深入理解网络通信和TCP/IP协议

OSI 七层模型

TCP/IP协议族

定义：Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。协议采用了4层的层级结构。然而在很多情况下，是利用IP进行通信时所必须用到的协议群的统称。

TCP面向连接的、可靠的流协议（面向连接的可靠性协议）
UDP面向无连接的通讯协议

linux的lvs是直接跃郭传输层到网络层的

TCP/IP网络传输中的数据术语

数据包(packet)是全能性术语;

报文/消息(message）是指应用协议中数据的单位。

报文段(segment)则表示TCP数据流中的信息;

数据报(datagram）是IP中数据的单位;

帧(frame)用于表示数据链路层中包的单位;

地址和端口号

网络通信中的地址和端口号

IP地址和MAC地址

MAC

MAC 地址全称叫做媒体访问控制地址，也称为局域网地址（LAN Address），MAC 位址，以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），由网络设备制造商生产时写在硬件内部。MAC 地址与网络无关，也即无论将带有这个地址的硬件（如网卡、集线器、路由器等）接入到网络的何处，都有相同的 MAC 地址，它由厂商写在网卡的 BIOS 里，从理论上讲，除非盗来硬件（网卡），否则是没有办法冒名顶替的。MAC 地址共 48 位（6 个字节）。前 24 位由 IEEE（电气和电子工程师协会）决定如何分配，后 24 位由实际生产该网络设备的厂商自行制定。例如：FF:FF:FF:FF:FF:FF 或 FF-FF-FF-FF-FF-FF

IP 地址

IP 地址（Internet Protocol Address）的全称叫作互联网协议地址，它的本义是为互联网上的每一个网络和每一台主机配置一个唯一的逻辑地址，用来与物理地址作区分。所以 IP 地址用来识别 TCP/IP 网络中互连的主机和路由器。IP 地址基于逻辑，比较灵活，不受硬件限制，也容易记忆。IP 地址分为：IPv4 和 IPv6。我们这里着重讲的是 IPv4 地址，IP 地址是由 32 位的二进制数组成，它们通常被分为 4 个"8 位二进制数"，我们可以把它理解为 4 个字节，格式表示为：（A.B.C.D）。其中，A，B，C，D 这四个英文字母表示为 0-255 的十进制的整数。

例：192.168.1.1

端口号

在传输层也有这种类似于地址的概念，那就是端口号。端口号用来识别同一台计算机中进行通信的不同应用程序。因此，它也被称为程序地址。一台计算机上同时可以运行多个程序。传输层协议正是利用这些端口号识别本机中正在进行通信的应用程序，并准确地将数据传输

TCP 面向连接的协议

TCP提供的是一种可靠的数据流服务（面向连接的可靠型传输协议），数据有可能被拆分后发送，采用超时重传机制是和应答确认机制是组成TCP可靠传输的关键设计

三次握手

建立一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立

RTT ------ round-trip time

序列号

流量控制

全双工

第一次握手：客户端将请求报文标志位 SYN 置为 1，请求报文的 Sequence Number 字段（简称 seq）中填入一个随机值 J，并将该数据包发送给服务器端，客户端进入 SYN_SENT 状态，等待服务器端确认。

第二次握手：服务器端收到数据包后由请求报文标志位 SYN=1 知道客户端请求建立连接，服务器端将应答报文标志位 SYN 和 ACK 都置为 1，应答报文的 Acknowledgment Number字段（简称 ack）中填入 ack=J+1，应答报文的 seq 中填入一个随机值 K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入 SYN_RCVD 状态。

第三次握手：客户端收到应答报文后，检查 ack 是否为 J+1，ACK 是否为 1，如果正确则将第三个报文标志位 ACK 置为 1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查 ack 是否为 K+1，ACK 是否为 1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED 状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

四次挥手

断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。

过程

第一次挥手:客户端发送关闭请求

第二次挥手:服务端响应客户端关闭请求

第三次挥手:服务端发送关闭请求

第四次挥手:客户端发送关闭确认请求

为什么需要四次挥手

TCP是双全工(即客户端和服务器端可以相互发送和接收请求)，所以需要双方都确认关闭连接。

为什么 TCP 的挥手需要四次？

TCP 是全双工的连接，必须两端同时关闭连接，连接才算真正关闭。

如果一方已经准备关闭写，但是它还可以读另一方发送的数据。发送给 FIN 结束报文给对方，对方收到后，回复 ACK 报文。当这方也已经写完了准备关闭，发送 FIN 报文，对方回复 ACK。两端都关闭，TCP 连接正常关闭。

为什么需要 TIME-WAIT 状态？

TIME_WAIT 状态存在的原因有两点

1、可靠的终止 TCP 连接。

2、保证让迟来的 TCP 报文有足够的时间被识别并丢弃。

根据前面的四次握手的描述，我们知道，客户端收到服务器的连接释放的 FIN 报文后，必须发出确认。如最后这个 ACK 确认报文丢失，那么服务器没有收到这个 ACK 确认报文，就要重发 FIN 连接释放报文，客户端要在某个状态等待这个 FIN 连接释放报文段然后回复确认报文段，这样才能可靠的终止 TCP 连接。

在 Linux 系统上，一个 TCP 端口不能被同时打开多次，当一个 TCP 连接处于 TIME_WAIT状态时，我们无法使用该链接的端口来建立一个新连接。反过来思考，如果不存在 TIME_WAIT状态，则应用程序能过立即建立一个和刚关闭的连接相似的连接（这里的相似，是指他们具有相同的 IP 地址和端口号）。这个新的、和原来相似的连接被称为原来连接的化身。新的化身可能受到属于原来连接携带应用程序数据的 TCP 报文段（迟到的报文段），这显然是不该发生的。这是 TIME_WAIT 状态存在的第二个原因。

面试题

MYSQL中大量time_wait状态可能原因，代码中内存泄露，未关闭数据库连接