目錄

???♂? TCP/IP協(xié)議詳解

???♂? TCP/IP協(xié)議的分層模型

OSI模型的七層框架

TCP/IP協(xié)議與七層ISO模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

（一）TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用層

（二）TCP/IP協(xié)議的傳輸層

（三）TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層

（四）TCP/IP協(xié)議的鏈路層

???♂? 圖解 物理層：使用MAC解決設(shè)備的身份證問(wèn)題

通信的原始時(shí)代

集線器的誕生

???♂? 圖解 數(shù)據(jù)鏈路：使用交換機(jī)解決MAC 地址映射問(wèn)題

集線器的問(wèn)題

交換機(jī)的誕生

MAC 地址和端口的映射記錄

???♂? 圖解 傳輸層：IP地址和路由器

二層交換機(jī)的問(wèn)題

IP地址的誕生

路由器的誕生

子網(wǎng)的由來(lái)

路由表的由來(lái)（和Mac表的由來(lái)好像，都是逼出來(lái)的）

???♂? 圖解：整個(gè)傳輸過(guò)程

電腦視角

交換機(jī)視角

路由器視角

參考的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

這時(shí)如果 A 給 F 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，能不能通呢？如果通的話整個(gè)過(guò)程是怎樣的呢？

詳細(xì)過(guò)程文字描述

???♂? HTTP報(bào)文傳輸原理

HTTP報(bào)文傳輸過(guò)程

數(shù)據(jù)封裝和分用

???♂? TCP協(xié)議的報(bào)文格式

（一）源端口號(hào)

（二）目的端口號(hào)

（三）序號(hào)（Sequence Number）

（四）確認(rèn)序號(hào)（Acknowledgment Number）

（五）頭部長(zhǎng)度

（六）預(yù)留6位

（七）控制標(biāo)志

（八）窗口大小

（九）校驗(yàn)和計(jì)算

（十）緊急指針

（十一）可選項(xiàng)和填充部分

???♂? TCP的三次握手

三次握手過(guò)程

三次握手的圖解

???♂? TCP的四次揮手

四次揮手具體過(guò)程

四次揮手圖解

???♂? 三次握手、四次揮手的常見(jiàn)面試題

問(wèn)題（1）：為什么關(guān)閉連接的需要四次揮手，而建立連接卻只要三次握手呢？

問(wèn)題（2）：為什么連接建立的時(shí)候是三次握手，可以改成兩次握手嗎？

問(wèn)題（3）：為什么主動(dòng)斷開(kāi)方在TIME-WAIT狀態(tài)必須等待2MSL的時(shí)間？

問(wèn)題（4）：如果已經(jīng)建立了連接，但是Client端突然出現(xiàn)故障了怎么辦？

?? 參考資料

?

???♂? TCP/IP協(xié)議詳解

TCP/IP協(xié)議包含了一系列的協(xié)議，也叫TCP/IP協(xié)議族（TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），簡(jiǎn)稱(chēng)TCP/IP。TCP/IP協(xié)議族提供了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連結(jié)機(jī)制，并且將傳輸數(shù)據(jù)幀的封裝、尋址、傳輸、路由以及接收方式，都予以標(biāo)準(zhǔn)化。

相關(guān)資料參考：面試高頻—TCP/IP十大問(wèn)題—程序員必備基礎(chǔ)素養(yǎng)

相關(guān)資料參考：通俗易懂TCP/IP協(xié)議 |?網(wǎng)絡(luò)編程套接字 | 初識(shí)網(wǎng)絡(luò)原理?

???♂? TCP/IP協(xié)議的分層模型

在展開(kāi)介紹TCP/IP協(xié)議之前，首先介紹一下七層ISO模型。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO為了使網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更為普及，推出了OSI參考模型，即開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnect）模型，一般都叫OSI參考模型。OSI參考模型是ISO組織在1985年發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)互連模型，其含義就是為所有公司使用一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)，這樣所有公司遵循相同的通信規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)就能互聯(lián)互通了。

OSI模型的七層框架

OSI模型定義了網(wǎng)絡(luò)互連的七層框架（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層），每一層實(shí)現(xiàn)各自的功能和協(xié)議，并完成與相鄰層的接口通信。OSI模型各層的通信協(xié)議，大致舉例如下表所示：

表：OSI模型各層的通信協(xié)議舉例

TCP/IP協(xié)議是Internet互聯(lián)網(wǎng)最基本的協(xié)議，其在一定程度上參考了七層ISO模型。OSI模型共有七層，從下到上分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。但是這顯然是有些復(fù)雜的，所以在TCP/IP協(xié)議中，七層被簡(jiǎn)化為了四個(gè)層次。TCP/IP模型中的各種協(xié)議，依其功能不同，被分別歸屬到這四層之中，常被視為是簡(jiǎn)化過(guò)后的七層OSI模型。

TCP/IP協(xié)議與七層ISO模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

TCP/IP協(xié)議與七層ISO模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，大致如下圖所示：

TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用層的主要協(xié)議有HTTP、Telnet、FTP、SMTP等，是用來(lái)讀取來(lái)自傳輸層的數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)傳輸寫(xiě)入傳輸層；傳輸層的主要協(xié)議有UDP、TCP，實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議有ICMP、IP、IGMP，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳送等；鏈路層有時(shí)也稱(chēng)作數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)接口層，主要協(xié)議有ARP、RARP，通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡，它們一起處理與傳輸媒介（如電纜或其他物理設(shè)備）的物理接口細(xì)節(jié)。

（一）TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用層

應(yīng)用層包括所有和應(yīng)用程序協(xié)同工作，并利用基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)交換應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的協(xié)議。一些特定的程序被認(rèn)為運(yùn)行在這個(gè)層上，該層協(xié)議所提供的服務(wù)能直接支持用戶(hù)應(yīng)用。應(yīng)用層協(xié)議包括HTTP（萬(wàn)維網(wǎng)服務(wù)）、FTP（文件傳輸）、SMTP（電子郵件）、SSH（安全遠(yuǎn)程登陸）、DNS（域名解析）以及許多其他協(xié)議。

（二）TCP/IP協(xié)議的傳輸層

傳輸層的協(xié)議，解決了諸如端到端可靠性問(wèn)題，能確保數(shù)據(jù)可靠的到達(dá)目的地，甚至能保證數(shù)據(jù)按照正確的順序到達(dá)目的地。傳輸層的主要功能大致如下：

（1）為端到端連接提供傳輸服務(wù)；

（2）這種傳輸服務(wù)分為可靠和不可靠的，其中TCP是典型的可靠傳輸，而UDP則是不可靠傳輸；

（3）為端到端連接提供流量控制、差錯(cuò)控制、QoS(Quality of Service)服務(wù)質(zhì)量等管理服務(wù)。

傳輸層主要有兩個(gè)性質(zhì)不同的協(xié)議：TCP傳輸控制協(xié)議和UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。

TCP協(xié)議是一個(gè)面向連接的、可靠的傳輸協(xié)議，它提供一種可靠的字節(jié)流，能保證數(shù)據(jù)完整、無(wú)損并且按順序到達(dá)。TCP盡量連續(xù)不斷地測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載并且控制發(fā)送數(shù)據(jù)的速度以避免網(wǎng)絡(luò)過(guò)載。另外，TCP試圖將數(shù)據(jù)按照規(guī)定的順序發(fā)送。

UDP協(xié)議是一個(gè)無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是一個(gè)“盡力傳遞”和“不可靠”協(xié)議，不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)到達(dá)目的地進(jìn)行檢查，并且不保證數(shù)據(jù)包按順序到達(dá)。

總體來(lái)說(shuō)，TCP協(xié)議傳輸效率低，但可靠性強(qiáng)；UDP協(xié)議傳輸效率高，但可靠性略低，適用于傳輸可靠性要求不高、體量小的數(shù)據(jù)（比如QQ聊天數(shù)據(jù)）。

（三）TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層

TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的作用是在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為要發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)找到一個(gè)合適的路徑進(jìn)行傳輸。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)地址，目標(biāo)地址可以是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)路由器連接而成的某一個(gè)地址。另外，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)尋找合適的路徑到達(dá)對(duì)方計(jì)算機(jī)，并把數(shù)據(jù)幀傳送給對(duì)方，網(wǎng)絡(luò)層還可以實(shí)現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)際互連等功能。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的代表包括：ICMP、IP、IGMP等。

（四）TCP/IP協(xié)議的鏈路層

鏈路層有時(shí)也稱(chēng)作數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)接口層，用來(lái)處理連接網(wǎng)絡(luò)的硬件部分。該層既包括操作系統(tǒng)硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、NIC（網(wǎng)卡）、光纖等物理可見(jiàn)部分，還包括連接器等一切傳輸媒介。在這一層，數(shù)據(jù)的傳輸單位為比特。其主要協(xié)議有ARP、RARP等。

???♂? 圖解 物理層：使用MAC解決設(shè)備的身份證問(wèn)題

通信的原始時(shí)代

你是一臺(tái)電腦，你的名字叫 A

很久很久之前，你不與任何其他電腦相連接，孤苦伶仃。

直到有一天，你希望與另一臺(tái)電腦 B 建立通信，于是你們各開(kāi)了一個(gè)網(wǎng)口，用一根網(wǎng)線連接了起來(lái)。

用一根網(wǎng)線連接起來(lái)怎么就能"通信"了呢？我可以給你講 IO、講中斷、講緩沖區(qū)，但這不是研究網(wǎng)絡(luò)時(shí)該關(guān)心的問(wèn)題。

如果你糾結(jié)，要么去研究一下操作系統(tǒng)是如何處理網(wǎng)絡(luò) IO 的，要么去研究一下包是如何被網(wǎng)卡轉(zhuǎn)換成電信號(hào)發(fā)送出去的，要么就僅僅把它當(dāng)做電腦里有個(gè)小人在開(kāi)槍吧~

反正，你們就是連起來(lái)了，并且可以通信。

有一天，一個(gè)新伙伴 C 加入了，但聰明的你們很快發(fā)現(xiàn)，可以每個(gè)人開(kāi)兩個(gè)網(wǎng)口，用一共三根網(wǎng)線，彼此相連。

隨著越來(lái)越多的人加入，你發(fā)現(xiàn)身上開(kāi)的網(wǎng)口實(shí)在太多了，而且網(wǎng)線密密麻麻，混亂不堪。（而實(shí)際上一臺(tái)電腦根本開(kāi)不了這么多網(wǎng)口，所以這種連線只在理論上可行，所以連不上的我就用紅色虛線表示了，就是這么嚴(yán)謹(jǐn)哈哈~）

集線器的誕生

于是你們發(fā)明了一個(gè)中間設(shè)備，你們將網(wǎng)線都插到這個(gè)設(shè)備上，由這個(gè)設(shè)備做轉(zhuǎn)發(fā)，就可以彼此之間通信了，本質(zhì)上和原來(lái)一樣，只不過(guò)網(wǎng)口的數(shù)量和網(wǎng)線的數(shù)量減少了，不再那么混亂。

你給它取名叫集線器，它僅僅是無(wú)腦將電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到所有出口（廣播），不做任何處理，你覺(jué)得它是沒(méi)有智商的，因此把人家定性在了物理層。

由于轉(zhuǎn)發(fā)到了所有出口，那 BCDE 四臺(tái)機(jī)器怎么知道數(shù)據(jù)包是不是發(fā)給自己的呢？

首先，你要給所有的連接到交換機(jī)的設(shè)備，都起個(gè)名字。原來(lái)你們叫 ABCD，但現(xiàn)在需要一個(gè)更專(zhuān)業(yè)的，全局唯一的名字作為標(biāo)識(shí)，你把這個(gè)更高端的名字稱(chēng)為?MAC 地址。

你的 MAC 地址是 aa-aa-aa-aa-aa-aa，你的伙伴 b 的 MAC 地址是 bb-bb-bb-bb-bb-bb，以此類(lèi)推，不重復(fù)就好。

這樣，A 在發(fā)送數(shù)據(jù)包給 B 時(shí)，只要在頭部拼接一個(gè)這樣結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，就可以了。

B 在收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)頭部的目標(biāo) MAC 地址信息，判斷這個(gè)數(shù)據(jù)包的確是發(fā)給自己的，于是便收下。

其他的 CDE 收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)頭部的目標(biāo) MAC 地址信息，判斷這個(gè)數(shù)據(jù)包并不是發(fā)給自己的，于是便丟棄。

雖然集線器使整個(gè)布局干凈不少，但原來(lái)我只要發(fā)給電腦 B 的消息，現(xiàn)在卻要發(fā)給連接到集線器中的所有電腦，這樣既不安全，又不節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。

???♂? 圖解 數(shù)據(jù)鏈路：使用交換機(jī)解決MAC 地址映射問(wèn)題

集線器的問(wèn)題

如果把這個(gè)集線器弄得更智能一些，只發(fā)給目標(biāo) MAC 地址指向的那臺(tái)電腦，就好了。

交換機(jī)的誕生

雖然只比集線器多了這一點(diǎn)點(diǎn)區(qū)別，但看起來(lái)似乎有智能了，你把這東西叫做交換機(jī)。也正因?yàn)檫@一點(diǎn)點(diǎn)智能，你把它放在了另一個(gè)層級(jí)，數(shù)據(jù)鏈路層。

如上圖所示，你是這樣設(shè)計(jì)的。

交換機(jī)內(nèi)部維護(hù)一張?MAC 地址表，記錄著每一個(gè) MAC 地址的設(shè)備，連接在其哪一個(gè)端口上。

假如你仍然要發(fā)給 B 一個(gè)數(shù)據(jù)包，構(gòu)造了如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從網(wǎng)口出去。

到達(dá)交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)內(nèi)部通過(guò)自己維護(hù)的 MAC 地址表，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)器 B 的 MAC 地址 bb-bb-bb-bb-bb-bb 映射到了端口 1 上，于是把數(shù)據(jù)從 1 號(hào)端口發(fā)給了 B，完事~

你給這個(gè)通過(guò)這樣傳輸方式而組成的小范圍的網(wǎng)絡(luò)，叫做以太網(wǎng)。

當(dāng)然最開(kāi)始的時(shí)候，MAC 地址表是空的，是怎么逐步建立起來(lái)的呢？

假如在 MAC 地址表為空是，你給 B 發(fā)送了如下數(shù)據(jù)

由于這個(gè)包從端口 4 進(jìn)入的交換機(jī)，所以此時(shí)交換機(jī)就可以在 MAC地址表記錄第一條數(shù)據(jù)：

MAC：aa-aa-aa-aa-aa-aa-aa
端口：4

交換機(jī)看目標(biāo) MAC 地址（bb-bb-bb-bb-bb-bb）在地址表中并沒(méi)有映射關(guān)系，于是將此包發(fā)給了所有端口，也即發(fā)給了所有機(jī)器。

之后，只有機(jī)器 B 收到了確實(shí)是發(fā)給自己的包，于是做出了響應(yīng)，響應(yīng)數(shù)據(jù)從端口 1 進(jìn)入交換機(jī)，于是交換機(jī)此時(shí)在地址表中更新了第二條數(shù)據(jù)：

MAC：bb-bb-bb-bb-bb-bb
端口：1

過(guò)程如下：

經(jīng)過(guò)該網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器不斷地通信，交換機(jī)最終將 MAC 地址表建立完畢~

隨著機(jī)器數(shù)量越多，交換機(jī)的端口也不夠了，但聰明的你發(fā)現(xiàn)，只要將多個(gè)交換機(jī)連接起來(lái)，這個(gè)問(wèn)題就輕而易舉搞定~

你完全不需要設(shè)計(jì)額外的東西，只需要按照之前的設(shè)計(jì)和規(guī)矩來(lái)，按照上述的接線方式即可完成所有電腦的互聯(lián)，所以交換機(jī)設(shè)計(jì)的這種規(guī)則，真的很巧妙。你想想看為什么（比如 A 要發(fā)數(shù)據(jù)給 F）。

但是你要注意，上面那根紅色的線，最終在 MAC 地址表中可不是一條記錄呀，而是要把 EFGH 這四臺(tái)機(jī)器與該端口（端口6）的映射全部記錄在表中。

MAC 地址和端口的映射記錄

最終，兩個(gè)交換機(jī)將分別記錄 A ~ H 所有機(jī)器的映射記錄。

左邊的交換機(jī)

右邊的交換機(jī)

這在只有 8 臺(tái)電腦的時(shí)候還好，甚至在只有幾百臺(tái)電腦的時(shí)候，都還好，所以這種交換機(jī)的設(shè)計(jì)方式，已經(jīng)足足支撐一陣子了。

但很遺憾，人是貪婪的動(dòng)物，很快，電腦的數(shù)量就發(fā)展到幾千、幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)。

???♂? 圖解 傳輸層：IP地址和路由器

二層交換機(jī)的問(wèn)題

交換機(jī)已經(jīng)無(wú)法記錄如此龐大的映射關(guān)系了。

此時(shí)你動(dòng)了歪腦筋，你發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的根本在于，連出去的那根紅色的網(wǎng)線，后面不知道有多少個(gè)設(shè)備不斷地連接進(jìn)來(lái)，從而使得地址表越來(lái)越大。

那我可不可以讓那根紅色的網(wǎng)線，接入一個(gè)新的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備就跟電腦一樣有自己獨(dú)立的 MAC 地址，而且同時(shí)還能幫我把數(shù)據(jù)包做一次轉(zhuǎn)發(fā)呢？

這個(gè)設(shè)備就是路由器，它的功能就是，作為一臺(tái)獨(dú)立的擁有 MAC 地址的設(shè)備，并且可以幫我把數(shù)據(jù)包做一次轉(zhuǎn)發(fā)，你把它定在了網(wǎng)絡(luò)層。

注意，路由器的每一個(gè)端口，都有獨(dú)立的 MAC 地址

好了，現(xiàn)在交換機(jī)的 MAC 地址表中，只需要多出一條 MAC 地址 ABAB 與其端口的映射關(guān)系，就可以成功把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)交給路由器了，這條搞定。

那如何做到，把發(fā)送給 C 和 D，甚至是把發(fā)送給 DEFGH.... 的數(shù)據(jù)包，統(tǒng)統(tǒng)先發(fā)送給路由器呢？

不難想到這樣一個(gè)點(diǎn)子，假如電腦 C 和 D 的 MAC 地址擁有共同的前綴，比如分別是

C 的 MAC 地址：FFFF-FFFF-CCCC?D 的 MAC 地址：FFFF-FFFF-DDDD

那我們就可以說(shuō)，將目標(biāo) MAC 地址為?FFFF-FFFF-？開(kāi)頭的，統(tǒng)統(tǒng)先發(fā)送給路由器。

這樣是否可行呢？答案是否定的。

IP地址的誕生

我們先從現(xiàn)實(shí)中 MAC 地址的結(jié)構(gòu)入手，MAC地址也叫物理地址、硬件地址，長(zhǎng)度為 48 位，一般這樣來(lái)表示

00-16-EA-AE-3C-40

它是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商生產(chǎn)時(shí)燒錄在網(wǎng)卡的EPROM（一種閃存芯片，通常可以通過(guò)程序擦寫(xiě)）。

其中前 24 位（00-16-EA）代表網(wǎng)絡(luò)硬件制造商的編號(hào)，后 24 位（AE-3C-40）是該廠家自己分配的，一般表示系列號(hào)。

只要不更改自己的 MAC 地址，MAC 地址在世界是唯一的。形象地說(shuō)，MAC地址就如同身份證上的身份證號(hào)碼，具有唯一性。

那如果你希望向上面那樣表示將目標(biāo) MAC 地址為?FFFF-FFFF-？開(kāi)頭的，統(tǒng)一從路由器出去發(fā)給某一群設(shè)備（后面會(huì)提到這其實(shí)是子網(wǎng)的概念），那你就需要要求某一子網(wǎng)下統(tǒng)統(tǒng)買(mǎi)一個(gè)廠商制造的設(shè)備，要么你就需要要求廠商在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備燒錄 MAC 地址時(shí)，提前按照你規(guī)劃好的子網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)定 MAC 地址，并且日后這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)都不能輕易改變。

這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

于是你發(fā)明了一個(gè)新的地址，給每一臺(tái)機(jī)器一個(gè) 32 位的編號(hào)，如：

11000000101010000000000000000001

你覺(jué)得有些不清晰，于是把它分成四個(gè)部分，中間用點(diǎn)相連。

11000000.10101000.00000000.00000001

你還覺(jué)得不清晰，于是把它轉(zhuǎn)換成 10 進(jìn)制。

192.168.0.1

最后你給了這個(gè)地址一個(gè)響亮的名字，IP 地址?，F(xiàn)在每一臺(tái)電腦，同時(shí)有自己的 MAC 地址，又有自己的 IP 地址，只不過(guò) IP 地址是軟件層面上的，可以隨時(shí)修改，MAC 地址一般是無(wú)法修改的。

這樣一個(gè)可以隨時(shí)修改的 IP 地址，就可以根據(jù)你規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來(lái)調(diào)整了。

如上圖所示，假如我想要發(fā)送數(shù)據(jù)包給 ABCD 其中一臺(tái)設(shè)備，不論哪一臺(tái)，我都可以這樣描述，"將 IP 地址為 192.168.0 開(kāi)頭的全部發(fā)送給到路由器，之后再怎么轉(zhuǎn)發(fā)，交給它！"，巧妙吧。

路由器的誕生

路由器誕生了，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)IP地址的尋找。那報(bào)文交給路由器之后，路由器又是怎么把數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)給指定設(shè)備的呢？

別急我們慢慢來(lái)。

我們先給上面的組網(wǎng)方式中的每一臺(tái)設(shè)備，加上自己的 IP 地址

現(xiàn)在兩個(gè)設(shè)備之間傳輸，除了加上數(shù)據(jù)鏈路層的頭部之外，還要再增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的頭部。

假如 A 給 B 發(fā)送數(shù)據(jù)，由于它們直接連著交換機(jī)，所以 A 直接發(fā)出如下數(shù)據(jù)包即可，其實(shí)網(wǎng)絡(luò)層沒(méi)有體現(xiàn)出作用。

但假如 A 給 C 發(fā)送數(shù)據(jù)，A 就需要先轉(zhuǎn)交給路由器，然后再由路由器轉(zhuǎn)交給 C。由于最底層的傳輸仍然需要依賴(lài)以太網(wǎng)，所以數(shù)據(jù)包是分成兩段的。

A ~ 路由器這段的包如下：

路由器到 C 這段的包如下：

好了，上面說(shuō)的兩種情況（A->B，A->C），相信細(xì)心的讀者應(yīng)該會(huì)有不少疑問(wèn)，下面我們一個(gè)個(gè)來(lái)展開(kāi)。

子網(wǎng)的由來(lái)

A 給 C 發(fā)數(shù)據(jù)包，怎么知道是否要通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)呢？

答案：子網(wǎng)

如果源 IP 與目的 IP 處于一個(gè)子網(wǎng)，直接將包通過(guò)交換機(jī)發(fā)出去。

如果源 IP 與目的 IP 不處于一個(gè)子網(wǎng)，就交給路由器去處理。

好，那現(xiàn)在只需要解決，什么叫處于一個(gè)子網(wǎng)就好了。

• 192.168.0.1 和 192.168.0.2 處于同一個(gè)子網(wǎng)
• 192.168.0.1 和 192.168.1.1 處于不同子網(wǎng)

這兩個(gè)是我們?nèi)藶橐?guī)定的，即我們想表示，對(duì)于 192.168.0.1 來(lái)說(shuō)：

192.168.0.xxx 開(kāi)頭的，就算是在一個(gè)子網(wǎng)，否則就是在不同的子網(wǎng)。

那對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，怎么表達(dá)這個(gè)意思呢？于是人們發(fā)明了子網(wǎng)掩碼的概念

假如某臺(tái)機(jī)器的子網(wǎng)掩碼定為 255.255.255.0

這表示，將源 IP 與目的 IP 分別同這個(gè)子網(wǎng)掩碼進(jìn)行與運(yùn)算****，相等則是在一個(gè)子網(wǎng)，不相等就是在不同子網(wǎng)，就這么簡(jiǎn)單。

比如

• A電腦：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
• B電腦：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
• C電腦：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
• D電腦：192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

那么 A 與 B 在同一個(gè)子網(wǎng)，C 與 D 在同一個(gè)子網(wǎng)，但是 A 與 C 就不在同一個(gè)子網(wǎng)，與 D 也不在同一個(gè)子網(wǎng)，以此類(lèi)推。

所以如果 A 給 C 發(fā)消息，A 和 C 的 IP 地址分別 & A 機(jī)器配置的子網(wǎng)掩碼，發(fā)現(xiàn)不相等，則 A 認(rèn)為 C 和自己不在同一個(gè)子網(wǎng)，于是把包發(fā)給路由器，就不管了，之后怎么轉(zhuǎn)發(fā)，A 不關(guān)心。

A 如何知道，哪個(gè)設(shè)備是路由器？

答案：在 A 上要設(shè)置默認(rèn)網(wǎng)關(guān)

上一步 A 通過(guò)是否與 C 在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)，判斷出自己應(yīng)該把包發(fā)給路由器，那路由器的 IP 是多少呢？

其實(shí)說(shuō)發(fā)給路由器不準(zhǔn)確，應(yīng)該說(shuō) A 會(huì)把包發(fā)給默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

對(duì) A 來(lái)說(shuō)，A 只能直接把包發(fā)給同處于一個(gè)子網(wǎng)下的某個(gè) IP 上，所以發(fā)給路由器還是發(fā)給某個(gè)電腦，對(duì) A 來(lái)說(shuō)也不關(guān)心，只要這個(gè)設(shè)備有個(gè) IP 地址就行。

所以默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，就是 A 在自己電腦里配置的一個(gè) IP 地址，以便在發(fā)給不同子網(wǎng)的機(jī)器時(shí)，發(fā)給這個(gè) IP 地址。

僅此而已！

路由表的由來(lái)（和Mac表的由來(lái)好像，都是逼出來(lái)的）

路由器如何知道C在哪里？

答案：路由表

現(xiàn)在 A 要給 C 發(fā)數(shù)據(jù)包，已經(jīng)可以成功發(fā)到路由器這里了，最后一個(gè)問(wèn)題就是，路由器怎么知道，收到的這個(gè)數(shù)據(jù)包，該從自己的哪個(gè)端口出去，才能直接（或間接）地最終到達(dá)目的地 C 呢。

路由器收到的數(shù)據(jù)包有目的 IP 也就是 C 的 IP 地址，需要轉(zhuǎn)化成從自己的哪個(gè)端口出去，很容易想到，應(yīng)該有個(gè)表，就像 MAC 地址表一樣。

這個(gè)表就叫路由表。

至于這個(gè)路由表是怎么出來(lái)的，有很多路由算法，本文不展開(kāi)，因?yàn)槲乙膊粫?huì)哈哈~

不同于 MAC 地址表的是，路由表并不是一對(duì)一這種明確關(guān)系，我們下面看一個(gè)路由表的結(jié)構(gòu)。

我們學(xué)習(xí)一種新的表示方法，由于子網(wǎng)掩碼其實(shí)就表示前多少位表示子網(wǎng)的網(wǎng)段，所以如192.168.0.0（255.255.255.0） 也可以簡(jiǎn)寫(xiě)為 192.168.0.0/24

這就很好理解了，路由表就表示，192.168.0.xxx 這個(gè)子網(wǎng)下的，都轉(zhuǎn)發(fā)到 0 號(hào)端口，192.168.1.xxx 這個(gè)子網(wǎng)下的，都轉(zhuǎn)發(fā)到 1 號(hào)端口。下一跳列還沒(méi)有值，我們先不管

配合著結(jié)構(gòu)圖來(lái)看（這里把子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)都補(bǔ)齊了）

剛才說(shuō)的都是 IP 層，但發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)鏈路層需要知道 MAC 地址，可是我只知道 IP 地址該怎么辦呢？

答案：arp

假如你（A）此時(shí)不知道你同伴 B 的 MAC 地址（現(xiàn)實(shí)中就是不知道的，剛剛我們只是假設(shè)已知），你只知道它的 IP 地址，你該怎么把數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確傳給 B 呢？

答案很簡(jiǎn)單，在網(wǎng)絡(luò)層，我需要把 IP 地址對(duì)應(yīng)的 MAC 地址找到，也就是通過(guò)某種方式，找到?192.168.0.2?對(duì)應(yīng)的 MAC 地址?BBBB。

這種方式就是?arp 協(xié)議，同時(shí)電腦 A 和 B 里面也會(huì)有一張?arp 緩存表，表中記錄著?IP 與 MAC 地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

一開(kāi)始的時(shí)候這個(gè)表是空的，電腦 A 為了知道電腦 B（192.168.0.2）的 MAC 地址，將會(huì)廣播一條 arp 請(qǐng)求，B 收到請(qǐng)求后，帶上自己的 MAC 地址給 A 一個(gè)響應(yīng)。此時(shí) A 便更新了自己的 arp 表。

這樣通過(guò)大家不斷廣播 arp 請(qǐng)求，最終所有電腦里面都將 arp 緩存表更新完整。

???♂? 圖解：整個(gè)傳輸過(guò)程

好了，總結(jié)一下，到目前為止就幾條規(guī)則

從各個(gè)節(jié)點(diǎn)的視角來(lái)看

電腦視角

• 首先我要知道我的 IP 以及對(duì)方的 IP
• 通過(guò)子網(wǎng)掩碼判斷我們是否在同一個(gè)子網(wǎng)
• 在同一個(gè)子網(wǎng)就通過(guò) arp 獲取對(duì)方 mac 地址直接扔出去
• 不在同一個(gè)子網(wǎng)就通過(guò) arp 獲取默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的 mac 地址直接扔出去

交換機(jī)視角

• 我收到的數(shù)據(jù)包必須有目標(biāo) MAC 地址
• 通過(guò) MAC 地址表查映射關(guān)系
• 查到了就按照映射關(guān)系從我的指定端口發(fā)出去
• 查不到就所有端口都發(fā)出去

路由器視角

• 我收到的數(shù)據(jù)包必須有目標(biāo) IP 地址
• 通過(guò)路由表查映射關(guān)系
• 查到了就按照映射關(guān)系從我的指定端口發(fā)出去（不在任何一個(gè)子網(wǎng)范圍，走其路由器的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)也是查到了）
• 查不到則返回一個(gè)路由不可達(dá)的數(shù)據(jù)包

如果你嗅覺(jué)足夠敏銳，你應(yīng)該可以感受到下面這句話：

網(wǎng)絡(luò)層（IP協(xié)議）本身沒(méi)有傳輸包的功能，包的實(shí)際傳輸是委托給數(shù)據(jù)鏈路層（以太網(wǎng)中的交換機(jī)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

涉及到的三張表分別是

• 交換機(jī)中有?MAC 地址表用于映射 MAC 地址和它的端口
• 路由器中有路由表用于映射 IP 地址(段)和它的端口
• 電腦和路由器中都有** arp 緩存表**用于緩存 IP 和 MAC 地址的映射關(guān)系

這三張表是怎么來(lái)的

• MAC 地址表是通過(guò)以太網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間不斷通過(guò)交換機(jī)通信，不斷完善起來(lái)的。
• 路由表是各種路由算法 + 人工配置逐步完善起來(lái)的。
• arp 緩存表是不斷通過(guò) arp 協(xié)議的請(qǐng)求逐步完善起來(lái)的。?

知道了以上這些，目前網(wǎng)絡(luò)上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是如何發(fā)送數(shù)據(jù)包的這個(gè)過(guò)程，就完全可以解釋通了！

參考的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

那接下來(lái)我們就放上參考的?最后一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D吧，請(qǐng)做好?戰(zhàn)斗?準(zhǔn)備！

這時(shí)路由器 1 連接了路由器 2，所以其路由表有了下一條地址這一個(gè)概念，所以它的路由表就變成了這個(gè)樣子。如果匹配到了有下一跳地址的一項(xiàng)，則需要再次匹配，找到其端口，并找到下一跳 IP 的 MAC 地址。

也就是說(shuō)找來(lái)找去，最終必須能映射到一個(gè)端口號(hào)，然后從這個(gè)端口號(hào)把數(shù)據(jù)包發(fā)出去。

這時(shí)如果 A 給 F 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，能不能通呢？如果通的話整個(gè)過(guò)程是怎樣的呢？

思考一分鐘...

詳細(xì)過(guò)程動(dòng)畫(huà)描述：

詳細(xì)過(guò)程文字描述

1.?首先 A（192.168.0.1）通過(guò)子網(wǎng)掩碼（255.255.255.0）計(jì)算出自己與 F（192.168.2.2）并不在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)，于是決定發(fā)送給默認(rèn)網(wǎng)關(guān)（192.168.0.254）

2.?A 通過(guò) ARP 找到 默認(rèn)網(wǎng)關(guān) 192.168.0.254 的 MAC 地址。

3.?A 將源 MAC 地址（AAAA）與網(wǎng)關(guān) MAC 地址（ABAB）封裝在數(shù)據(jù)鏈路層頭部，又將源 IP 地址（192.168.0.1）和目的 IP 地址（192.168.2.2）（注意這里千萬(wàn)不要以為填寫(xiě)的是默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的 IP 地址，從始至終這個(gè)數(shù)據(jù)包的兩個(gè) IP 地址都是不變的，只有 MAC 地址在不斷變化）封裝在網(wǎng)絡(luò)層頭部，然后發(fā)包

4.?交換機(jī) 1 收到數(shù)據(jù)包后，發(fā)現(xiàn)目標(biāo) MAC 地址是 ABAB，轉(zhuǎn)發(fā)給路由器1

5.?數(shù)據(jù)包來(lái)到了路由器 1，發(fā)現(xiàn)其目標(biāo) IP 地址是 192.168.2.2，查看其路由表，發(fā)現(xiàn)了下一跳的地址是 192.168.100.5*

6.?所以此時(shí)路由器 1 需要做兩件事，第一件是再次匹配路由表，發(fā)現(xiàn)匹配到了端口為 2，于是將其封裝到數(shù)據(jù)鏈路層，最后把包從 2 號(hào)口發(fā)出去。

7.?此時(shí)路由器 2 收到了數(shù)據(jù)包，看到其目的地址是 192.168.2.2，查詢(xún)其路由表，匹配到端口號(hào)為 1，準(zhǔn)備從 1 號(hào)口把數(shù)據(jù)包送出去。

8.?但此時(shí)路由器 2 需要知道 192.168.2.2 的 MAC 地址了，于是查看其 arp 緩存，找到其 MAC 地址為 FFFF，將其封裝在數(shù)據(jù)鏈路層頭部，并從 1 號(hào)端口把包發(fā)出去。

9.?交換機(jī) 3 收到了數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)目的 MAC 地址為 FFFF，查詢(xún)其 MAC 地址表，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該從其 6 號(hào)端口出去，于是從 6 號(hào)端口把數(shù)據(jù)包發(fā)出去。

10.F 最終收到了數(shù)據(jù)包！**并且發(fā)現(xiàn)目的 MAC 地址就是自己，于是收下了這個(gè)包

更詳細(xì)且精準(zhǔn)的過(guò)程：

讀到這相信大家已經(jīng)很累了，理解上述過(guò)程基本上網(wǎng)絡(luò)層以下的部分主流程就基本疏通了，如果你想要本過(guò)程更為專(zhuān)業(yè)的過(guò)程描述，可以在公眾號(hào)"低并發(fā)編程"后臺(tái)回復(fù)"網(wǎng)絡(luò)"，獲得我模擬這個(gè)過(guò)程的 Cisco Packet Tracer 源文件。

每一步包的傳輸都會(huì)有各層的原始數(shù)據(jù)，以及專(zhuān)業(yè)的過(guò)程描述

同時(shí)在此基礎(chǔ)之上你也可以設(shè)計(jì)自己的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，來(lái)加深網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程的理解。

至此，經(jīng)過(guò)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層這前三層的協(xié)議，以及根據(jù)這些協(xié)議設(shè)計(jì)的各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（網(wǎng)線、集線器、交換機(jī)、路由器），理論上只要擁有對(duì)方的 IP 地址，就已經(jīng)將地球上任意位置的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連通了。

相關(guān)參考資料：如果讓你來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，你會(huì)如何設(shè)計(jì)？?

???♂? HTTP報(bào)文傳輸原理

利用TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，數(shù)據(jù)包會(huì)按照分層順序與對(duì)方進(jìn)行通信。發(fā)送端從應(yīng)用層往下走，接收端從鏈路層往上走。從客戶(hù)端到服務(wù)器的數(shù)據(jù)，每一幀數(shù)據(jù)的傳輸?shù)捻樞蚨紴椋簯?yīng)用層->運(yùn)輸層->網(wǎng)絡(luò)層->鏈路層->鏈路層->網(wǎng)絡(luò)層->運(yùn)輸層->應(yīng)用層。

HTTP報(bào)文傳輸過(guò)程

以一個(gè)HTTP請(qǐng)求的傳輸為例，請(qǐng)求從HTTP客戶(hù)端（如瀏覽器）和HTTP服務(wù)端應(yīng)用的傳輸過(guò)程，大致如下圖所示：

數(shù)據(jù)封裝和分用

接下來(lái)，為大家介紹一下數(shù)據(jù)封裝和分用。

數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臅r(shí)候不可能是光禿禿的不加標(biāo)識(shí)，如果這樣數(shù)據(jù)就會(huì)亂。所以數(shù)據(jù)在發(fā)送的時(shí)候，需要加上特定標(biāo)識(shí)，加上特定標(biāo)識(shí)的過(guò)程叫做數(shù)據(jù)的封裝，在數(shù)據(jù)使用的時(shí)候再去掉特定標(biāo)識(shí)，去掉特定標(biāo)識(shí)的過(guò)程就叫做分用。TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)封裝和分用過(guò)程，大致如下圖所示：

在數(shù)據(jù)封裝時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)每個(gè)層都會(huì)打上該層特定標(biāo)識(shí)，添加上頭部。

在傳輸層封裝時(shí)，添加的報(bào)文首部時(shí)要存入一個(gè)應(yīng)用程序的標(biāo)識(shí)符，無(wú)論TCP和UDP都用一個(gè)16位的端口號(hào)來(lái)表示不同的應(yīng)用程序，并且都會(huì)將源端口和目的端口存入報(bào)文首部中。

在網(wǎng)絡(luò)層封裝時(shí)，IP首部會(huì)標(biāo)識(shí)處理數(shù)據(jù)的協(xié)議類(lèi)型，或者說(shuō)標(biāo)識(shí)出網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類(lèi)型，如TCP、UDP、ICMP、IP、IGMP等等。具體來(lái)說(shuō)，會(huì)在IP首部中存入一個(gè)長(zhǎng)度為8位的數(shù)值，稱(chēng)作協(xié)議域：1表示為ICMP協(xié)議、2表示為IGMP協(xié)議、6表示為T(mén)CP協(xié)議、17表示為UDP協(xié)議、等等。IP首部還會(huì)標(biāo)識(shí)發(fā)送方地址（源IP）和接收方地址（目標(biāo)IP）。

在鏈路層封裝時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口分別要發(fā)送和接收IP、ARP和RARP等多種不同協(xié)議的報(bào)文，因此也必須在以太網(wǎng)的幀首部中加入某種形式的標(biāo)識(shí)，以指明所處理的協(xié)議類(lèi)型，為此，以太網(wǎng)的報(bào)文幀的首部也有一個(gè)16位的類(lèi)型域，標(biāo)識(shí)出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類(lèi)型，如IPv4、ARP、IPV6、PPPoE等等。

數(shù)據(jù)封裝和分用的過(guò)程大致為：發(fā)送端每通過(guò)一層會(huì)增加該層的首部，接收端每通過(guò)一層則刪除該層的首部。

總體來(lái)說(shuō)，TCP/IP分層管理、數(shù)據(jù)封裝和分用的好處：分層之后若需改變相關(guān)設(shè)計(jì)，只需替換變動(dòng)的層。各層之間的接口部分規(guī)劃好之后，每個(gè)層次內(nèi)部的設(shè)計(jì)就可以自由改動(dòng)。層次化之后，設(shè)計(jì)也變得相對(duì)簡(jiǎn)單：各個(gè)層只需考慮分派給自己的傳輸任務(wù)。

TCP/IP與OSI的區(qū)別主要有哪些呢？除了TCP/IP與OSI在分層模塊上稍有區(qū)別，更重要的區(qū)別為：OSI參考模型注重“通信協(xié)議必要的功能是什么”，而TCP/IP則更強(qiáng)調(diào)“在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)協(xié)議應(yīng)該開(kāi)發(fā)哪種程序”。

實(shí)際上，在傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)報(bào)文會(huì)在不同的物理網(wǎng)絡(luò)之間傳遞，還是以一個(gè)HTTP請(qǐng)求的傳輸為例，請(qǐng)求在不同物理網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸過(guò)程，大致如下圖所示：

數(shù)據(jù)包在不同物理網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)通過(guò)路由器去對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行存儲(chǔ)、分組轉(zhuǎn)發(fā)處理。構(gòu)造互連網(wǎng)最簡(jiǎn)單的方法是把兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)路由器進(jìn)行連接。路由器可以簡(jiǎn)單理解為一種特殊的用于網(wǎng)絡(luò)互連的硬件盒，其作用是為不同類(lèi)型的物理網(wǎng)絡(luò)提供連接：以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈接和FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）等等。

物理網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)路由器進(jìn)行互連，隨著增加不同類(lèi)型的物理網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)有很多個(gè)路由器，但是對(duì)于應(yīng)用層來(lái)說(shuō)仍然是一樣的，TCP協(xié)議棧為大家屏蔽了物理層的復(fù)雜性。總之，物理細(xì)節(jié)和差異性的隱藏，使得互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP傳輸?shù)墓δ茏兊梅浅?qiáng)大。

接下來(lái)，開(kāi)始為大家介紹與傳輸性能有密切關(guān)系的內(nèi)容：TCP傳輸層的三次握手建立連接，四次揮手釋放連接。不過(guò)在此之前，還得先介紹一下TCP報(bào)文協(xié)議。

???♂? TCP協(xié)議的報(bào)文格式

在TCP/IP協(xié)議棧中，IP協(xié)議層只關(guān)心如何使數(shù)據(jù)能夠跨越本地網(wǎng)絡(luò)邊界的問(wèn)題，而不關(guān)心數(shù)據(jù)如何傳輸。整體TCP/IP協(xié)議棧，共同配合一起解決數(shù)據(jù)如何通過(guò)許許多多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通路，順利傳輸?shù)竭_(dá)目的地。一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通路被稱(chēng)為一“跳”（hop），通過(guò)TCP/IP協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)成員能夠在許多“跳”的基礎(chǔ)上建立相互的數(shù)據(jù)通路。

傳輸層TCP協(xié)議提供了一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)，其數(shù)據(jù)幀格式，大致如下圖所示：

一個(gè)傳輸層TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，大致包含以下字段：

（一）源端口號(hào)

源端口號(hào)表示報(bào)文的發(fā)送端口，占16位。源端口和源IP地址組合起來(lái)，可以標(biāo)識(shí)報(bào)文的發(fā)送地址。

（二）目的端口號(hào)

目的端口號(hào)表示報(bào)文的接收端口，占16位。目的端口和目的IP地址相結(jié)合，可以標(biāo)識(shí)報(bào)文的接收地址。

TCP協(xié)議是基于IP協(xié)議的基礎(chǔ)上傳輸?shù)?，TCP報(bào)文中的源端口號(hào)+源IP，與TCP報(bào)文中的目的端口號(hào)+目的IP一起，組合起來(lái)唯一性的確定一條TCP連接。

（三）序號(hào)（Sequence Number）

TCP傳輸過(guò)程中，在發(fā)送端出的字節(jié)流中，傳輸報(bào)文中的數(shù)據(jù)部分的每一個(gè)字節(jié)都有它的編號(hào)。序號(hào)（Sequence Number）占32位，發(fā)起方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都需要標(biāo)記序號(hào)。

序號(hào)（Sequence Number）的語(yǔ)義與SYN控制標(biāo)志（Control Bits）的值有關(guān)。根據(jù)控制標(biāo)志（Control Bits）中的SYN是否為1，序號(hào)（Sequence Number）表達(dá)不同的含義：

（1）當(dāng)SYN = 1時(shí)，當(dāng)前為連接建立階段，此時(shí)的序號(hào)為初始序號(hào)ISN((Initial Sequence Number)，通過(guò)算法來(lái)隨機(jī)生成序號(hào)；

（2）當(dāng)SYN = 0時(shí)在數(shù)據(jù)傳輸正式開(kāi)始時(shí)，第一個(gè)報(bào)文的序號(hào)為 ISN + 1，后面的報(bào)文的序號(hào)，為前一個(gè)報(bào)文的SN值+TCP報(bào)文的凈荷字節(jié)數(shù)(不包含TCP頭)。比如，如果發(fā)送端發(fā)送的一個(gè)TCP幀的凈荷為12byte，序號(hào)為5，則發(fā)送端接著發(fā)送的下一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，序號(hào)的值應(yīng)該設(shè)置為5+12=17。

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，TCP協(xié)議通過(guò)序號(hào)（Sequence Number）對(duì)上層提供有序的數(shù)據(jù)流。發(fā)送端可以用序號(hào)來(lái)跟蹤發(fā)送的數(shù)據(jù)量；接收端可以用序號(hào)識(shí)別出重復(fù)接收到的TCP包，從而丟棄重復(fù)包；對(duì)于亂序的數(shù)據(jù)包，接收端也可以依靠序號(hào)對(duì)其進(jìn)行排序。

（四）確認(rèn)序號(hào)（Acknowledgment Number）

確認(rèn)序號(hào)（Acknowledgment? Number）標(biāo)識(shí)了報(bào)文接收端期望接收的字節(jié)序列。如果設(shè)置了ACK控制位，確認(rèn)序號(hào)的值表示一個(gè)準(zhǔn)備接收的包的序列碼，注意，它所指向的是準(zhǔn)備接收的包，也就是下一個(gè)期望接收的包的序列碼。

舉個(gè)例子，假設(shè)發(fā)送端（如Client）發(fā)送3個(gè)凈荷為1000byte、起始SN序號(hào)為1的數(shù)據(jù)包給Server服務(wù)端，Server每收到一個(gè)包之后，需要回復(fù)一個(gè)ACK響應(yīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)包給Client。ACK響應(yīng)數(shù)據(jù)包的ACK Number值，為每個(gè)Client包的為SN+包凈荷，既表示Server已經(jīng)確認(rèn)收到的字節(jié)數(shù)，還表示期望接收到的下一個(gè)Client發(fā)送包的SN序號(hào)，具體的ACK值如下圖左邊的正常傳輸部分所示。

在上圖的左邊部分，Server第1個(gè)ACK包的ACK Number值為1001，是通過(guò)Client第1個(gè)包的SN+包凈荷=1+1000計(jì)算得到，表示期望第2個(gè)Client包的SN序號(hào)為1001；Server第2個(gè)ACK包的ACK Number值為2001，為Client第2個(gè)包的SN+包凈荷=2001，表示期望第3個(gè)Server包的SN為2001，以此類(lèi)推。

如果發(fā)生錯(cuò)誤，假設(shè)Server在處理Client的第二個(gè)發(fā)送包異常，Server仍然回復(fù)一個(gè)ACK Number值為1001的確認(rèn)包，則Client的第二個(gè)數(shù)據(jù)包需要重復(fù)發(fā)送，具體的ACK值如上圖右邊的正常傳輸部分所示。

只有控制標(biāo)志的ACK標(biāo)志為1時(shí)，數(shù)據(jù)幀中的確認(rèn)序號(hào)ACK Number才有效。TCP協(xié)議規(guī)定，連接建立后，所有發(fā)送的報(bào)文的ACK必須為1，也就是建立連接后，所有報(bào)文的確認(rèn)序號(hào)有效。如果是SYN類(lèi)型的報(bào)文，其ACK標(biāo)志為0，故沒(méi)有確認(rèn)序號(hào)。

（五）頭部長(zhǎng)度

該字段占用4位，用來(lái)表示TCP報(bào)文首部的長(zhǎng)度，單位是4bit位。其值所表示的并不是字節(jié)數(shù)，而是頭部的所含有的32bit的數(shù)目（或者倍數(shù)），或者4個(gè)字節(jié)的倍數(shù)，所以TCP頭部最多可以有60字節(jié)（4*15=60）。沒(méi)有任何選項(xiàng)字段的TCP頭部長(zhǎng)度為20字節(jié)，所以其頭部長(zhǎng)度為5，可以通過(guò)20/4=5計(jì)算得到。

（六）預(yù)留6位

頭部長(zhǎng)度后面預(yù)留的字段長(zhǎng)度為6位，作為保留字段，暫時(shí)沒(méi)有什么用處。

（七）控制標(biāo)志

控制標(biāo)志（Control Bits）共6個(gè)bit位，具體的標(biāo)志位為：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。6個(gè)標(biāo)志位的說(shuō)明，如下表所示。

表：TCP報(bào)文控制標(biāo)志（Control Bits）說(shuō)明

在連接建立的三次握手過(guò)程中，若只是單個(gè)SYN置位，表示的只是建立連接請(qǐng)求。如果SYN和ACK同時(shí)置位為1，表示的建立連接之后的響應(yīng)。

（八）窗口大小

長(zhǎng)度為16位，共2個(gè)字節(jié)。此字段用來(lái)進(jìn)行流量控制。流量控制的單位為字節(jié)數(shù)，這個(gè)值是本端期望一次接收的字節(jié)數(shù)。

（九）校驗(yàn)和計(jì)算

長(zhǎng)度為16位，共2個(gè)字節(jié)。對(duì)整個(gè)TCP報(bào)文段，即TCP頭部和TCP數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，接收端用于對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行驗(yàn)證。

（十）緊急指針

長(zhǎng)度為16米，2個(gè)字節(jié)。它是一個(gè)偏移量，和SN序號(hào)值相加表示緊急數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。

以上十項(xiàng)內(nèi)容是TCP報(bào)文首部必須的字段，也稱(chēng)固有字段，長(zhǎng)度為20個(gè)字節(jié)。接下來(lái)是TCP報(bào)文的可選項(xiàng)和填充部分。

（十一）可選項(xiàng)和填充部分

可選項(xiàng)和填充部分的長(zhǎng)度為4n字節(jié)（n是整數(shù)），該部分是根據(jù)需要而增加的選項(xiàng)。如果不足4n字節(jié)，要加填充位，使得選項(xiàng)長(zhǎng)度為32位（4字節(jié)）的整數(shù)倍，具體的做法是在這個(gè)字段中加入額外的零，以確保TCP頭是32位（4字節(jié)）的整數(shù)倍。

最常見(jiàn)的選項(xiàng)字段是MSS（Maximum Segment Size最長(zhǎng)報(bào)文大小），每個(gè)連接方通常都在通信的第一個(gè)報(bào)文段（SYN標(biāo)志為1的那個(gè)段）中指明這個(gè)選項(xiàng)字段，表示當(dāng)前連接方所能接受的最大報(bào)文段的長(zhǎng)度。

由于可選項(xiàng)和填充部分不是必須的，所以TCP報(bào)文首部最小長(zhǎng)度為20個(gè)字節(jié)。

至此，TCP報(bào)文首部的字段，就全部介紹完了。TCP報(bào)文首部的后面，接著的是數(shù)據(jù)部分，不過(guò)數(shù)據(jù)部分是可選的。在一個(gè)連接建立和一個(gè)連接終止時(shí)，雙方交換的報(bào)文段僅有TCP首部。如果一方?jīng)]有數(shù)據(jù)要發(fā)送，也使用沒(méi)有任何數(shù)據(jù)的首部來(lái)確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)，比如在處理超時(shí)的過(guò)程中，也會(huì)發(fā)送不帶任何數(shù)據(jù)的報(bào)文段。

總體來(lái)說(shuō)，TCP協(xié)議的可靠性，主要通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)保障：

（1）應(yīng)用數(shù)據(jù)分割成TCP認(rèn)為最適合發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。這部分是通過(guò)MSS（最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度）選項(xiàng)來(lái)控制的，通常這種機(jī)制也被稱(chēng)為一種協(xié)商機(jī)制，MSS規(guī)定了TCP傳往另一端的最大數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。值得注意的是，MSS只能出現(xiàn)在SYN報(bào)文段中，若一方不接收來(lái)自另一方的MSS值，則MSS就定為536字節(jié)。一般來(lái)講，MSS值還是越大越好，這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。

（2）重傳機(jī)制。設(shè)置定時(shí)器，等待確認(rèn)包，如果定時(shí)器超時(shí)還沒(méi)有收到確認(rèn)包，則報(bào)文重傳。

（3）對(duì)首部和數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

（4）接收端對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，然后交給應(yīng)用層。

（5）接收端丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)。

（6）TCP還提供流量控制，主要是通過(guò)滑動(dòng)窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。

至此，TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式介紹完了。接下來(lái)開(kāi)始為大家重點(diǎn)介紹：TCP傳輸層的三次握手建立連接，四次揮手釋放連接。

???♂? TCP的三次握手

TCP連接的建立時(shí)，雙方需要經(jīng)過(guò)三次握手，而斷開(kāi)連接時(shí)，雙方需要經(jīng)過(guò)四次分手，那么，其三次握手和四次分手分別做了什么呢？又是如何進(jìn)行的呢？

通常情況下，建立連接的雙方，由一端打開(kāi)一個(gè)監(jiān)聽(tīng)套接字（ServerSocket）來(lái)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自請(qǐng)求方的TCP（Socket）連接，當(dāng)服務(wù)器端監(jiān)聽(tīng)開(kāi)始時(shí)，必須做好準(zhǔn)備接受外來(lái)的連接，在Java中該操作通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket服務(wù)監(jiān)聽(tīng)套接字實(shí)例來(lái)完成，此操作會(huì)調(diào)用底層操作系統(tǒng)（如Linux）的C代碼中三個(gè)函數(shù)socket()、bind()、listen()來(lái)完成。開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)之后，服務(wù)器端就做好接受外來(lái)連接的準(zhǔn)備，如果監(jiān)聽(tīng)到建立新連接的請(qǐng)求，會(huì)開(kāi)啟一個(gè)傳輸套接字，稱(chēng)之為被動(dòng)打開(kāi)（Passive? Open）。

一段簡(jiǎn)單的服務(wù)端監(jiān)聽(tīng)新連接請(qǐng)求，并且被動(dòng)打開(kāi)（Passive Open）傳輸套接字的Java示例代碼，具體如下：

public class SocketServer {

public static void main(String[] args) {

try {

// 創(chuàng)建服務(wù)端socket

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);

//循環(huán)監(jiān)聽(tīng)等待客戶(hù)端的連接

while(true){

//監(jiān)聽(tīng)到客戶(hù)端連接，傳輸套接字被動(dòng)開(kāi)啟

Socket socket = serverSocket.accept();

//開(kāi)啟線程進(jìn)行連接的IO處理

ServerThread thread = new ServerThread(socket);

thread.start();

......

}

} catch (Exception e) {

// 處理異常

e.printStackTrace();

}

}

}

客戶(hù)端在發(fā)起連接建立時(shí)，Java代碼通過(guò)創(chuàng)建Socket實(shí)例，調(diào)用底層的connect(…)方法，主動(dòng)打開(kāi)(Active Open)Socket連接。套接字監(jiān)聽(tīng)方在收到請(qǐng)求之后，監(jiān)聽(tīng)方和發(fā)起方（客戶(hù)端）之間就會(huì)建立一條的連接通道，該通道由雙方IP和雙方端口所唯一確定。

一段簡(jiǎn)單的客戶(hù)端連接主動(dòng)打開(kāi)(Active Open)的Java示例代碼，具體如下：

public class SocketClient {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

try {

// 和服務(wù)器創(chuàng)建連接

Socket socket = new Socket("localhost",8080);

// 寫(xiě)入給監(jiān)聽(tīng)方的輸出流

OutputStream os = socket.getOutputStream();

…..

// 讀取監(jiān)聽(tīng)方的輸入流

InputStream is = socket.getInputStream();

…..

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

三次握手過(guò)程

TCP連接的建立時(shí)，雙方需要經(jīng)過(guò)三次握手，具體過(guò)程如下：

（1）第一次握手：Client進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)，發(fā)送一個(gè)SYN幀來(lái)主動(dòng)打開(kāi)傳輸通道，該幀的SYN標(biāo)志位被設(shè)置為1，同時(shí)會(huì)帶上Client分配好的SN序列號(hào)，該SN是根據(jù)時(shí)間產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)值，通常情況下每間隔4ms會(huì)加1。除此之外，SYN幀還會(huì)帶一個(gè)MSS（最大報(bào)文段長(zhǎng)度）可選項(xiàng)的值，表示客戶(hù)端發(fā)送出去的最大數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。

（2）第二次握手：Server端在收到SYN幀之后，會(huì)進(jìn)入SYN_RCVD狀態(tài)，同時(shí)返回SYN+ACK幀給Client，主要目的在于通知Client，Server端已經(jīng)收到SYN消息，現(xiàn)在需要進(jìn)行確認(rèn)。Server端發(fā)出的SYN+ACK幀的ACK標(biāo)志位被設(shè)置為1，其確認(rèn)序號(hào)AN（Acknowledgment Number）值被設(shè)置為Client的SN+1；SYN+ACK幀的SYN標(biāo)志位被設(shè)置為1，SN值為Server端生成的SN序號(hào)；SYN+ACK幀的MSS（最大報(bào)文段長(zhǎng)度）表示的是Server端的最大數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度。

（3）第三次握手：Client在收到Server的第二次握手SYN+ACK確認(rèn)幀之后，首先將自己的狀態(tài)會(huì)從SYN_SENT變成ESTABLISHED，表示自己方向的連接通道已經(jīng)建立成功，Client可以發(fā)送數(shù)據(jù)給Server端了。然后，Client發(fā)ACK幀給Server端，該ACK幀的ACK標(biāo)志位被設(shè)置為1，其確認(rèn)序號(hào)AN（Acknowledgment? Number）值被設(shè)置為Server端的SN序列號(hào)+1。還有一種情況，Client可能會(huì)將ACK幀和第一幀要發(fā)送的數(shù)據(jù)，合并到一起發(fā)送給Server端。

（4）Server端在收到Client的ACK幀之后，會(huì)從SYN_RCVD狀態(tài)會(huì)進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，至此，Server方向的通道連接建立成功，Server可以發(fā)送數(shù)據(jù)給Client，TCP的全雙工連接建立完成。

三次握手的圖解

三次握手的交互過(guò)程，具體如下圖所示：

Client和Server完成了三次握手后，雙方就進(jìn)入了數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾A段。數(shù)據(jù)傳輸完成后，連接將斷開(kāi)，連接斷開(kāi)的過(guò)程需要經(jīng)歷四次揮手。

???♂? TCP的四次揮手

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信完成之后，TCP連接開(kāi)始斷開(kāi)（或者拆接）的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中連接的每個(gè)端的都能獨(dú)立地、主動(dòng)的發(fā)起，斷開(kāi)的過(guò)程TCP協(xié)議使用了四路揮手操作。

四次揮手具體過(guò)程

四次揮手具體過(guò)程，具體如下：

（1）第一次揮手：主動(dòng)斷開(kāi)方（可以是客戶(hù)端，也可以是服務(wù)器端），向?qū)Ψ桨l(fā)送一個(gè)FIN結(jié)束請(qǐng)求報(bào)文，此報(bào)文的FIN位被設(shè)置為1，并且正確設(shè)置Sequence Number（序列號(hào)）和Acknowledgment Number（確認(rèn)號(hào)）。發(fā)送完成后，主動(dòng)斷開(kāi)方進(jìn)入FIN_WAIT_1狀態(tài)，這表示主動(dòng)斷開(kāi)方?jīng)]有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)要發(fā)送給對(duì)方，準(zhǔn)備關(guān)閉SOCKET連接了。

（2）第二次揮手：正常情況下，在收到了主動(dòng)斷開(kāi)方發(fā)送的FIN斷開(kāi)請(qǐng)求報(bào)文后，被動(dòng)斷開(kāi)方會(huì)發(fā)送一個(gè)ACK響應(yīng)報(bào)文，報(bào)文的Acknowledgment Number（確認(rèn)號(hào)）值為斷開(kāi)請(qǐng)求報(bào)文的Sequence Number（序列號(hào)）加1，該ACK確認(rèn)報(bào)文的含義是：“我同意你的連接斷開(kāi)請(qǐng)求”。之后，被動(dòng)斷開(kāi)方就進(jìn)入了CLOSE-WAIT（關(guān)閉等待）狀態(tài)，TCP協(xié)議服務(wù)會(huì)通知高層的應(yīng)用進(jìn)程，對(duì)方向本地方向的連接已經(jīng)關(guān)閉，對(duì)方已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，若本地還要發(fā)送數(shù)據(jù)給對(duì)方，對(duì)方依然會(huì)接受。被動(dòng)斷開(kāi)方的CLOSE-WAIT（關(guān)閉等待）還要持續(xù)一段時(shí)間，也就是整個(gè)CLOSE-WAIT狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間。

主動(dòng)斷開(kāi)方在收到了ACK報(bào)文后，由FIN_WAIT_1轉(zhuǎn)換成FIN_WAIT_2狀態(tài)。

（3）第三次揮手：在發(fā)送完成ACK報(bào)文后，被動(dòng)斷開(kāi)方還可以繼續(xù)完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送，待剩余數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，或者CLOSE-WAIT（關(guān)閉等待）截止后，被動(dòng)斷開(kāi)方會(huì)向主動(dòng)斷開(kāi)方發(fā)送一個(gè)FIN+ACK結(jié)束響應(yīng)報(bào)文，表示被動(dòng)斷開(kāi)方的數(shù)據(jù)都發(fā)送完了，然后，被動(dòng)斷開(kāi)方進(jìn)入LAST_ACK狀態(tài)。

（4）第四次揮手：主動(dòng)斷開(kāi)方收在到FIN+ACK斷開(kāi)響應(yīng)報(bào)文后，還需要進(jìn)行最后的確認(rèn)，向被動(dòng)斷開(kāi)方發(fā)送一個(gè)ACK確認(rèn)報(bào)文，然后，自己就進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)，等待超時(shí)后最終關(guān)閉連接。處于TIME_WAIT狀態(tài)的主動(dòng)斷開(kāi)方，在等待完成2MSL的時(shí)間后，如果期間沒(méi)有收到其他報(bào)文，則證明對(duì)方已正常關(guān)閉，主動(dòng)斷開(kāi)方的連接最終關(guān)閉。

被動(dòng)斷開(kāi)方在收到主動(dòng)斷開(kāi)方的最后的ACK報(bào)文以后，最終關(guān)閉了連接，自己啥也不管了。

四次揮手圖解

四次揮手的全部交互過(guò)程，具體如下圖所示：

處于TIME_WAIT狀態(tài)的主動(dòng)斷開(kāi)方，在等待完成2MSL的時(shí)間后，才真正關(guān)閉連接通道，其等待的時(shí)間為什么是2MSL呢？

2MSL翻譯過(guò)來(lái)就是兩倍的MSL。MSL全稱(chēng)為Maximum Segment Lifetime，指的是一個(gè)TCP報(bào)文片段在網(wǎng)絡(luò)中最大的存活時(shí)間，具體來(lái)說(shuō)，2MSL對(duì)應(yīng)于一次消息的來(lái)回（一個(gè)發(fā)送和一個(gè)回復(fù)）所需的最大時(shí)間。如果直到2MSL，主動(dòng)斷開(kāi)方都沒(méi)有再一次收到對(duì)方的報(bào)文（如FIN報(bào)文），則可以推斷ACK已經(jīng)被對(duì)方成功接收，此時(shí)，主動(dòng)斷開(kāi)方將最終結(jié)束自己的TCP連接。所以，TCP的TIME_WAIT狀態(tài)也稱(chēng)為2MSL等待狀態(tài)。

有關(guān)MSL的具體的時(shí)間長(zhǎng)度，在RFC1122協(xié)議中推薦為2分鐘。在SICS（瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院）開(kāi)發(fā)的一個(gè)小型開(kāi)源的TCP/IP協(xié)議?！狶wIP開(kāi)源協(xié)議棧中MSL默認(rèn)為1分鐘。在源自Berkeley的TCP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)中MSL默認(rèn)長(zhǎng)度為30秒?？傮w來(lái)說(shuō)，TIME_WAIT（2MSL）等待狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度，一般維持在1-4分鐘之間。

通過(guò)三次握手建立連接和四次揮手拆除連接，一次TCP的連接建立及拆除，至少進(jìn)行7次通信，可見(jiàn)其成本是很高的。

???♂? 三次握手、四次揮手的常見(jiàn)面試題

有關(guān)TCP的連接建立的三次握手及拆除過(guò)程的四次揮手的面試問(wèn)題，是技術(shù)面試過(guò)程中的出現(xiàn)頻率很高的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，常見(jiàn)問(wèn)題大致如下：

問(wèn)題（1）：為什么關(guān)閉連接的需要四次揮手，而建立連接卻只要三次握手呢？

關(guān)閉連接時(shí)，被動(dòng)斷開(kāi)方在收到對(duì)方的FIN結(jié)束請(qǐng)求報(bào)文時(shí)，很可能業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)送完成，并不能立即關(guān)閉連接，被動(dòng)方只能先回復(fù)一個(gè)ACK響應(yīng)報(bào)文，告訴主動(dòng)斷開(kāi)方：“你發(fā)的FIN報(bào)文我收到了，只有等到我所有的業(yè)務(wù)報(bào)文都發(fā)送完了，我才能真正的結(jié)束，在結(jié)束之前，我會(huì)發(fā)你FIN+ACK報(bào)文的，你先等著”。所以，被動(dòng)斷開(kāi)方的確認(rèn)報(bào)文，需要拆開(kāi)成為兩步，故總體就需要四步揮手。

而在建立連接場(chǎng)景中，Server端的應(yīng)答可以稍微簡(jiǎn)單一些。當(dāng)Server端收到Client端的SYN連接請(qǐng)求報(bào)文后，其中ACK報(bào)文表示對(duì)請(qǐng)求報(bào)文的應(yīng)答，SYN報(bào)文用來(lái)表示服務(wù)端的連接也已經(jīng)同步開(kāi)啟了，而ACK報(bào)文和SYN報(bào)文之間，不會(huì)有其他報(bào)文需要發(fā)送，故而可以合二為一，可以直接發(fā)送一個(gè)SYN+ACK報(bào)文。所以，在建立連接時(shí)，只需要三次握手即可。

問(wèn)題（2）：為什么連接建立的時(shí)候是三次握手，可以改成兩次握手嗎？

三次握手完成兩個(gè)重要的功能：一是雙方都做好發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作，而且雙方都知道對(duì)方已準(zhǔn)備好；二是雙方完成初始SN序列號(hào)的協(xié)商，雙方的SN序列號(hào)在握手過(guò)程中被發(fā)送和確認(rèn)。

如果把三次握手改成兩次握手，可能發(fā)生死鎖。兩次握手的話，缺失了Client的二次確認(rèn)ACK幀，假想的TCP建立的連接時(shí)二次揮手，可以如下圖所示：

在假想的TCP建立的連接時(shí)二次握手過(guò)程中，Client發(fā)送Server發(fā)送一個(gè)SYN請(qǐng)求幀，Server收到后發(fā)送了確認(rèn)應(yīng)答SYN+ACK幀。按照兩次握手的協(xié)定，Server認(rèn)為連接已經(jīng)成功地建立了，可以開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這個(gè)過(guò)程中，如果確認(rèn)應(yīng)答SYN+ACK幀在傳輸中被丟失，Client沒(méi)有收到，Client將不知道Server是否已準(zhǔn)備好，也不知道Server的SN序列號(hào)，Client認(rèn)為連接還未建立成功，將忽略Server發(fā)來(lái)的任何數(shù)據(jù)分組，會(huì)一直等待Server的SYN+ACK確認(rèn)應(yīng)答幀。而Server在發(fā)出的數(shù)據(jù)幀后，一直沒(méi)有收到對(duì)應(yīng)的ACK確認(rèn)后就會(huì)產(chǎn)生超時(shí)，重復(fù)發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)幀。這樣就形成了死鎖。

問(wèn)題（3）：為什么主動(dòng)斷開(kāi)方在TIME-WAIT狀態(tài)必須等待2MSL的時(shí)間？

原因之一：主動(dòng)斷開(kāi)方等待2MSL的時(shí)間，是為了確保兩端都能最終關(guān)閉。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，被動(dòng)斷開(kāi)方發(fā)送FIN+ACK報(bào)文后，其主動(dòng)方的ACK響應(yīng)報(bào)文有可能丟失，這時(shí)候的被動(dòng)斷開(kāi)方處于LAST-ACK狀態(tài)的，由于收不到ACK確認(rèn)被動(dòng)方一直不能正常的進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。在這種場(chǎng)景下，被動(dòng)斷開(kāi)方會(huì)超時(shí)重傳FIN+ACK斷開(kāi)響應(yīng)報(bào)文，如果主動(dòng)斷開(kāi)方在2MSL時(shí)間內(nèi)，收到這個(gè)重傳的FIN+ACK報(bào)文，會(huì)重傳一次ACK報(bào)文，后再一次重新啟動(dòng)2MSL計(jì)時(shí)等待，這樣，就能確保被動(dòng)斷開(kāi)方能收到ACK報(bào)文，從而能確保被動(dòng)方順利進(jìn)入到CLOSED狀態(tài)。只有這樣，雙方都能夠確保關(guān)閉。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果主動(dòng)斷開(kāi)方在發(fā)送完ACK響應(yīng)報(bào)文后，不是進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)去等待2MSL時(shí)間，而是立即釋放連接，則將無(wú)法收到被動(dòng)方重傳的FIN+ACK報(bào)文，所以不會(huì)再發(fā)送一次ACK確認(rèn)報(bào)文，此時(shí)處于LAST-ACK狀態(tài)的被動(dòng)斷開(kāi)方，無(wú)法正常進(jìn)入到CLOSED狀態(tài)。

原因之二：防止“舊連接的已失效的數(shù)據(jù)報(bào)文”出現(xiàn)在新連接中。主動(dòng)斷開(kāi)方在發(fā)送完最后一個(gè)ACK報(bào)文后，再經(jīng)過(guò)2MSL，才能最終關(guān)閉和釋放端口，這就意味著，相同端口的新TCP新連接，需要在2MSL的時(shí)間之后，才能夠正常的建立。2MSL這段時(shí)間內(nèi)，舊連接所產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)報(bào)文，都已經(jīng)從網(wǎng)絡(luò)中消失了，從而，確保了下一個(gè)新的連接中不會(huì)出現(xiàn)這種舊連接請(qǐng)求報(bào)文。

問(wèn)題（4）：如果已經(jīng)建立了連接，但是Client端突然出現(xiàn)故障了怎么辦？

TCP還設(shè)有一個(gè)?；钣?jì)時(shí)器，Client端如果出現(xiàn)故障，Server端不能一直等下去，這樣會(huì)浪費(fèi)系統(tǒng)資源。每收到一次Client客戶(hù)端的數(shù)據(jù)幀后，Server端都的保活計(jì)時(shí)器會(huì)復(fù)位。計(jì)時(shí)器的超時(shí)時(shí)間通常是設(shè)置為2小時(shí)，若2小時(shí)還沒(méi)有收到Client端的任何數(shù)據(jù)幀，Server端就會(huì)發(fā)送一個(gè)探測(cè)報(bào)文段，以后每隔75秒鐘發(fā)送一次。若一連發(fā)送10個(gè)探測(cè)報(bào)文仍然沒(méi)反應(yīng)，Server端就認(rèn)為Client端出了故障，接著就關(guān)閉連接。如果覺(jué)得?；钣?jì)時(shí)器的兩個(gè)多小時(shí)的間隔太長(zhǎng)，可以自行調(diào)整TCP連接的保活參數(shù)。

?? 參考資料

TCP的三次握手與四次揮手

圖解TCP/IP |?TCP/IP協(xié)議詳解

清晰認(rèn)識(shí)TCP/IP 協(xié)議，圖解秒懂?| 圖解TCP/IP詳解(史上最全)?

TCP/IP協(xié)議-網(wǎng)絡(luò)七層協(xié)議?|?七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議詳細(xì)解釋?

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