TCP/IP 协议详解

1. TCP/IP 协议体系

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是互联网的基础协议族，定义了数据如何在网络中传输。TCP/IP 采用四层模型，与 OSI 七层模型对应关系如下：

2. TCP 协议详解

TCP 头部结构

flowchart LR
    H["TCP Header"]
    H --> S["Source Port (16bit)"]
    H --> D["Dest Port (16bit)"]
    H --> SN["Sequence Number"]
    H --> AN["Ack Number"]
    H --> FL["Flags SYN/ACK/FIN/RST"]

2.1 TCP 头部结构

TCP 头部包含源端口、目标端口、序列号、确认号、标志位等关键信息：

TCP 头部（20-60 字节）：
+----------------+----------------+----------------+----------------+
|  源端口 (16)   |   目标端口 (16) |                                   |
+----------------+----------------+----------------+----------------+
|                        序列号 (32)                                       |
+----------------+----------------+----------------+----------------+
|                        确认号 (32)                                       |
+----------------+----+--------+----+----+----+----+----+----------------+
| 数据偏移 (4)   |保留| Flags  |              窗口大小 (16)              |
+----------------+----+--------+----+----+----+----+----+----------------+
|            校验和 (16)          |            紧急指针 (16)              |
+----------------+----------------+----------------+----------------+
|                      选项 (可变)                                         |
+----------------+----------------+----------------+----------------+

2.2 TCP 标志位

3. 三次握手与四次挥手

TCP 三次握手详细时序

sequenceDiagram
    participant C as 客户端
    participant S as 服务器
    C->>S: SYN seq=x
    S->>C: SYN+ACK seq=y ack=x+1
    C->>S: ACK ack=y+1
    Note over C,S: ESTABLISHED

3.1 三次握手（建立连接）

TCP 通过三次握手建立可靠连接：

3.2 四次挥手（关闭连接）

TCP 通过四次挥手可靠关闭连接：

（此时主动方不再发送数据，但可以接收数据）

4. IP 协议基础

4.1 IPv4 地址分类

4.2 私有 IP 地址

私有地址可以在内网使用，不能直接访问互联网：

• A 类私有：10.0.0.0 - 10.255.255.255（约 1677 万）
• B 类私有：172.16.0.0 - 172.31.255.255（约 65 万）
• C 类私有：192.168.0.0 - 192.168.255.255（约 6.5 万）

4.3 子网掩码

子网掩码用于划分网络地址和主机地址：

示例：192.168.1.100 / 255.255.255.0

二进制：
IP:       11000000.10101000.00000001.01100100
子网掩码: 11111111.11111111.11111111.00000000
AND 运算: ------------------------------------
网络地址: 11000000.10101000.00000001.00000000 = 192.168.1.0
主机地址: 00000000.00000000.00000000.01100100 = 100

子网内可用 IP：192.168.1.1 - 192.168.1.254（共 254 个）

5. TCP 与 UDP 对比

TCP vs UDP 特性对比

flowchart LR
    TCP["TCP
面向连接
可靠传输
流量控制
拥塞控制"]
    UDP["UDP
无连接
不可靠
无控制
高速低延迟"]
    style TCP fill:#3498db,color:#fff
    style UDP fill:#27ae60,color:#fff

6. 实际应用场景

6.1 Web 访问（HTTP/HTTPS）

浏览器 --> TCP 80/443 --> Web 服务器
         |      三次握手建立连接
         |      HTTP 请求/响应
         |      四次挥手关闭连接

6.2 DNS 解析

DNS 同时使用 TCP 和 UDP：

• UDP 53：普通查询（小于 512 字节）
• TCP 53：区域传输、大于 512 字节的响应

6.3 选择 TCP 还是 UDP？