概述
TCP/IP协议栈是互联网的基础协议族，涵盖了从物理链路到应用层的完整网络通信体系。1
TCP协议深入
TCP头部结构
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
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| Source Port | Destination Port |
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| Sequence Number |
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| Acknowledgment Number |
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| Offset| Resvd | UAPRSF| Window |
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| Checksum | Urgent Pointer |
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| Options and Padding |
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三次握手与四次挥手
三次握手（建立连接）
客户端 服务器
│ │
│────────── SYN (seq=x) ────────────▶│ 1. 客户端发送SYN
│◀──────── SYN-ACK (seq=y, ack=x+1) ─│ 2. 服务器发送SYN+ACK
│────────── ACK (ack=y+1) ───────────▶│ 3. 客户端发送ACK
│ │
│ TCP连接建立完成 │
状态变化：
- CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED（客户端）
- LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED（服务器）
四次挥手（断开连接）
客户端 服务器
│ │
│────────── FIN (seq=u) ────────────▶│ 1. 主动方发送FIN
│◀───────── ACK (ack=u+1) ───────────│ 2. 被动方发送ACK
│ │ 3. 被动方准备关闭
│◀───────── FIN (seq=w) ────────────│ 4. 被动方发送FIN
│────────── ACK (ack=w+1) ───────────▶│ 5. 主动方发送ACK
│ │
│ TIME_WAIT (2MSL后) → CLOSED │
为什么需要TIME_WAIT：
- 确保被动方收到最后的ACK
- 等待所有迷途分组消失
滑动窗口机制
滑动窗口用于流量控制，避免发送方过快导致接收方缓存溢出。
class SlidingWindow {
int base; // 最早未确认字节序号
int next_seq; // 下一个要发送的字节序号
int window_size; // 接收方通告的窗口大小
vector<packet> buffer; // 已发送但未确认的包
void send_data(int seq, const string& data) {
packet p;
p.seq = seq;
p.data = data;
p.transmit_time = now();
buffer.push_back(p);
next_seq += data.size();
// 实际发送（受窗口大小限制）
while (next_seq - base >= window_size) {
// 窗口满，等待确认
wait();
}
}
void handle_ack(int ack_num) {
if (ack_num > base) {
// 删除已确认的包
remove_acked_packets(ack_num);
base = ack_num;
// 可以发送更多数据
}
}
};拥塞控制
拥塞控制用于避免网络过载，TCP通过**拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）**实现。
四个算法
| 阶段 | 算法 | 行为 |
|---|---|---|
| 慢启动 | Slow Start | cwnd指数增长 |
| 拥塞避免 | Congestion Avoidance | cwnd线性增长 |
| 快重传 | Fast Retransmit | 3个重复ACK触发 |
| 快恢复 | Fast Recovery | 调整cwnd |
慢启动与拥塞避免
class CongestionControl {
int cwnd = 1; // 拥塞窗口（SMSS）
int ssthresh = 65535; // 慢启动阈值
bool in_slow_start = true;
void on_ack() {
if (in_slow_start) {
cwnd *= 2; // 指数增长
if (cwnd >= ssthresh) {
in_slow_start = false;
}
} else {
cwnd += 1; // 线性增长
}
}
void on_timeout() {
ssthresh = cwnd / 2;
cwnd = 1;
in_slow_start = true; // 回到慢启动
}
void on_fast_retransmit() {
ssthresh = cwnd / 2;
cwnd = ssthresh + 3; // 快恢复
in_slow_start = false;
}
};拥塞窗口变化图
cwnd
^
│ __________
│ / \_______
│ ____/ \___
│___/ \___
│_________________________________________→ time
SS CA FRT FR SS
SS = Slow Start, CA = Congestion Avoidance
FRT = Fast Retransmit, FR = Fast Recovery
TCP状态机
主动打开 被动打开
│ │
▼ ▼
CLOSED ────────▶LISTEN LISTEN
│ │ ▲
│ 发送SYN │ │
▼ ▼ │
SYN_SENT ◀──────────▶SYN_RCVD ◀───────────────────────│
│ │ │
│ 收到ACK │收到ACK │
▼ ▼ │
ESTABLISHED ◀───────────────────────────────▶ESTABLISHED
│ │ │
│ 发送FIN │收到FIN │
▼ ▼ │
FIN_WAIT_1 ────────▶CLOSING ────────▶TIME_WAIT ◀───────┤
│ │ │
│ 收到ACK │收到ACK │
▼ ▼ │
FIN_WAIT_2 ◀────────┴───────────◀─────CLOSE_WAIT ◀─────┘
│ │ 发送FIN
│ ┌──────────────────┘
▼ ▼
TIME_WAIT ◀─────┘
DNS（域名系统）
DNS层次结构
根域名服务器 (.)
│
├── .com (.com服务器)
│ └── example.com (权威服务器)
│
├── .cn (.cn服务器)
│ └── baidu.com
│
└── .org (.org服务器)
DNS查询过程
用户 ──▶ 递归服务器 ──▶ 根服务器 ──▶ .com服务器 ──▶ example.com
◀─────────── ◀────────── ◀──────────── ◀────────────
DNS记录类型
| 类型 | 含义 | 示例 |
|---|---|---|
| A | IPv4地址 | example.com → 93.184.216.34 |
| AAAA | IPv6地址 | example.com → 2606:2800:220:1 |
| CNAME | 别名 | www.example.com → example.com |
| MX | 邮件交换 | mail.example.com → 10 mail.example.com |
| NS | 名称服务器 | example.com → ns1.example.com |
DNS缓存与TTL
class DNSCache {
struct CacheEntry {
string domain;
string ip;
time_t expire_time;
};
vector<CacheEntry> cache;
string lookup(const string& domain) {
for (auto& e : cache) {
if (e.domain == domain && e.expire_time > now()) {
return e.ip; // 缓存命中
}
}
// 缓存未命中，查询DNS服务器
string ip = query_dns_server(domain);
cache.push_back({domain, ip, now() + TTL});
return ip;
}
};CDN（内容分发网络）
CDN工作原理
用户 ──▶ 最近的CDN边缘节点 ──▶ 源站
│
├──── 缓存命中 ──▶ 直接返回
│
└──── 缓存未命中 ──▶ 回源获取 ──▶ 缓存 ──▶ 返回
CDN关键技术
| 技术 | 说明 |
|---|---|
| 就近访问 | DNS负载均衡返回最近节点 |
| 缓存策略 | 边缘节点缓存静态内容 |
| 动态加速 | 专线/优化路由加速动态内容 |
| HTTPS | SSL/TLS终端卸载 |
负载均衡算法
// 几种负载均衡策略
class LoadBalancer {
vector<Server> servers;
// 1. 轮询（Round Robin）
Server round_robin() {
static int idx = 0;
return servers[idx++ % servers.size()];
}
// 2. 最少连接（Least Connections）
Server least_connections() {
return *min_element(servers.begin(), servers.end(),
[](auto& a, auto& b) { return a.connections < b.connections; });
}
// 3. IP哈希
Server ip_hash(const string& client_ip) {
int hash = std::hash<string>{}(client_ip);
return servers[hash % servers.size()];
}
};网络安全基础
TLS/SSL握手
客户端 服务器
│ │
│──────── ClientHello ──────────────▶│ 1. 支持的加密套件
│◀────── ServerHello + 证书 ─────────│ 2. 选择加密算法 + 证书
│◀────── ServerHelloDone ────────────│
│ │
│──────── 预主密钥（用公钥加密）──────▶│ 3. 建立会话密钥
│ │
│ 双方计算会话密钥 │
│ │
│──────── Finished ─────────────────▶│ 4. 切换到加密通信
│◀────── Finished ───────────────────│
│ │
│ 加密通信开始 │
对称加密 vs 非对称加密
| 类型 | 优点 | 缺点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 对称加密 | 速度快 | 密钥分发难 | 数据加密（AES） |
| 非对称加密 | 密钥分发方便 | 速度慢 | 密钥交换、数字签名 |
TLS工作方式：先用非对称加密交换会话密钥，再用对称加密传输数据。
相关协议对比
TCP vs UDP
| 特性 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接性 | 面向连接 | 无连接 |
| 可靠性 | 可靠 | 不可靠 |
| 有序性 | 有序 | 无序 |
| 速度 | 较慢 | 快 |
| 首部开销 | 20-60字节 | 8字节 |
| 适用场景 | 文件传输、Web | 视频流、DNS |
HTTP/1.1 vs HTTP/2 vs HTTP/3
| 版本 | 关键特性 | 传输层 |
|---|---|---|
| HTTP/1.1 | 持久连接、管道化 | TCP |
| HTTP/2 | 多路复用、头部压缩、Server Push | TCP |
| HTTP/3 | QUIC（UDP）、0-RTT | UDP |
参考资料
相关主题
Footnotes
-
本词条参考《TCP/IP详解 卷1：协议》- W. Richard Stevens ↩