网络 (TCP/IP 四层协议中常见网络协议)

2024-04-21 17:28

本文主要是介绍网络 (TCP/IP 四层协议中常见网络协议),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

应用层


DNS (Domain Name System) 域名系统.

DNS 是一整套从域名映射到 IP的系统


NAT 技术

解决 IP 地址不够用的问题. 可以实现私有 IP 和全局 IP 的相互转换


NAPT 技术

使用 IP + Port 唯一确定局域网中的主机


传输层


TCP 协议 (Transmission Control Protocol 传输控制协议)

TCP 协议段格式
在这里插入图片描述
6位标志位:

  • URG : 紧急指针是否有效
  • ACK : 确认序号是否有效
  • PSH : 提示接收端应用程序立刻从 TCP 缓冲区中把数据读走
  • PST : 对方要求重新建立连接. 携带 PST 标识的报文称为复位报文段
  • SYN : 请求建立连接. 把携带 SYN 标识的报文称为同步报文段
  • FIN : 通知对方, 连接要关闭了. 将携带 FIN 标识的报文称为结束报文段

紧急指针: 标识哪部分数据时紧急数据


TCP 的确认应答机制(安全机制)

TCP 将每个字节的数据编号, 即序列号.
每一个 ACK 带有对应的确认序号. 代表该序号之前的数据已经发送完毕, 下一次请从该序号对应的数据开始发.

在这里插入图片描述


TCP 的超时重传机制(安全机制)

主机 A 给主机 B 发送数据后, 主机 A 为收到确认应答 (ACK), 在一个时间间隔的等待后, 会重传数据

未收到确认应答, 有两种情况

  • 数据丢了: 没有办法, 只能重传数据
  • ACK 丢了: 如果主机 A 重传数据, 主机 B 会收到重复的包, 于是就会根据 序号, 对缓冲区内的数据包进行排序, 去重.

TCP 的连接管理机制(安全机制)

三次握手建立连接, 四次挥手断开连接
在这里插入图片描述


滑动窗口 (效率机制)

一收一发效率较低, 因此可以一次发送多条数据 (将多个段的等待时间重叠)
在这里插入图片描述
窗口大小 : 无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值 (这里假定窗口大小为 4000)
OS 内核为了维护滑动窗口, 需要开辟发送缓冲区来记录未应答数据 (应答后删除)
窗口越大, 网络吞吐率越高


丢包处理

丢包有两种情况:

  1. ACK 丢了
    在这里插入图片描述

假设这里的 ACK = 1001 丢了
对于 server 来说, 我已经收到 1~1000 的数据, 不管 1001的ACK有没有被 client 接收到, 当我接收到 1001 ~ 2000 的数据时, 就可以直接返回 ACK = 2001
ACK 的含义是, 确认序号之前数据都已收到, 即对于 2001 的 ACK 来说, 1~2000 的数据都已收到
client 收到 2001的ACK , 即使没有收到 1001 的ACK , 也会默认 1~1000 是发送成功的

部分 ACK 丢失并不要紧, 可以通过后续 ACK 进行确认

  1. 数据包丢了

该机制称为 “高速重发控制” (快重传)
在这里插入图片描述


流量控制 (安全机制)

接收端处理数据能力有限, 如果接收端的缓冲区被打满, 发送端仍发送数据, 那么就会出现丢包, 重传等一系列机制

TCP 支持根据接收端的处理能力, 来控制发送端的发送速度, 该机制称为 “流量控制”

  • 接收端将自己剩余的窗口大小, 通过 ACK 中, TCP 首部的 “窗口大小” 和 “窗口扩大因子” 通知给发送端
  • 发送端根据 ACK 中的信息来决定自身的数据发送速度
  • 如果接收端缓冲区已满, 会将窗口设置为 0.
    此时发送端不再发送数据, 而是会定期发送一个 窗口探测数据段, 来获取接收方的窗口大小信息

拥塞机制 (安全机制)

TCP 连接建立初, 如果突然发送大量数据, 就很可能出现问题

处理方式: 慢启动机制
先发送少量数据, 探测网络拥堵状态, 再决定以多大的速度进行数据传输

引入概念 – 拥塞窗口 cwnd

  • 发送刚开始时, 定义 拥塞窗口大小为 1
  • 每次收到一个 ACK, 拥塞窗口大小加 1 (以传输轮次为标准, 其实每一轮拥塞窗口的大小是翻倍的)
  • 每次发送数据时, 将上次 ACK 中缓冲区窗口大小 和 拥塞窗口大小做比较, 取较小值作为实际发送的窗口大小 (实际发送数据的速度)

慢启动的启动速度慢, 但是增长速度快 (指数级别)
引入概念 – 慢启动的阈值 (ssthresh)

  • 当拥塞窗口超过这个阈值时, 将按照线性方式进行增长
  • 当 TCP 开始启动时, ssthresh 等于窗口最大值
  • 每次超时重发的时候, ssthresh 减到当前拥塞窗口大小的一半 (ssthresh = cwnd [网络拥塞时])
    并且拥塞窗口大小, 会置回 1 (cwnd = 1)

在这里插入图片描述


延迟应答(效率机制)

接收到数据时, 如果接收数据的主机立刻返回 ACK, 则返回的窗口会较小 (返回过程和新数据的传输过程是需要耗时的, 接收数据的主机已经处理了很多数据). 因此我们可以慢一些再返回数据

此外会对 慢一些 进行限制, 防止太慢让发送端误以为丢包, 进行超时重传了

  • 数量限制: 每个 N 条就返回一次 ACK
  • 时间限制: 超过最大延迟时间 (MSL) 就返回一次 ACK
  • 一般 N 取2, MSL 取 200ms

捎带应答(效率机制)

ACK 随接收端返回的数据一同返回


TCP 的性质 : 大小限制

  • 创建 Socket 时, 同时会在操作系统内核中创建一个发送缓冲区和一个接收缓冲区
    1. 调用 write 时, 会将数据先写入发送缓冲区
    2. 如果发送的数据太长, 会被拆分成多个 TCP 的数据包发出
    3. 如果发送的数据太短, 会在缓冲区等待长度差不多, 或者其他时机再发出
    4. 接收数据时, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区
    5. 应用程序调用 read , 从接收缓冲区拿数据
  • 由于缓冲区的存在, TCP 程序的读写操作不需要一一匹配
    1. 写1000字节的数据, 可以写一次大小1000字节, 也可以写100次大小100的字节
    2. 读同理

粘包问题

包 : 应用层数据包
站在传输层角度, TCP 时一个一个的报文过来的, 按照序号有序排放在缓冲区中
站在应用层角度, 能看到的只是一串连续的字节数据
粘包问题就是接收端无法区分应用层数据包之间的边界, 导致读取多个完整或不完整数据包的问题

解决粘包问题的关键是明确数据包的边界

  • 数据包定长: 按照固定大小读取
  • 数据包变长:
    • 在包头位置约定总包长度
    • 在包与包之间, 使用明确分隔符

TCP 异常情况

  • 进程终止 / 程序重启 : 进程结束时会释放文件描述符, 此时仍可以发送 FIN , 即和正常关闭无区别
  • 机器掉电 / 网线断开 : 接收端会认为连接正常, 仍会进行数据收发
    • 当接收端发数据时, 感知到发送端已断开连接, 就会触发 reset
    • 如果接收端不进行发数据操作, 也会有保活机制定期检测对方的状态

基于 TCP 的应用层协议

HTTP / HTTPS / SSH / Telnet / FTP / SMTP


UDP 协议

在这里插入图片描述


UDP 特性 : 面向数据报

应用层交给UDP多长的报文, UDP 原样发送, 既不会拆包, 也不会合并


基于 UDP 的应用层协议

NFS / TFTP / DHCP / BOOTP / DNS


TCP 和 UDP 的应用场景

  • TCP 用于可靠传输情况. eg: 文件传输, 重要状态更新 …
  • UDP 用于高速传输, 对实时性要求高的通信领域. eg: 广播, 视频传输, 早期 QQ

网络层


网络层协议进行路径选择

IP 协议

协议头格式
在这里插入图片描述
标识: 唯一标识 主机发送的报文. 同一报文在链路层的分片 标识相同 (id 相同)
3位标志字段

  • 保留
  • 禁止分片 (1 – 禁止)
  • 更多分片 (类似于结束标志, 0 – 结束)

分片偏移: 分片相对于原始 IP 报文开始处的偏移
生存时间 TTL: 数据到达目的地的最大报文跳数
协议: 表示上层协议是什么


数据链路层


以太网

以太网是一种技术标准, 应用于数据链路层和物理层, 而不是一个具体的网络
以太网帧格式
在这里插入图片描述
地址: MAC 地址
类型: 分为三种

  1. IP
  2. ARP
  3. PARP

MTU 最大传输单元

不同数据链路层对物理层, 产生不同的限制
如果一个数据包从以太网 路由到 拨号链路上, 数据包长度大于 拨号链路的 MTU, 则数据包就要进行分片操作
在这里插入图片描述


ARP 协议

介于网络层和数据链路层之间的协议
作用: 建立主机 IP 和 MAC 地址的映射关系

这篇关于网络 (TCP/IP 四层协议中常见网络协议)的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/923640

相关文章

Go语言开发实现查询IP信息的MCP服务器

《Go语言开发实现查询IP信息的MCP服务器》随着MCP的快速普及和广泛应用,MCP服务器也层出不穷,本文将详细介绍如何在Go语言中使用go-mcp库来开发一个查询IP信息的MCP... 目录前言mcp-ip-geo 服务器目录结构说明查询 IP 信息功能实现工具实现工具管理查询单个 IP 信息工具的实现服

SQL中redo log 刷⼊磁盘的常见方法

《SQL中redolog刷⼊磁盘的常见方法》本文主要介绍了SQL中redolog刷⼊磁盘的常见方法,将redolog刷入磁盘的方法确保了数据的持久性和一致性,下面就来具体介绍一下,感兴趣的可以了解... 目录Redo Log 刷入磁盘的方法Redo Log 刷入磁盘的过程代码示例(伪代码)在数据库系统中,r

SQL BETWEEN 的常见用法小结

《SQLBETWEEN的常见用法小结》BETWEEN操作符是SQL中非常有用的工具,它允许你快速选取某个范围内的值,本文给大家介绍SQLBETWEEN的常见用法,感兴趣的朋友一起看看吧... 在SQL中,BETWEEN是一个操作符,用于选取介于两个值之间的数据。它包含这两个边界值。BETWEEN操作符常用

python中各种常见文件的读写操作与类型转换详细指南

《python中各种常见文件的读写操作与类型转换详细指南》这篇文章主要为大家详细介绍了python中各种常见文件(txt,xls,csv,sql,二进制文件)的读写操作与类型转换,感兴趣的小伙伴可以跟... 目录1.文件txt读写标准用法1.1写入文件1.2读取文件2. 二进制文件读取3. 大文件读取3.1

C++中初始化二维数组的几种常见方法

《C++中初始化二维数组的几种常见方法》本文详细介绍了在C++中初始化二维数组的不同方式,包括静态初始化、循环、全部为零、部分初始化、std::array和std::vector,以及std::vec... 目录1. 静态初始化2. 使用循环初始化3. 全部初始化为零4. 部分初始化5. 使用 std::a

前端下载文件时如何后端返回的文件流一些常见方法

《前端下载文件时如何后端返回的文件流一些常见方法》:本文主要介绍前端下载文件时如何后端返回的文件流一些常见方法,包括使用Blob和URL.createObjectURL创建下载链接,以及处理带有C... 目录1. 使用 Blob 和 URL.createObjectURL 创建下载链接例子:使用 Blob

Python中使用正则表达式精准匹配IP地址的案例

《Python中使用正则表达式精准匹配IP地址的案例》Python的正则表达式(re模块)是完成这个任务的利器,但你知道怎么写才能准确匹配各种合法的IP地址吗,今天我们就来详细探讨这个问题,感兴趣的朋... 目录为什么需要IP正则表达式?IP地址的基本结构基础正则表达式写法精确匹配0-255的数字验证IP地

C++ vector的常见用法超详细讲解

《C++vector的常见用法超详细讲解》:本文主要介绍C++vector的常见用法,包括C++中vector容器的定义、初始化方法、访问元素、常用函数及其时间复杂度,通过代码介绍的非常详细,... 目录1、vector的定义2、vector常用初始化方法1、使编程用花括号直接赋值2、使用圆括号赋值3、ve

Pytest多环境切换的常见方法介绍

《Pytest多环境切换的常见方法介绍》Pytest作为自动化测试的主力框架,如何实现本地、测试、预发、生产环境的灵活切换,本文总结了通过pytest框架实现自由环境切换的几种方法,大家可以根据需要进... 目录1.pytest-base-url2.hooks函数3.yml和fixture结论你是否也遇到过

Nginx中配置HTTP/2协议的详细指南

《Nginx中配置HTTP/2协议的详细指南》HTTP/2是HTTP协议的下一代版本,旨在提高性能、减少延迟并优化现代网络环境中的通信效率,本文将为大家介绍Nginx配置HTTP/2协议想详细步骤,需... 目录一、HTTP/2 协议概述1.HTTP/22. HTTP/2 的核心特性3. HTTP/2 的优