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網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)

考慮最簡單的情況：兩臺主機之間的通信。這個時候只需要一條網(wǎng)線把兩者連起來，規(guī)定好彼此的硬件接口，如都用USB、電壓10v、頻率2.4GHz等，這一層就是物理層，這些規(guī)定就是物理層協(xié)議。

我們當然不滿足于只有兩臺電腦連接，因此我們可以使用交換機把多個電腦連接起來，如下圖：

這樣連接起來的網(wǎng)絡(luò)，稱為局域網(wǎng)，也可以稱為以太網(wǎng)（以太網(wǎng)是局域網(wǎng)的一種）。在這個網(wǎng)絡(luò)中，我們需要標識每個機器，這樣才可以指定要和哪個機器通信。這個標識就是硬件地址MAC。

硬件地址隨機器的生產(chǎn)就被確定，永久性唯一。在局域網(wǎng)中，我們需要和另外的機器通信時，只需要知道他的硬件地址，交換機就會把我們的消息發(fā)送到對應(yīng)的機器。

這里我們可以不管底層的網(wǎng)線接口如何發(fā)送，把物理層抽離，在他之上創(chuàng)建一個新的層次，這就是數(shù)據(jù)鏈路層。

我們依然不滿足于局域網(wǎng)的規(guī)模，需要把所有的局域網(wǎng)聯(lián)系起來，這個時候就需要用到路由器來連接兩個局域網(wǎng)：

但是如果我們還是使用硬件地址來作為通信對象的唯一標識，那么當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，需要記住所有機器的硬件地址是不現(xiàn)實的；

同時，一個網(wǎng)絡(luò)對象可能會頻繁更換設(shè)備，這個時候硬件地址表維護起來更加復(fù)雜。這里使用了一個新的地址來標記一個網(wǎng)絡(luò)對象：IP地址。

通過一個簡單的寄信例子來理解IP地址。

我住在北京市，我朋友A住在上海市，我要給朋友A寫信：

• 寫完信，我會在信上寫好我朋友A的地址，并放到北京市郵局（給信息附加目標IP地址，并發(fā)送給路由器）

• 郵局會幫我把信運輸?shù)缴虾Ｊ挟數(shù)剜]局（信息會經(jīng)過路由傳遞到目標IP局域網(wǎng)的路由器）

• 上海市當?shù)芈酚善鲿臀野研沤唤o朋友A（局域網(wǎng)內(nèi)通信）

因此，這里IP地址就是一個網(wǎng)絡(luò)接入地址（朋友A的住址），我只需要知道目標IP地址，路由器就可以把消息給我?guī)У健Ｔ诰钟蚓W(wǎng)中，就可以動態(tài)維護一個MAC地址與IP地址的映射關(guān)系，根據(jù)目的IP地址就可以尋找到機器的MAC地址進行發(fā)送。

這樣我們不需管理底層如何去選擇機器，我們只需要知道IP地址，就可以和我們的目標進行通信。這一層就是網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層的核心作用就是提供主機之間的邏輯通信。

這樣，在網(wǎng)絡(luò)中的所有主機，在邏輯上都連接起來了，上層只需要提供目標IP地址和數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層就可以把消息發(fā)送到對應(yīng)的主機。

一個主機有多個進程，進程之間進行不同的網(wǎng)絡(luò)通信，如邊和朋友開黑邊和女朋友聊微信。我的手機同時和兩個不同機器進行通信。

那么當我的手機收到數(shù)據(jù)時，如何區(qū)分是微信的數(shù)據(jù)，還是王者的數(shù)據(jù)？那么就必須在網(wǎng)絡(luò)層之上再添加一層：運輸層：

運輸層通過socket（套接字），將網(wǎng)絡(luò)信息進行進一步的拆分，不同的應(yīng)用進程可以獨立進行網(wǎng)絡(luò)請求，互不干擾。

這就是運輸層的最本質(zhì)特點：提供進程之間的邏輯通信。這里的進程可以是主機之間，也可以是同個主機，所以在android中，socket通信也是進程通信的一種方式。

現(xiàn)在不同的機器上的應(yīng)用進程之間可以獨立通信了，那么我們就可以在計算機網(wǎng)絡(luò)上開發(fā)出形形式式的應(yīng)用：如web網(wǎng)頁的http，文件傳輸ftp等等。這一層稱為應(yīng)用層。

應(yīng)用層還可以進一步拆分出表示層、會話層，但他們的本質(zhì)特點都沒有改變：完成具體的業(yè)務(wù)需求 。和下面的四層相比，他們并不是必須的，可以歸屬到應(yīng)用層中。

最后對計網(wǎng)分層進行小結(jié)：

• 最底層物理層，負責兩個機器之間通過硬件的直接通信；

• 數(shù)據(jù)鏈路層使用硬件地址在局域網(wǎng)中進行尋址，實現(xiàn)局域網(wǎng)通信；

• 網(wǎng)絡(luò)層通過抽象IP地址實現(xiàn)主機之間的邏輯通信；

• 運輸層在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行拆分，實現(xiàn)應(yīng)用進程的獨立網(wǎng)絡(luò)通信；

• 應(yīng)用層在運輸層的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的需求開發(fā)形形式式的功能。

這里需要注意的是，分層并不是在物理上的分層，而是邏輯上的分層。通過對底層邏輯的封裝，使得上層的開發(fā)可以直接依賴底層的功能而無需理會具體的實現(xiàn)，簡便了開發(fā)。

這種分層的思路，也就是責任鏈設(shè)計模式，通過層層封裝，把不同的職責獨立起來，更加方便開發(fā)、維護等等。

TCP面向字節(jié)流特性

TCP并不是把應(yīng)用層傳輸過來的數(shù)據(jù)直接加上首部然后發(fā)送給目標，而是把數(shù)據(jù)看成一個字節(jié) 流，給他們標上序號之后分部分發(fā)送。這就是TCP的面向字節(jié)流特性：

• TCP會以流的形式從應(yīng)用層讀取數(shù)據(jù)并存放在自己的發(fā)送緩存區(qū)中，同時為這些字節(jié)標上序號

• TCP會從發(fā)送方緩沖區(qū)選擇適量的字節(jié)組成TCP報文，通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送給目標

• 目標會讀取字節(jié)并存放在自己的接收方緩沖區(qū)中，并在合適的時候交付給應(yīng)用層

面向字節(jié)流的好處是無需一次存儲過大的數(shù)據(jù)占用太多內(nèi)存，壞處是無法知道這些字節(jié)代表的意義，例如應(yīng)用層發(fā)送一個音頻文件和一個文本文件，對于TCP來說就是一串字節(jié)流，沒有意義可言，這會導(dǎo)致粘包以及拆包問題，后面講。

可靠傳輸原理

前面講到，TCP是可靠傳輸協(xié)議，也就是，一個數(shù)據(jù)交給他，他肯定可以完整無誤地發(fā)送到目標地址，除非網(wǎng)絡(luò)炸了。他實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)模型如下：

對于應(yīng)用層來說，他就是一個可靠傳輸?shù)牡讓又С址?wù)；而運輸層底層采用了網(wǎng)絡(luò)層的不可靠傳輸。雖然在網(wǎng)絡(luò)層甚至數(shù)據(jù)鏈路層就可以使用協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?#xff0c;但這樣網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計會更加復(fù)雜、效率會隨之降低。把數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员ＷC放在運輸層，會更加合適。

可靠傳輸原理的重點總結(jié)一下有：滑動窗口、超時重傳、累積確認、選擇確認、連續(xù)ARQ。

停止等待協(xié)議

要實現(xiàn)可靠傳輸，最簡便的方法就是：我發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給你，然后你跟我回復(fù)收到，我繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。傳輸模型如下：

這種“一來一去”的方法來保證傳輸可靠就是停止等待協(xié)議（stop-and-wait）。不知道還記不記得前面TCP首部有一個ack字段，當他設(shè)置為1的時候，表示這個報文是一個確認收到報文。

然后再來考慮另一種情況：丟包。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不可靠，導(dǎo)致每一次發(fā)送的數(shù)據(jù)包可能會丟失，如果機器A發(fā)送了數(shù)據(jù)包丟失了，那么機器B永遠接收不到數(shù)據(jù)，機器A永遠在等待。

解決這個問題的方法是：超時重傳。當機器A發(fā)出一個數(shù)據(jù)包時便開始計時，時間到還沒收到確認回復(fù)，就可以認為是發(fā)生了丟包，便再次發(fā)送，也就是重傳。

但重傳會導(dǎo)致另一種問題：如果原先的數(shù)據(jù)包并沒有丟失，只是在網(wǎng)絡(luò)中待的時間比較久，這個時候機器B會受到兩個數(shù)據(jù)包，那么機器B是如何辨別這兩個數(shù)據(jù)包是屬于同一份數(shù)據(jù)還是不同的數(shù)據(jù)？

這就需要前面講過的方法：給數(shù)據(jù)字節(jié)進行編號。這樣接收方就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的字節(jié)編號，得出這些數(shù)據(jù)是接下來的數(shù)據(jù)，還是重傳的數(shù)據(jù)。

在TCP首部有兩個字段：序號和確認號，他們表示發(fā)送方數(shù)據(jù)第一個字節(jié)的編號，和接收方期待的下一份數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的編號。

連續(xù)ARQ協(xié)議

停止等待協(xié)議已經(jīng)可以滿足可靠傳輸了，但有一個致命缺點：效率太低。發(fā)送方發(fā)送一個數(shù)據(jù)包之后便進入等待，這個期間并沒有干任何事，浪費了資源。解決的方法是：連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。模型如下：

和停止等待最大的不同就是，他會源源不斷地發(fā)送，接收方源源不斷收到數(shù)據(jù)之后，逐一進行確認回復(fù)。這樣便極大地提高了效率。但同樣，帶來了一些額外的問題:

發(fā)送是否可以無限發(fā)送直到把緩沖區(qū)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完？不可以。因為需要考慮接收方緩沖區(qū)以及讀取數(shù)據(jù)的能力。如果發(fā)送太快導(dǎo)致接收方無法接受，那么只是會頻繁進行重傳，浪費了網(wǎng)絡(luò)資源。所以發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的范圍，需要考慮到接收方緩沖區(qū)的情況。這就是TCP的流量控制。

解決方法是：滑動窗口。基本模型如下：

• 發(fā)送方需要根據(jù)接收方的緩沖區(qū)大小，設(shè)置自己的可發(fā)送窗口大小，處于窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)表示可發(fā)送，之外的數(shù)據(jù)不可發(fā)送。

• 當窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)接收到確認回復(fù)時，整個窗口會往前移動，直到發(fā)送完成所有的數(shù)據(jù)

在TCP的首部有一個窗口大小字段，他表示接收方的剩余緩沖區(qū)大小，讓發(fā)送方可以調(diào)整自己的發(fā)送窗口大小。通過滑動窗口，就可以實現(xiàn)TCP的流量控制，不至于發(fā)送太快，導(dǎo)致太多的數(shù)據(jù)丟失。

連續(xù)ARQ帶來的第二個問題是：網(wǎng)絡(luò)中充斥著和發(fā)送數(shù)據(jù)包一樣數(shù)據(jù)量的確認回復(fù)報文，因為每一個發(fā)送數(shù)據(jù)包，必須得有一個確認回復(fù)。提高網(wǎng)絡(luò)效率的方法是：累積確認。

接收方不需要逐個進行回復(fù)，而是累積到一定量的數(shù)據(jù)包之后，告訴發(fā)送方，在此數(shù)據(jù)包之前的數(shù)據(jù)全都收到。例如，收到 1234，接收方只需要告訴發(fā)送方我收到4了，那么發(fā)送方就知道1234都收到了。

第三個問題是：如何處理丟包情況。在停止等待協(xié)議中很簡單，直接一個超時重傳就解決了。但，連續(xù)ARQ中不太一樣。

例如：接收方收到了 123 567，六個字節(jié)，編號為4的字節(jié)丟失了。按照累積確認的思路，只能發(fā)送3的確認回復(fù)，567都必須丟掉，因為發(fā)送方會進行重傳。這就是GBN（go-back-n) 思路。

但是我們會發(fā)現(xiàn)，只需要重傳4即可，這樣不是很浪費資源，所以就有了：選擇確認SACK 。在TCP報文的選項字段，可以設(shè)置已經(jīng)收到的報文段，每一個報文段需要兩個邊界來進行確定。這樣發(fā)送方，就可以根據(jù)這個選項字段只重傳丟失的數(shù)據(jù)了。

可靠傳輸小結(jié)

到這里關(guān)于TCP的可靠傳輸原理就已經(jīng)介紹得差不多。最后進行一個小結(jié)：

• 通過連續(xù)ARQ協(xié)議與發(fā)送-確認回復(fù)模式來保證每一個數(shù)據(jù)包都到達接收方

• 通過給字節(jié)編號的方法，來標記每一個數(shù)據(jù)是屬于重傳還是新的數(shù)據(jù)

• 通過超時重傳的方式，來解決數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中丟失的問題

• 通過滑動窗口來實現(xiàn)流量控制

• 通過累積確認+選擇確認的方法來提高確認回復(fù)與重傳的效率

當然，這只是可靠傳輸?shù)谋揭唤?#xff0c;感興趣可以再深入去研究。

來源：https://www.toutiao.com/i6954183620600906277/

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的这一份最全的TCP总结，请务必收下的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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