网络传输之TCP/IP协议族

我们现实网络无处不在，我们被庞大的虚拟网络包围，但我们却对它是怎样把我们的信息传递并实现通信的，我们并没有了解过，那么当我们在浏览器中出入一段地址，按下回车这背后都会发生什么？
比如说一般场景下，客户机和服务器不在一个局域网，输入的是一个域名而不是IP地址。那么当按下回车后，首先浏览器会通过DNS解析找到我们对应的IP地址，将http报文发送给目标IP地址对应的服务器，之后服务器做出响应，将请求的资源发送给浏览器。
TIP/IP在这当中扮演着重要的作用。

TCP/IP历史

在计算机发展的早期阶段，很多不同的厂商生产各种不同的计算型号，他们运行完全不同的操作系统，为了让他们之间能够相互通信，TCP/IP协议族诞生了。

那么为什么我们叫它协议族呢？ 因为实际上TCP/IP是一组不同层次上的多个协议的组合。
那么协议组合是什么？——TCP/IP模型

TCP/IP模型

TCP/IP模型是一个四层结构，从上往下依次是应用层，运输层（传输层），网络层，网络接口层（数据链路层）。
通过开头我们输入一个url的例子，自上而下进行介绍TIP/IP参考模型

应用层

为用户提供各种服务，比如我们浏览网页时用到的HTTP，收发邮件时用的SMTP，登录远程主机用的SSH或者FTP协议，DNS等协议。
假设我们对 www.xxx.com发送请求

• 浏览器看到这个域名的时候，就好像去一家从没去过的餐厅吃饭，只知道餐厅名字，却不知道具体地址，域名就像是一个餐厅的名字，而IP地址相当于一个具体的地址。
  浏览器必须知道要请求服务器的IP地址，发出的请求才有目的地。DNS可以将IP转换成地址。
• http 会生成报文 ，这个请求里面包含了请求的方法，请求的路径“/”，请求的主机名，客户机的类型以及一些其他的信息。

传输层

传输层位于应用层下层，网络借口层的上层，主要有TCP和UDP两种协议。
UDP是用户数据报协议，不关心是否收到，不需要建立连接就可以通信，传输效率高，比如说微信。
而TCP是一种可靠的面向连接的协议，就是在交互数据前先建立一个TCP连接，如同打电话，首先要拨号，然后等待对方响应后才能彼此交流
TCP提供全双工服务，即数据可在同一时间双向传播
TCP将若干个字节构成一个分组，此分组称为报文段(Segment)

TCP连接的建立过程如下图所示。

• 三次握手
  • 主机A通过一个标识为SYN标识位的数据段发送给主机B请求连接，告诉主机B“我想和你创建一条TCP连接”。
  • 当主机B收到SYN请求后，如果其所请求的端口号正在等待连接，则会为这一条TCP连接分配资源，并主机A发送确认应答ACK和同步序列号SYNC标志位的数据段来响应主机。
  • 主机A确认收到了主机B的数据段并可以开始传输实际数据。
• 四次挥手
  • 主机A发送FIN控制位发出断开连接的请求 。
  • 主机B进行响应，确认收到断开连接请求。
  • 主机B发送FIN控制,随后关闭了连接。
  • 主机A收到之后，又向主机B回复一个ACK应答。过了一段计时等待，主机A也关闭了连接，释放资源。这一段计时等待的时间是为了主机B重传最后的ACK防止其丢失。

网络层

在这一层中主要是 IP 协议处理数据传输。用于把数据从源主机经过若干个中间节点传送到目标主机，并向传输层提供最基础的数据传输服务。

在网络中，每台计算机都有一个唯一的地址，方便别人找到它，这个地址称为IP地址。

IP协议处理过的数据拥有自己的名字：IP数据报，让我们从下图来了解一下IP数据报的格式：

• 版本
  • 一个4位二进制数的标识，用来标识IP协议的版本，目前大部分的协议版本号为4，因此IP有时也称为IPv4。
• 首部长部
• 优先级与服务类型
• 总长度
  • 该字段用以指示整个IP数据包的长度，最长为65535字节，包括头和数据
    标识符
  • 唯一标识主机发送的每一份数据报
• 标志
  • 分为3个字段，依次为保留位、不分片位和更多片位，保留位：一般被置为0
    不分片位：表示该数据报是否被分片，如果被置为1，则不能对数据报进行分片，如果要对其进行分片处理，就应将其置为0
    更多片位：除了最后一个分片，其他每个组成数据报的片都要将该位置设置为1.
• 段偏移量
  • 该分片相对于原始数据报开始处位置的偏移量
• TTL(Time to Live生存时间)
  • 该字段用于表示IP数据包的生命周期，可以防止一个数据包在网络中无限循环地发下去。TTL的意思是一个数据包在被丢弃之前在网络中的最大周转时间。该数据包经过的每一个路由器都会检查该字段中的值，当TTL的值为0时此数据包会被丢弃。TTL对应于一个数据包通过路由器的数目，一个数据包每经过一个路由器，TTL将减去1。
• 协议号
  • 用以指示IP数据包中封装的是哪个协议
• 首部校验和
  • 检验和是16位的错误检测字段。目的主机和网络中的每个网关都要重新计算报头的校验和，一样表示没有改动过。
• 源IP地址
  • 该字段用于表示数据包的源地址，指的是发送该数据包的设备的网络地址
• 目标IP地址
  • 该字段用于表示数据包的目标的地址，指的是接收节点的网络地址

数据链路层

在这一层中，上层传来的数据经过协议处理后的一份数据，我们称之为一帧(Frame)
在链路层中的地址指的的是计算机中网卡的硬件地址，即mac地址。我们知道，每一个网卡在出厂时，其内部都存有一个全世界独一无二的硬件标识，称为mac地址，它是的长度为6个字节。在网络中，两个计算机之间的通信实际上就是计算机中的两张网卡之间的通信。如果没有mac地址，就无法得知通信的具体位置，因此获取mac地址是计算机通信的基础保障。

但是实际上，计算机程序在发送连接请求时，一般只知道目的主机的IP地址，那么mac地址是如何获取的呢？这就要靠ARP协议来实现。

ARP协议（地址解析协议）可以看做是链路层的一个协议，它的作用是为IP地址与对应的mac地址之间提供动态的映射，这个过程是自动完成的，因此无需用户或管理员关心。ARP协议将IP映射为mac地址的过程大致如下：

如果目的主机与源主机位于同一网段，那么ARP协议会向本网段发送一个广播，网段中的所有主机都会受到一条消息，这条消息询问哪台主机的IP地址与目的主机地址相同。当目的主机接受到这条消息，就做出应答，将自己的mac地址发送过去。其他主机则将这条消息忽略。

如果目的主机与源主机位于不同网段，那么ARP协议会将消息发送给本地的路由，路由经过IP寻址找到目的主机所在网段的路由，再由目的路由将消息广播出去，获得目的主机响应后再返回给源主机。

一般来说, 每台机器都维护的有一个ARP缓存表, 存储了近期的IP地址和硬件地址的映射关系, 可以用 arp -a 命令来查看缓存表中内容。

总结

事实上当我们http访问一个地址的时候，从应用层开始向下传递，没经过一层，该层的协议会把上层传递的数据在这个基础上加一个首部，该首部包含了该层协议管理的信息，比如说网络层会打包IP信息，数据链路层打包mac地址。
通过这种层层打包的方式，最后由物理层传递出去，再有路由器，代理服务器等设备，交给目标计算机。
目标计算机得到传递过来的数据后，从物理层向上传递，每一层会将该层对应协议负责的首部摘除后再传给上层。最后抵达应用层对应的某个应用程序。