小明学习笔记 | 一文看懂互联网TCP/IP协议

Posted 2021-04-25 Odaily

这期主题是TCP/IP协议。

文 | 卢晓明

编者按：区块链涉及到的技术很多，从互联网底层到不明觉厉的密码学，可是往往关注币价者多而研究技术的人少。牛市的时候，大家为了炒币也会努力学习，熊市的时候，反正也没啥事，我觉得可以更加努力学习。作为一个文科生，我当然会有很多理科生看起来觉得很白痴的问题。作为一个记者，我不难找到业内懂的人用人话给我解释，而且他们往往不会当面嫌弃我。

这是小明学习笔记第三期，学习的是 TCP/IP 协议，第一期学习的是虚拟机（《小明学习笔记 | 一文看懂区块链跨链机制》），第二期是跨链（《小明学习笔记 | 一文看懂区块链虚拟机》），之后想学习的有 VRF、开源历史和文化、网络体系结构与区块链分层体系对比、“假如把币圈看成一个国家这个国家的货币在经历什么”。如果有其他有趣问题，欢迎投稿和提问。

在接触区块链的时候，你可能会发现经常有人会说到协议，偶尔还会有人说到 TCP/IP 协议。乍听之下不明觉厉，但转念一想这似乎真的已经是最普遍而且我们每天都在用的 “协议” 了。还会有人拿区块链跟互联网相比，而互联网的底层是 TCP/IP 协议；还听到过徐明星说过区块链是将会是金融的 TCP/IP 协议；加上以太坊的架构中网络层的资料也非常少。所以我想了解一下。这次的学习笔记主要是依靠网上公开资料的整理，很多段落可能是 copy 自不同的解释文章，真的是所谓的 “笔记” 了。

图片来自CSDN博客

什么是 TCP/IP 协议

首先，协议，可以理解为是一套统一的规则，就像行业标准。由于互联网主要的功能是传输信息，所以其协议一般是管理系统之间如何相互通信的规则。

在互联网通信中，“如何探测到通信目标、由哪一边先发起通信、使用哪种语言进行通信、怎样结束通信等规则都需要事先确定。不同的硬件、操作系统之间的通信，所有的这一切都需要一种规则。”（来自知乎用户“哦吼”）

TCP/IP 协议的全称是 Transmission Control Protocol and Internet Protocol。TCP 和 IP 分别是两种协议；同时 TCP/IP 协议可以指互联网传输过程中用到的一组协议族和互联网模型，因为 TCP 和 IP 在其中比较重要，所以以它们来命名。

由于通信中涉及到的步骤和用到的软硬件很多，因此会被划分成不同的层次。TCP/IP 模型有四个抽象的层次，描述了总体的设计大纲，并实现了网络通信的具体协议。

这个模型中不同的协议有着不同的“分工”，掌握所需要的信息，并且根据特定信息完成它的工作，其实跟现实生活中工作流程差不多。再用上面邮政和寄快递的例子，由于存在分工，你问收件的快递员你的快递单到哪是他肯定是不知道的，他只负责把你的快件送到快递集散点。

对于用户而言，可以把 TCP/IP 协议理解成快递公司，用户只需要寄件和签收，怎么把快件从 A 运到 B 手上，就是快递公司的事了。再次借用知乎哦吼的话：“TCP/IP 也是网络通信里的物流公司，应用程序只要把需要传输的数据提交给 TCP/IP，TCP/IP 就可以把数据打包发到目的地，至于里面的传输细节应用程序也可以不关心，这样应用程序就可以从最底层的传输细节里解放出来，把更多的注意力放在应用程序数据本身的处理。”

接下来我们可以开始来了解一下这家快递公司内部的各个重要角色。

TCP/IP 各层协议的职能

这家公司大概可以分成四个部门，也就是 TCP/IP 协议族按层次分别分为应用层、传输层、网络层和网络接口层（数据链路层+物理层）。

先来个英文版

再来个萌萌哒中文版

上面这幅图其实很形象地表现了整个数据传输的过程，我们在微信上发一句话看似很简单，其实每一步都经过了从上层到底层，再从底层到上层应用的过程。比如小熊在微信上给小明发了一句消息，直到小明收到这个消息，其实就经过了上述过程。

上面这个过程其实已经聊到 TCP 协议和 IP 协议的主要作用，这两个分别是传输层和网络互连层最主要的协议，因此这个模型以它们来命名。具体过程中会有很多其他协议，传不同的数据时，应用层会有不同的协议处理。感兴趣的宝宝可以继续跟我一起了解细节。

每一层都有自身的职能和常见的协议，整理 CSDN 上极光推送的博客、March On 博主，知乎网友哦吼、Drake、小明的文章，还有《图解HTTP》一书，总结如下。

图片来自CSDN

互联网中信息以数据包的单位传输，不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段 (segment)，在网络层叫做数据报 (datagram)，在链路层叫做帧 (frame)。

图文来自《图解HTTP》

发送端在层与层之间传输数据时，每经过一层时必定会被打上一个该层所属的首部信息，这种把数据信息包装起来的做法称为封装（encapsulate）。数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。 我会从最底层开始讲起。

网络接口层

常见协议： Ethernet 802.3、Token Ring 802.5、X.25、Frame relay、HDLC、PPP ATM等。

又叫网络访问层（数据连接 + 物理层），负责从上层接收 IP 数据包并通过网络发送，或者从网络上接收物理帧，抽出 IP 数据包，交给 IP 层。这层包括主机连接到物理网络所需要的硬件以及传送数据的协议。比如路由、NIC（Network Interface Card，网络适配器，即网卡），及光纤等物理可见部分；这层的协议取决于所使用的物理网络。如果物理网络是 LAN，那么通常使用的是以太网（802.3）协议以及它的变体，如果使用的是 WAN，常用的则是点对点协议（PPP）以及帧中继等协议。

网络访问层

常见协议：IP(Internet Protocol)、ICMP、ARP(Address Resolution Protocol)、RARP(Reverse ARP)。 IP 是网络层的核心，通过路由选择将下一条 IP 封装后交给接口层。 ICMP 是网络层的补充，可以回送报文。用来检测网络是否通畅。 

网络层的主要任务简而言之就是“给每个数据包确定路线”。这个主机可能在同一个网络或者外部网络，因此需要先区分主机是不是在同一个子网。

• 因此，后来一片网络拆分成很多子网络（sub networks），每片子网络交给一台路由器统管。子网络中的节点间可以单独通信，不需要 IP 协议，但由于带宽限制，如果你想和本网络外的节点沟通时，就得使用一个设备：路由器。世界上大多数的路由器被几家大运营商掌管。

如上图，节点 1 和 2 同属一个子网，可基于内部通信协议沟通，而 1 和 5 间的联络必须基于 IP 协议，通过路由器 1 和 2 之间的路径交流。

把 IP 协议的逻辑推广到整个互联网，最终，连接我们手机客户端和腾讯服务器的是无数个路由器。

把大网络切小的好处显而易见：节约带宽、抬高网速，同时一只路由器挂了不影响其他节点间的通信，这就是 IP 协议的作用。

再次用《图解 HTTP》里面萌萌哒图解释一下这个过程：

传输层

有了 IP 协议，就可以在两个主机之间发送数据了，接下来的问题在于每台主机都有不同的应用，如何区分哪个数据包属于哪个程序？这就是传输层的作用。传输层的主要任务是确保分割的单元在另一端正确地到达，它建立端口到端口的连接。网络层建立主机到主机的连接，只要有主机和端口，就能确定数据包属于哪个程序的。同时它也负责接收应用层的数据，然后把它们分成更小的单元（标头和数据部分在网络层的数据部分），传输到网络层。

这里提到的端口不是硬件端口，而是软件端口，端口有点向外界信息进入电脑的门，不同的信息通过这些门传给不同应用程序。更形象的解释可以参考《为什么要有端口，怎么来规划端口，看下边。》：

“ip 能锁定一台物理机器，对应着一张网卡，外界发来的数据包网卡都会接收。但是问题来了，网卡给程序提供了接口，你监听一下我，要是有消息来了，我就转发给你。这样应用程序就能收到数据了。但是问题来了，程序 A 和程序 B 都需要监听网卡接发数据，网卡说那我把接到的数据都发给你两，你们自己看着办吧。好，小 A 小 B 都接受了。但是又来了 CDEF......，不行了，每个包都被发到了所有应用程序，每个应用程序都累得不行，最终垮了。

好，那网卡说我给你们加个表示吧，我们之间可以用一个号码来作为标识，我和小 A 之间就用 1 来标识，如果外界发给 1 号标识的数据我就转发给你，你监听我的时候得告诉我你监听的时 1，我就转发 1 的数据包给你。好了其他的 BCD... 都自己弄一个标识号，只要不重复就行。这样大家都省事了。

最后设计到安全，一个标识号只能被一个应用程序监听，因为如果小 A 程序和小 B 同时监听一个标识号号，那就坏了，我传的数据都被 AB 接到，这样数据安全性就没办法保证了。”

这一层主要有两个协议：TCP 和 UDP。

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。UDP（用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。

这两句话虽然看起来也是让人懵逼，但大概能让人 get 到一个可靠一个没那么可靠。没错这就是两者的区别。

TCP 协议提到的所谓字节流服务（Byte Stream Service）是指，为了方便传输，将大块数据分割成以报文段（segment）为单位的数据包进行管理。而可靠的传输服务是指，能够把数据准确可靠地传给对方。简单来说就是，它把数据切成一个个数据包，从第一只数据包开始传，传送成功就翻倍，发现失败就地爬起来，从绊倒的那只数据包重新开始，周而复始。（以下内容来自知乎用户陈宝佳和小明）：

图片来自《图解HTTP》

为了准确无误地将数据送达目标处，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。TCP 协议采用了三次握手 （three-way handshaking） 策略。握手过程中使用了 TCP 的标志 （flag）  ——  SYN （synchronize） 和ACK （acknowledgement）：

• 第一次握手：客户端发送 syn 包 (syn=j) 到服务器，并进入 SYN_SEND 状态，等待服务器确认;

• 第二次握手：服务器收到 syn 包，必须确认客户的 SYN(ack=j+1)，同时自己也发送一个 SYN 包(syn=k)，即 SYN+ACK 包，此时服务器进入 SYN_RECV 状态;

• 第三次握手：客户端收到服务器的 SYN+ACK 包，向服务器发送确认包 ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入 ESTABLISHED 状态，完成三次握手。

注意：握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。除了上述三次握手，TCP 协议还有其他各种手段来保证通信的可靠性。

理想状态下，TCP 连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。

断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开 TCP 连接的请求，断开过程需要经过“四次握手”。

至于 UDP 协议，传送数据前并不与对方建立连接，对接收到的数据也不发送确认信号，发送端不知道数据是否会正确接收，当然也不用重发，所以说 UDP 是无连接的、不可靠的一种数据传输协议。

具体据知乎用户陈宝佳的帖子，UDP 传输的信息包最小只有 8 个字节，TCP 则是 20 个字节。这样的好处是，UDP 对系统资源要求更低，开销更小，数据传输速率更高，因为不必进行收发数据的确认，所以 UDP 的实时性更好。他还表示 MSN 采用 TCP 传输协议传文件，QQ 传输文件采用 UDP，所以后者更快。

我在学校的时候，有师兄教过我用 “ping” 命令来测试两台主机之间 TCP/IP 通信是否正常。依然是据上面那个知乎大神解释，“其实 ping 命令的原理就是向对方主机发送 UDP 数据包，然后对方主机确认收到数据包， 如果数据包是否到达的消息及时反馈回来，那么网络就是通的。ping 命令是使用 IP 和网络控制信息协议 (ICMP)，因而没有涉及到任何传输协议(UDP/TCP) 和应用程序。它发送 icmp 回送请求消息给目的主机。ICMP 协议规定：目的主机必须返回 ICMP 回送应答消息给源主机。如果源主机在一定时间内收到应答，则认为主机可达。”

应用层

应用层是互联网程序与其他程序通信所使用的层，也是离用户“最近”的一层。

比如说访问网页，肯定要用到 HTTP，前面肯定会有 "HTTP://"，这就是  HTTP 协议（超文本传输协议）（或者加上了"HTTPS://"，这是安全的超文本传输协议）。1982 年春，美国国防部宣布 TCP/IP 作为军用网络的通信标准。1989 年，Timothy Berners-Lee 研发出了超文本传输协议 HTTP，之后，互联网上可以传输的不仅只有文字，还有包括图片等各种多媒体的网页。

如果要发邮件，就要用到SMTP（简单邮件传输协议）；还有 FTP（文件传输协议），用于 Internet 上的控制文件的双向传输，同时也是一个应用程序；还有 Telnet，Internet 远程登陆服务的标准协议和主要方式，能用户可以在一台电脑上远程控制另一台电脑（你在 QQ 中大概用过）。

这一层的主要任务是将接收到的数据包按照协议解读成各种类型的数据，并将要发送的数据打包进传输层。主要协议有：HTTP、FTP、SMTP、Telnet、NFS、RIP 等等。

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