TCP IP协议族

TCP/IP协议族（Transmission Control Protocol/Internet Protocol Suite）是互联网通信的基础协议集合，定义了数据如何在网络中传输和路由。它不仅包含TCP和IP协议，还涵盖了一系列相关协议（如UDP、ICMP等），构成了现代互联网的通信框架。

概述[编辑 | 编辑源代码]

TCP/IP协议族由美国国防部高级研究计划局（DARPA）在20世纪70年代开发，最初用于ARPANET。其核心设计理念是分层架构，通过将复杂功能分解到不同层级实现模块化。协议族分为四层（或五层，根据模型不同）：

核心协议与功能[编辑 | 编辑源代码]

1. 网络层（Internet Layer）[编辑 | 编辑源代码]

核心协议：IPv4/IPv6、ICMP、ARP

IP协议：无连接的包交换协议，通过IP地址实现主机寻址。数据包结构示例：

  # Python模拟IP包头结构
  from dataclasses import dataclass
  @dataclass
  class IPHeader:
      version: int = 4          # IPv4
      ihl: int = 5             # 头部长度
      tos: int = 0             # 服务类型
      total_length: int = 0    # 总长度
      identification: int = 0  # 标识符
      flags: int = 0           # 分片标志
      ttl: int = 64            # 生存时间
      protocol: int = 6        # TCP=6, UDP=17
      checksum: int = 0        # 校验和
      src_addr: str = "0.0.0.0"
      dst_addr: str = "0.0.0.0"

2. 传输层（Transport Layer）[编辑 | 编辑源代码]

核心协议：TCP、UDP

TCP vs UDP对比
特性	TCP	UDP
连接方式	面向连接	无连接
可靠性	可靠传输（确认/重传）	尽力交付
流量控制	滑动窗口机制	无
典型应用	HTTP/HTTPS、SSH	DNS、视频流

3. 应用层（Application Layer）[编辑 | 编辑源代码]

常见协议：

HTTP/HTTPS：网页传输
FTP：文件传输
DNS：域名解析
SMTP/POP3：电子邮件

关键机制详解[编辑 | 编辑源代码]

TCP三次握手[编辑 | 编辑源代码]

建立可靠连接的过程：

数学建模：设初始序列号为 $X$ 和 $Y$ ，则确认号为 $a c k = s e q_{r e c e i v e d} + 1$

IP路由过程[编辑 | 编辑源代码]

路由表查询示例（Linux）：

$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0

实际应用案例[编辑 | 编辑源代码]

案例1：网页访问过程 1. DNS查询（UDP 53端口） 2. TCP三次握手建立HTTPS连接 3. HTTP请求/响应传输 4. TCP四次挥手断开连接

案例2：视频会议系统

使用UDP传输实时视频流（容忍丢包但要求低延迟）
同时使用TCP传输控制信令（如参会者列表变更）

常见问题[编辑 | 编辑源代码]

模板:Q&A

进阶知识[编辑 | 编辑源代码]

MTU与分片：以太网默认MTU=1500字节，超过时需要分片传输
NAT穿透：解决私有IP与公网IP映射问题
QoS机制：通过TOS字段实现流量优先级控制