1.1.TCP/IP協(xié)議簡介

tcp/ip協(xié)議運行在各種操作系統(tǒng)上的一種網(wǎng)絡通信協(xié)議，各個系統(tǒng)通過實現(xiàn)tcp/ip的相關(guān)協(xié)議，來達到相互之間通信的目的。

1.2.TCP/IP協(xié)議分層細節(jié)

網(wǎng)絡協(xié)議通常都是分層開發(fā)，各個層負責其相對應的任務，TCP/IP協(xié)議也不例外。例如，TCP/IP協(xié)議的鏈路層負責保證局域網(wǎng)內(nèi)的通信，網(wǎng)絡層負責保證跨局域網(wǎng)之間的通信。

具體的分層細節(jié)如下：

鏈路層：有時也稱作數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡接口層，通常包括操作系統(tǒng)中的設備驅(qū)動程序和計算機中對應的網(wǎng)絡接口卡。它們一起處理與電纜（或其他任何傳輸媒介）的物理接口細節(jié)。

網(wǎng)絡層：有時也稱作互聯(lián)網(wǎng)層，處理分組在網(wǎng)絡中的活動，例如分組（分組可以理解為一條在網(wǎng)絡中傳輸?shù)?span id="myb57i7" class="wpcom_tag_link">報文）的選路。在TCP/IP協(xié)議族中，網(wǎng)絡層協(xié)議包括IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議），ICMP協(xié)議（常用的ping程序便是通過這個協(xié)議實現(xiàn)），以及IGMP協(xié)議（負責組播選路轉(zhuǎn)發(fā)的相關(guān)協(xié)議）。

傳輸層：有時也稱作運輸層，運輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信（注意運輸層負責的是應用程序之間的通信，而主機到主機之間的通信由鏈路層與網(wǎng)絡層負責）。

在TCP/IP協(xié)議族中，有兩個互不相同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。

TCP為兩臺主機提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信（TCP提供的服務是可靠的，即只要是TCP承載的協(xié)議報文，除非網(wǎng)絡不通，否則網(wǎng)絡報文必定能正常送達目的主機，這是由于網(wǎng)絡層的IP服務時不可靠的）。它所做的工作包括把應用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡層，確認接收到的分組，設置發(fā)送最后確認分組的超時時鐘等。由于運輸層提供了高可靠性的端到端的通信，因此應用層可以忽略所有這些細節(jié)。而另一方面，UDP則為應用層提供一種非常簡單的服務。它只是把稱作數(shù)據(jù)報的分組從一臺主機發(fā)送到另一臺主機，但并不保證該數(shù)據(jù)報能到達另一端（不具備可靠性，需要通過上層協(xié)議來保證）。任何必需的可靠性必須由應用層來提供。這兩種運輸層協(xié)議分別在不同的應用程序中有不同的用途，這一點將在后面看到。

應用層：應用層負責處理特定的應用程序細節(jié)。幾乎各種不同的TCP/IP實現(xiàn)都會提供下面這些通用的應用程序：

? Telnet 遠程登錄。

? FTP 文件傳輸協(xié)議。

? SMTP 簡單郵件傳送協(xié)議。

? SNMP 簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議。

我們可以簡單地將鏈路層、網(wǎng)絡層與傳輸層這三層的協(xié)議的作用，統(tǒng)一理解成為了將報文成功送達目標主機對應的目的程序。而應用層的數(shù)據(jù)才是報文中真正承載的用戶數(shù)據(jù)，即我們應用程序之間通信的真正數(shù)據(jù)。例如我們微信、QQ這些聊天軟件發(fā)出去的聊天信息就是承載在應用層的數(shù)據(jù)包中。

1.3.TCP/IP協(xié)議分層圖

1-1

TCP與UDP是最為著名的運輸層協(xié)議，這兩種協(xié)議都以IP協(xié)議作為其網(wǎng)絡層協(xié)議。當前互聯(lián)網(wǎng)中的絕大多數(shù)應用層協(xié)議都是承載在這兩種運輸層協(xié)議之上。

TCP協(xié)議是可靠的，雖然使用的是不可靠的IP服務，但其特殊的機制使得其提供的服務時可靠的，如報文確認機制、超時重傳機制等。TELNET、FTP、SMTP等著名協(xié)議所使用的運輸層協(xié)議就是TCP協(xié)議。

UDP協(xié)議是不可靠的，僅為應用程序提供發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的服務。其可靠性需要通過應用層協(xié)議來保證。DNS、TFTP、SNMP等著名協(xié)議所使用的的運輸層協(xié)議就是UDP協(xié)議。

IP 是網(wǎng)絡層上的主要協(xié)議，也是為TCP、UDP協(xié)議提供網(wǎng)絡層服務的協(xié)議。在數(shù)據(jù)包到達目的主機之前，跨局域網(wǎng)之間的網(wǎng)絡選路都由IP協(xié)議來提供。

ICMP是IP 協(xié)議的附屬協(xié)議，其也是屬于網(wǎng)絡層協(xié)議。從報文上觀察時，很容易將其誤認為是運輸層協(xié)議，但實際上是屬于網(wǎng)絡層協(xié)議。主要作用是在各個網(wǎng)絡主機與路由器之間交換網(wǎng)絡錯誤消息和其他的一些狀態(tài)信息。

IGMP是負責組播轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡層協(xié)議。主要負責組播報文（報文有單播、組播與廣播三種）在路由器上的選路轉(zhuǎn)發(fā)。

ARP與RARP是屬于鏈路層協(xié)議，有時也認為是2.5層協(xié)議。其主要負責的是鏈路層的地址（以太網(wǎng)即MAC地址）與網(wǎng)絡層地址（TCP/IP協(xié)議即IP地址）之間的相互轉(zhuǎn)換。

1.4.互聯(lián)網(wǎng)的IP地址

互聯(lián)網(wǎng)上每個接口都具備一個或多個ip地址來標識該網(wǎng)絡接口。IP地址具有一定的結(jié)構(gòu)，5類不同的ip地址格式如圖1-2：

1-2

如上所述，有3類報文，分別是單播報文、組播報文與廣播報文，對應的有3類ip地址，即單播地址，組播地址和廣播地址。這32位地址通常用點分十進制的格式來描述，如C類地址 192.168.225.2。各類地址的IP范圍如圖1-3：

1-3

1.5.域名系統(tǒng)

雖然通過IP地址唯一標識一個接口可以順利的找到該網(wǎng)絡接口，進而訪問該主機，但是網(wǎng)絡接口的32位ip地址（甚至ipv6的128位地址）實在不好記。我們更希望一個主機能直接用一個主機名來描述，這樣才能讓使用者更加方便。因此，在TCP/IP領(lǐng)域中，存在一個域名系統(tǒng)，提供主機名與ip地址之間的相互查詢服務，即大名鼎鼎的DNS。

1.6.報文封裝

當我們數(shù)據(jù)要通過TCP協(xié)議來傳輸時，系統(tǒng)會將我們的數(shù)據(jù)做一層層的封裝，先加上運輸層TCP/UDP協(xié)議的頭部信息，再加上網(wǎng)絡層IP協(xié)議的頭部，接著加上鏈路層協(xié)議的頭部，最后從指定的端口發(fā)出。其中TCP傳給IP的數(shù)據(jù)單元稱作TCP報文段或簡稱為TCP段（TCP segment）。IP傳給網(wǎng)絡接口層的數(shù)據(jù)單元稱作IP數(shù)據(jù)報(IP datagram)。通過以太網(wǎng)傳輸?shù)谋忍亓鞣Q作幀(Frame)。

報文若是通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸，那么其數(shù)據(jù)幀大小是有限制的，即其幀長必須在46-1500字節(jié)（數(shù)據(jù)由相關(guān)計算得來，主要與傳輸延時相關(guān)）之間。

TCP報文封裝示意圖如圖1-4，UDP報文封裝與TCP報文封裝幾乎一致，UDP報文封裝將TCP首部換成UDP首部即可，且UDP首部長為8字節(jié)：

1-4

各個層的協(xié)議都有多種，因此承載各個協(xié)議的分層負責標識下一層所承載的相關(guān)協(xié)議。具體來說，以太網(wǎng)首部后面可能跟ARP/RARP/VXLAN/MPLS/IP等協(xié)議，因此以太網(wǎng)首部包含一個16位的幀類型字段，用來標識后面分層所承載的協(xié)議；相似的有IP層包含一個8位的協(xié)議域字段，用來標識后面分層所承載的是ICMP/IGMP/TCP/UDP等協(xié)議；相似的還有TCP/UDP首部包含16位端口號，來標識該報文所屬的應用程序。

1.7.分用

當目的主機收到一個報文時，程序就開始一層層的解析，一層層地剝?nèi)ジ鱾€首部，然后找到最終的應用程序，將真正的用戶數(shù)據(jù)傳給相對應的程序處理。具體如圖1-5：

1-5

從這個架構(gòu)圖上觀察，會發(fā)現(xiàn)ICMP與IGMP協(xié)議是在IP層上，貌似與TCP/UDP屬于同一層，但實際上如上文所述，其實是屬于IP協(xié)議的附屬協(xié)議。ARP與RARP有同樣的問題存在。這只能歸結(jié)為一個問題，即分層協(xié)議設計的并不完美。

1.8.客戶-服務器模型

絕大部分的應用程序所使用的網(wǎng)絡模型都是客戶服務器模型，客戶通過向服務器發(fā)送請求，接著服務器應答客戶請求的方式，來完成客戶與服務器之間的交互。

這種交互模型實現(xiàn)又分為兩類，重復型與并發(fā)型。

重復型通過以下步驟提供服務：

并發(fā)型通過以下步驟提供服務：

并發(fā)服務器相比于重復型服務器的優(yōu)勢在于，多任務系統(tǒng)上時可以支持同時處理多個用戶請求。

1.9.常見的tcp/udp服務

若想知道哪些服務是使用tcp/udp承載實現(xiàn)的，那么可以在linux系統(tǒng)下，運行g(shù)rep tcp/udp /etc/services，正常情況下就會羅列出相應的服務，可以發(fā)現(xiàn)有些服務在tcp和udp上都有實現(xiàn)。

圖1-6是我在linux系統(tǒng)下運行查詢到的部分截圖：

1-6

可以看到snmp協(xié)議也有承載在tcp協(xié)議上的實現(xiàn)，而上文曾提到snmp協(xié)議是屬于udp協(xié)議上的實現(xiàn)，因此snmp協(xié)議在udp和tcp協(xié)議上都有實現(xiàn)，可通過grep snmp /etc/services命令驗證，如圖1-7：

1-7

可以發(fā)現(xiàn)二者的端口號不同。

1.10.應用編程接口

使用TCP/IP協(xié)議的應用程序通常采用兩種網(wǎng)絡編程接口，分別是socket和TLI。目前我們更常用的接口是socket接口。網(wǎng)絡編程的socket接口，后續(xù)會另開章節(jié)補充。