TCP/IP協議模型
各層常見協議
1.鏈路層：
ARP：地址解析協議，根據IP地址獲取真實物理地址MAC地址的一種協議。當主機需要發送一個IP包時，會查本地高速緩存，若不存在，主機便會發送一個ARP包，從含有該IP映射的主機中獲取相關的ARP包。解包后會更新本地ARP緩存。
RARP：與ARP協議相反。
2.網絡層：
IP協議：TCP/IP協議的核心，所有的傳輸層協議以及IP輔助協議都以IP數據格式傳送。IP協議是不可靠的，TCP可靠的原因是加入了多種機制，保證可靠傳輸。換而言之，IP協議只負責IP數據傳送，不保證安全性。
ICMP協議：IP輔助協議，全稱網絡控制報文協議。正如前文所述，IP協議是不可靠的傳輸。ICMP協議就是用來封裝IP數據包傳輸錯誤時的信息（如主機不可達等），並將其傳送回主機。
3.傳輸層：
TCP協議：面向連接（客戶端與服務端建立起端到端的全雙工通信）的傳輸層協議，采用字節流方式，傳輸可靠，但速度慢。
UDP協議：無連接（廣播式）的傳輸層協議，采用報文方式，傳輸不可靠可能丟包，但速度快。
4.應用層協議：
Http協議：超文本傳輸協議，端口號80。默認采用TCP協議實現。所以Http的請求過程首先要建立TCP連接（三次握手），然后客戶端發出Http請求，服務端處理請求並響應。
Https協議：Http協議基礎上進行了加密，端口443。由於用來加密的原因，所以在發生請求前需要進行加密。更多次的握手保證了數據的安全性，但同時也降低了效率。
其他常見：
IP地址
IP地址一共32位，一共五類IP地址。
IP數據包的封裝
封裝過程：（Http為例）
IP數據報：（建議每32bit按行的方式去理解）
四個字節共32Bit的數據按每次8Bit傳輸。（每一行）
版本號代表當前IP協議的版本如IPV4或IPV6，頭部長度代表首部占32Bit（4個字節）的數目，包含可選選項，四個位表示首部最長1111=15（行）即4*15=60個字節，沒有任何選項的即圖中所示默認為5（行）即4*5=20個字節。（如圖所示的前五行）
服務類型包含一個3Bit的優先權字段，4Bit的Tos字段以及末尾1Bit的置零字段。TOS字段包含四個選項最小時延、最大吞吐、最高可靠、最小費用。
總長度代表的是整個IP數據包的長度，以字節為單位，則最長為65535。但由於MTU（最大傳輸單元）的存在，有可能會被分片。同時利用總長度和首部長度可知數據的起始位置。
TTL生存時間字段設置可經過的最大路由器數，每經過一個路由器就減一。當該字段為0時，就丟棄該報文，並通過ICMP協議返回相關信息。TraceRoute就是通過這個原理實現的，先設置TTL為1嘗試，然后為2直至通路為止，由此獲得所有的路由信息。
Ping、TraceRoute和DNS
Ping：基於ICMP協議的應用程序。前文可知ICMP包含報文傳輸過程中的錯誤，所以根據這一信息可以測試主機間的聯通狀態
TraceRoute：通過將TTL從一遞增的設置數據包嘗試，直至獲取所有路由表的程序。
DNS協議：域名解析服務，類似於ARP協議。ARP時IP與MAC地址的映射，DNS則是域名與IP地址的映射。
TCP連接的建立與斷開。
預備知識：
TCP頭部結構：
五個關鍵位置：
SYN：建立連接標識，ACK：響應標識，FIN：斷開連接標識，seq（seq number）：發送序號，ack（ack number）：響應序號。
從圖可知FIN、ACK、SYN三個標志位只有1Bit要不為0，要不為1，而seq和ack支持32bit。
1.三次握手（建立連接）：
客戶端發送SYN，seq=x，進入SYN_SEND狀態。
服務端響應SYN，ACK，seq=y，ack =x+1，進入SYN_RCVD狀態。
客戶端回應ACK，seq=x+1，ack=y+1.進入ESTABLISHED狀態，服務端收到也進入該狀態。
簡而言之：A告訴B建立連接，B收到后告訴A我收到了建立連接的消息，然后A收到后通知B你給我的確認我收到了。
三次握手的原因：
為了防止已失效的連接請求報文段突然又傳送到了服務端，因而產生錯誤。
2.四次揮手（斷開連接）：
主機A發送FIN，ACK，seq=x，ack=z，進入FINWAIT_1狀態。
主機B回應ACK，seq=z，ack=x+1，主機A收到后進入FINWAIT_2狀態。
主機B發送FIN，ACK，seq=y，ack=x，進入LAST_ACK狀態。
主機A回應ACK，seq=x，ack =y進入TIME_WAIT狀態，等待主機B收到后關閉連接，進入Closed狀態。
簡而言之：A告訴B我已經沒有數據要傳輸了，B發送響應我同意你的關閉請求。然后B在請求A關閉連接，B收到請求后，發送確認關閉連接的響應。如果2MSL沒收到回復，證明B已關閉。
四次揮手的原因：
TCP是全雙工模式，這就意味着，當主機A發出FIN報文段時，只是表示主機A已經沒有數據要發送了，但是，這個時候主機A還是可以接受來自主機B的數據；當主機B返回響應ACK報文段時，表示它已經知道主機A沒有數據發送了，但是主機B還是可以發送數據到主機A的；當主機B也發送了FIN報文段時，這個時候就表示主機B也沒有數據要發送了，就會告訴主機A，我也沒有數據要發送了，之后彼此就會愉快的中斷這次TCP連接。
為什么要等待2MSL（MSL是指報文最大生存時間）：
1.保證全雙工通信的TCP協議可靠關閉。
2.保證這次連接的重復數據段從網絡中消失
TCP協議可靠性的幾個方面
1.超時重傳
原理：在發送數據報文后開啟一個計時器，如果超過了時間仍沒有收到ACK回應就重發該數據報文。直到成功為止。
RTO：重傳超時時間，該值影響超時重傳的效率。若過長，效率低，若過短，則會導致網絡更加擁塞，導致更多的超時和重傳。
RTT：連接往返時間，即一個TCP數據包發送到接收到相應的響應時間，例如游戲中的延遲。
RTO最好是RTT的時間，但由於RTT不固定，所以使用自適應算法。
2.流量控制
意義：解決接收端處理數據不如發送端發送數據快，導致數據過多無法處理。
實現原理：滑動窗口機制。通過ACK報文響應窗口值的大小表示當前緩存可以接受的數據報文大小，由此實現控制客戶端發送報文大小，從而實現流量控制。
3.擁塞控制
意義：為了避免發送方因為IP網絡擁塞而遏制。
解決的幾種方法：慢啟動、擁塞避免、快重傳、快恢復。
擁塞窗口概念：類似於滑動窗口，但限制的是本機發送的大小（cwnd），若網絡擁塞則該值小，若不擁塞則該值大（即動態變化，取決於網絡情況）。通過不同的算法控制擁塞窗口的大小從而盡量減少擁塞的出現。
慢開始算法：開始由於不知道網絡情況，為了防止在網絡擁堵的情況下注入過多數據，所以開始的cwnd值較小然后逐漸增加。最初設置為MSS（最大報文長度）每經過一個輪次（服務端對客戶端的每個報文的確認響應）加一。列入最初為1，發送一個報文，收到一個確認，cwnd為2，然后發送兩個報文，收到兩個確認，cwnd變為4。所以慢開始指的不是增長速率慢，而是cwnd的初始值小。
為了避免cwnd增長過快，需要使用ssthresh變量設置cwnd的門限。當cwnd小於ssthresh時使用慢開始算法。當cwnd大於ssthresh時，停止使用慢開始算法，改用擁塞避免算法，二者相等時，兩個算法皆可以使用。注意，當發生網絡擁塞時ssthresh會變為當前cwnd值的一半（乘法縮小算法），擁塞窗口設置為1。然后重新開始慢開始算法，直至cwnd=ssthresh時執行擁塞避免算法。
擁塞避免算法：每經過一個RTT往返就加一，這樣cwnd變為線性增長而非起始的成倍增長，增長速率相對於慢開始放緩。並非完全避免擁塞，只是通過限制cwnd的大小增長塑速率減少了網絡擁塞的可能性。
快重傳與快恢復：在超時重傳中，主要是由於超過了定時器的限制，才進行重傳。快重傳重新定義了一種丟包標准，即如果連續三次收到重復ACK包即認為該seq（序列）包丟失，然后立即進行重傳。而快恢復算法一般與快重傳算法一起使用。當收到三個重復ACK包時，就進行乘法縮小算法，把ssthresh減半（減半為擁塞發生時的cwnd的值的一半，不開始慢開始算法，cwnd不置零，設置為ssthresh值的一半，然后執行擁塞避免算法使cwnd線性增長）
TCP的定時器
重傳定時器：前文中保證TCP可靠傳輸的超時重傳機制使用的定時器，當發送報文后開始計時，若沒有在定時器結束前收到ACK包，則代表數據丟失，進行重傳，避免陷入無限等待。
堅持定時器：對付零窗口通知設立。以滑動窗口為例，當從零窗口恢復時，接受端發送一個非零的ACK包，而ACK包沒有對應的響應，若此ACK包丟失，則發送端仍認為為零窗口狀態，而接收端不會重新發送非零的ACK包，則陷入死循環狀態。解決方法就是在發送端確認窗口為0時實力該計時器，計時結束發送探測報文告知接收端重發ACK包，並每個一段時間將該計時器重置哦，直至出現非零窗口。
保活計時器：防止TCP連接出現長時間的空閑，一般設置為兩個小時。如果某端因為出現了故障，兩個小時后另一端發送10個探測報文（每個間隔一段時間）沒有收到回復則直接斷開TCP連接，而非通過四次揮手斷開連接。
時間等待計時器：TCP連接斷開時四次揮手使用的計時器。即等待2MSL后關閉主動關閉一端的連接。