TCP/IP协议简述

港控/mmm° 2024-04-17 22:01 1阅读 0赞

TCP/IP 协议栈是一系列网络协议的总和，是构成网络通信的核心骨架，它定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间进行传输。TCP/IP 协议采用4层结构，分别是应用层、传输层、网络层和链路层，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。由于我们大部分时间都工作在应用层，下层的事情不用我们操心；其次网络协议体系本身就很复杂庞大，入门门槛高，因此很难搞清楚TCP/IP的工作原理，通俗一点讲就是，一个主机的数据要经过哪些过程才能发送到对方的主机上。

## 什么是TCP/IP ##

如果要了解一个人，可以从他归属的集体聊起来。我们的HTTP协议就属于TCP/IP协议家族中的一员，了解HTTP协议再整个网络流程中的地位，也能更加充分的理解HTTP协议。

要想了解什么是TCP/IP协议，就要知道为什么有这个协议。中国人和中国人说话，要遵循汉语的的语法结构，使用汉语的发音。当我们和外国人交流时，就要适用外国的语言了，遵循外国的语法机构和发音。其实这就是一种协议，只不过我们称之为语言。计算机再这方面体现的更为直观，两台机器之间该如何通信呢，就需要制定各种各样的协议了。例如：文件传输适用TCP协议。域名系统适用DNS协议。有了些协议的存在，各种数据流按照规则传输，计算机之间得意通信。

TCP/IP协议是一个协议集合。大家叫的时候方便说，所以统称为TCP/IP。TCP/IP协议族中有一个重要的概念是分层，TCP/IP协议按照层次分为以下四层。应用层、传输层、网络层、数据链路层。为什么要分层？这就如同邓小平1978年的大包干，责任到人。一个层只负责一个层次的问题，如果出问题了，和其他的层次无关，只要维护这个层次也就好了。其实编程语言里也能体现这个分层理论，即封转性、隔离。这里不再延伸细谈。

**TCP/IP协议分层**

![在这里插入图片描述][2019090122355047.png]  
TCP/IP协议族按照层次由上到下，层层包装。

**应用层:**  
向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。

**传输层:**  
提供应用程序间的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送。

**网络层 ：**  
负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三方面。

一、处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。  
二、处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径–假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。  
三、处理路径、流控、拥塞等问题。

**网络接口层：**  
这是TCP/IP软件的最低层，负责接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。

## 物理介质 ##

物理介质就是把电脑连接起来的物理手段，常见的有光纤、双绞线，以及无线电波，它决定了电信号(0和1)的传输方式，物理介质的不同决定了电信号的传输带宽、速率、传输距离以及抗干扰性等等。

TCP/IP协议栈分为四层，每一层都由特定的协议与对方进行通信，而协议之间的通信最终都要转化为 0 和 1 的电信号，通过物理介质进行传输才能到达对方的电脑，因此物理介质是网络通信的基石。

下面我们通过一张图先来大概了解一下TCP/IP协议的基本框架：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NzM4ODM4_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
当通过http发起一个请求时，应用层、传输层、网络层和链路层的相关协议依次对该请求进行包装并携带对应的首部，最终在链路层生成以太网数据包，以太网数据包通过物理介质传输给对方主机，对方接收到数据包以后，然后再一层一层采用对应的协议进行拆包，最后把应用层数据交给应用程序处理。

网络通信就好比送快递，商品外面的一层层包裹就是各种协议，协议包含了商品信息、收货地址、收件人、联系方式等，然后还需要配送车、配送站、快递员，商品才能最终到达用户手中。

一般情况下，快递是不能直达的，需要先转发到对应的配送站，然后由配送站再进行派件。

配送车就是物理介质，配送站就是网关， 快递员就是路由器，收货地址就是IP地址，联系方式就是MAC地址。

快递员负责把包裹转发到各个配送站，配送站根据收获地址里的省市区，确认是否需要继续转发到其他配送站，当包裹到达了目标配送站以后，配送站再根据联系方式找到收件人进行派件。

有了整体概念以后，下面我们详细了解一下各层的分工。

## IP协议 ##

IP协议：IP(Internet protocol),这里的IP不是值得我们通常所说的192.168.1.1.这个IP指的是一种协议，而后面的数字值得是IP地址。IP协议的作用在于把各种数据包准确无误的传递给对方，其中两个重要的条件是IP地址，和MAC地址（Media Access Control Address）。由于IP地址是稀有资源，不可能每个人都拥有一个IP地址，所以我们通常的IP地址是路由器给我们生成的IP地址，路由器里面会记录我们的MAC地址。而MAC地址是全球唯一的，除去人为因素外不可能重复。举一个现实生活中的例子，IP地址就如同是我们居住小区的地址，而MAC地址就是我们住的那栋楼那个房间那个人。

> 使用 ARP 协议凭借 MAC 地址进行通信  
> IP 间的通信依赖 MAC 地址。在网络上，通信的双方在同一局域网（LAN）内的情况是很少的，通常是经过多台计算机和网络设备中转才能连接到对方。而在进行中转时，会利用下一站中转设备的 MAC 地址来搜索下一个中转目标。这时，会采用 ARP 协议（Address Resolution Protocol）。ARP 是一种用以解析地址的协议，根据通信方的 IP 地址就可以反查出对应的 MAC 地址

你向另外一台电脑发送一条信息，怎么再茫茫人海中瞬间找到对方，以下是图示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NzM4ODM4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## TCP协议 ##

TCP协议：如果说IP协议是找到对方的详细地址。那么TCP协议就是把安全的把东西带给对方。各有分工，互不冲突。

按层次分，TCP属于传输层，提供可靠的字节流服务。什么叫字节流服务呢？这个名字听起来让人不知所以然，下面听下我通俗的解释。所谓的字节流，其实就类似于信息切割。比如你是一个卖自行车的，你要去送货。安装好的自行车，太过庞大，又不稳定，容易损伤。不如直接把自行车拆开来，每个零件上都贴上收货人的姓名。最后送到后按照把属于同一个人的自行车再组装起来，这个拆解、运输、拼装的过程其实就是TCP字节流的过程。

我们看下严谨的学术表达是怎样的：

> 所谓的字节流服务（Byte Stream Service）是指，为了方便传输，将大块数据分割成以报文段（segment）为单位的数据包进行管理。而可靠的传输服务是指，能够把数据准确可靠地传给对方。一言以蔽之，TCP 协议为了更容易传送大数据才把数据分割，而且 TCP 协议能够确认数据最终是否送达到对方。

## TCP握手协议 ##

为了确保信息能够确保准确无误的到达，TCP采用了著名的三次握手策略（three-way handshaking）.

> 所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发。

（1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN\_SENT状态，等待Server确认。  
（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN\_RCVD状态。  
（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

简单来说，就是

第一次握手：建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN\_SEND状态,等待服务器确认；  
SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)

第二次握手：服务器收到syn包,必须确认客户的SYN（ack=j+1）,同时自己也发送一个SYN包（syn=k）,即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN\_RECV状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手.  
完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据。

整个流程如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NzM4ODM4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

我们在这里做一个形象的描述：

> 主机A：我想发数据给你，可以么？  
> 主机B：可以，你什么时候发？  
> 主机A：我马上发，你接着！

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NzM4ODM4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## DNS ##

DNS：DNS(Domain names System) 和HTTP协议一样是处于应用层的服务，提供域名到IP地址之间的解析服务。

互联网之间是通过IP地址通信的，但是IP地址并不符合认得记忆习惯，人喜欢记忆有意义的字词。所以DNS服务就为了解决这个问题而生了。其实很好理解，形如我们电脑中host文件。

192.168.1.11 roverliang.com

当我们访问roverliang.com 的时候，电脑便不会去外网服务器上查询了，直接去访问192.168.1.111。这是一个简单的域名劫持，足以说明DNS的涵义了。

下面是我们访问一个网页，各种协议在里面起的作用。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NzM4ODM4_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

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