TCP/IP协议

1.前言

互联网的核心是一系列的协议，也就是我们口中所说的“TCP-IP协议”。记住，TCP-IP协议不是指TCP传输协议或者IP地址，而是一系列互联网协议的统称。

一、TCP/IP和OSI模型

网络业界针对网络协议体系有一个标准的七层模型，称为“开放系统互连（OSI）”模型，这是ISO（国际标准化组织）为了标准化网络协议系统所做出的规范，旨在提高网络互连性，并且方便软件开发人员以一种开放方式来使用协议标准。
当OSI标准体系出现的时候，TCP/IP已经处于开发之中。严格来说，TCP/IP没有遵守OSI模型，然而这两种模型的确有非常类似的目标。如下图所示：

图1

可以看出，互联网的实现，分为了若干层，每一层都有自己的实现。 在这个模型中，每个分层都接收由它下一层所提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定服务，它们所遵循的约定就叫做“协议”。
在这里，我们只讨论TCP/IP协议。在TCPIP模型中，从下到上分别是：

• 物理层——负责数据传输，相当于以太网或者电话线路等物理设备；
• 数据链路层——相当于电脑设备的网卡以及驱动程序，管理物理地址（MAC）；
• 网络层——负责逻辑地址以及路由分发，包括IP、ICMP、ARP、RARP等协议；
• 传输层——能够让应用程序之间实现通信，典型协议为TCP、UDP；
• 应用层——跟具体用户应用相关，包括HTTP、FTP、SSH等等；

对于普通大众来说，我们接触到的一般都是最上面一层，也就是应用层，不需要感知应用层以下的层。但是对于开发人员来说，要理解网络编程，必须从最底下一层开始，理解每层的作用。

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它们会涉及到一个数据组装和拆装的过程，发起方组装数据，接收方拆装数据并响应请求。如下图所示：

图3
上图中每一层都可以抽象为首部+数据的结构，从下到上包括以太网首部、IP首部、TCP首部、HTTP首部（图中并没有，但是从Http协议构成中也可以抽象出来）。每层首部包括各种信息，用于整个通信过程的数据组装和解析，这也是TCPIP协议的重点。

接下来，按照从底层到上层简要分析各层协议以及作用。

二、协议分层

按照TCPIP协议划分，可分为4层或者5层，5层划分为：

• 物理层
• 数据链路层
• 网络层
• 传输层
• 应用层

通常也习惯把物理层和数据链路层统称为数据链路层。

2.1 物理层

电脑要想上网，第一件事情就是要把电脑通过网线连上家中路由。而网线就是介质的一种，还包括无线电波、电话线、双绞线等方式。

物理层，理解起来很简单，就是把电脑连起来的物理手段，负责传输0和1的电信号。根据物理介质的不同，网络的带宽、可靠性、安全性、延迟等都会有所不同，导致传输速度的不同，这是需要关注的一个点。

2.2 数据链路层

物理层只是单纯传输0和1电信号，这是没有任何实质意义的，必须有人把这些无意义的电信号转化成有效的数据格式，这就是解读方式：多少个电信号组成一组？每个信号位代表什么意思？

这就是数据链路层的功能，在物理层的上一层，确定了0和1的分组方式。数据链路层中最重要的就是我们经常所说的网卡以及其驱动程序。网卡是硬件，驱动程序是在操作系统和硬件之间起到桥梁作用的软件（经常我们重装电脑都会说安装驱动程序，其中就包括了网卡驱动程序）。

数据链路层中最重要的几个概念：

• 以太网协议
• MAC地址
• 广播

2.2.1 以太网协议

以太网规定，一组电信号构成一个整个数据，叫做“数据帧”（Frame）。每帧包括三个部分：

• Head 帧头
• Date 帧数据
• Tial 帧尾

图5
图6

• 帧头，包含数据帧的说明项，包括发送者MAC地址、接收者MAC地址、数据类型等；固定长度为14字节；
• 数据帧，就是数据包的具体内容，最短为46字节（像ARP、RARP这些网际层协议就需要填充字节以达到46字节的限制），最长为1500字节；
• 帧尾，一个4字节的CRC冗余校验码结尾，用于判断数据传输是否出现损坏；

所以，总结一下，整个“帧”最短长度为64字节（14+46+4），最大长度为1518字节（14+1500+4）。如果数据很长，就必须分割成多个数据帧发送。
注：

• 以上数据帧格式是针对以太网II来说明，这是相对比较通用的，当然还有其他版本的以太网帧，但是基本上都是大同小异。

2.2.2 MAC地址

上面说到，以太网帧的帧头包括了发送者和接收者的地址信息。那么，我们如何才能确保在数亿数量电脑中有自己的地址标识呢？
以太网规定，接入网络的设备，都必须有网卡。数据包发送必须是从一张网卡传送到另一张网卡。而网卡的地址，就是以太网帧的发送地址和接收地址，也就是MAC地址，也成为物理地址（类比于我们身份证上的家庭地址）。

图7
网卡地址在工厂生产阶段就被固化到硬件设备中去，全球唯一。
前6个十六进制数是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。

2.2.4 广播

一个广州的网卡怎么知道北京网卡的MAC地址呢？这就需要通过ARP协议来获得，这是从IP得到MAC地址的协议，暂且不讲。这里只需要，通过ARP协议，我们可以知道北京网卡的MAC地址，这就足够了。

有了MAC地址之后，系统如何把数据发送到接收方呢？

发送数据不是点对点精准发送，而是采取广播的方式，向本网络内所有计算机发送，每台计算机都有机会接收到数据帧以及解析数据帧，判断目的MAC地址是否与自己的网卡地址相同，同就是接收方，不同则忽略该数据帧。

有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。

注：

• 肯定会疑惑，广播方式在大数量级计算机集群中是否会泛滥？答案是肯定的，所以才有了后续的优化，比如交换机网络端口可以记录端口以及IP、MAC地址的对应方式，做到更加精准的广播。

2.3 网际层

上面说到，以太网帧依靠MAC地址发送数据。但是MAC地址并没有涉及到分层的概念，如果采用广播的方式发送数据帧，在一个庞大的网络体系中，每台计算机都会收到该帧，这是严重不合理的。为了区分计算机地址问题，这就引入了“网际层”的概念。

网际层的引入，每台计算机都会有两个地址，一个物理MAC地址，一个逻辑IP地址。两种地址没有任何强关联关系，MAC地址属于内置网卡内，IP地址属于网络管理员分配的。逻辑地址帮助我们分层了子网络，比如北京和广州的子网络，MAC地址则是将数据包送到该子网络的网卡。所以，为了更有效处理数据，一般都是先处理逻辑地址，再处理物理地址。

网际层中，有几个比较重要的协议：

• IP
• ARP
• ICMP

2.3.1 IP地址
根据IP协议定义的地址叫做IP地址，目前大众版本都是IPv4。经常我们看到的 192.168.xx.xx就是所说的IP地址，获取我们可以通过网络适配器可以看到。