TCP 与 IP 浅显皮毛

用 UDP 实现可靠传输 ：UDP 本身不可靠，但可在应用层模拟 TCP 的可靠机制，常见做法包括：确认应答 ，接收方返回 ACK，发送方未收到则视为丢失；超时重传 ，超时未收到确认就重发；序号，接收方按序号排序并去重；滑动窗口，控制发送速率。例如 QUIC 协议就是在 UDP 之上实现了可靠传输。

TCP协议

TCP协议端格式

TCP 报文段由首部和数据两部分组成，其中首部固定为 20 字节，是 TCP 实现可靠传输的关键。首部主要字段如下：

源端口号 / 目标端口号（各 16 位）：标识发送方和接收方的应用程序，与 IP 地址共同完成端到端的定位。
序号（32 位）：标识本报文段数据部分第一个字节的编号，用于解决乱序和重复问题。
确认号（32 位）：表示期望收到对方下一个字节的序号，用于确认应答机制。
数据偏移（4 位）：表示 TCP 首部的长度，单位为 4 字节，用于定位数据部分的起始位置。
标志位：包括 SYN（建立连接）、ACK（确认应答）、FIN（释放连接）等，用于控制连接的建立、传输和释放。
窗口大小（16 位）：用于流量控制，告知对方自己当前能接收的最大字节数。
校验和（16 位）：用于检测首部和数据在传输过程中是否出错，出错则直接丢弃。

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是 TCP/IP 协议族中位于传输层的核心协议，与 UDP 相比，它提供面向连接、可靠、基于字节流的传输服务。TCP 的核心机制围绕如何保证数据在不可靠的网络环境中可靠、有序地到达接收方展开，主要包括以下几个方面：

1. 三次握手与四次挥手

TCP 是面向连接的协议，通信双方在传输数据前必须先建立连接，通信结束后再释放连接。

三次握手（建立连接）：客户端发送 SYN 报文请求建立连接；服务器收到后回复 SYN + ACK 报文，表示同意建立连接；客户端再发送 ACK 报文确认。经过这三次交互，双方确认彼此的收发能力正常，连接建立成功。
四次挥手（释放连接）：主动关闭方发送 FIN 报文；对方回复 ACK 确认；对方再发送 FIN 报文；主动关闭方回复 ACK 确认。经过四次交互，连接被安全释放。

2. 可靠传输机制

滑动窗口 是 TCP 实现流量控制 的核心机制。发送方根据接收方通告的窗口大小 ，决定一次能连续发送多少数据，避免发送过快导致接收方处理不过来。窗口大小随接收方缓冲区剩余空间动态变化，并通过 ACK 反馈给发送方；在窗口范围内可批量发送多个报文段，无需逐个等待确认，从而提升传输效率。

流量控制 的作用在于让发送方的发送速率与接收方的处理能力相匹配，防止因发送过快导致数据丢失或接收方缓冲区溢出，是 TCP 可靠传输的重要保障之一。

拥塞控制 则关注网络整体的承载能力，当网络出现拥塞时主动降低发送速率，避免加剧网络拥堵。二者共同服务于可靠传输：流量控制解决的是接收方处理不过来 的问题，拥塞控制解决的是网络承载不了 的问题，配合确认应答与超时重传，共同保证数据不丢失、不重复、按序到达。

延迟应答是 TCP 提升传输效率的机制之一。接收方收到数据后不立即返回 ACK，而是等待一小段时间，若在此期间收到更多数据，则合并为一个 ACK 统一回复，从而减少网络中 ACK 报文的数量，降低网络开销，同时也能让发送方更快地进入下一个窗口的发送。

捎带应答是 TCP 提升传输效率的另一机制。当接收方需要回复 ACK 时，如果恰好也有数据要发送给对方，就可以把 ACK 附带在这份数据报中一起发送，而不必单独发送一个空的 ACK 报文，从而减少报文数量、节省网络开销。捎带应答与延迟应答常配合使用，共同减少 ACK 报文的传输次数。

TCP 通过多种机制协同工作，保证数据不丢失、不重复、按序到达：

确认应答（ACK）：接收方收到数据后，会向发送方返回确认报文，告知数据已成功接收。
超时重传：发送方发送数据后启动定时器，若在超时时间内未收到确认，则重新发送该数据。
序号与确认号：每个字节都有序号，接收方按序号重组数据，从而解决乱序和重复问题。
流量控制：通过滑动窗口机制，接收方告知发送方自己的接收能力，避免发送过快导致接收方处理不过来。
拥塞控制 ：当网络出现拥塞时，TCP 会主动降低发送速率，避免加剧网络拥堵，常用算法包括慢启动（先发少量的数据,摸清⽹络状态,再决定多少的速度传输数据）、拥塞避免、快重传和快恢复。
延迟应答 ：接收方收到数据后不立即返回 ACK，而是等待一小段时间，若在此期间收到更多数据 ，则合并为一个 ACK 统一回复，从而减少网络中 ACK 报文的数量，降低网络开销，提升传输效率。
捎带应答：当接收方需要回复 ACK 时，如果恰好也有数据要发送给对方，就把 ACK 附带在这份数据报中一起发送，而不必单独发送空的 ACK 报文，从而减少报文数量、节省网络开销。

TCP传输机制最关键的两个机制为 确认应答 与超时重传 ，保证了TCP 可靠传输机制

3. 面向字节流

与 UDP 的面向数据报不同，TCP 是面向字节流 的协议。应用层交给 TCP 的数据会被看作一串连续的字节流，TCP 会根据网络状况和接收方能力，自行决定如何拆分或合并这些字节进行发送，接收方再按序号将字节流还原给应用层。因此，TCP 不保留应用层报文的边界，读写数据的次数和数量由 TCP 灵活控制。

粘包问题 ：由于 TCP 是面向字节流的协议，不保留应用层报文的边界，当发送方连续发送多个数据包 时，接收方可能一次性收到多个包的数据，导致无法区分 每个包的边界，这就是粘包问题。

常见的解决思路包括：在数据中约定固定长度、在包尾添加分隔符，或在包头携带长度字段。

例如，发送方约定每个数据包固定为 100 字节**（三种解决方式）**

接收方每收到 100 字节就按一个完整包处理，从而区分出每个包的边界；

或者在每个包的末尾添加特殊分隔符（如 \n），接收方遇到该分隔符即认为一个包结束；

也可以在包头写入本次数据的长度字段，接收方先读取长度，再按该长度截取对应的数据部分。

异常情况

TCP 异常情况：在实际通信中，TCP 还会遇到一些异常场景。例如，

连接异常断开时，一方可能因断电、崩溃等原因未发送 FIN 报文，另一方会通过超时重传和保活机制（Keepalive）检测到连接失效

半关闭则指一方发送 FIN 后不再发送数据，但仍可接收对方数据，常见于一方数据发送完毕、另一方仍需继续传输的场景

端口未监听时，对方会收到 RST 报文，连接被立即重置，从而避免长时间等待。

IP协议

IP 协议 （Internet Protocol，网际协议）是 TCP/IP 协议族中位于网络层 的核心协议，负责将数据包从源主机路由到目标主机。

它主要解决两个问题：一是寻址，通过 IP 地址唯一标识网络中的每一台主机；

二是路由选择，决定数据包在复杂的网络拓扑中应沿哪条路径传输。

IP 协议提供的是无连接、不可靠的传输服务：每个数据报独立发送，不建立连接；若传输过程中发生丢包或出错，IP 层不会自动重传，可靠性由上层协议（如 TCP）来保证。

常见的 IP 协议包括 IPv4 和 IPv6 ，其中 IPv4 使用 32 位地址，IPv6 使用 128 位地址，以解决地址枯竭问题。

协议头格式

NAT 下的网络通信：在 NAT 环境下，内网设备使用私有 IP 地址，对外通信时由 NAT 设备（通常是路由器）将私有 IP 映射为公网 IP。当内网设备向公网发送数据时，NAT 设备会记录该映射关系；当公网返回数据时，NAT 设备根据映射表将数据转发回对应的内网设备，从而实现多台内网设备共享一个公网 IP 与外网通信。

IP 地址不够用的解决方法：IPv4 使用 32 位地址，理论上最多可提供约 43 亿个地址，但实际可用数量远小于此，随着互联网设备激增，地址枯竭问题日益突出。目前主要有以下几种解决思路：

NAT（网络地址转换） ：让一个公网 IP 供局域网内多台设备共享，设备内部使用私有 IP，对外统一映射为公网 IP，是当前最广泛使用的方案。
CIDR（无类别域间路由）：打破传统 A、B、C 类地址的固定分类，按需灵活划分地址块，减少地址浪费，提高利用率。
DHCP（动态主机配置协议）：动态分配 IP 地址，设备接入网络时才临时获取地址，离开后释放复用，避免长期占用。
IPv6：使用 128 位地址，地址空间极其充足，是解决地址枯竭问题的根本方案。

其中，NAT 通过私有地址与公网地址的映射，让大量内网设备共享少量公网 IP，是目前缓解 IPv4 地址紧张最直接、最常用的手段；而 IPv6 则从地址空间上彻底解决了枯竭问题，是未来网络发展的方向。

IP 协议头 （IPv4 首部）固定为 20 字节，是 IP 数据报中用于控制传输的关键部分。首部主要字段如下：

版本（4 位）：标识 IP 协议版本，IPv4 该字段值为 4。
首部长度（4 位）：表示 IP 首部的长度，单位为 4 字节，最小为 5（即 20 字节）。
服务类型 （8 位）：用于区分服务的优先级，实际使用较少。
总长度（16 位）：表示整个 IP 数据报（首部 + 数据）的总长度，最大为 65535 字节。
标识、标志、片偏移：用于数据报的分片与重组，当数据报超过链路 MTU 时会被拆分传输。
生存时间（TTL） （8 位）：限制数据报在网络中的跳数，防止数据报无限循环转发。
协议（8 位）：标识上层协议类型，如 TCP（值为 6）、UDP（值为 17）。
首部校验和（16 位）：用于检测 IP 首部在传输过程中是否出错。
源 IP 地址 / 目标 IP 地址（各 32 位）：标识数据报的发送方和接收方主机。

其中，TTL 每经过一个路由器就减 1，减到 0 时数据报被丢弃，从而避免数据报在网络中无限循环；协议字段则让接收方知道该把数据交给上层的哪个协议处理。

网段划分

特殊的 IP 地址：在 IP 地址中，有一些地址具有特殊含义，不能作为普通主机地址使用。常见的特殊 IP 地址包括：

网络号 ：主机号全为 0 的地址，用于标识整个网段，例如 192.168.1.0 表示 192.168.1 这个网段本身，不能分配给主机。
广播地址 ：主机号全为 1 的地址，用于向同一网段内的所有主机发送数据，例如 192.168.1.255 就是该网段的广播地址。
回环地址 ：127.0.0.1 用于本机自测，数据不会发送到网络上，常用于验证本机协议栈是否正常。
私有地址 ：如 10.0.0.0/8 、172.16.0.0/12 、192.168.0.0/16，仅用于内网，不能直接在公网路由。

网段划分 ：网段是指 IP 地址中网络号相同的地址集合，用于标识同一局域网内的主机。IPv4 地址由网络号和主机号两部分组成，网络号相同的设备属于同一网段，可直接通信；不同网段之间则需要通过路由器转发。

例如，IP 地址 192.168.1.10 与 192.168.1.20 ，若子网掩码为 255.255.255.0 ，则网络号均为 192.168.1 ，它们属于同一网段，可以直接通信；而 192.168.2.10 的网络号为 192.168.2，与前两者不在同一网段，需要经过路由器才能互通。

路由选择

路由选择 ：路由选择是 IP 协议的核心功能之一，指数据包从源主机出发，在复杂的网络拓扑中确定一条到达目标主机的转发路径。路由器根据自身的路由表 逐跳转发数据包，每经过一个路由器就根据目标 IP 地址查找下一跳地址，直到数据包到达目标主机所在的网段。

路由选择主要分为两类：静态路由由管理员手动配置，路径固定、简单可靠，但无法适应网络拓扑变化；

动态路由由路由协议（如 RIP、OSPF、BGP）自动计算和更新路由表，能根据网络状态动态调整路径，更适合规模较大、拓扑复杂的网络。

以太网

以太网格式

帧协议类型字段有三种值,分别对应 IP、ARP**（用于根据目标 IP 地址查询对应的 MAC 地址，从而在同一网段内完成数据帧的封装与传输）**、RARP

帧末尾是 CRC 校验码

以太网 （Ethernet）是当前最广泛使用的局域网技术，工作在数据链路层 ，负责在同一网段内的设备之间传输数据帧。它通过MAC 地址唯一标识网络中的每一块网卡，当一台设备要发送数据时，会在帧头写入目标设备的 MAC 地址，同一网段内的设备都能收到该帧，但只有 MAC 地址匹配的设备才会接收并处理。

以太网采用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）机制来协调共享介质的访问：发送前先监听信道是否空闲，空闲则发送，发送过程中若检测到冲突则停止并随机等待一段时间后重试。现代以太网大多使用交换机组网，交换机根据 MAC 地址表将数据帧只转发到目标端口，从而避免冲突、提升传输效率。

IP 地址与 MAC 地址的区别：

IP 地址是逻辑地址 ，由网络管理员或 DHCP 分配，用于在网络层标识主机，会随网络环境变化；MAC 地址是物理地址 ，由网卡出厂时固化，用于在数据链路层标识设备，全球唯一且不可更改。

IP 地址负责跨网络寻址 ，MAC 地址负责同一网段内的帧传输，二者配合完成端到端的通信。

DNS

DNS （Domain Name System，域名系统）是负责将域名解析为IP 地址 的分布式系统，DNS是应⽤层协议 。由于 IP 地址难以记忆，用户通常通过域名（如 www.example.com）访问网站，DNS 的作用就是把域名转换为对应的 IP 地址，从而建立连接。

DNS 采用分层结构组织：根域名服务器、顶级域名服务器和权威域名服务器逐级查询。

当本地 DNS 缓存中没有记录时，会依次向上级服务器发起查询，最终返回目标 IP 地址，并将结果缓存以加快后续访问（避免了每次访问都要经过DNS 触发DNS请求）。

此外 DNS服务器存在很多除了存入最初的原始数据的 "DNS根服务器 " 还存在着各大运营商的'DNS镜像服务器'所以不必担心海量数据导致DNS '挂掉' 的可能性

（已经燃成灰烬了）

TCP 与 IP 浅显皮毛

端口号(Port)

端⼝号范围划分

UDP协议

UDP协议端格式

特点

UDP 实现可靠传输