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TCP/IP 協(xié)議的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理[圖]

本文背景：
TCP/IP模型很成功，其設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)得起多年的磨練。無奈，TCP/IP協(xié)議族是很繁雜的一個(gè)模型，為了全面理解它，宜采取先全局后局部的庖丁解牛式。本文從應(yīng)用的角度試著去理解TCP/IP的全貌，配合例子加以講解。
本文目的：
鞏固自己這方面的知識(shí)，作為深入TCP/IP協(xié)議族的基礎(chǔ)。
本文內(nèi)容：

1. TCP/IP協(xié)議族組成
從字面上理解，TCP/IP協(xié)議族只有TCP、IP協(xié)議，其實(shí)不然。其真正的名字是Internet協(xié)議族 (Internet Protocol Suite) 。和大型軟件一樣，其分為四層：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。
每一層的功能和目的都是不一樣的，每一層上服務(wù)的協(xié)議也不是有區(qū)別的。從上往下看：
應(yīng)用層（產(chǎn)生|利用數(shù)據(jù)）
協(xié)議：FTP、HTTP、SNMP(網(wǎng)管)、SMTP(Email)等常用協(xié)議；
職責(zé)：利用應(yīng)用層協(xié)議發(fā)送用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)，比如利用FTP發(fā)送文件，利用SMTP發(fā)送Email；由系統(tǒng)調(diào)用交給運(yùn)輸層處理。
運(yùn)輸層（發(fā)送|接收數(shù)據(jù)）
協(xié)議：TCP(有連接)、UDP(無連接)；
職責(zé)：負(fù)責(zé)建立連接、將數(shù)據(jù)分割發(fā)送；釋放連接、數(shù)據(jù)重組或錯(cuò)誤處理。
網(wǎng)絡(luò)層（分組|路由數(shù)據(jù)）
協(xié)議：IP、ICMP(控制報(bào)文協(xié)議)、IGMP(組管理協(xié)議)；
職責(zé)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由，即數(shù)據(jù)往哪個(gè)路由器發(fā)送。
鏈路層（按位發(fā)送|接收數(shù)據(jù)）
協(xié)議：以太網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)、令牌網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序、ARP、RARP等；
職責(zé)：負(fù)責(zé)傳輸校驗(yàn)二進(jìn)制用戶數(shù)據(jù)。

從可靠性角度看各層區(qū)別：
網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議是不可靠的協(xié)議，為此，如果其上面的層也不做任何特殊處理，也將是不可靠的。于是，運(yùn)輸層的TCP協(xié)議彌補(bǔ)了這個(gè)空缺，提供有連接的、可校驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
應(yīng)用層的話可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密之類的處理，增強(qiáng)的是傳輸數(shù)據(jù)的安全性，如https。
鏈路層可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

從運(yùn)行進(jìn)程態(tài)看各層區(qū)別：
應(yīng)用層運(yùn)行在用戶程序進(jìn)程中，屬性用戶態(tài)；
其他層則在系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)程運(yùn)行，屬于核心態(tài)；
從通信方式上看各層區(qū)別：
傳輸層是端對(duì)端的通信，也就是說，處理的是進(jìn)程與進(jìn)程之間的通信，如兩個(gè)TCP進(jìn)程；
網(wǎng)絡(luò)層是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，也就是說，處理的是機(jī)器之間的邏輯連接。

從傳輸數(shù)據(jù)單元上看區(qū)別：
傳輸層上形成的是TCP或UDP報(bào)文段；
網(wǎng)絡(luò)層形成的是IP數(shù)據(jù)報(bào)；
數(shù)據(jù)鏈路層形成的是幀(Frame)。

從尋址方式上看各層區(qū)別：
網(wǎng)絡(luò)層通過IP尋址；
鏈路層通過MAC尋址。

注解:
ICMP: 供IP用于發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)文，也可由應(yīng)用層直接調(diào)用；
IGMP: 用于多播(Multicast)，比如，UDP可用多播IP地址往多個(gè)目標(biāo)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，就是依靠它。
ARP&RARP: 用戶在IP地址與MAC地址互相轉(zhuǎn)換。
2. TCP/IP模型基礎(chǔ)設(shè)施
IP地址
共分五類地址，分別如下：
A類：0.  0. 0. 0——127.255.255.255(單播)
B類：128.0.0.0——191.255.255.255(單播)
C類：192.0.0.0——223.255.255.255(單播)
D類：224.0.0.0——239.255.255.255(多播)
E類：240.0.0.0——247.255.255.255(待用)
附加類：255.255.255.255 (傳輸層UDP廣播)

MAC地址
每個(gè)網(wǎng)卡的MAC地址世界唯一，不可變；計(jì)算機(jī)通信其實(shí)靠的是MAC地址，而不是IP地址，請(qǐng)看下面注解。

端口
端口在硬件里的名稱為接口，跟網(wǎng)卡的入口一樣；在軟件概念里，可以理解為一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
端口可分為：
知名端口：0001——1023 (例如FTP 20，TCP 21，UDP 69)
臨時(shí)端口：1024——5000
預(yù)留端口：5000——65535
假設(shè)你的應(yīng)用程序需要端口，一般是從臨時(shí)端口分配，只在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)有效，故稱臨時(shí)端口。
傳輸層可將進(jìn)程與端口進(jìn)行綁定，當(dāng)數(shù)據(jù)到來時(shí)，其知該往哪個(gè)進(jìn)程緩沖區(qū)里送。

注解：
IP與MAC的區(qū)別：IP地址是基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的，是動(dòng)態(tài)可變的。MAC地址是由網(wǎng)卡廠商定的，是終身不可變且唯一的。假設(shè)應(yīng)用層利用MAC地址傳輸數(shù)據(jù)，那么其是不靈活的,因?yàn)樗荒茏?。所以，?yīng)用層用IP尋址。
但是，硬件又必須用MAC才能找到機(jī)器，為此引入ARP及RARP來做兩地址的查詢與轉(zhuǎn)換。

3. TCP/IP應(yīng)用案例分析
場景：左邊用戶利用FTP客戶端與右邊FTP服務(wù)器端進(jìn)行連接上傳文件。
數(shù)據(jù)將從上往下流，每到一層都會(huì)加上層頭，數(shù)據(jù)以類堆棧形式存儲(chǔ)，到目標(biāo)機(jī)器時(shí)，底層數(shù)據(jù)先得，由底向上，符合堆棧先進(jìn)后出的特性。

圖1 TCP/IP內(nèi)部分解圖步驟1：應(yīng)用層準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)文件，調(diào)用Windows API通知傳輸層TCP建立連接，傳輸層加入TCP包頭，其中包含標(biāo)識(shí)應(yīng)用層協(xié)議的標(biāo)識(shí)符——端口 21。
步驟2：網(wǎng)絡(luò)層接收了傳輸層的TCP包，由于IP協(xié)議可接收ICMP(1)、IGMP(2)、TCP(6)、UDP(17)來的數(shù)據(jù)，其需要一個(gè)標(biāo)識(shí)域來表明是那個(gè)協(xié)議發(fā)來的數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)域?qū)⒓佑贗P包頭中。除此之外，還將賦以IP地址。
步驟3：數(shù)據(jù)鏈路層接收網(wǎng)絡(luò)層來的數(shù)據(jù)后，加之標(biāo)識(shí)域表明數(shù)據(jù)是從IP、ARP或RARP來。然后，加上MAC地址往外發(fā)送。
步驟4：將數(shù)據(jù)由網(wǎng)卡送出，送的過程中，ARP利用目標(biāo)IP找到最近的路由器MAC地址，然后將包發(fā)往它，之后由它找到一個(gè)路由器，最終將數(shù)據(jù)包送到右邊機(jī)器的網(wǎng)卡中。
步驟5：根據(jù)包頭的標(biāo)識(shí)域可知這是一個(gè)IP數(shù)據(jù)包，利用IP協(xié)議拆包。
步驟6：根據(jù)包頭的標(biāo)識(shí)域可知這是一個(gè)TCP包，利用TCP協(xié)議拆包。
步驟7：根據(jù)包頭的端口號(hào)，將數(shù)據(jù)直接送入應(yīng)用層的對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)中，應(yīng)用程序負(fù)責(zé)解析數(shù)據(jù)包，做相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯處理。

注解：
RFC(Request for Comment)：各種Internet的正式標(biāo)準(zhǔn)都以RFC文檔形式發(fā)布。
各種協(xié)議文檔：RFC 1122是鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的文檔；RFC 1123是應(yīng)用層的文檔；RFC 1600是各種Internet協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀。

posted on 2008-05-19 23:18 isabc 閱讀(2107) 評(píng)論(3) 編輯收藏引用所屬分類: 網(wǎng)絡(luò)編程

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# re: TCP/IP 協(xié)議的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理[圖] 2008-05-20 09:13 補(bǔ)考少年

very good, 3x 回復(fù) 更多評(píng)論

# re: TCP/IP 協(xié)議的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理[圖] 2008-05-20 12:53 true

總結(jié)的很好。回復(fù) 更多評(píng)論

# re: TCP/IP 協(xié)議的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理[圖] 2008-10-16 17:01 大笨狼

好文章，看了很有收獲回復(fù) 更多評(píng)論

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