计算机网络（二）
TCP 协议详解
（1）TCP 协议的核心特点
TCP（传输控制协议）是面向连接、可靠的字节流协议，核心特点包括：面向连接（需三次握手建立连接）、可靠传输（保障数据无丢失、无重复、按序到达）、有状态（维护连接上下文信息）、面向字节流（忽略应用层消息边界）、支持流量控制和拥塞控制，仅支持单播传输，适用于对可靠性要求高的场景。
（2）TCP 三次握手
- 核心目的：建立可靠连接，同步双方的序列号和确认号，确保双方收发能力正常。
- 过程：① 客户端发送 SYN 报文（携带初始序列号 seq=x），请求建立连接；② 服务器回复 SYN+ACK 报文（seq=y，ack=x+1），确认客户端请求并同步自身序列号；③ 客户端发送 ACK 报文（ack=y+1），确认服务器响应，连接正式建立。
- 为何需要三次：避免历史无效连接请求（如网络延迟的旧请求）干扰当前连接，确保双方都能接收和发送数据。
（3）TCP 四次挥手
- 核心目的：安全关闭连接，确保双方所有数据都已传输完成。
- 过程：① 主动方发送 FIN 报文（seq=u），表示数据发送完毕，请求关闭连接；② 被动方回复 ACK 报文（ack=u+1），确认收到关闭请求，此时被动方仍可发送数据；③ 被动方数据传输完毕后，发送 FIN 报文（seq=v），请求关闭连接；④ 主动方回复 ACK 报文（ack=v+1），确认收到关闭请求，等待 2MSL 后关闭连接。
- 为何需要四次：被动方收到 FIN 后可能仍有未发送的数据，需先确认关闭请求，待数据发送完成后再发起自身的关闭请求，分两次确认避免数据丢失。
（4）TCP 可靠性保障机制
TCP 通过多层机制实现可靠传输：
- 序列号与确认应答（ACK）：为每个字节分配唯一序列号，接收方收到数据后回复确认号，告知发送方已成功接收的字节范围；
- 超时重传：发送方未在超时时间内收到确认，自动重传未被确认的数据，超时时间会动态调整；
- 流量控制：基于滑动窗口机制，接收方通过窗口大小告知发送方可发送的字节数，避免接收方缓冲区溢出；
- 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复等算法，根据网络拥塞状态调整发送速率，避免加剧网络拥堵；
- 其他辅助机制：校验和（检测数据传输错误）、延迟确认（合并多个确认报文）、捎带确认（在发送数据时附带确认信息）。
（5）TCP 滑动窗口
- 核心作用：同时实现流量控制和高效传输，允许发送方在收到确认前连续发送多个数据段，无需等待逐个确认。
- 窗口类型：发送窗口（发送方可连续发送的字节范围）、接收窗口（接收方当前可接收的字节范围），窗口大小通过 TCP 头部的窗口字段协商。
- 工作原理：发送方根据接收方告知的窗口大小调整发送速率，接收方根据自身缓冲区状态动态更新窗口大小，若接收方缓冲区满则窗口设为 0，发送方暂停发送。
（6）TCP 拥塞控制
- 核心目标：避免发送方发送速率超过网络承载能力，减少丢包和延迟。
- 核心算法：① 慢启动：初始窗口较小，按指数级增长，快速试探网络承载能力；② 拥塞避免：窗口增长到阈值后，按线性增长，平稳提升发送速率；③ 快速重传：收到 3 个重复确认后，立即重传未被确认的数据，无需等待超时；④ 快速恢复：重传后窗口调整为阈值的一半，按线性增长，避免再次引发拥塞。
（7）TCP 粘包与拆包
- 粘包原因：TCP 面向字节流，无消息边界，多个应用层消息可能被合并为一个 TCP 段发送，或一个消息被拆分为多个 TCP 段发送。
- 解决方案：① 固定消息长度：发送方按固定长度封装消息，接收方按固定长度解析；② 消息头 + 消息体：消息头包含消息总长度，接收方先读取消息头，再按长度读取消息体；③ 分隔符：用特殊字符（如 \r\n）分隔消息，接收方按分隔符拆分消息。
UDP 协议详解
（1）UDP 协议的核心特点
UDP（用户数据报协议）是无连接、尽最大努力传输的报文协议，核心特点包括：无连接（发送数据前无需建立连接）、不可靠（不保证数据到达、不按序、无重复检测）、无状态（不维护连接信息）、面向报文（保留应用层消息边界）、头部开销小（固定 8 字节）、支持单播、多播、广播，传输效率高，适用于实时性要求高、可容忍少量丢包的场景。
（2）TCP 与 UDP 的核心区别
| 对比维度 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接性 | 面向连接（三次握手 / 四次挥手） | 无连接 |
| 可靠性 | 可靠传输（序列号、ACK、重传） | 不可靠（无确认、无重传） |
| 传输模式 | 面向字节流（无消息边界） | 面向报文（保留消息边界） |
| 头部开销 | 20-60 字节（可变） | 8 字节（固定） |
| 流量控制 | 支持（滑动窗口） | 不支持 |
| 拥塞控制 | 支持（慢启动、拥塞避免等） | 不支持 |
| 适用场景 | 文件传输、网页加载、邮件等 | 实时音视频、DNS、游戏等 |
IP 协议详解
（1）IP 协议的核心作用
IP（网际协议）是网络层核心协议，定义了数据包（IP 数据报）的格式，负责跨网络的路由和寻址，使数据包能在不同网络（如局域网、广域网）之间传输，最终到达目标设备，是互联网的基础协议。
（2）IP 地址
- 定义：网络设备在互联网中的唯一标识符，用于设备间的寻址和通信。
- 版本分类：① IPv4：32 位，采用点分十进制格式（如 192.168.1.1），地址空间约 42 亿个，已面临地址耗尽问题；② IPv6：128 位，采用冒分十六进制格式（如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334），地址空间极大，彻底解决地址短缺问题。
- 地址类型：IPv4 分为 A、B、C、D、E 类地址，其中 A、B、C 类为单播地址，D 类为多播地址，E 类为保留地址；IPv6 简化了地址分类，支持单播、多播、任播地址。
（3）IPv4 与 IPv6 的核心区别
| 对比维度 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32 位 | 128 位 |
| 地址格式 | 点分十进制（如 192.168.1.1） | 冒分十六进制（如 2001:0db8::） |
| 地址空间 | 约 42 亿个，已耗尽 | 极大（2^128），无耗尽风险 |
| 配置方式 | 静态配置或依赖 DHCP | 支持无状态自动配置（SLAAC） |
| NAT 依赖 | 普遍依赖 NAT 共享公网地址 | 无需 NAT，直接分配公网地址 |
| 头部结构 | 复杂（20-60 字节），字段多 | 简化（40 字节固定头部），支持扩展头 |
| 辅助协议 | ICMPv4（网络控制消息） | ICMPv6（整合 ARP、NDP 功能） |
（4）NAT 协议
- 定义：网络地址转换协议，用于将局域网内的私有 IP 地址映射为互联网的公有 IP 地址。
- 核心作用：① 缓解 IPv4 地址短缺问题，多个内网设备可共享一个公网 IP 访问互联网；② 隐藏内网拓扑结构，提高内部网络的安全性，外部设备无法直接访问内网设备。
- 常见类型：静态 NAT（私有 IP 与公有 IP 一对一映射）、动态 NAT（私有 IP 从公有 IP 池动态分配）、端口地址转换（PAT，最常用，通过端口区分不同内网设备）。
ARP 协议详解
（1）ARP 协议的核心作用
ARP（地址解析协议）的核心作用是实现网络层 IP 地址与数据链路层 MAC 地址的映射转换。数据帧在局域网内传输时需依赖 MAC 地址定位目标设备，而应用层和网络层使用 IP 地址寻址，ARP 解决了两者之间的地址转换问题。
（2）ARP 协议的工作原理
- 场景：主机 A 需向同一局域网内的主机 B 发送数据，已知主机 B 的 IP 地址，需获取其 MAC 地址。
- 过程：① 主机 A 发送 ARP 请求报文（广播形式，目标 MAC 为 FF-FF-FF-FF-FF-FF），报文包含主机 A 的 IP+MAC 地址和主机 B 的 IP 地址；② 局域网内所有主机接收报文，仅主机 B 识别自身 IP 地址，回复 ARP 应答报文（单播形式），包含主机 B 的 MAC 地址；③ 主机 A 收到应答后，将主机 B 的 IP-MAC 映射存入 ARP 缓存表，后续通信直接使用该映射，无需重复查询。
（3）MAC 地址
- 定义：媒体访问控制地址，是网络设备的物理地址，用于数据链路层标识设备，全球唯一。
- 格式：6 字节（48 比特），采用十六进制表示，分为前 24 比特（厂商代码，由 IEEE 分配）和后 24 比特（设备序列号，由厂商分配），特殊广播地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF。