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TCP/IP 協議的結構與運行原理[圖]

本文背景：
TCP/IP模型很成功，其設計已經經得起多年的磨練。無奈，TCP/IP協議族是很繁雜的一個模型，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，作為深入TCP/IP協議族的基礎。
本文內容：

1. TCP/IP協議族組成
從字面上理解，TCP/IP協議族只有TCP、IP協議，其實不然。其真正的名字是Internet協議族 (Internet Protocol Suite) 。和大型軟件一樣，其分為四層：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層。
每一層的功能和目的都是不一樣的，每一層上服務的協議也不是有區別的。從上往下看：
應用層（產生|利用數據）
協議：FTP、HTTP、SNMP(網管)、SMTP(Email)等常用協議；
職責：利用應用層協議發送用戶的應用數據，比如利用FTP發送文件，利用SMTP發送Email；由系統調用交給運輸層處理。
運輸層（發送|接收數據）
協議：TCP(有連接)、UDP(無連接)；
職責：負責建立連接、將數據分割發送；釋放連接、數據重組或錯誤處理。
網絡層（分組|路由數據）
協議：IP、ICMP(控制報文協議)、IGMP(組管理協議)；
職責：負責數據的路由，即數據往哪個路由器發送。
鏈路層（按位發送|接收數據）
協議：以太網卡設備驅動、令牌網卡驅動程序、ARP、RARP等；
職責：負責傳輸校驗二進制用戶數據。

從可靠性角度看各層區別：
網絡層IP協議是不可靠的協議，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，運輸層的TCP協議彌補了這個空缺，提供有連接的、可校驗的數據傳輸服務。
應用層的話可對數據進行加密之類的處理，增強的是傳輸數據的安全性，如https。
鏈路層可對數據進行校驗。

從運行進程態看各層區別：
應用層運行在用戶程序進程中，屬性用戶態；
其他層則在系統內核進程運行，屬于核心態；
從通信方式上看各層區別：
傳輸層是端對端的通信，也就是說，處理的是進程與進程之間的通信，如兩個TCP進程；
網絡層是點對點的通信，也就是說，處理的是機器之間的邏輯連接。

從傳輸數據單元上看區別：
傳輸層上形成的是TCP或UDP報文段；
網絡層形成的是IP數據報；
數據鏈路層形成的是幀(Frame)。

從尋址方式上看各層區別：
網絡層通過IP尋址；
鏈路層通過MAC尋址。

注解:
ICMP: 供IP用于發送錯誤報文，也可由應用層直接調用；
IGMP: 用于多播(Multicast)，比如，UDP可用多播IP地址往多個目標主機發送數據報，就是依靠它。
ARP&RARP: 用戶在IP地址與MAC地址互相轉換。
2. TCP/IP模型基礎設施
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
每個網卡的MAC地址世界唯一，不可變；計算機通信其實靠的是MAC地址，而不是IP地址，請看下面注解。

端口
端口在硬件里的名稱為接口，跟網卡的入口一樣；在軟件概念里，可以理解為一些數據結構數據緩沖區。
端口可分為：
知名端口：0001——1023 (例如FTP 20，TCP 21，UDP 69)
臨時端口：1024——5000
預留端口：5000——65535
假設你的應用程序需要端口，一般是從臨時端口分配，只在應用程序運行時有效，故稱臨時端口。
傳輸層可將進程與端口進行綁定，當數據到來時，其知該往哪個進程緩沖區里送。

注解：
IP與MAC的區別：IP地址是基于網絡拓撲結構的，是動態可變的。MAC地址是由網卡廠商定的，是終身不可變且唯一的。假設應用層利用MAC地址傳輸數據，那么其是不靈活的,因為它不能變。所以，應用層用IP尋址。
但是，硬件又必須用MAC才能找到機器，為此引入ARP及RARP來做兩地址的查詢與轉換。

3. TCP/IP應用案例分析
場景：左邊用戶利用FTP客戶端與右邊FTP服務器端進行連接上傳文件。
數據將從上往下流，每到一層都會加上層頭，數據以類堆棧形式存儲，到目標機器時，底層數據先得，由底向上，符合堆棧先進后出的特性。

圖1 TCP/IP內部分解圖步驟1：應用層準備好數據文件，調用Windows API通知傳輸層TCP建立連接，傳輸層加入TCP包頭，其中包含標識應用層協議的標識符——端口 21。
步驟2：網絡層接收了傳輸層的TCP包，由于IP協議可接收ICMP(1)、IGMP(2)、TCP(6)、UDP(17)來的數據，其需要一個標識域來表明是那個協議發來的數據。此數據域將加于IP包頭中。除此之外，還將賦以IP地址。
步驟3：數據鏈路層接收網絡層來的數據后，加之標識域表明數據是從IP、ARP或RARP來。然后，加上MAC地址往外發送。
步驟4：將數據由網卡送出，送的過程中，ARP利用目標IP找到最近的路由器MAC地址，然后將包發往它，之后由它找到一個路由器，最終將數據包送到右邊機器的網卡中。
步驟5：根據包頭的標識域可知這是一個IP數據包，利用IP協議拆包。
步驟6：根據包頭的標識域可知這是一個TCP包，利用TCP協議拆包。
步驟7：根據包頭的端口號，將數據直接送入應用層的對應緩沖區中，應用程序負責解析數據包，做相應的業務邏輯處理。

注解：
RFC(Request for Comment)：各種Internet的正式標準都以RFC文檔形式發布。
各種協議文檔：RFC 1122是鏈路層、網絡層、傳輸層的文檔；RFC 1123是應用層的文檔；RFC 1600是各種Internet協議的標準化現狀。

posted on 2008-05-19 23:18 isabc 閱讀(2111) 評論(3) 編輯收藏引用所屬分類: 網絡編程

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