TCP 服务模型（TCP Service Model）
工作流程
- 应用层想要传输数据，于是调用 TCP 层并传递想要传输的数据
- TCP 将拿到的数据放入 TCP 段中，然后将 TCP 段传递给 IP 层（网络层）
- IP 层将拿到的数据封装为一个 IP 数据报并添加 IP 地址，然后将 IP 数据报传递给链路层
- 链路层构建链路帧，并添加链路地址（比如以太网地址），然后将其发送到网络中
双向连接的建立——三次握手
要建立双向连接，需要经过以下流程：
- A 向 B 发送 Syn 信息表示请求 A 到 B 的连接
- B 向 A 发送 Ack 信息表示同意 A 到 B 的连接，同时附带 Syn 信息表示请求 B 到 A 的连接
- A 向 B 发送 Ack 信息表示同意 B 到 A 的连接
同时两端会各自维护一个状态机，后面会讲到
双向连接的断开——四次挥手
要断开双向连接，需要经过以下流程：
- A 向 B 发送 Fin 信息，表示想要断开 A 到 B 的连接
- B 向 A 发送 Ack 信息，表示同意断开 A 到 B 的连接，同时可能附带还未发送完的数据
- 一段时间后，B 完成了所有需要发给 A 的数据的发送，向 A 发送 Fin 信息，表示想要断开 B 到 A 的连接
- A 向 B 发送 Ack 信息，表示同意断开 B 到 A 的连接
TCP 为应用层提供的服务
- TCP 保证数据会到达，如果传输中断，TCP 会重新发送
- TCP 通过以下方式保证传输是可靠的：
- 当 TCP 接收到数据时，会发送一个确认包给发送方，表示数据正确到达
- 使用校验和来检测数据是否损坏
- 使用序列号用于检测数据是否丢失（每个数据段头部会有一个序列号）
- 流量控制来防止接收方过载：接收方会不断告知发送方是否可以继续发送，即告诉发送方缓冲区中还有多少空间可以接收新数据
- TCP 会保证给应用层的数据是符合顺序的，即如果接收到的数据是乱序的，TCP 会使用序列号将数据重新排序
- TCP 会试图在所有使用网络的 TCP 连接之间平均分配网络容量（拥塞控制机制）
TCP 段内部格式
- Destination Port：目标端口说明数据应该传输给接收方的哪一个应用（比如 SSH 服务就是 22 端口）
- Source Port：源端口说明接收方应该使用哪个端口发送回数据（即接收方将发送方的源端口作为自己的目标端口）
- Sequence：序列号表示 TCP 数据字段中第一个字节在字节流中的位置
- Acknowledgement Sequence： 确认序列号告诉另一端期望接收的下一个字节号，同时这也表明了该字节号前的所有字节数据均被成功接收
- Checksum：校验和是根据整个头部和数据计算得到的，用于帮助接收方确认数据是否损坏
- HLEN：说明 TCP 字段的头部长度为多少
- TCP options：可选字段包含了 TCP 标准建立后新添加的头部字段，HLEN 也说明了有多少可选字段存在（通常是没有的）
- Flags：
- ACK：表明确认序列号是有效的，确认了之前接收到的所有数据
- SYN：表明正在发送同步信号，即三次握手中的一部分
- FIN：表示关闭单方向的连接
- PSH：表示数据到达时，对方 TCP 端应该立即交付数据给应用层（这对一些时间敏感的操作很有用，比如按键操作）
TCP 连接的唯一标识
图中的五个字段组成了 TCP 连接的唯一标识：
IPv4 头部字段中的 IP DA 和 IP SA 指定了两台机器在网络中的位置，Protocol ID 指定了传输层使用的协议为 TCP
TCP 头部字段中的 Source Port 和 Destination Port 指定了两台机器中的指定应用
然而，这样的唯一标识只有在下述条件成立时才有效：连接的两端使用唯一的源端口用于 TCP 服务。
比如主机 A 使用 20 端口用于与 B 的一个连接服务，再选择 20 端口用于另一个连接服务就会导致错误。
一般采用一个简单的方法来避免这种情况：对于每一个新增的连接，使用递增的源端口号。
但是这样做也有可能会导致错误，比如主机 A 突然新增了大量的到主机 B 的连接，端口的递增可能会超出位数限制从而绕回到一个已经使用的端口。
使用同一个端口用于两个服务，会导致接收数据的混淆。
序列号的作用
为了减少混淆的可能性，TCP 连接会在初始化时使用一个随机的序列号来引用字节流中的字节（这并不是万无一失的，但是确实减少了混淆的可能性）
由于初始化序列号的存在，三次握手时会附带相关数据，即图中的 ISN(Initial Sequence Number)：
序列号在 TCP 中的工作如图：
UDP 服务模型（UDP Service Model）
UDP 段内部格式
- Checksum：校验和的使用是可选的，如果不使用，则为全零；如果使用，校验和的计算会包含 UDP 头部和数据、IPv4 头部的起止地址和UDP协议 ID（这违反了层次的清晰分离原则，但是这使得 UDP 层能够检测到被错误投递的数据报）
- Length：至少为 8 字节，因为这是 UDP 头部的长度
UDP 的三个特性
- 无连接的数据报服务：数据的传输不需要建立连接，且数据包可能乱序到达，也可能丢失
- 自包含的数据报：即每个数据报包含足够多的信息，可以被独立传输、处理
- 不可靠传输：无确认、无丢包检测、无流量控制
总的来说，UDP 提供了一种更简单的数据报传输服务
ICMP 服务模型（ICMP Service Model）
ICMP 的工作
ICMP 位于传输层，用于向网络层传递错误信息
以下为几个错误信息的示例
ping 命令是怎么使用 ICMP 的？
ping 用于测试另一台主机的活跃状态，比如在终端中运行下面这行命令
ping bilibili.com便可以看到类似下面的信息
Pinging bilibili.com [198.18.0.16] with 32 bytes of data:
Reply from 198.18.0.16: bytes=32 time<1ms TTL=128
Reply from 198.18.0.16: bytes=32 time<1ms TTL=128
Reply from 198.18.0.16: bytes=32 time<1ms TTL=128
Reply from 198.18.0.16: bytes=32 time<1ms TTL=128
Ping statistics for 198.18.0.16:
Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
Approximate round trip times in milli-seconds:
Minimum = 0ms, Maximum = 0ms, Average = 0ms其中的过程如图，ping 直接调用 ICMP，发送一个 ICMP 回显请求，然后接收方返回一个回显应答
总结
- ICMP 提供了网络层到终端主机和路由器的信息
- ICMP 位于网络层上方，所以属于传输层，但是 ICMP 是为网络层服务的
ping和traceroute等命令都依赖于 ICMP
端到端原则（End to End Principle）
在主机 A 到主机 B 的连接中，网络其实可以做很多事情来进行优化，比如压缩数据、重新格式化或者优化请求、添加安全措施等等，但是通常来说，网路并没有怎么做，这是为什么？因为要遵循 端到端原则。
端到端原则的来源
之所以会有端到端原则，是因为以下这样一个例子：
文件从源主机到目标主机，每两个机器之间的链路都有错误检测。
理想状况是，传输中出现错误，检测到错误，拒收文件然后重新发送。
但是问题在于链路上的错误检测只能检测传输层面的错误，如果出现内存层面的错误就无法检测了，如图
确保文件正确到达的唯一方法就是进行端到端的检查。
端到端功能之外的优化
考虑无线链路和有线链路的可靠性，有线链路的传输往往是极其可靠的，而无线链路的传输则并没有那么可靠。
链路层的重传机制可以通过有效地检测和纠正错误、减少丢包、提高数据的可靠性，极大地优化无线链路的性能。
错误检测（Error Detection）
错误检测 有三种方法：
- Checksum（校验和）
- CRC（循环冗余校验码，cyclic redundancy code）
- MAC（消息认证码，message authenciation code）
Ethernet 会在尾部增添一个 CRC，TLS 在尾部增添一个 MAC
IP 则在数据头部增添一个 Checksum
三种错误检测方法，各有优劣
Checksum
Checksum 是一种简单的错误检测方法，它通过对数据内容进行求和（通常是按字节、按块或按固定长度的单位）得到一个和校验值。然后，发送端和接收端都计算并比较这个校验和值，以判断数据是否在传输过程中发生了错误。
- 优点：实现简单，计算量小，计算速度快
- 缺点：鲁棒性低，无法检测偶数个比特位的错误以及其他的特定错误
Checksum 主要用于简单的数据完整性检测，例如传输协议（如IP、TCP、UDP）或存储系统中的错误检测。
CRC
CRC 是一种比 Checksum 更强大的错误检测方法，它基于多项式除法。数据被看作一个大的二进制数，使用一个预定的“生成多项式”进行除法运算。除法的余数（也叫 CRC 校验码）就是要附加到数据中的校验值。
- 优点：鲁棒性高，错误检测能力强
- 缺点：实现复杂，计算成本高
CRC 被广泛应用于通信系统（如以太网、硬盘、CD/DVD）以及文件压缩和存储，例如在磁带存储中检测传输错误，或在互联网传输过程中检测数据完整性。
MAC
MAC 是一种结合了加密和哈希的检测方法，除了用于验证数据的完整性外，还能验证数据的身份（即消息的真实性）。MAC 使用一个密钥和一个哈希算法（如HMAC）对消息进行加密处理，生成一个短小的“验证码”。只有知道密钥的双方才能生成和验证该验证码。但是，MAC 无法检测任何内容上的错误！
- 优点：不仅保证数据未被篡改，还能够验证数据的来源，抗篡改性强
- 缺点：计算成本较高，依赖于同一个共享密钥，无法检测到内容的错误
MAC 被广泛应用于加密通信协议（如SSL/TLS）、身份验证、数字签名和支付系统中，确保数据的安全性和完整性。
有限状态机（Finite State Machines）
有限状态机是一个状态转换模型，它包括：
- 状态（State）：系统可能处于的不同阶段。
- 事件（Event）：系统状态转移的触发因素，可以是输入的外部信号或某些条件的变化。
- 状态转移（Transition）：从一个状态到另一个状态的变化过程。
- 动作（Action）：在状态转移时执行的操作，如发送数据包、接收数据等。
流量控制（Flow Control）
问题在于，如果主机 A 以每秒 500,000 个数据包的速度发送，但是 主机 B 只能每秒接收 200,000 个数据包，这就会导致多余的数据包被丢弃。
如今大多数协议中使用两种方法
- Stop and Wait
- Sliding Window
停止-等待（Stop and Wait）
- 发送方一次只发送一个数据包
- 每当接收到数据时，接收方发送确认信息（ACK）
- 发送方接收到确认信息时发送下一个数据包
- 若超时为收到确认信息，发送方重新发送数据
- 使用一位计数器来检测是否是重复的数据
滑动窗口（Sliding Window）
每个数据段都有一个序列号（SeqNo），用于确保数据包被正确接收、乱序回复、丢包检测等
发送方的工作机制
-
维护以下三个变量：
-
发送窗口大小（Send Window Size, SWS）： 表示当前允许发送但尚未收到确认的最大数据段数，发送窗口的大小决定了 TCP 连接的流量控制能力
-
最后一个已确认的数据段（Last Acknowledgment Received, LAR）： 这是发送方收到的 ACK 号，即 所有比它小的序列号的数据都已经成功到达接收方
-
最后一个已发送的数据段（Last Segment Sent, LSS）： 这是当前发送方已经发送的 最大序列号
-
-
维护不等式：
-
接收新的 ACK 后，推进 ，腾出窗口空间，发送新数据
-
使用缓存存储未确认的数据，提高数据传输效率
接收方的工作机制
- 维护三个变量
- 接收窗口大小（Receive Window Size，RWS）
- 最大可接受的序列号（Last Acceptable Segment，LAS）
- 最后一个成功接收并按序存储的段（Last Segment Received，LSR）
- 维护不等式：
- 发送 ACK：接收方使用 累积确认（Cumulative ACKs），即只确认到最后一个连续的段，比如接收到
1, 2, 3, 5则会发送ACK 4（TCP ACK 指的是 “下一个期望的数据”，即ACK = 4表示 “请发送 4”）
可靠传输（Reliable Connection）
重传策略（Retransmission Strategies）
针对滑动窗口的重传策略如下
发送方发送数据时，启动一个定时器，若 ACK 超时，则会重传数据
重传策略有两种，回退重传 和 选择重传
回退重传
重传当前窗口的所有数据
- 优点：实现简单，适合高丢包率的环境（当大量数据丢失时，恢复速度更快）
- 缺点：浪费带宽，不适合高吞吐量的环境
选择重传
只重传 ACK 超时的数据包
- 优点：提高带宽利用率，更适应网络抖动
- 缺点：接收端复杂度更高，需要额外的缓冲区
TCP 连接和断开（TCP Setup and Teardown）
三次握手
| 步骤 | 客户端 (C) | 服务器 (S) | 关键字段 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| SYN | SEQ=X | - | SYN=1, ACK=0 | 客户端请求连接 |
| SYN-ACK | - | SEQ=Y, ACK=X+1 | SYN=1, ACK=1 | 服务器确认并发送 SYN |
| ACK | SEQ=X+1, ACK=Y+1 | - | ACK=1 | 客户端确认，连接建立 |
TCP 还支持另一种连接方式，称为 同时打开（Simultaneous Open）
两方同时发送 SYN 然后一同发送 SYN+ACK，这需要四条消息而不是三次握手的三条
四次挥手
| 步骤 | 发送方 | 接收方 | 关键标志位 | 作用 |
|---|---|---|---|---|
| FIN | 客户端 → 服务器 | FIN=1, ACK=1 | 客户端请求断开 | |
| ACK | 服务器 → 客户端 | ACK=1 | 服务器确认 FIN | |
| FIN | 服务器 → 客户端 | FIN=1, ACK=1 | 服务器也准备断开 | |
| ACK | 客户端 → 服务器 | ACK=1 | 客户端确认 FIN，进入 TIME_WAIT |
关于 TIME_WAIT
在客户端发送 最后一个 ACK 之后，会进入 TIME_WAIT 状态，持续 2 倍最大报文段生存时间（2MSL, Maximum Segment Lifetime）。这样做的目的如下：
- 确保服务器收到了 ACK： 如果最后的 ACK 丢失，服务器会重新发送 FIN，客户端可以重新 ACK。
- 防止旧连接影响新连接： 旧的 TCP 连接可能会有延迟的数据包，TIME_WAIT 确保它们都被丢弃。
总结
在计算机网络中，传输层协议的设计至关重要，它直接影响数据在网络中的传输方式与可靠性。TCP、UDP 和 ICMP 各自提供了不同的通信模型，适用于不同的应用需求。
- TCP 服务模型（TCP Service Model） 采用连接导向的通信方式，提供可靠的数据传输、流量控制和拥塞控制，确保数据的顺序性和完整性。它适用于对数据可靠性要求较高的应用，如网页浏览（HTTP/HTTPS）和文件传输（FTP）。
- UDP 服务模型（UDP Service Model） 采用无连接的通信方式，不保证数据可靠性、顺序性和完整性，但具有低延迟、高吞吐的优点，适用于实时音视频通信（如 VoIP、在线游戏）等应用。
- ICMP 服务模型（ICMP Service Model） 主要用于网络诊断和错误报告，帮助主机和路由器报告网络问题，如
ping和traceroute。
在传输过程中，端到端原则（End-to-End Principle）强调应在通信的终端系统（如应用层）实现可靠性，而非依赖网络中的中间节点。
错误检测（Error Detection）机制（如 TCP 校验和、UDP 校验和和 ICMP 误码报告）在数据传输中起到了关键作用，确保数据完整性。
有限状态机（Finite State Machines, FSM）是 TCP 连接管理的核心，定义了从连接建立（三次握手）到连接终止（四次挥手）的完整状态转换过程。流量控制（Flow Control）机制，如 TCP 的滑动窗口协议，确保发送方不会发送超过接收方缓存能力的数据，防止接收端溢出。
可靠传输（Reliable Connection）是 TCP 的核心特性之一，它通过 ACK 机制、超时重传、滑动窗口、拥塞控制（如 AIMD、慢启动） 来确保数据的正确、完整、有序传输。在不同网络条件下，TCP 还能动态调整其发送策略，以提高传输效率和网络利用率。
综合来看，计算机网络协议的设计在可靠性、性能和复杂性之间做出了权衡，不同的应用场景需要选择合适的传输方式，以实现最优的通信效果。