【Embedded Development】【TCP-IP】关于TCP-IP网络协议的学习记录以及基于TCP-IP网络协议的上层协议的初步理解

前言

学习TCP-IP网络协议是理解网络通信本质的核心，它并非单一协议，而是一套涵盖网络通信各环节的协议族。本次学习聚焦TCP-IP协议族的核心架构、关键协议特性，以及基于其基础的上层协议工作机制，旨在构建清晰的网络协议知识框架。

一、简介

TCP-IP协议族采用分层设计思想，将复杂的网络通信流程拆解为多个独立的功能层，每层通过标准化接口为上层提供服务，同时调用下层的服务。这种设计既降低了单一层级的复杂度，又提升了协议的可扩展性和兼容性。通常将其归纳为四层模型（与OSI七层/五层模型对应，一般以五层来标识）。

TCP/IP协议主要由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都属于 TCP/IP 协议，他们与 TCP 或 IP 的关系紧密。因此，也称 TCP/IP 为网际协议群。TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。

二、TCP/IP层次结构

2.1 7层：OSI

OSI 模型是网络通信的七层分层规范，每一层负责不同的通信任务，结合图中信息解释如下：

分层及功能（从下到上）

**物理层（归属：通信子网）**负责传输物理信号，定义接口、信号规范（比如网线接口、电信号格式）。
**链路层（归属：通信子网）**把数据包装成 "帧"（可发送 / 接收的基本数据单位），处理链路的连接与传输。
网络层（归属：面向通信） 对数据进行分组，同时完成路由选择（帮数据选通信路径，比如 IP 地址的路由逻辑）。
**传输层（归属：面向通信）**处理差错、控制流量，提供可靠的数据传输（比如 TCP、UDP 协议就工作在这一层）。
**会话层（归属：面向服务）**建立 "通信进程的逻辑名字与物理名字" 的关联，负责管理通信会话的开始、维持、结束。
**表示层（归属：面向服务）**定义数据格式，完成数据转换、加密 / 解密（比如把不同格式的文件转成通用格式，或给数据加密）。
**应用层（归属：面向应用）**提供应用程序的网络接口，常见应用协议（FTP 文件传输、E-mail 邮件、Telnet 远程登录）都在这一层。

OSI 分层	归属分类	核心功能	典型协议 / 技术
物理层	通信子网	传输物理信号、定义接口 / 信号规范	铜缆、网线、光缆、无线电等
数据链路层	通信子网	将数据组成可发送 / 接收的帧	以太网、令牌环、HDLC、帧中继、ISDN、ATM、IEEE 802.11、FDDI、PPP
网络层	面向通信	数据分组、路由选择	IP、ICMP、IGMP、IPX、BGP、OSPF、RIP、IGRP、EIGRP、ARP、RARP、X.25
传输层	面向通信	差错处理 / 恢复、流量控制、可靠传输	TCP、UDP、TLS、RTP、SCTP、SPX、ATP、IL
会话层	面向服务	建立通信进程名关联、管理会话	ASAP、SSH、RPC、NetBIOS、ASP、Winsock、BSD Sockets
表示层	面向服务	数据格式定义、转换 / 加密	XDR、ASN.1、SMB、AFP、NCP
应用层	面向应用	提供应用程序的网络接口	HTTP、SMTP、SNMP、FTP、Telnet、SIP、SSH、NFS、RTSP、XMPP、Whois、ENRP

2.2 五层：TCP/IP协议

补充：数据包的组成

注：暂时以主要内容讲解。

三、应用层（以五层模型为准）

3.1 主要使用的协议

HTTP协议：超文本传输协议。

HTTPS协议：基于SSL的http协议，在HTTP应用层与TCP传输层之间加了一层安全层，信息在传

输之前先进行SSL或TLS安全层加密，然后再传输。

FTP协议：文件传输协议；可以使主机之间共享文件，用于控制Internet上文件的双向传输。

DNS协议：DNS是⼀整套从域名映射到IP的系统。

SSH协议：为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。

3.2 HTTP协议的讲解

**HTTP（超文本传输协议，Hypertext Transfer Protocol）**是一种用于从网络传输超文本到本地浏览器的传输协议。它定义了客户端与服务器之间请求和响应的格式。HTTP 工作在 TCP/IP 模型之上，通常使用端口 80。

**HTTPS（超文本传输安全协议，Hypertext Transfer Protocol Secure）**是 HTTP 的安全版本，它在 HTTP 下增加了 SSL/TLS 协议，提供了数据加密、完整性校验和身份验证。HTTPS 通常使用端口 443。

HTTP

HTTP 协议是 Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写，是用于从万维网（ WWW:World Wide Web ）服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

HTTP 是一个基于 TCP/IP 通信协议来传递数据（HTML 文件、图片文件、查询结果等）。

HTTPS

HTTPS 协议是 HyperText Transfer Protocol Secure（超文本传输安全协议）的缩写，是一种通过计算机网络进行安全通信的传输协议。

HTTP 本身是不安全的，因为传输的数据未经加密，可能会被窃听或篡改，为了解决这个问题，引入了 HTTPS，即在 HTTP 上加入 SSL/TLS 协议，为数据传输提供了加密和身份验证。

HTTPS 经由 HTTP 进行通信，但利用 SSL/TLS 来加密数据包，HTTPS 开发的主要目的，是提供对网站服务器的身份认证，保护交换资料的隐私与完整性。

HTTP 的 URL 是由 http:// 起始与默认使用端口 80 ，而 HTTPS 的 URL 则是由 https:// 起始与默认使用端口443。

3.2.1 HTTP 工作原理："请求 - 响应" 的简单逻辑

HTTP 是 "客户端（浏览器 / APP）→服务器" 的双向通信模式，流程是：

客户端发请求 ：你在浏览器输入网址（比如www.taobao.com），客户端就会打包 "想要啥资源" 的请求发给服务器；
服务器处理请求：服务器（比如淘宝用的 Nginx、Apache）收到请求后，找到对应的网页、商品数据；
服务器返响应：把处理好的资源打包成 "响应" 发回客户端；
客户端渲染：浏览器解析响应内容，把网页、图片展示出来。

另外 HTTP 有 3 个关键特点：

无连接：一次连接只处理一个请求，用完就断，省传输时间；
媒体独立：只要双方能识别，文本、图片、视频都能传（靠 MIME-type 标注资源类型）；
无状态：服务器记不住 "你是谁"，后续操作需要重传信息（后面的 Cookie/Session 就是用来补这个短板的）。

3.2.2 HTTP 请求头：客户端的 "需求说明书"（4 部分）

请求头是客户端发给服务器的 "信息包"，分 4 块：

请求行 ：核心指令，格式是 "请求方法（如 GET/POST） + 资源 URL + HTTP 版本"（比如GET /index.html HTTP/1.1）；
请求头 ：补充客户端信息（比如User-Agent说明 "我是 Chrome 浏览器"，Cookie带你的登录信息）；
空行：分隔 "请求头" 和 "请求体" 的标志；
请求体：要发给服务器的数据（比如你填的表单内容、上传的文件）。

3.2.3 HTTP 响应头：服务器的 "回复说明书"（4 部分）

响应头是服务器回给客户端的 "包裹单"，也分 4 块：

响应行 ：结果状态，格式是 "HTTP 版本 + 状态码 + 状态描述"（比如HTTP/1.1 200 OK代表请求成功）；
响应头 ：补充服务器信息（比如Content-Type说明 "这是 HTML 文件"，Set-Cookie给客户端存登录信息）；
空行：分隔 "响应头" 和 "响应体" 的标志；
响应体：实际要返回的资源（比如网页代码、图片二进制数据）。

请求头常见字段 ：
- User-Agent：告诉服务器 "我用的什么浏览器 / 设备"；
- Content-Type：说明请求体的数据类型（比如application/json是 JSON 数据）；
- Cookie：带客户端存储的身份信息（比如登录态）。
响应头常见字段 ：
- Content-Type：说明响应体的资源类型（比如text/html是网页）；
- Set-Cookie：让客户端存新的 Cookie 信息；
- Cache-Control：告诉客户端 "这个资源能缓存多久"。

3.2.5 HTTP 和 HTTPS 的区别："裸奔" vs "加密冲浪"

对比项	HTTP	HTTPS
安全程度	明文传输，不安全	SSL/TLS 加密，安全
默认端口	80	443
协议基础	仅 HTTP	HTTP + SSL/TLS
身份验证	无	可验证服务器证书

HTTP 是 "无状态" 的，这俩是用来让服务器 "记住你" 的：

对比项	Cookie	Session
存储位置	客户端（浏览器）	服务器端
安全性	较低（可被篡改）	较高（存在服务器）
生命周期	可设置过期时间	随会话结束（比如关浏览器）
存储大小	一般不超过 4KB	无明确限制（看服务器配置）

3.2.7 HTTPS 加密和解密的过程："安全握手" 全流程

HTTPS 的加密靠 "握手阶段协商密钥 + 传输阶段加密通信"，步骤是：

客户端发 "加密能力"：客户端告诉服务器 "我支持哪些加密算法"；
服务器发 "身份 + 选择"：服务器返回自己的 SSL 证书（证明是真服务器），并选一个加密算法；
客户端验证书 + 生成密钥：客户端验证证书有效后，生成一个 "会话密钥"，用服务器证书里的公钥加密发给服务器；
双方加密通信：服务器用自己的私钥解开 "会话密钥"，之后双方都用这个密钥加密传输数据。

四、传输层：端到端的 "数据保镖" 与 "交通调度员"

核心职责是为应用层提供端到端的可靠数据传输服务，是连接 "应用层" 和 "网络层" 的关键桥梁。它不关心数据的具体内容，只负责确保数据从一个应用程序完整、有序地到达另一个应用程序。

4.1 核心功能：数据传输的 "三重保障"

分段与重组：将应用层的大数据块分成适合网络传输的小数据段，在接收端再重新组合成完整数据
流量控制：防止发送方发送数据过快导致接收方缓冲区溢出（如 TCP 的滑动窗口机制）
差错控制：检测并纠正传输过程中的错误（如 TCP 的校验和、确认应答、重传机制）
拥塞控制：根据网络拥堵情况调整发送速率，避免网络瘫痪
多路复用 / 分用：通过端口号区分同一主机上的不同应用程序（如 80 端口对应 HTTP，443 对应 HTTPS）

4.2 关键特性：两种核心传输模式

传输层提供两种截然不同的传输服务，满足不同应用场景需求：

传输模式	典型协议	可靠性	连接性	适用场景
面向连接	TCP	高（有确认、重传机制）	面向连接（三次握手建立连接）	网页浏览、文件传输、邮件发送等需要可靠传输的场景
无连接	UDP	低（无确认、无重传）	无连接（直接发送数据）	视频通话、实时直播、DNS 查询等对实时性要求高的场景

4.3 典型协议详解

TCP（传输控制协议）
- 面向连接的可靠传输协议，通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接
- 提供流量控制（滑动窗口）、拥塞控制（慢启动、拥塞避免）和差错控制（校验和、确认应答）
- 适用于对可靠性要求高的场景，如 HTTP、FTP、SMTP 等应用层协议都基于 TCP
UDP（用户数据报协议）
- 无连接的不可靠传输协议，头部开销小（仅 8 字节，TCP 头部 20-60 字节）
- 不提供确认、重传机制，传输速度快，延迟低
- 适用于实时性要求高的场景，如 DNS、DHCP、RTP（实时传输协议）等
其他重要协议
- TLS/SSL：在 TCP 基础上提供加密、身份验证和数据完整性保护（HTTPS 的核心）
- SCTP：流控制传输协议，结合了 TCP 和 UDP 的优点，支持多流和多宿主
- RTP：实时传输协议，专为音视频等实时数据设计，通常与 UDP 配合使用

4.4 与上下层的关系

对上：为应用层提供 "端口号" 标识，让不同应用程序能共享同一网络连接
对下：依赖网络层提供的 IP 地址进行路由选择，将数据段封装成 IP 数据报进行传输

4.5 补充：三次握手四次挥手机制讲解

这个图展示了TCP 协议的连接建立（三次握手）、数据传输、连接断开（四次挥手）的完整过程 ，左边是客户端（Client），右边是服务器（Server），下面分阶段解释：

4.5.1 连接建立：三次握手

TCP 通过 "三次握手" 建立可靠连接：

第一步 ：
- 客户端调用connect()，进入SYN_SENT状态；
- 向服务器发送SYN报文（同步请求），序号为seq=x；
- 服务器初始处于LISTEN状态（通过listen()进入）。
第二步 ：
- 服务器收到SYN后，进入SYN_RCVD状态；
- 回复SYN+ACK报文：包含自己的同步请求（SYN seq=y），以及对客户端SYN的确认（ACK=x+1，因为SYN报文会占用 1 个序号）。
第三步 ：
- 客户端收到SYN+ACK后，进入ESTABLISHED（连接已建立）状态；
- 回复ACK报文，确认服务器的SYN（ACK=y+1）；
- 服务器收到ACK后，也进入ESTABLISHED状态，连接正式建立。

4.5.2 数据传输阶段

连接建立后，双方可以传输数据：

客户端调用write()发送数据，报文的seq=x+1（承接之前的SYN序号）、ACK=y+1；
服务器调用read()接收数据，之后回复ACK报文，确认号为x+2（表示已收到seq=x+1的报文，期待下一个报文序号是x+2）。

4.5.3 连接断开：四次挥手

TCP 通过 "四次挥手" 关闭连接（因为连接是双向的，需双方分别关闭）：

第一步 ：
- 客户端调用close()，进入FIN_WAIT_1状态；
- 发送FIN报文（关闭请求），序号seq=x+2，ACK=y+1。
第二步 ：
- 服务器收到FIN后，进入CLOSE_WAIT状态；
- 回复ACK报文，确认号x+3（确认客户端的FIN）。
第三步 ：
- 客户端收到ACK后，进入FIN_WAIT_2状态；
- 服务器准备好关闭后，调用close()，进入LAST_ACK状态，发送自己的FIN报文，序号seq=y+1。
第四步 ：
- 客户端收到服务器的FIN后，进入TIME_WAIT状态；
- 回复ACK报文，确认号y+2；
- 服务器收到ACK后关闭连接；客户端需在TIME_WAIT等待一段时间（通常 2 倍报文最大生存时间2MSL），确保对方收到ACK后再关闭。

五、网络层：跨网络的 "路径规划师" 与 "地址分配员"

核心职责是实现不同网络之间的互联互通，负责为数据分组选择最佳传输路径，并通过 IP 地址标识网络中的主机。它是 "通信子网" 的核心，解决了 "如何从一个网络到达另一个网络" 的问题。

5.1 核心功能：数据传输的 "导航系统"

路由选择：根据网络拓扑和路由协议，为数据分组选择最优传输路径
寻址：通过 IP 地址标识网络中的主机（如 IPv4 的 32 位地址，IPv6 的 128 位地址）
分组转发：将数据分组从一个网络转发到另一个网络
拥塞控制：防止网络中数据流量过大导致的拥塞
异构网络互联：实现不同类型网络（如以太网、令牌环网）之间的通信

5.2 关键特性：两种核心寻址方式

网络层通过两种地址实现不同层面的标识：

地址类型	作用	典型例子
网络地址（IP 地址）	标识主机所在的网络和主机本身	IPv4: 192.168.1.1IPv6: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
物理地址（MAC 地址）	标识网络接口卡（NIC）的硬件地址	00:1B:44:11:3A:B7

5.3 典型协议详解

IP（网际协议）
- 网络层的核心协议，负责为数据分组分配 IP 地址并进行路由转发
- IPv4：32 位地址，约 42 亿个地址，已接近耗尽
- IPv6：128 位地址，提供几乎无限的地址空间，解决 IPv4 地址不足问题
路由协议
- 内部网关协议（IGP）：用于自治系统（AS）内部的路由选择，如 RIP、OSPF、EIGRP
- 外部网关协议（EGP）：用于不同自治系统之间的路由选择，如 BGP
辅助协议
- ICMP：互联网控制消息协议，用于报告错误和传递控制信息（如 ping 命令基于 ICMP）
- IGMP：互联网组管理协议，用于组播通信
- ARP/RARP：地址解析协议 / 反向地址解析协议，用于 IP 地址和 MAC 地址之间的转换

5.4 与上下层的关系

对上：为传输层提供 "主机到主机" 的通信服务，隐藏了底层网络的细节
对下：依赖数据链路层提供的 "帧" 传输服务，将 IP 数据报封装成帧进行传输

六、数据链路层：相邻节点的 "数据打包员" 与 "链路守护者"

核心职责是在相邻两个网络节点之间提供可靠的帧传输服务。它将网络层的 IP 数据报封装成 "帧"，并通过物理层的物理介质进行传输，同时处理链路层的差错和流量控制。

6.1 核心功能：帧传输的 "四大保障"

帧封装：将网络层的 IP 数据报加上帧头（包含源 MAC 地址和目的 MAC 地址）和帧尾（包含校验和），形成可传输的帧
差错检测与纠正：通过校验和等机制检测并纠正传输过程中的比特错误
流量控制：防止发送方发送数据过快导致接收方缓冲区溢出
链路管理：负责数据链路的建立、维持和释放

6.2 关键特性：两种核心链路类型

数据链路层支持两种不同的链路类型：

链路类型	特点	适用场景
点对点链路	两个节点之间直接连接，没有其他节点共享链路	拨号上网（PPP）、帧中继
广播链路	多个节点共享同一传输介质，一个节点发送的帧会被所有节点接收	以太网、无线局域网（WiFi）

6.3 典型协议与技术详解

以太网（Ethernet）
- 最常用的局域网技术，采用 CSMA/CD（载波监听多路访问 / 冲突检测）机制解决冲突
- 帧格式：前导码 + 帧起始定界符 + 目的 MAC 地址 + 源 MAC 地址 + 类型 / 长度 + 数据 + 校验和
- 传输介质：双绞线、光纤等
PPP（点对点协议）
- 用于点对点链路的协议，支持多种网络层协议（如 IP、IPX）
- 提供身份验证（PAP、CHAP）、差错检测和压缩功能
其他重要技术
- HDLC：高级数据链路控制协议，面向比特的同步数据链路层协议
- 帧中继：一种高速分组交换技术，用于广域网
- IEEE 802.11：无线局域网（WiFi）标准
- ATM：异步传输模式，用于宽带综合业务数字网（B-ISDN）

6.4 与上下层的关系

对上：为网络层提供 "帧" 传输服务，隐藏了物理层的细节
对下：依赖物理层提供的 "比特流" 传输服务，将帧转换为比特流进行传输

七、物理层：信号传输的 "物理媒介" 与 "信号规范"

物理层位于 OSI 模型的最底层（第 1 层），核心职责是在物理介质上传输原始的比特流。它定义了物理介质的电气特性、机械特性、功能特性和规程特性，是整个 OSI 模型的基础。

7.1 核心功能：比特流的 "物理传输通道"

信号编码：将数据链路层的 "0" 和 "1" 比特流转换为适合物理介质传输的电信号、光信号或无线电信号
物理介质连接：定义物理接口的机械特性（如插头、插座的形状）和电气特性（如电压、电流）
比特同步：确保发送方和接收方的时钟同步，保证比特流的正确接收
传输介质：提供物理传输通道，如双绞线、光纤、无线电波等

7.2 关键特性：四种核心物理特性

物理层定义了物理接口的四种关键特性：

特性类型	定义	典型例子
机械特性	物理接口的形状、尺寸、引脚数等	RJ-45 接口（网线接口）、BNC 接口（同轴电缆接口）
电气特性	信号的电压、电流、编码方式等	以太网：10BASE-T 的信号电平为 + 2.5V~+5V（逻辑 0）和 - 2.5V~-5V（逻辑 1）
功能特性	物理接口各引脚的功能	网线的 8 根线分别用于发送和接收数据
规程特性	信号传输的时序和控制过程	以太网的 CSMA/CD 机制

7.3 典型传输介质与技术

有线传输介质
- 双绞线：由两根绝缘的铜导线绞合而成，分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP），常用于局域网
- 同轴电缆：由内导体、绝缘层、外导体和护套组成，常用于有线电视和早期局域网
- 光纤：利用光信号传输数据，分为单模光纤和多模光纤，传输速度快、抗干扰能力强，常用于长距离传输
无线传输介质
- 无线电波：用于无线局域网（WiFi）、蓝牙、移动通信（4G/5G）等
- 微波：用于卫星通信和点对点通信
- 红外线：用于短距离通信（如电视遥控器）

7.4 与上下层的关系

对上：为数据链路层提供 "比特流" 传输服务，是数据链路层的物理基础
对下：直接与物理介质交互，将电信号、光信号或无线电信号通过物理介质进行传输

八、问题补充

8.1 IP地址后的端口号

IP相当于电脑的地址

端口号相当于程序的地址

8.1.1 核心定位差异：IP 找 "房子"，端口找 "房间"

网络通信的本质是 "主机→主机 "+"应用→应用" 的双重定位，二者职责完全不同：

标识类型	所属分层	核心作用	类比场景
IP 地址	网络层	定位互联网中的目标主机（如某台服务器、你的手机）	相当于 "小区地址 + 楼栋号"，帮快递员找到你住的那栋楼
端口号	传输层	定位主机上的具体应用程序（如浏览器、微信、QQ）	相当于 "楼栋里的房间号"，帮快递员找到你家的门

如果只有 IP 地址，数据只能到达目标主机，但主机无法判断 "该把数据交给哪个应用"------ 就像快递只到了楼栋，却不知道该送进哪个房间。

8.1.2 解决 "多路复用"：让一个主机能同时跑多个网络应用

一台主机（如你的电脑）可能同时运行多个网络程序：

浏览器（用 HTTP 协议，默认 80/443 端口）
微信（用自定义协议，占用特定端口）
QQ（用自己的通信协议，占用另一端口）
网盘客户端（用 FTP/HTTP 协议，占用对应端口）

端口号就是这些应用的 "身份标识"：

发送数据时，传输层（TCP/UDP）会给应用层数据加上端口号头部，标记 "这是给哪个应用的"；
接收数据时，主机通过端口号识别数据归属，精准转发给对应的应用程序。

举个例子：你同时用浏览器刷网页（80 端口）和用 QQ 传文件（比如 4430 端口），服务器返回的 "网页数据" 和 "QQ 文件数据" 都会通过同一 IP 到达你的电脑，但端口号会帮电脑区分：

目标端口 = 80 → 交给浏览器；
目标端口 = 4430 → 交给 QQ。

8.1.3 支撑传输层协议的核心机制

TCP/UDP 等传输层协议依赖端口号实现关键功能：

建立端到端连接 （TCP 特有）：TCP 的 "三次握手" 需要源端口 + 目标端口 唯一标识一个连接。比如你用浏览器访问百度，连接标识就是 你的IP:随机端口 ↔ 百度IP:80，确保多设备同时访问百度时，连接不会混淆。
区分不同服务 ：互联网约定了 "知名端口号"（1-1023），用于标识标准服务：
- 80 端口→HTTP（网页）、443 端口→HTTPS（加密网页）、53 端口→DNS（域名解析）、21 端口→FTP（文件传输）。服务器通过监听这些固定端口，就能 "自动识别" 客户端请求的服务类型。

8.1.4 避免数据传输混乱：保障通信的有序性

如果没有端口号，会出现两个致命问题：

接收端混乱：主机收到数据后，无法判断该转发给浏览器、微信还是其他应用，导致数据丢失或错发；
发送端冲突：多个应用同时发送数据时，无法区分各自的数据流，导致传输层无法管理流量和差错控制。

8.1.5 总结：IP + 端口 = 完整的通信地址

网络通信中，IP 地址负责 "跨网络定位主机"，端口号负责 "主机内定位应用" ，二者结合才能形成 "唯一的通信端点"（称为套接字 Socket ，格式：IP地址:端口号）。就像你寄快递需要 "收件人地址 + 电话号码"，IP 是 "地址"，端口号是 "电话"------ 缺了任何一个，数据都无法精准送达目标应用。

参考链接（如有侵权，请联系删除）：

深入学习TCP/IP协议（详解）_tcpip-CSDN博客