TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協議/網際協議）是指能夠在多個不同網絡間實現信息傳輸的協議簇。TCP/IP協議不僅僅指的是TCP 和IP兩個協議，而是指一個由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等協議構成的協議簇， 只是因爲在TCP/IP協議中TCP協議和IP協議最具代表性，所以被稱爲TCP/IP協議。
一 、TCP/IP協議
1. 簡介
TCP/IP傳輸協議，即傳輸控制/網絡協議，也叫作網絡通訊協議。它是在網絡的使用中的最基本的通信協議。TCP/IP傳輸協議對互聯網中各部分進行通信的標準和方法進行了規定。並且，TCP/IP傳輸協議是保證網絡數據信息及時、完整傳輸的兩個重要的協議。TCP/IP傳輸協議是嚴格來說是一個四層的體系結構，應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層都包含其中。
2. 組成
應用層： 應用層的主要協議有Telnet、FTP、SMTP等，應用層是TCP/IP協議的第一層，是直接爲應用進程提供服務的。
（1）對不同種類的應用程序它們會根據自己的需要來使用應用層的不同協議，郵件傳輸應用使用了SMTP協議、萬維網應用使用了HTTP協議、遠程登錄服務應用使用了有TELNET協議。
（2）應用層還能加密、解密、格式化數據。
（3）應用層可以建立或解除與其他節點的聯繫，這樣可以充分節省網絡資源。
傳輸層： 傳輸層的主要協議有UDP、TCP，是使用者使用平臺和計算機信息網內部數據結合的通道，可以實現數據傳輸與數據共享。
網絡層： 網絡層的主要協議有ICMP、IP、IGMP，主要負責網絡中數據包的傳送等。
網絡鏈路層：主要要協議有ARP、RARP，主要功能是提供鏈路管理錯誤檢測、對不同通信媒介有關信息細節問題進行有效處理.。
3.通信過程：
通信過程及相關協議在網絡通信的過程中，將發出數據的主機稱爲源主機，接收數據的主機稱爲目的主機。當源主機發出數據時，數據在源主機中從上層向下層傳送。源主機中的應用進程先將數據交給應用層，應用層加上必要的控制信息就成了報文流，向下傳給傳輸層。傳輸層將收到的數據單元加上本層的控制信息，形成報文段、數據報，再交給網際層。網際層加上本層的控制信息，形成IP數據報，傳給網絡接口層。網絡接口層將網際層交下來的IP數據報組裝成幀，並以比特流的形式傳給網絡硬件（即物理層），數據就離開源主機。
（1）鏈路層
以太網協議規定，接入網絡的設備都必須安裝網絡適配器，即網卡，數據包必須是從一塊網卡傳送到另一塊網卡。而網卡地址就是數據包的發送地址和接收地址，有了MAC地址以後，以太網採用廣播形式，把數據包發給該子網內所有主機，子網內每臺主機在接收到這個包以後，都會讀取首部裏的目標MAC地址，然後和自己的MAC地址進行對比，如果相同就做下一步處理，如果不同，就丟棄這個包。
所以鏈路層的主要工作就是對電信號進行分組並形成具有特定意義的數據幀，然後以廣播的形式通過物理介質發送給接收方。
（2）網絡層
IP協議
網絡層引入了IP協議，制定了一套新地址，使得我們能夠區分兩臺主機是否同屬一個網絡，這套地址就是網絡地址，也就是所謂的IP地址。IP協議將這個32位的地址分爲兩部分，前面部分代表網絡地址，後面部分表示該主機在局域網中的地址。如果兩個IP地址在同一個子網內，則網絡地址一定相同。爲了判斷IP地址中的網絡地址，IP協議還引入了子網掩碼，IP地址和子網掩碼通過按位與運算後就可以得到網絡地址。
ARP協議
即地址解析協議，是根據IP地址獲取MAC地址的一個網絡層協議。其工作原理如下：ARP首先會發起一個請求數據包，數據包的首部包含了目標主機的IP地址，然後這個數據包會在鏈路層進行再次包裝，生成以太網數據包，最終由以太網廣播給子網內的所有主機，每一臺主機都會接收到這個數據包，並取出標頭裏的IP地址，然後和自己的IP地址進行比較，如果相同就返回自己的MAC地址，如果不同就丟棄該數據包。ARP接收返回消息，以此確定目標機的MAC地址；與此同時，ARP還會將返回的MAC地址與對應的IP地址存入本機ARP緩存中並保留一定時間，下次請求時直接查詢ARP緩存以節約資源。
路由協議
首先通過IP協議來判斷兩臺主機是否在同一個子網中，如果在同一個子網，就通過ARP協議查詢對應的MAC地址，然後以廣播的形式向該子網內的主機發送數據包；如果不在同一個子網，以太網會將該數據包轉發給本子網的網關進行路由。網關是互聯網上子網與子網之間的橋樑，所以網關會進行多次轉發，最終將該數據包轉發到目標IP所在的子網中，然後再通過ARP獲取目標機MAC，最終也是通過廣播形式將數據包發送給接收方。而完成這個路由協議的物理設備就是路由器，路由器扮演着交通樞紐的角色，它會根據信道情況，選擇並設定路由，以最佳路徑來轉發數據包。
所以，網絡層的主要工作是定義網絡地址、區分網段、子網內MAC尋址、對於不同子網的數據包進行路由。
（3） 傳輸層
鏈路層定義了主機的身份，即MAC地址，而網絡層定義了IP地址，明確了主機所在的網段，有了這兩個地址，數據包就從可以從一個主機發送到另一臺主機。但實際上數據包是從一個主機的某個應用程序發出，然後由對方主機的應用程序接收。而每臺電腦都有可能同時運行着很多個應用程序，所以當數據包被髮送到主機上以後，是無法確定哪個應用程序要接收這個包。因此傳輸層引入了UDP協議來解決這個問題，爲了給每個應用程序標識身份。
UDP協議
UDP協議定義了端口，同一個主機上的每個應用程序都需要指定唯一的端口號，並且規定網絡中傳輸的數據包必須加上端口信息，當數據包到達主機以後，就可以根據端口號找到對應的應用程序了。UDP協議比較簡單，實現容易，但它沒有確認機制，數據包一旦發出，無法知道對方是否收到，因此可靠性較差，爲了解決這個問題，提高網絡可靠性，TCP協議就誕生了。
TCP協議
TCP即傳輸控制協議，是一種面向連接的、可靠的、基於字節流的通信協議。簡單來說TCP就是有確認機制的UDP協議，每發出一個數據包都要求確認，如果有一個數據包丟失，就收不到確認，發送方就必須重發這個數據包。爲了保證傳輸的可靠性，TCP協議在UDP基礎之上建立了三次對話的確認機制，即在正式收發數據前，必須和對方建立可靠的連接。TCP數據包和UDP一樣，都是由首部和數據兩部分組成，唯一不同的是，TCP數據包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是爲了保證網絡的效率，通常TCP數據包的長度不會超過IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包不必再分割。
傳輸層的主要工作是定義端口，標識應用程序身份，實現端口到端口的通信，TCP協議可以保證數據傳輸的可靠性。
（4）應用層
理論上講，有了以上三層協議的支持，數據已經可以從一個主機上的應用程序傳輸到另一臺主機的應用程序了，但此時傳過來的數據是字節流，不能很好的被程序識別，操作性差，因此，應用層定義了各種各樣的協議來規範數據格式，常見的有http,ftp,smtp等，在請求Header中，分別定義了請求數據格式Accept和響應數據格式Content-Type，有了這個規範以後，當對方接收到請求以後就知道該用什麼格式來解析，然後對請求進行處理，最後按照請求方要求的格式將數據返回，請求端接收到響應後，就按照規定的格式進行解讀。 [4]
所以應用層的主要工作就是定義數據格式並按照對應的格式解讀數據
二、TCP報文格式
16位源端口號：16位的源端口中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是標識報文的返回地址。
16位目的端口號：16位的目的端口域定義傳輸的目的。這個端口指明報文接收計算機上的應用程序地址接口。
32位序號：32位的序列號由接收端計算機使用，重新分段的報文成最初形式。當SYN出現，序列碼實際上是初始序列碼（Initial Sequence Number，ISN），而第一個數據字節是ISN+1。這個序列號（序列碼）可用來補償傳輸中的不一致。
32位確認序號：32位的序列號由接收端計算機使用，重組分段的報文成最初形式。如果設置了ACK控制位，這個值表示一個準備接收的包的序列碼。
4位首部長度：4位包括TCP頭大小，指示何處數據開始。
保留（6位）：6位值域，這些位必須是0。爲了將來定義新的用途而保留。
標誌：6位標誌域。表示爲：緊急標誌、有意義的應答標誌、推、重置連接標誌、同步序列號標誌、完成發送數據標誌。按照順序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。
16位窗口大小：用來表示想收到的每個TCP數據段的大小。TCP的流量控制由連接的每一端通過聲明的窗口大小來提供。窗口大小爲字節數，起始於確認序號字段指明的值，這個值是接收端正期望接收的字節。窗口大小是一個16字節字段，因而窗口大小最大爲65535字節。
16位校驗和：16位TCP頭。源機器基於數據內容計算一個數值，收信息機要與源機器數值 結果完全一樣，從而證明數據的有效性。檢驗和覆蓋了整個的TCP報文段：這是一個強制性的字段，一定是由發送端計算和存儲，並由接收端進行驗證的。
16位緊急指針：指向後面是優先數據的字節，在URG標誌設置了時纔有效。如果URG標誌沒有被設置，緊急域作爲填充。加快處理標示爲緊急的數據段。
選項：長度不定，但長度必須爲1個字節。如果沒有選項就表示這個1字節的域等於0。
數據：該TCP協議包負載的數據。
在上述字段中，6位標誌域的各個選項功能如下。
URG：緊急標誌。緊急標誌爲"1"表明該位有效。
ACK：確認標誌。表明確認編號欄有效。大多數情況下該標誌位是置位的。TCP報頭內的確認編號欄內包含的確認編號（w+1）爲下一個預期的序列編號，同時提示遠端系統已經成功接收所有數據。
PSH：推標誌。該標誌置位時，接收端不將該數據進行隊列處理，而是儘可能快地將數據轉由應用處理。在處理Telnet或rlogin等交互模式的連接時，該標誌總是置位的。
RST：復位標誌。用於復位相應的TCP連接。
SYN：同步標誌。表明同步序列編號欄有效。該標誌僅在三次握手建立TCP連接時有效。它提示TCP連接的服務端檢查序列編號，該序列編號爲TCP連接初始端（一般是客戶端）的初始序列編號。在這裏，可以把TCP序列編號看作是一個範圍從0到4，294，967，295的32位計數器。通過TCP連接交換的數據中每一個字節都經過序列編號。在TCP報頭中的序列編號欄包括了TCP分段中第一個字節的序列編號。
FIN：結束標誌。
三、TCP三次握手
所謂三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP連接，就是指建立一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送3個包以確認連接的建立。在socket編程中，這一過程由客戶端執行connect來觸發，整個流程如下圖所示：
TCP三次握手.png
（1）第一次握手：Client將標誌位SYN置爲1，隨機產生一個值seq=J，並將該數據包發送給Server，Client進入SYN_SENT狀態，等待Server確認。
（2）第二次握手：Server收到數據包後由標誌位SYN=1知道Client請求建立連接，Server將標誌位SYN和ACK都置爲1，ack=J+1，隨機產生一個值seq=K，並將該數據包發送給Client以確認連接請求，Server進入SYN_RCVD狀態。
（3）第三次握手：Client收到確認後，檢查ack是否爲J+1，ACK是否爲1，如果正確則將標誌位ACK置爲1，ack=K+1，並將該數據包發送給Server，Server檢查ack是否爲K+1，ACK是否爲1，如果正確則連接建立成功，Client和Server進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，隨後Client與Server之間可以開始傳輸數據了。
簡單來說，就是
1、建立連接時，客戶端發送SYN包（SYN=i）到服務器，並進入到SYN-SEND狀態，等待服務器確認
2、服務器收到SYN包，必須確認客戶的SYN（ack=i+1）,同時自己也發送一個SYN包（SYN=k）,即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN-RECV狀態
3、客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認報ACK（ack=k+1）,此包發送完畢，客戶端和服務器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，客戶端與服務器開始傳送數據。
SYN攻擊：
在三次握手過程中，Server發送SYN-ACK之後，收到Client的ACK之前的TCP連接稱爲半連接（half-open connect），此時Server處於SYN_RCVD狀態，當收到ACK後，Server轉入ESTABLISHED狀態。SYN攻擊就是Client在短時間內僞造大量不存在的IP地址，並向Server不斷地發送SYN包，Server回覆確認包，並等待Client的確認，由於源地址是不存在的，因此，Server需要不斷重發直至超時，這些僞造的SYN包將產時間佔用未連接隊列，導致正常的SYN請求因爲隊列滿而被丟棄，從而引起網絡堵塞甚至系統癱瘓。SYN攻擊時一種典型的DDOS攻擊，檢測SYN攻擊的方式非常簡單，即當Server上有大量半連接狀態且源IP地址是隨機的，則可以斷定遭到SYN攻擊了，使用如下命令可以讓之現行：
#netstat -nap | grep SYN_RECV
四、TCP四次揮手
所謂四次揮手（Four-Way Wavehand）即終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送4個包以確認連接的斷開。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發，整個流程如下圖所示：
TCP四次揮手.png
由於TCP連接時全雙工的，因此，每個方向都必須要單獨進行關閉，這一原則是當一方完成數據發送任務後，發送一個FIN來終止這一方向的連接，收到一個FIN只是意味着這一方向上沒有數據流動了，即不會再收到數據了，但是在這個TCP連接上仍然能夠發送數據，直到這一方向也發送了FIN。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方則執行被動關閉，上圖描述的即是如此。
（1）第一次揮手：Client發送一個FIN，用來關閉Client到Server的數據傳送，Client進入FIN_WAIT_1狀態。
（2）第二次揮手：Server收到FIN後，發送一個ACK給Client，確認序號爲收到序號+1（與SYN相同，一個FIN佔用一個序號），Server進入CLOSE_WAIT狀態。
（3）第三次揮手：Server發送一個FIN，用來關閉Server到Client的數據傳送，Server進入LAST_ACK狀態。
（4）第四次揮手：Client收到FIN後，Client進入TIME_WAIT狀態，接着發送一個ACK給Server，確認序號爲收到序號+1，Server進入CLOSED狀態，完成四次揮手。
爲什麼建立連接是三次握手，而關閉連接卻是四次揮手呢？
這是因爲服務端在LISTEN狀態下，收到建立連接請求的SYN報文後，把ACK和SYN放在一個報文裏發送給客戶端。而關閉連接時，當收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發送數據了但是還能接收數據，己方也未必全部數據都發送給對方了，所以己方可以立即close，也可以發送一些數據給對方後，再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會分開發送。
爲什麼TIME_WAIT狀態需要經過2MSL(最大報文段生存時間)才能返回到CLOSE狀態？
原因有二：
一、保證TCP協議的全雙工連接能夠可靠關閉
二、保證這次連接的重複數據段從網絡中消失
先說第一點，如果Client直接CLOSED了，那麼由於IP協議的不可靠性或者是其它網絡原因，導致Server沒有收到Client最後回覆的ACK。那麼Server就會在超時之後繼續發送FIN，此時由於Client已經CLOSED了，就找不到與重發的FIN對應的連接，最後Server就會收到RST而不是ACK，Server就會以爲是連接錯誤把問題報告給高層。這樣的情況雖然不會造成數據丟失，但是卻導致TCP協議不符合可靠連接的要求。所以，Client不是直接進入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，當再次收到FIN的時候，能夠保證對方收到ACK，最後正確的關閉連接。
再說第二點，如果Client直接CLOSED，然後又再向Server發起一個新連接，我們不能保證這個新連接與剛關閉的連接的端口號是不同的。也就是說有可能新連接和老連接的端口號是相同的。一般來說不會發生什麼問題，但是還是有特殊情況出現：假設新連接和已經關閉的老連接端口號是一樣的，如果前一次連接的某些數據仍然滯留在網絡中，這些延遲數據在建立新連接之後纔到達Server，由於新連接和老連接的端口號是一樣的，又因爲TCP協議判斷不同連接的依據是socket pair，於是，TCP協議就認爲那個延遲的數據是屬於新連接的，這樣就和真正的新連接的數據包發生混淆了。所以TCP連接還要在TIME_WAIT狀態等待2倍MSL，這樣可以保證本次連接的所有數據都從網絡中消失。