协议系列之TCP/IP协议

根据前面介绍的几种协议,将IP协议、TCP协议、UDP协议组合起来,于是便有了TCP/IP协议。现在很多的应用的通信都是建立在TCP/IP协议的基础上,运用非常广泛,很有必要对其学习一下。
打个不太恰当的比方,TCP/IP协议可以看成是邮局与邮递员的关系(实际TCP/IP协议族会包含四层,应用层、传输层、网络层、链路层)。这个协议族中的IP协议定位到哪台计算机,而具体到这台计算机的哪个端口(应用程序)就需要TCP协议,一个属于网络层,一个属于传输层,互相依赖,提供有效的解决通信问题的措施。这就好比在90年代,你写一封情书给你远方的情人,情书先从寄出邮局被送往目的地邮局,接着当地可爱的邮递员把情书送给你的情人同志手上,你俩感情得到升温。
图2-2-5-1,TCP/IP协议其实还包含了UDP协议,即由TCP、IP、UDP三个协议组成。此图展示了TCP/IP协议的通信模型,左边是主机A,通过通信信道(一般是以太网)跟主机B进行通信。假设主机A的应用程序要发送数据到主机B的应用程序,主机A的应用程序会通过socket的API访问TCP协议、UDP协议提供的服务,再通过IP协议,利用TCP/IP协议以通信信道为介质与主机B建立起连接,传送到主机B的数据依次经过IP协议层、TCP协议层,被主机B的应用程序接收。
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图2-2-5-1TCP/IP通信模型

这里四层中每一层的功能都不一样。应用层主要发送用户的应用数据,由系统调用交给运输层处理;运输层负责建立连接,分割数据发送,释放连接,数据重组及错误处理;网络层负责确定将数据发送到哪个路由。链路层主要是对二进制用户数据进行传输校验。下面从不同角度来说明每个层次的区别:
(1)运行进程态。应用层运行在用户程序进程中,属于用户态;其它三层运行在系统内核进程,属于核心态。
(2)通信方式。传输层是进程与进程之间的通信,是端对端的;网络层是机器与机器之间的通信,是点对点的。
(3)传输数据单元。传输层上是TCP或UDP报文段;网络层上是IP数据报文;数据链路层是帧数据。
(4)寻址方式。网络层通过IP寻址;链路层通过MAC寻址(传输层通过端口寻址;一般而言MAC地址是世界唯一的、不变的,计算机通信其实是靠MAC地址,而非IP地址,但MAC地址不能变,不灵活,所以应用层用IP进行寻址)。

以图2-2-5-1,分解这四层数据传输的流程:
①主机A的应用层组织好数据,发给传输层,并调用系统API通知TCP建立连接。
②主机A传输层接收应用层数据,组织好TCP报文,发送给网络层,进行连接建立,其中会加上目标跟源端口。
③主机A网络层接收传输层TCP数据,组织好IP报文,发送给链路层,其中会加上目标跟源IP地址。
④链路层接收网络层数据,组装好链路报文,其中会加上MAC地址。
⑤链路数据由网卡发送,根据目标IP找到最近的路由器的MAC地址,将数据包发往它,由它确定下一个路由,最终将数据包发送到主机B的网卡。
⑥主机B的网络层获取IP数据包,根据IP协议拆包。
⑦主机B的传输层获取TCP数据包,根据TCP协议拆包。
⑧主机B应用层获取TCP拆包后的数据包进行解析,完成相应的业务逻辑处理。
在这四个层中,数据报文的的变化可以简单用图2-2-5-2表示,应用层的数据到达传输层后,会被TCP协议打包数据(此图假设使用TCP协议),这是会添加一个TCP头部报文,而应用层数据被封装成TCP报文体。继续往下到网络层,TCP报文又被IP协议打包,这时添加了一个IP头部报文,整个TCP报文被封装成IP报文体。最后到达链路层,IP报文被链路相关协议打包,这时添加了帧头部报文和帧尾部报文,整个IP报文被封装成链路协议的报文体。

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图2-2-5-2 TCP/IP四层数据的封装

对于我们研究服务器,需要对传输层与网络层的报文比较深入理解,下面以一个更加详细的图对传输过程中TCP与IP报文组合进行说明。根据TCP缓冲大小,会被分成一个个TCP分段,每个分段都由IP分组与TCP段组成。在前几章已经对IP协议报文结构详细说明,这里不再赘述,IP报文的选项区域会被装入TCP报文,这样就把TCP报文嵌进IP报文,即可利用IP协议进行发送传输数据。
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图2-2-5-3 TCP/IP协议报文






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