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通信协议详解（分层技术解析）

news 来源：原创 2025/5/23 7:00:26

通信协议详解（分层技术解析）

一、协议分层模型

1. OSI七层模型 vs TCP/IP四层模型

| OSI模型          | TCP/IP模型       | 核心协议                  | 数据单元       |
|------------------|------------------|--------------------------|---------------|
| 应用层           | 应用层           | HTTP, FTP, DNS, SMTP     | 报文/消息      |
| 表示层           |                  | TLS/SSL, JPEG, MPEG      |               |
| 会话层           |                  | NetBIOS, RPC             |               |
| 传输层           | 传输层           | TCP, UDP, SCTP           | 段(Segment)   |
| 网络层           | 网络层           | IP, ICMP, ARP, BGP       | 包(Packet)    |
| 数据链路层        | 网络接口层        | Ethernet, WiFi, PPP      | 帧(Frame)     |
| 物理层           |                  | RS-232, 光纤标准          | 比特流(Bit)   |

2. 各层核心职责

物理层：定义电气/光学信号传输（如网线规格、无线频段）
数据链路层：MAC地址寻址、帧校验（CRC）、CSMA/CD
网络层：IP寻址、路由选择、分包重组
传输层：端到端连接管理、流量控制、差错校验
应用层：具体业务数据格式规范

二、关键协议深度解析

1. TCP协议

# 协议特性
- 三次握手建立连接：1. SYN → 2. SYN-ACK ← 3. ACK →
- 四次挥手断开连接：1. FIN → 2. ACK ← 3. FIN ← 4. ACK →
- 滑动窗口机制：┌───────────────┐│ 已确认 │ 可发送 │ 未发送 │└───────────────┘窗口大小 = 接收方剩余缓冲区# 报文结构（简版）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 
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         源端口         |         目的端口        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       序列号（Sequence Number）                |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    确认号（Acknowledgment Number）             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 头长 |保留|URG|ACK|PSH|RST|SYN|FIN|        窗口大小             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|        校验和          |        紧急指针        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

2. HTTP/1.1 vs HTTP/2 vs HTTP/3

特性	HTTP/1.1	HTTP/2	HTTP/3
传输协议	TCP	TCP	QUIC（基于UDP）
多路复用	管道化（有限支持）	二进制分帧（真多路复用）	独立流(stream)
队头阻塞	存在（请求级别）	存在（TCP包级别）	完全消除
头部压缩	无	HPACK	QPACK
连接建立	3次TCP握手 + TLS握手	同HTTP/1.1	0-RTT快速重连

三、协议对比矩阵

1. 传输层协议对比

维度	TCP	UDP	SCTP
连接方式	面向连接	无连接	多宿主连接
可靠性	可靠传输	不可靠	部分可靠
有序性	保证顺序	不保证	多流有序
头部开销	20字节	8字节	28字节
典型应用	Web/邮件	视频流/DNS	电信信令

2. 路由协议对比

协议类型	OSPF	BGP	RIP
算法类型	链路状态	路径矢量	距离矢量
收敛速度	快（秒级）	慢（分钟级）	非常慢（分钟级）
适用规模	企业内网	互联网骨干	小型网络
度量标准	带宽/成本	AS跳数/策略	跳数
最新版本	OSPFv3（支持IPv6）	BGP4+	已淘汰

四、协议数据单元示例

1. IP数据报结构

 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 
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|版本| 头长 |   服务类型    |          总长度                  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           标识符           | 标志 |     片偏移               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  生存时间   |   协议类型    |        头部校验和               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       源IP地址                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       目标IP地址                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-