定义和分类

??计算机网络的标准定义是：利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件及协议实现资源共享和信息传递的系统。
??计算机网络从覆盖范围上划分可以分为三类：局域网、城域网、广域网。局域网 LAN（作用范围一般为几米到几十公里）、城域网 MAN（界于 WAN 与 LAN 之间）、广域网 WAN（作用范围一般为几十到几千公里）。当然计算机网络划分不止这一种分类方式，可以按拓扑结构分类（总线型、环型、星型、网状）、还可以按按信息的交换方式（电路交换、报文交换、报文分组交换）来分等等方式。

计算机网络体系结构

OSI七层模型

七层模型

TCP/IP模型

??OSI模型比较复杂且学术化，所以我们实际使用的TCP/IP模型，分5层，物理层、数据链路层（也有TCP/IP模型将物理层、数据链路层合称为网络接口层，与之对应的，协议就被称为TCP/IP四层协议模型）、网络层、传输层、应用层。两个模型之间的对应关系如图所示：
TCP/IP与OSI的对应关系
??对于我们的PC机来说，物理层可以看成网卡，数据链路层可以看成网卡驱动程序，网络层和传输层由操作系统负责处理，应用层则是常用的一些网络应用程序和我们自己所编写的网络应用程序。

TCP/IP协议族

??Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。协议采用了5层的层级结构。然而在很多情况下，它是利用 IP 进行通信时所必须用到的协议群的统称。也就是说，它其实是个协议家族，由很多个协议组成，并且是在不同的层，是互联网的基础通信架构。 TCP/IP协议族
网际协议IP是TCP/IP中非常重要的协议，往往用来确定网络中唯一的一台计算设备，它的作用就好比我们现实生活中的电话号码或者或者通讯地址。所以这层负责对数据加上IP地址（有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址））和其他的数据以确定传输的目标。
而TCP和UDP都是传输层的协议，传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。
TCP提供了一种可靠的数据传输服务，TCP是面向连接的，也就是说，利用TCP通信的两台主机首先要经历一个建立连接的过程，等到连接建立后才开始传输数据，而且传输过程中采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，发送完成后还会关闭连接。
UDP（User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议）有点类似于我们日常生活中通过不靠谱的物流系统寄东西。UDP是把数据直接发出去，而不管对方是不是在接收，也不管对方是否能接收的了，也不需要接收方确认，属于不可靠的传输，可能会出现丢包现象，实际应用中要求程序员编程验证。
注意：
我们一些常见的网络应用基本上都是基于TCP和UDP的，这两个协议又会使用网络层的IP协议。但是我们完全可以绕过传输层的TCP和UDP，直接使用IP，比如Linux内核中的LVS就可以直接基于IP层进行负载平衡调度；甚至还可以直接访问链路层，比如tcpdump程序就是直接和链路层进行通信的。

地址和端口号

MAC地址

MAC地址全称叫做媒体访问控制地址，也称为局域网地址（LAN Address），MAC位址，以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），由网络设备制造商生产时写在硬件内部。MAC地址与网络无关，也即无论将带有这个地址的硬件（如网卡、集线器、路由器等）接入到网络的何处，都有相同的MAC地址，它由厂商写在网卡的BIOS里，从理论上讲，除非盗来硬件（网卡），否则是没有办法冒名顶替的。MAC地址共48位（6个字节）。前24位由IEEE（电气和电子工程师协会）决定如何分配，后24位由实际生产该网络设备的厂商自行制定。

IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）的全称叫作互联网协议地址，它的本义是为互联网上的每一个网络和每一台主机配置一个唯一的逻辑地址，用来与物理地址作区分。所以IP 地址用来识别 TCP/IP 网络中互连的主机和路由器。IP地址基于逻辑，比较灵活，不受硬件限制，也容易记忆。
IP地址分为：IPv4和IPv6。
Tips：IP地址和MAC地址之间的区别
1、对于网络中的一些设备，路由器或者是PC及而言，IP地址的设计是出于拓扑设计出来的，只要在不重复IP地址的情况下，它是可以随意更改的；而MAC地址是根据生产厂商烧录好的，它一般不能改动的，一般来说，当一台PC机的网卡坏了之后，更换了网卡之后MAC地址就会变了。
2、它们最明显的区别就是长度不同，IPV4地址的长度为32位，而MAC地址为48位。
3、它们的寻址协议层不同。IP地址应用于OSI模型的网络层，而MAC地址应用在OSI模型的数据链路层。数据链路层协议可以使数据从一个节点传递到相同链路的另一个节点上（通过MAC地址），而网络层协议使数据可以从一个网络传递到另一个网络上（ARP根据目的IP地址，找到中间节点的MAC地址，通过中间节点传送，从而最终到达目的网络）。
4、分配依据不同。IP地址的分配是基于我们自身定义的网络拓扑，MAC地址的分配是基于制造商。

端口号

端口号用来识别同一台计算机中进行通信的不同应用程序，位于传输层。因此，它也被称为程序地址。
为什么端口号有65535个？
因为在TCP、UDP协议报文的开头，会分别有16位二进制来存储源端口号和目标端口号，所以端口个数是 2^16=65536个，但是0号端口用来表示所有端口，所以实际可用的端口号是65535个。
端口号的确定
? 标准既定的端口号：这种方法也叫静态方法。它是指每个应用程序都有其指定的端口号。但并不是说可以随意使用任何一个端口号。例如 HTTP、FTP、TELNET 等广为使用的应用协议中所使用的端口号就是固定的。这些端口号被称为知名端口号，分布在 0~1023 之间，我们在编写自己的网络应用服务时，尽量不要使用这些端口号。
? 时序分配法：服务器有必要确定监听端口号，以让客户端程序访问服务器上的服务。但是客户端没必要确定端口号。在这种方法下，客户端应用程序完全可以不用自己设置端口号，而全权交给操作系统进行分配，客户端使用的临时端口号，操作系统分配的一般都是大于10000的。
查询端口号
Windows下使用netstat -ano 查看所有端口号，netstat -ano|findstr“<端口号> ”查看指定端口号。
Linux下可以用root 用户执行 lsof -i:端口号查看指定端口占用。
一台主机上只能保持最多 65535 个 TCP 连接，对吗？
这个说法不对，服务器和客户端分开讨论，假设两者都是只有一个网卡，一个IP地址
首先，网络通信五元组是由源IP地址、目标IP地址、协议号（协议类型）、源端口号以及目标端口号构成。对于TCP连接来说，协议号已经确定，故网络通信五元组变成TCP连接四元组。很明显当四元组中任意一个元素发生了改变，那么就代表的是一条完全不同的新连接。
服务端
拿MySQL来举例，假设它的IP为X，端口号为3306。用户A的IP地址是A1，端口是PA。用户B的IP地址是B1，端口是PB。此时A和B同时连接MySQL，就会有两个TCP连接四元组(A1,PA,X,3306)，(B1,PB,X,3306)
目的IP和目的端口是不可变的，只剩源IP地址，源端口号可变。IPV4是一个32位的整数，端口号是一个16位的整数，故理论上每个服务端可以接收的连接上限就是两百多万亿，目前工程实践中可以达到的连接数在千万级别。
客户端
从TCP连接四元组来考虑：源IP地址、源端口、目的IP地址和目的端口，目的IP地址和目的端口指的是服务器的IP和端口，源IP地址、源端口自然就是客户端的。
只要服务器的 IP 或者端口不一样，即使客户端的 IP 和端口是一样的。这个四元组也是属于一条完全不同的新连接。比如：
连接1：客户端IP 10000 服务器IP 10000
连接2：客户端IP 10000 服务器IP 20000
客户端同一个端口可以连接不同的服务器：客户端只要启动时不显示绑定到某个端口上，内核是可以使用一个端口连不同的服务端，内核会自己进行选择并恰当地复用的，而且完全不会产生数据混乱，因为“源IP地址、目标IP地址、源端口号以及目标端口号就能唯一性确定一个TCP连接”。
那么对客户端来说，四元组里有3个可变，自然客户端能同时支持的连接数比服务器还要大得多

TCP

TCP特性

TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，然后才能开始数据的读写，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。
TCP提供的是一种可靠的数据流服务，数据有可能被拆分后发送，那么采用超时重传机制是和应答确认机制是组成TCP可靠传输的关键设计。
IP层进行数据传输时，是不能保证数据包按照发送的顺序达到目的机器。当IP将把它们向‘上’传送到TCP层后，TCP将包排序并进行错误检查。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。
TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方的发送速度。
同时TCP还允许在一个TCP连接上，通信的双方可以同时传输数据，也就是所谓的全双工。

面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。

TCP/IP网络传输中的数据

网络中传输的数据包由两部分组成：一部分是协议所要用到的首部，另一部分是上一层传过来的数据。首部的结构由协议的具体规范详细定义。在数据包的首部，明确标明了协议应该如何读取数据。反过来说，看到首部，也就能够了解该协议必要的信息以及所要处理的数据。
在这里插入图片描述
如上图所示：
① 用户A应用程序处理
首先应用程序会进行编码处理产生报文/消息（message）交给下面的TCP层。
② 用户A TCP 模块的处理
TCP 根据应用的指示，负责建立连接、发送数据以及断开连接。TCP 提供将应用层发来的数据顺利发送至对端的可靠传输。为了实现这一功能，需要将应用层数据封装为报文段（segment）并附加一个 TCP 首部然后交给下面的IP层。
③ 用户A IP 模块的处理
IP 将 TCP 传过来的 TCP 首部和 TCP 数据合起来当做自己的数据，并在 TCP 首部的前端加上自己的 IP 首部生成IP数据报（datagram）然后交给下面的数据链路层。
④ 用户A数据链路层的处理
从 IP 传过来的 IP 包对于数据链路层来说就是数据。给这些数据附加上链路层首部封装为链路层帧（frame），生成的链路层帧（frame）将通过物理层传输给接收端。
⑤ 用户B数据链路层的处理
用户B主机收到链路层帧（frame）后，首先从链路层帧（frame）首部找到 MAC 地址判断是否为发送给自己的包，若不是则丢弃数据。
如果是发送给自己的包，则从以太网包首部中的类型确定数据类型，再传给相应的模块，如 IP、ARP 等。这里的例子则是 IP 。
⑥ 用户B IP 模块的处理
IP 模块接收到数据后也做类似的处理。从包首部中判断此 IP 地址是否与自己的 IP 地址匹配，如果匹配则根据首部的协议类型将数据发送给对应的模块，如 TCP、UDP。这里的例子则是 TCP。
⑦ 用户B TCP 模块的处理
在 TCP 模块中，首先会计算一下校验和，判断数据是否被破坏。然后检查是否在按照序号接收数据。最后检查端口号，确定具体的应用程序。数据被完整地接收以后，会传给由端口号识别的应用程序。
⑧ 用户B 应用程序的处理
接收端应用程序会直接接收发送端发送的数据。通过解析数据，展示相应的内容。

TCP三次握手

TCP 提供面向有连接的通信传输。面向有连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。
所谓三次握手是指建立一个 TCP 连接时需要客户端和服务器端总共发送三个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，所以网络通信中，发起连接的一方称为客户端，接收连接的一方称之为服务端。
三次握手

第一次握手：客户端将请求报文标志位SYN置为1，请求报文的Sequence Number字段（简称seq）中填入一个随机值J，并将该数据包发送给服务器端，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。
第二次握手：服务器端收到数据包后由请求报文标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将应答报文标志位SYN和ACK都置为1，应答报文的Acknowledgment Number字段（简称ack）中填入ack=J+1，应答报文的seq中填入一个随机值K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。
第三次握手：客户端收到应答报文后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将第三个报文标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

为什么TCP握手需要三次?

三次握手是保证数据可靠传输又能提高传输效率的最小次数。
为了实现可靠数据传输， TCP协议的通信双方，都必须维护一个序列号，以标识发送出去的数据包中，哪些是已经被对方收到的。
举例说明：发送方在发送数据包（假设大小为 10 byte）时，同时送上一个序号( 假设为 1000)，那么接收方收到这个数据包以后，就可以回复一个确认号（1010= 1000+ 10）告诉发送方 “我已经收到了你的数据包，你可以发送下一个数据包，序号从 1011开始” 。
三次握手的过程即是通信双方相互告知序列号起始值，并确认对方已经收到了序列号起始值的必经步骤。
如果只是两次握手，至多只有连接发起方的起始序列号能被确认，另一方选择的序列号则得不到确认。
至于为什么不是四次，很明显，三次握手后，通信的双方都已经知道了对方序列号起始值，也确认了对方知道自己序列号起始值，第四次握手已经毫无必要了。

TCP的三次握手的漏洞-SYN洪泛攻击

在TCP三次握手中是有一个缺陷，被称为SYN洪泛攻击。三次握手中有一个第二次握手，服务端向客户端应答请求，应答请求是需要客户端IP的，而且因为握手过程没有完成，操作系统使用队列维持这个状态（Linux 2.2以后，这个队列大小参数可以通过/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog设置）。于是攻击者就伪造这个IP，往服务器端狂发送第一次握手的内容，当然第一次握手中的客户端IP地址是伪造的，从而服务端忙于进行第二次握手，但是第二次握手是不会有应答的，所以导致服务器队列满，而拒绝连接。
面对这种攻击，有以下的解决方案，最好的方案是防火墙。

无效连接监视释放
这种方法不停的监视所有的连接，当达到一定(与)阈值时拆除这些连接，从而释放系统资源。这种方法对于所有的连接一视同仁，不管是正常的还是攻击的，所以这种方式不推荐。
延缓TCB分配方法
一般的做完第一次握手之后，服务器就需要为该请求分配一个TCB（连接控制资源），通常这个资源需要200多个字节。延迟TCB的分配，当正常连接建立起来后再分配TCB则可以有效地减轻服务器资源的消耗。
使用防火墙
防火墙在确认了连接的有效性后，才向内部的服务器（Listener）发起SYN请求。

TCP四次挥手（分手）

四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。
由于TCP连接是全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。 四次分手
(1)某个应用进程首先调用close，该端执行主动关闭（active close)。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕，应用进程进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。
(2）接收到这个FIN的对端执行被动关闭(passive close)，发出确认报文。因为FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收，接收端进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，这时候处于半关闭状态，即主动关闭端已经没有数据要发送了，但是被动关闭端若发送数据，主动关闭端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。主动关闭端收到确认报文后进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态。
(3)一段时间后，被动关闭的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN，表示它也没数据需要发送了。
(4)接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN发出一个确认ACK报文，并进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2?MSL（最长报文段寿命/最长分节生命期 max segement lifetime，MSL是任何IP数据报能够在因特网中存活的最长时间，任何TCP实现都必须为MSL选择一个值。RFC 1122[Braden 1989]的建议值是2分钟，不过源自Berkelcy的实现传统上改用30秒这个值。这意味着TIME_WAIT状态的持续时间在1分钟到4分钟之间）的时间后，当主动关闭端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
(5) 被动关闭端只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，被动关闭端结束TCP连接的时间要比主动关闭端早一些。
既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。之所以说“通常”是因为：某些情形下步骤1的FIN随数据一起发送;另外，步骤2和步骤3发送的分节都出自执行被动关闭那-一端，有可能被合并成一个分节。

为什么TCP的挥手需要四次？

TCP是全双工的连接，必须两端同时关闭连接，连接才算真正关闭。
如果一方已经准备关闭写，但是它还可以读另一方发送的数据。发送给FIN结束报文给对方，对方收到后，回复ACK报文。当这方也已经写完了准备关闭，发送FIN报文，对方回复ACK。两端都关闭，TCP连接正常关闭。

为什么需要TIME-WAIT状态？

TIME_WAIT状态存在的原因有两点：

可靠的终止TCP连接。
客户端收到服务器的连接释放的FIN报文后，必须发出确认。如最后这个ACK确认报文丢失，那么服务器没有收到这个ACK确认报文，就要重发FIN连接释放报文，客户端要在某个状态等待这个FIN连接释放报文段然后回复确认报文段，这样才能可靠的终止TCP连接。
保证让迟来的TCP报文有足够的时间被识别并丢弃。
在Linux系统上，一个TCP端口不能被同时打开多次，当一个TCP连接处于TIME_WAIT状态时，我们无法使用该链接的端口来建立一个新连接。反过来思考，如果不存在TIME_WAIT状态，则应用程序能过立即建立一个和刚关闭的连接相似的连接（这里的相似，是指他们具有相同的IP地址和端口号）。这个新的、和原来相似的连接被称为原来连接的化身。新的化身可能受到属于原来连接携带应用程序数据的TCP报文段（迟到的报文段），这显然是不该发生的。这是TIME_WAIT状态存在的第二个原因。

UDP

单播和广播

单播：用于两个主机之间的端对端通信
广播：用于一个主机对整个局域网上所有的主机上的数据通信
多播：对一组特定的主机进行通信，而不是整个局域网上的所有主机

UDT

UDT建于UDP之上，并引入新的拥塞控制和数据可靠性控制机制。UDT是面向连接的双向的应用层协议。
UDT的主要目的是支持高速广域网上的海量数据传输，最典型的例子就是建立在光纤广域网上的网格计算，一些研究所在这样的网络上运行他们的分布式的数据密集程式，例如，远程访问仪器、分布式数据挖掘和高分辨率的多媒体流。

UDT的特性

基于UDP的应用层协议：兼顾TCP协议的安全可靠和UDP协议的高效
面向连接的协议：面向连接意味着两个使用协议的应用在彼此交换数据之前必须先建立一个连接，当然UDT是逻辑上存在的连接通道。这种连接的维护是基于握手、Keep-alive（保活）以及关闭连接。
可靠的协议：依靠包序号机制、接收者的ACK响应和丢包报告、ACK序号机制、重传机制(基于丢包报告和超时处理)来实现数据传输的可靠性。
双工的协议：每个UDT实例包含发送端和接收端的信息。
新的拥塞算法，并且具有可扩展的拥塞控制框架：新的拥塞控制算法不同于基于窗口的TCP拥塞控制算法(慢启动和拥塞避免)，是混合的基于窗口的、基于速率的拥塞控制算法。可扩展的拥塞控制框架开源的代码和拥塞控制的C++类架构，可支持开发者派生专用的拥塞控制算法。
带宽估计：UDT使用对包(PP – Packet pair)的机制来估计带宽值。即每16个包为一组,最后一个是对包,即发送方不用等到下一个发送周期内再发送。接收方接收到对包后对其到达时间进行记录,可结合上次记录的值计算出链路的带宽(计算的方法称为中值过滤法), 并在下次ACK中进行反馈。

QUIC

QUIC代表”快速UDP Internet连接”，基于UDP的传输层协议，它本身就是Google尝试将TCP协议重写为一种结合了HTTP/2、TCP、UDP和TLS（用于加密）等多种技术的改进技术。
谷歌希望QUIC通信技术逐渐取代TCP和UDP，作为在Internet上移动二进制数据的新选择协议，QUIC 协议的主要目的，是为了整合 TCP 协议的可靠性和 UDP 协议的速度和效率。
由于 TCP 是在操作系统内核和中间件固件中实现的，因此对 TCP 进行重大更改几乎是不可能的（TCP 协议栈通常由操作系统实现，如 Linux、Windows 内核或者其他移动设备操作系统。修改 TCP 协议是一项浩大的工程，因为每种设备、系统的实现都需要更新）。但是，由于 QUIC 建立在 UDP 之上，因此没有这种限制。
QUIC 的优势在于：
1、采用多路复用思想，一个连接可以同时承载多个流 ( stream )，同时发起多个请求。请求间完全独立，某个请求阻塞甚至报文出错均不影响其他请求。
2、QUIC只需要1RTT（Round-Trip Time）的延迟就可以建立可靠安全的连接,相对于TCP+TLS的3次RTT要更加快捷。之后客户端可以在本地缓存加密的认证信息，再次与服务器建立连接时可以实现0-RTT的连接建立延迟。
3、TCP 采用重传机制，而 QUIC 采用纠错机制。
TCP 发生丢包时，需要一个等待延时判断发生了丢包，然后再启动重传机制，这个过程会造成一定的阻塞，影响传输时间。
而 QUIC 则采用一种更主动的方案，有点类似 RAID5 ，每 n 个包额外发一个校验和包。如果这 n 个包中丢了一个包，可以通过其他包和校验和恢复出来，完全不需要重传。
4、QUIC 直接基于客户端(应用进程)实现，而非基于内核，可以快速迭代更新，不需要操作系统层面的改造，部署灵活。
5、连接保持
QUIC 在客户端保存连接标识，当客户端 IP 或者端口发生变化时，可以快速恢复连接 —— 客户端以标识请求服务端，服务端验证标识后感知客户端新地址端口并重新关联，继续通讯。这对于改善移动端应用连接体验意义重大(从 WiFi 切换到流量)。