TCP/IP协议栈

摘要: TCP/IP协议栈

协议将复杂的网络元素有机的整合起来，实现资源的共享。

协议

通信双方事先约定并共同遵守的标准或规则。

数据通信是实现了相同协议的软硬件相互配合完成的。

通信系统是由若干个相互关联的协议（协议族）共同完成的。

定义了完成协议功能的协议包的格式。

控制通讯的方式和顺序。

常见的协议族有OSI七层参考模型和TCP/IP通信模型、SPX/IPX、AppleTalk。

为了解决各个不同的厂商的设备互联的问题，废弃私有协议，使用公有协议，要使得不同的厂家的产品能够如预期那样在一起工作，就必须用标准来保证，进行标准创建工作的组织有ISO,ITU-T,IEEE,EIA,ANSI.

OSI参考模型

OSI（Open System Interconnect）开放系统互连参考模型，是由ISO定义的，它是灵活的、稳健的和可互操作的模型，并不是协议，是用来了解和设计网络体系结构的。

OSI模型的目的

规范不同的系统的互联标准，使两个不同的系统能够较容易的通信，而不需要改变底层的硬件或者软件的逻辑。OSI RM定义了网络中设备所遵守的层次结构。

分层结构的优点

简化网络的操作。

提供设备间兼容性和标准接口。

促进标准化工作。

结构上可以分隔。

易于实现和维护。

重点是OSI并不是协议，是用来了解和设计网络体系结构的。

OSI七层功能如下：

应用层	提供应用程序间通信
表示层	处理数据格式、数据加密等
会话层	建立、维护和管理会话
传输层	建立主机端到端连接
网络层	寻址和路由选择
数据链路层	提供介质访问控制，链路管理
物理层	比特流传输

其中，会话层以上主要面向用户应用，负责主机之间的数据传输。

传输层一下主要面向数据传输，负责网络数据的传输。

TCP/IP协议族

TCP/IP协议栈具有简单的分层设计，与OSI参考模型有着清晰的对应关系。

只是将应用层、表示层、会话层归纳为应用层。

通信原理

1.功能是由协议完成的，每层都有一些协议，完成各自独立的功能。

2.对等通信：相同层的相同协议之间交换PDU。

3.下层为上层提供服务：封装或拆装。

每一层利用下一层提供的服务于对等层进行通信，每一层使用自己的协议。相同层的相同协议之间交换协议数据单元PDU,PDU的格式为：|header|data|

数据封装和解封装过程

作为发送方把上层的数据，有一个由上而下逐层加协议头部组成本层协议包的过程--》封装；封装到二层为帧，由物理层串行化比特流（信号流），网络设备准备传输信号。

作为接收方，有一个由下而上逐层减去协议头部的过程--》拆装，到对等通信；

封装——每一层都把上层的协议包当成数据部分，加上自己的协议头部，组成自己的协议包.

中间网络设备基于自己的层次理解进行转发PDU，理解交换机、路由器他们也是层的设备，为通信提供服务的，看到不同层提供不层的服务。

应用层协议

和应用程序协同工作，利用基础网络交换应用程序专用的数据。

以HTTP协议为例子进行说明。

HTTP的流程示意图如下：



Hypertext Transfer Protocol－超文本传输协议

用于传输Internet浏览器使用的普通文本、超文本、音频和视频等数据

端口号为TCP的80。

访问www.oschina.com的过程。

对于发起通信段的数据封装过程：

1.用户在IE上输入URL地址：http://www.oschina.com.

2.发起http的请求--（HTTP协议封装请求内容）

3.发起TCP连接的请求--（TCP封装HTTP)

4.操作系统通过DNS查询URL地址域名对应的IP地址

5.发起IP通信（IP封装TCP数据）

6.MAC通信（发起ARP请求，请求网关的MAC地址，封装二层数据）

7.将数据编码成能在物理链链路上传输的bit流，发送数据

数据在网络中间的传输过程：

数据在网络上经过各种网络、设备，每个设备逐跳把数据发送给下一个设备，最后把数据发送到了目的网络，目的网络的网关把数据发送给最终的服务器（对端）

对端服务器收到数据后如何处理

1.逐层解封装

2.回应数据

反复同样的过程实现端到端的通信。

传输层协议

作用：提供端到端的传输服务;使用端口标识主机上的进程

使用源端口标识发送方的进程，随机分配>=1024

使用目标端口标识接收方的进程，人为指定<=1023,知名端口：如IP地址+端口号=socket

常用协议：

TCP（Transmission Control Protocol）,传输控制协议。可靠的、面向连接的协议、传输效率低

UDP（User Datagram Protocol）,用户数据报协议。不可靠的、无连接的服务、传输效率高

TCP：

在传输数据之前，必须先建立连接，协商资源预留，然后传输数 据，传完之后拆除连接。

在传输数据的过程中，解决可靠性、有序性、流量控制。

TCP报文格式：



UDP:

提供无连接的，不可靠无序的，无流量控制的传输服务

UDP报文格式：

网络层协议

l网络层也叫Internet层

负责将分组报文从源主机发送到目标主机

网络层作用

为网络中的设备提供逻辑地址

基于IP包和路由表决定如何转发数据；路由表的建立；负责数据包的寻径和转发

设备：路由器、多层交换机、防火墙

ICMP

ICMP（Internet Control Message Protocol）网络控制报文协议，是面向连接的协议，可以利用它得知网络的IP连通性，用于向源节点发送“错误报告”信息。

常用的工具有PING和TRACERT.

PING就是基于ICMP包测试网络层的连通性，带有TTL的存活时间，路由器每转发一次，则TTL-1。

设置TTL的目的是防止循环、探测IP包所经过的路径；PING通只能证明网络层及其下层的小的单播的少量的IP包能够双向联通。

Tracert主要是跟踪达到目标所经过的路径；

发送三个IP包，TTL=1，收到IP包 TTL-1;

如果TTL=0，则丢弃并报超时错误，如果是超时错误，则TTL+1.

ARP

地址解析协议。ARP Request和ARP Reply.

得到通信对端的IP地址所对应的MAC地址。

RARP

反向地址解析协议。

得到本机的IP地址。

数据链路层协议

局域网的数据链路层分为2个子层：

LLC子层和MAC子层。

数据链路层的功能是，定义物理地址；网络拓扑结构；链路参数；差错验证；物理介质访问；流控制。

MAC地址的长度是48bit,通常表示成12个十六进制数，前6个十六进制数由IEEE管理，用来标识生产商或者厂商，常把这一部分叫做OUI(组织唯一标识符)，余下的部分表示为具体的接口序列号，这一部分由厂商自己定义。

广域网与数据链路层

WAN数据链路层标准：

HDLC

PPP

ISDN

X.25

Frame Relay

WAN数据链路层设备：

Modem、ISDN终端适配器

CSU/DSU、广域网交换机

物理层协议

物理层协议主要是定义电压、接口、线缆标准、传输距离等。

物理层的线缆主要有：

同轴电缆（coaxial cable）：细缆和粗缆

双绞线（twisted pair）：UTP、STP

光纤（fiber）

无线电波（wireless radio）：无线局域网WLAN

线缆标准：

线缆标准：10Base-T、100Base-T、100Base-TX/FX、1000Base-T、1000Base-SX/LX；

网络设备：中继器、集线器等。

广域网的物理层：

DTE设备：路由器、终端主机等；

DCE设备：广域网交换机、Modem、CSU/DSU等；

常见接口：RS-232、V.24、V.35等。