发送一个FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送，服务端进入LAST_ACK状态。（服务端：我说完了，挂吧）
第四次挥手：客户端收到FIN，客户端进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给服务端，然后服务端进入CLOSED状态，完成四次挥手。（客户端：好的，再见）

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议)
UDP是不可靠的无连接的基于数据报的协议，支持无连接IP数据报的通信方式。
在UDP下每次的发送和接收，只构成一次通信，数据在传输之前，通信双方不需要建立连接，接收方在收到UDP数据报后，也不需要给出任何应答。UDP是发出去就不管的“不可靠”通信。UDP在数据传输过程中没有流量控制和确认机制，数据报可能会丢失或者延迟、乱序地到达目的地。但是UDP通信效率高，速度快。

网络层：
网络层用来处理在网络上流动的数据包。数据报是网络传输的最小数据单位。该层规定了通过怎样的路径（所谓的传输路线）到达对方计算机，并把数据包传送给对方。与对方计算机之间通过多台计算机或网络设备进行传输时，网络层所起的作用就是在众多的选项内选择一条传输路线。

IP协议（互联网协议）
IP协议（Internet Protocol，互联网协议），是TCP/IP协议栈中最核心的协议之一，通过IP地址，保证了联网设备的唯一性，实现了网络通信的面向无连接和不可靠的传输功能。
IP协议的作用在于把各种数据包准确无误的传递给接收方，其中两个重要的条件是IP地址，和MAC地址（Media Access Control Address）。由于IP地址是稀有资源，不可能每个人都拥有一个IP地址，所以我们通常的IP地址是路由器给我们生成的IP地址，路由器里面会记录我们的MAC地址。而MAC地址是全球唯一的，除去人为因素外不可能重复。举一个现实生活中的例子，IP地址就如同是我们居住小区的地址，而MAC地址就是小区中某个住户的身份证号，住址可以变化，但身份证号变不了。

IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何将它发送给目标主机。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议会为它寻找一个合适的下一跳路由器，将数据包交给路由器来转发，多次之后，数据包将到达目标主机或者因为发送失败而被丢弃。

**IP地址：**因特网中使用IP地址作为主机的标志。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它是和地域相关的，对于位于同一个子网上的设备，我们分配给他们的IP地址前缀都是一样的。IP地址利用子网掩码将其划分为：网络号和主机号（IP地址就相当于我们的家庭住址，当我们想给小明寄信，就需要准确的知道小明的家庭地址，这样邮递员才能把信送到小明家）
**MAC地址：**又称物理地址，也称为局域网地址。它是网络中每台设备都有的一个唯一的网络标识，用来确认网络设备位置的地址。有了MAC地址以后，以太网采用广播形式，把数据包发给该子网内所有主机，子网内每台主机在接收到这个包以后，都会读取首部里的目标MAC地址，然后和自己的MAC地址进行对比，如果相同就做下一步处理，如果不同，就丢弃这个包。（MAC相当于小明的身份证号，想送信给小明，通过IP地址找到小明的住址，用MAC来确定小明的身份）

IP 间的通信依赖 MAC 地址。在网络上，通信的双方在同一局域网（LAN）内的情况是很少的，通常是经过多台计算机和网络设备中转才能连接到对方。而在进行中转时，会利用下一站中转设备的 MAC 地址来搜索下一个中转目标。这时，会采用 ARP协议（Address Resolution Protocol）。ARP 是一种用以解析地址的协议，根据通信方的 IP 地址就可以反查出对应的 MAC 地址。
在到达通信目标前的中转过程中，那些计算机和路由器等网络设备只能知道很粗略的传输路线，没有人能全面掌握互联网中的传输状况。这种机制称为路由选择，有点像快递公司送货过程。寄件人只要将自己的货物送到集散中心，就可以知道快递公司是否肯收件发货，该快递公司的集散中心检查货物的送达地址，明确下站改送往哪个区域的集散中心，接着，那个区域的集散中心会自己判断是否可以送到收件人手中。

IP协议的特点：

IP协议提供了IP地址，并将源目IP地址夹带在通信数据包里面，为路由器指明通信方向；
IP协议只能指明数据包的源目通信方即"这是谁的送给谁的"，但不能保证数据包一定能到达对方，数据是否会被丢弃以及丢弃之后如何处理。所以，IP协议提供面向无连接不可靠传输功能。那么，如果出现丢包且需要重传时，谁来解决呢？这就需要TCP/IP协议栈另外一个"半壁江山"来实现：TCP协议能解决以上这些IP协议不能实现的功能。

数据链路层：
用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱动、网络适配器（网卡），以及光纤等物理可见部分（还包括连接器等一切传输媒介）

ARP（地址解析协议）
它实现IP地址----->物理地址（MAC地址）的转换，也就是说根据IP地址获取MAC地址。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址。
网络层使用IP地址寻找一台机器，而数据链路层使用物理地址寻找一台机器，因此网络层必须建目标机器的IP地址转化成物理地址，才能使用数据链路层的服务。
RARP（逆地址解析协议）
它与RARP是相反的，实现物理地址到IP地址的转换。

各种协议与HTTP协议的关系