TCP-IP协议详解

tcp/ip是一个协议簇，而不仅仅是指tcp和IP协议，这里我们主要说一下传输层中的TCP协议

1：tcp、ip七层，四层模型

为什么会有七层和四层模型，而为什么又要设计出这么多层呢？

网络数据在从发送到最后的接收端，中间牵扯到的过程非常的繁琐，为了保证数据能够到达目的地，又要保证系统处理数据不会过于复杂，所以采用了一种分而治之的思想，每一层只负责一部分功能，下层为上层提供服务，这样每层各司其职，既不会让实现过于复杂，又能保证数据的传输。

实际上刚开始的时候，七层模型是由ISO（国际标准化组织）提出来的，七层模型的提出很好，但是在实际运用的过程中，显得过于繁琐，而四层模型更加的实用，所以平时我们所接触的也都是四层模型。

3：网络传输中遇到的问题（TCP协议出现）

 下层为上层提供服务，每一层各司其职，那他们每一层都做了什么，我们在这里只说网络层及其以上的层。

网络层负责寻址，保证数据被投递到目的地。

当数据到达后，数据如何传输，如何交互，数据是否有误，是否可靠，则由传输层来做保证。

传输层又分为TCP和UDP，TCP是一种面向连接的协议（类比索道，数据的传输依靠索道，因为有索道的存在，所以数据，在传输过程中不会出现丢失的现象），能够保证数据的可靠传输，具体如何做的我们下面会讲到。

UDP则是一种面向无连接的形式（类比 抛球， 数据传输的过程不存在有效的保证），所以他不能保证数据不会丢失，

应用层 当数据到达我们的应用程序，需要我们的应用处理的时候，应用需要处理，连接的建立与关闭、数据的编解码、数据的处理，这一层也是我们在编写应用时主要的工作。

4 TCP如何保证数据的可靠性传输

4.1 TCP 三次握手

三次握手是连接建立的一种保障，他保证了通信双方都是没有问题的。

为什么要三次握手，因为只有通过三次握手才能确定通信双方的收发是没有问题的，可以想象两个人的对话，A 向 B 说了句，“今天天气不错啊”，如果B不回复，则说明B有可能没听见，如果B回复：“是啊”，则代表B可以听得到，说明B的收消息功能是没有问题的。当A收到B的回复时，说明 A的收和发消息功能都是没问题的，但是B自己不能确定自己的发消息是没有问题的，所以此时A又回复了一个SYN。

为什么是三次，而不是两次和四层

其实，在包的发送过程中，如果只有两次，一旦有请求到达服务端，服务端就认为这次请求是有效的，然后建立连接，此时就会造成服务器资源的浪费，因为在数据的传输过程中，因为某些原因导致某些数据包被延迟，最后连接断开之后，该数据包到达了服务器，如果没有三次握手，而是两次，服务器就会为这个无效的数据包建立连接，最后导致资源的浪费。官方解释：防止失效的连接请求报文段突然又传送到主机。

三次握手建立连接后，如何保证数据的可靠性（确认应答）

在每发送一次数据的时候，服务端，都会给一个确认应答（ACK）,如果因为某些原因，发送的数据丢失了，则可以要求其重发，如果发送方没有收到ACK，发送方也会重新发送（这里面牵扯到一个时间间隔，多长时间收不到ACK回复，需要重发，这其中会根据网络的情况做一个计算，然后确定时间间隔，这里不展开）

那么如何保证，发送的数据是有序的呢，这就要 序列号出场了， 发送方，没法送一次数据，都会携带一个序列号，当接收方收到这个序列号后，会给发送方一个下次需要发送的起始序列号，发送方根据这个序列号再次发送下一批数据。

如此一来就保证了数据的有序性

5 如何保证TCP的高效传输

确认应答和序列号保证了数据的可靠有序的传输，但是，每一个数据包都要求其ACK,如果包的往返时间越长，那么通信的性能就越低。

于是，引出来滑动窗口的概念。

滑动窗口的作用是，通信双方定义一个窗口个数，以及每一个窗口允许发送的最大消息长度（MSS）,消息的发送都是以MSS为单位进行发送的，然后以整个窗口的数据量进行发送。例如我们定义一个4窗口，每个窗口的MSS为1000的标准，那么在发送的时候，其过程如下图：

即使在回复ACK的时候，因为某个ACK丢失，只要最后一个ACK没有丢失，都可以确定包的传输是没有问题的，同时也提高了数据的传输效率。

在以前的确认应答中，我们通过“时间间隔”来判断包是否需要重发，而在滑动窗口中，我们可以更快的确认，包是否需要重发，例如，当发送方在发送第1001到2000这一段数据后，接收方没有收到数据，因为发送方不需要每一个数据发送后都需要等待ACK，所以他会把剩余窗口中的数据全部发出去，但是接收方，因为没有接收到1001-2000这一段的数据，所以返回的ACK中一直是ACK（10001）,当三次ACK的数据相同时，发送方会重新发送丢失的数据包。相比以前的“时间间隔”判断，滑动窗口则会更及时处理丢包的情况。

滑动窗口同时也提供了流控制，TCP三次握手，以及在数据传输的过程中，除了确认下次发送的序列号之外，还有每次发送数据段的大小（MSS），发送发和接收方都给出一个MSS，然后选择其中最小的一个作为传输的最小单位。在数据传输的过程中，也会调整其大小。

6 TCP的拥塞控制

因为TCP的滑动窗口，所以，数据段的传输效率被提高，但是如果在通信刚开始的时候就发送大量的数据，就有可能产生问题。因为计算机网络都处在一个共享的环境中，因为其他主机的原因已经导致网络拥堵，此时如果再发送大量数据，就有可能到正网络瘫痪。

所以TCP的启动过程是一个慢启动的过程。

在刚开始启动的时候，设置拥塞窗口的大小为1，当收到确认应答的时候，拥塞窗口的大小成倍的增加，网络传输的速度开始逐渐提高，但是随着网络拥堵的发生，吞吐量也会极速下降。于是再次进入吞吐量慢慢上升的过程