网络：TCP/IP概述

悠悠 2022-10-05 06:48 181阅读 0赞

> 不同型号的计算机运行着完全不同的操作系统，但是TCP/IP协议族允许它们相互进行通信。TCP/IP是Internet的基础。

# 分层 #

网络协议通常分为不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族，比如TCP/IP，是一组不同层次上的多个协议组合。TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统。如图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
每一层负责不同的功能：

*  链路层：
    
     *  也叫做网络接口层、数据链路层。
     *  通常包括操作系统中的设备驱动程序或者计算机对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节
     *  TCP/IP并没有严格定义该层，它只是要求能够提供给其上层------网络层一个访问接口，以便在其上传递IP分组。
     *  由于这一层未被严格定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。以太网是数据链路层最常见的形式，除此之外还有PPP、HDLC等。
     *  10Gbit/s以下的以太网一般应用于局域网，而PPP、HDLC则应用于广域网范围内居多
 *  网络层：
    
     *  也叫做IP层，它负责处理机器间的通信(分组在网络中的活动)
     *  IP是一个不可靠的、无连接协议，它接收来自传输层的请求，传输某个具有目的地址信息的分组。该层把分组封装到IP数据报中，填入数据报的首部(也称为报头)，使用路由算法来选择是吧数据报发送到目标机还是路由器，然后把数据报交给下面的网络接口层中对应网络接口模型。IP负责给互联网的每一台计算机或者终端分配一个地址，并将信息以IP包的形式传输到正确目的地。这是TCP/IP的核心。IP协议族最关键的是路由协议
     *  在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议，用来传输IP的控制信息。常见应用是ping和tracerouter），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。
 *  运输层：主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。主要包括：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）
    
     *  TCP为可靠的、面向连接和字节流的传输层服务。
        
         *  TCP是面向连接的技术。也就是说，基于TCP的两台主机，在通信之前必须要先建立信息交互(IP协议没有这种交互)，主机之间的设备和线路，只负责处理下三层(物理层、链路层、网络层)的工作
         *  TCP负责发送传输过程中的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全、正确的到达目的地。
         *  IP 与TCP协议关系：IP相当于车辆，负责运输数据包(包括怎么打包、怎么走等)；TCP相当于两台主机上的管理者，它们尽可能的使用各种手段来保证数据包安全的运送。一旦B机管理者发现有问题，就要求A地重新发送，这一“要求”也是通过IP包发送过去的。
         *  TCP为了保证信息的可靠传输，动用了不少手段，包括数据分块、维护定时器、发送确认、校验和计算、丢弃重复数据、流量控制等。
         *  TCP是一种面向字节流的服务，它并不知道自己传输的是二进制数据，ASCII字节还是其他什么。连接双方的应用程序负责对传输的数据进行解释
     *  UDP为应用层提供了一种非常简单的服务。它只是把称为数据报的分组从一台主句发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供
 *  应用层：负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的 T C P / I P实现都会提供下面这些通用的应用程序：
    
     *  Telnet 远程登录。
     *  FTP 文件传输协议。
     *  SMTP 简单邮件传送协议。
     *  SNMP 简单网络管理协议。

假设在一个局域网(LAN)如以太网中有两台主机，二者都运行FTP协议，如下列出了该过程所涉及到的所有协议  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
上图可以看出：

*  这是一个CS模式。大多数的网络应用程序都被设计成客户—服务器模式。服务器为客户提供某种服务，在本例中就是访问服务器所在主机上的文件。在远程登录应用程序 Telnet中，为客户提供的服务是登录到服务器主机上。
 *  **应用程序通常是一个用户进程，而下三层一般在(OS)内核中运行**。尽管这不是必需的，但通常都是这样处理的，例如 U N I X操作系统
 *  顶层与下三层另一个不同是：应用层关心的是应用程序的细节，而不是数据在网络中的传输活动。下三层对应用程序一无所知，但它们要处理所有的通信细节。
 *  FTP是应用层协议，TCP是运输层协议，IP是网络层协议，以太网是链路层协议。TCP/IP协议族是一组不同的协议组合在一起构成的协议族。尽管通常称该协议族为TCP/IP，但TCP/IP和IP只是其中的两种协议而已

> 网络层和运输层的标明区别并不明显，为什么要把它们划分为不同的层次呢？

为了理解这一点，我们必须把视野从单个网络扩展到一组网络。

互连网是一组通过协议族互联在一起的网络。构成互连网最简单的方法是将两个或者多个网络通过路由器进行连接。它是一种特殊的用于网络互连的硬件盒。路由器的好处是为不同类型的物理网络提供连接：以太网、令牌环网、点对点连接、FDDI（光纤分布式数据接口）等等

> 这些盒子也称作I P路由器（IP Router），但我们这里使用路由器( Router)这个术语。从历史上说，这些盒子称作网关（ gateway），在很多TCP/IP文献中都使用这个术语。现在网关这个术语只用来表示应用层网关：一个连接两种不同协议族的进程（例如，TCP/IP和IBM的SNA），它为某个特定的应用程序服务（常常是电子邮件或文件传输）。

下图是一个包含两个网络的互联网：一个以太网和一个令牌环网，通过一个路由器互相连接。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
上图中，我们可以划分端系统(end system)（两边的两台主机）和中间系统(Intermediate system)（中间的路由器）。应用层和运输层使用段堆段(end-to-end)协议，而网络层使用的是逐跳（hop-by-hop）协议

在TCP/IP协议族中，网络层IP提供一种不可靠的服务。也就是说，它只是尽可能快地把分组从源节点送到目的结点，但是并不提供任何可靠性保证。另一方面，TCP在不可靠的IP层提供来了一个可靠的运输层。为了提供这种可靠的服务，TCP采用了超时重传、发送端和接收端到端的确认分组等机制。由此可见，**运输层和网络层分别提供不同的功能**。

从定义上看，一个路由器具有两个或多个网络接口层（因为它连接了两个或多个网络）。一个主机也可以有多个接口，但一般不称作路由器 , 除非它的功能只是单纯地把分组从一个接口传送到另一个接口。

连接网络的另一个途径是使用网桥。网桥是在链路层上对网络进行互联，而路由器则是在网络层上对网络进行互联。网桥使得多个局域网组合在一起，这样对上层来说就是一个局域网。

TCP /IP倾向于使用路由器而不是网桥来连接网络

# TCP/IP的分层 #

在TCP/IP协议族中，有很多种协议。

*  TCP/UDP是两种最著名的运输层协议，二者都使用网络层作为协议。虽然TCP使用不可靠的IP服务，但它提供一种可靠的运输层服务
 *  IP是网络层上的主要协议，同时被TCP和UDP使用。
    
     *  TCP和UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器的IP层在互联网中进行传输。
     *  IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都以IP数据报格式传输。
     *  下图我们给出了一个直接访问I P的应用程序。这是很少见的，但也是可能的（一些较老的选路协议就是以这种方式来实现的。当然新的运输层协议也有可能使用这种方式）
     *  IP提供一个不可靠、无连接的数据报传送服务：
        
         *  不可靠的意思是它不能保证IP数据报能够成功的到达目的地。IP仅提供最好的传输服务。如果发送某种错误时，如果某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据，然后发送ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供(比如TCP)
         *  无连接指的是IP并不维护任何关于后继数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。也即IP数据报可以不按照发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的的数据报（先是 A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此 B可能在A到达之前先到达。
 *  ICMP是IP协议的附属协议。IP层用它来与其他主机或者路由器交换错误报文和其他重要信息。ping和traceroute，它们都使用了ICMP协议
 *  IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。
 *  ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议）是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议，用来转换 I P层和网络接口层使用的地址。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# 互联网的地址 #

互联网上的每个接口必须有一个唯一的Internet地址(也叫做[IP地址][IP])

多接口主机具有多个IP地址，其中每个接口都对应一个IP地址。

由于互联网上的每个接口必须有一个唯一的IP地址，因此必须要有一个管理机构为接入互联网的网络分配IP地址。这个管理机构就是互联网网络信息中心，称作InterNIC(Internet Network Information Center)。InterNIC只分配网络号。主机号的分配由系统管理员来负责。

有三类I P地址：单播地址（目的为单个主机）、广播地址（目的端为给定网络上的所有主机）以及多播地址（目的端为同一组内的所有主机）。

# 域名系统 #

尽管通过IP地址可以识别主机上的网络接口，进而访问主机，但是人们最喜欢使用的还  
是主机名。在TCP/IP中，域名系统(DNS)是一个分布式数据库，由它来提供IP地址和主机名之间的映射信息

任何应用程序都可以调用一个标准的库函数来查看给定名字的主机的IP地址。类似地，系统还提供一个逆函数—给定主机的I P地址，查看它所对应的主机名。

# 包 #

包(Packet)是网络上传输的数据片段，也叫做分组。包是一种统称，在不同的协议不同的层次，包有不同的名字。比如TCP/IP中，数据链路层的包叫做帧，IP层的包叫做IP数据报、TCP层的包叫做TCP报文。

大部分包都由包头和信息组成：包头常常包括源地址和目的地址、包长度和类型指示符等；信息部分可以是原始数据，也可以包含另一个包。

# 封装 #

不同设备对等层之间通过封装和解封装来实现相互间的通信。

TCP/IP是一种计算机数据打包和寻址的标准方法。在通信过程中，TCP/IP每一层都让数据得以通过网络进行传输，这些层之间使用协议数据单元PDU彼此交换信息，确保网络设备之间能够通信。不同层的PDU中包含有不同的信息，因此PDU在不同层被赋予了不同的名称：传输层在上层数据中加入TCP报头后得到的PDU被称为数据段(segment)；数据段被传输给网络层，网络层添加IP报头得到的PDU叫做数据包(packet)，数据层到链路层之后，封装链路层报头得到的PDU叫做数据帧(frame)；最后，帧被转换为比特，通过网络介质传输。这种协议栈向下传递数据，并添加报头和报尾的过程称为**封装**。数据被封装并通过网络传输后，接收设备将删除添加的信息，并根据报头中的信息决定如何将数据沿协议栈上传到合适的应用程序，这个过程叫做**解封装**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
封装的关键在于低层会将从高层低层会将从高层向低层传递的信息（如应用程序数据、TCP 段、IP 数据报）当初不透明的数据来处理。换句话说，它们不会尝试对高层发送过来的信息进行解析，而只会将这些信息放到低层所使用的包中并在将这个包向下传递到低层之前添加自身这一层的头信息。当数据从低层传递到高层时将会进行一个逆向的解包过程

# 分用 #

当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就从协议栈中由底向上升，同时去掉各个协议加上的报文首部。每组协议盒都要去检测报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用，过程如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

# 端口号 #

TCP/UDP是用端口号来识别应用程序。那么这些端口号是如何选择的呢？

服务器一般都是通过知名端口号来识别的。比如，对于每个TCP/IP实现来说，FTP服务器的TCP端口号都是21，每个Telnet服务器的TCP端口号都是2 3，每个TFTP (简单文件传送协）服务器的U D P端口号都是6 9。任何TCP/IP实现所提供的服务都用知名的1-1023之间的断开号。这些知名端口号由Internet 号分配机构管理

客户端通常会它所使用的的端口号并不关心，只需要保证该端口号在本机上唯一即可。客户端端口号又叫做**临时端口号**(即存在时间很短)。

大多数TCP/IP实现给临时端口分配1024-5000之间的端口号。大于5000的端口号是为其他服务器预留的(Internet 上并不常用的服务器)

Solaris 2.2是一个很有名的例外。通常TCP和UDP的缺省临时端口号从32768开始。

大多数Unix系统的文件/ect/services都包含了任何熟知的端口号，为了找到Telnet服务和域名系统的端口号，可以运行如下语句：

$ grep telnet /etc/services 
    telnet          23/tcp		# 它使用TCP端口号23
    $ grep domain /etc/services 
    domain          53/tcp       # 它使用UDP端口号53和TCP端口号53
    domain          53/udp

Unix系统有**保留端口号**的概念。只有具有超级用户权限的进程才允许给它自己分配一个保留端口号。这些端口号介于 1～1023之间，一些应用程序（如Rlogin）将它作为客户与服务器之间身份认证的一部分。

# 标准的简单服务 #

有一些标准的简单服务几乎每种实现都要提供。如下图  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
从上图可以看出，当使用TCP和UDP提供相同的服务时，一般选择相同的端口号

# 应用编程接口 #

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用两种应用接口(API)：socket和TLI(运输层接口)。前者有时称作“Berkeley socket”，表明它是从伯克利版发展而来的。后者起初是由 AT&T开发的，有时称作 XTI（X/Open运输层接口），以承认X/Open这个自己定义标准的国际计算机生产商所做的工作。 XTL实际上是TLI的一个超集。

# 总结 #

TCP/IP协议可以分为四层：链路层、网络层、运输层、应用层，每一层都有不同的责任。在TCP/IP中，网络层和运输层之间的区别是最大的，网络层(IP)提供点到点的服务，运输层(TCP/IP)提供端到端的服务

一个互联网是网络的网络，构造互联网的共同基石是路由器，它们在IP层把网络连在一起。

在一个互联网上，每个接口都使用IP地址来标识，尽管用户习惯使用主机名而不是 I P地址。域名系统为主机名和 I P地址之间提供动态的映射。端口号用来标识互相通信的应用程序。服务器使用知名端口号，而客户使用临时设定的端口号。

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