TCP/IP网络协议栈(转载)

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mob604756fc3573 2015-08-25 09:40:00

TCP/IP网络协议栈分为四层, 从下至上依次是:

链路层
其实在链路层下面还有物理层, 指的是电信号的传输方式, 比如常见的双绞线网线, 光纤, 以及早期的同轴电缆等, 物理层的设计决定了电信号传输的带宽, 速率, 传输距离, 抗干扰性等等。
在链路层本身, 主要负责将数据跟物理层交互, 常见工作包括网卡设备的驱动, 帧同步(检测什么信号算是一个新帧), 冲突检测(如果有冲突就自动重发), 数据差错校验等工作。
链路层常见的有以太网, 令牌环网的标准。
网络层
网络层的IP协议是构成Internet的基础。该层次负责将数据发送到对应的目标地址, 网络中有大量的路由器来负责做这个事情, 路由器往往会拆掉链路层和网络层对应的数据头部并重新封装。IP层不负责数据传输的可靠性, 传输的过程中数据可能会丢失, 需要由上层协议来保证这个事情。
传输层
网络层负责的是点到点的协议, 即只到某台主机, 传输层要负责端到端的协议, 即要到达某个进程。
典型的协议有TCP/UDP两种协议, 其中TCP协议是一种面向连接的, 稳定可靠的协议, 会负责做数据的检测, 分拆和重新按照顺序组装, 自动重发等。而UDP就只负责将数据送到对应进程, 几乎没有任何逻辑, 也就是说需要应用层自己来保证数据传输的可靠性。
应用层
即我们常见的HTTP, FTP协议等。

这四层协议对应的数据包封装如下图:

TCP/IP网络协议栈(转载)_客户端

四层协议对应的通信过程如下图:

TCP/IP网络协议栈(转载)_ip地址_02

链路层以太网数据帧

以太网数据帧格式如下:

TCP/IP网络协议栈(转载)_网络 tcp/ip_03

说明如下:

目的地址和源地址是指网卡的硬件地址(即MAC地址), 长度是48位, 出厂的时候固化的。
类型字段即上层协议类型, 目前有三种值: IP, ARP, RARP。
数据对应了上层协议传输的数据, 以太网规定数据大小是46~1500字节, 最大值1500即以太网的最大传输单元(MTU), 不同网络类型有不同MTU, 如果需要跨不同类型链路传输的话, 就需要对数据进行重新分片。
CRC是数据的校验码, 确保数据传输正确

在网络通信过程中, 源主机的应用程序只知道目的应用程序的IP地址, 并不知道对方主机的硬件地址, 所以在数据发送之前, 需要先找到目标及其的硬件地址, 这就是ARP协议所起的作用了。

每次在建立连接之前, 会在本地网络广播发送目的IP地址, 所有机器都会受到该请求, 目的机器发现该请求中的IP地址跟自己一样, 就把自己的硬件地址返回回去, 否则忽略该请求。

一般来说, 每台机器都维护的有一个ARP缓存表, 存储了近期的IP地址和硬件地址的映射关系, 可以用arp -a命令来查看缓存表中内容。

如果目的机器和本机器不在同一个网段之内的话, 会将数据发送给网关来处理, 一般网关就是路由器, 此时网关会进行IP路由, 将ARP请求发送到目的网络地址, 然后再依次将应答返回给该发起请求的机器。

IP协议数据包格式如下:

TCP/IP网络协议栈(转载)_网络 tcp/ip_04

几个字段解释如下:

TOS, 一共有8位, 其中3位用来表示该数据包的优先级, 目前已经不用; 还有4位表示可选的服务类型(最小延迟, 最大吞吐, 最大可靠性, 最低成本), 还有一位总是0;
标志位: 用来对每个IP包的分片关系进行标识, 用于分片和重新组装数据包;
TTL(Time To Live), 是指一个数据包在网络上的最多经过多少次转发, 如果超过该数字, 就丢弃该包
8位协议, 上层可选协议为: TCP, UDP, ICMP, IGMP

IP地址的一共分为如下几类:

在互联网刚出来的时候, 大部分组织都申请的B类网络地址, 导致B类地址很快就用完了, 但是A类又有很多空闲的地址, 而每个路由器又必须掌握所有网络的信息, 随着C类网络的增多, 路由器中的路由表项数也就越来越多了。

针对这种情况, 后来人们发现, 绝大部分内部网络的机器都不需要一个独立的公网IP的, 这些机器通过一个公网IP跟外部连接, 在自己的网络内部为每台机器申请一个私有IP, 内部再建设一个路由器, 做内网IP地址的定位即可。

私有IP的出现大大解决了IP浪费的问题, 所以我们日常中可以看到很多如192.168.xx这样的IP, 这些IP都只是局域网内部IP, 不会浪费IP地址。

于是, RFC1918就规定了组建局域网的私有IP地址规范:

这些私有IP地址虽然没有公网IP, 但是仍然可以通过NAT等技术来跟公网进行连接交互。

除了私有IP之外, 还有几种特殊的IP地址:

TCP协议数据包如下:

TCP/IP网络协议栈(转载)_数据_05

部分字段解释如下:

TCP/IP网络协议栈(转载)_服务器_06

上图中每次连接线上的数字标记了此次数据包中的关键信息, 比如

SYN,1000(0),<mss 1460>代表: 请求包包含SYN标记, 32位序号为1000, 不包含数据, 带有一个mss的选项, 其值为1460
SYN,8000(0),ACK,1001,<mss 1024>代表: 请求包包含SYN和ACK标记, 32位序号为8000, 不会包含数据, 32位确认序号为1001, 同样带有mss选项

那么接下来我们看TCP协议的交互过程:

客户端发送包1, SYN代表请求建立连接, 第一个包序号为1000, 该序号的大小由操作系统内核维护, 每次发送都会自增, 自增数值就是发送的字节数, 其中mss选项代表最大段尺寸, 这是为了避免不必要的底层协议的拆包解包;
服务器返回包2, 包含的ACK 1001, 代表小于1001序号的包我都收到了, 下次请求发送大于等于1001包; 在该包中同时包含SYN 8000(0), 这段跟客户端交互的时候一样, 只是服务器端这头的序号为8000;
客户端返回包3, 里面只包含ACK 8001的包, 代表收到服务器的建立连接的包了