tcp/ip五层协议

Posted 2021-01-25 ppf3678

TCP/IP协议不是TCP和IP这两个协议的合称，而是指因特网整个TCP/IP协议族。互联网协议（Internet Protocol Suite）是一个网络通信模型，以及一整个网络传输协议家族，为互联网的基础通信架构。它常被通称为TCP/IP协议族（英语：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），简称TCP/IP。因为该协议家族的两个核心协议：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议），为该家族中最早通过的标准。由于在网络通讯协议普遍采用分层的结构，当多个层次的协议共同工作时，类似计算机科学中的堆栈，因此又被称为TCP/IP协议栈（英语：TCP/IP Protocol Stack） 。

 

OSI中的层	功能	TCP/IP协议族
应用层	文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端	TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等
表示层	数据格式化，代码转换，数据加密	没有协议
会话层	解除或建立与别的接点的联系	没有协议
传输层	提供端对端的接口	TCP，UDP
网络层	为数据包选择路由	IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP
数据链路层	传输有地址的帧以及错误检测功能	SLIP，CSLIP，PPP，MTU
物理层	以二进制数据形式在物理媒体上传输数据	ISO2110，IEEE802，IEEE802.2

我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，搞清楚了每层的主要协议

就理解了整个互联网通信的原理。

　　　　首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解

　　　　每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件

　　1 物理层

　　　　物理层由来：上面提到，孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网

　　　　

　　　　物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

　　2 数据链路层

　　　　数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思

　　　　数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

　　　　以太网协议：

　　　　早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet

　　　　ethernet规定

• 一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’
• 每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

head

data

 

 

　　head包含：(固定18个字节)

• 发送者／源地址，6个字节
• 接收者／目标地址，6个字节
• 数据类型，6个字节

　　data包含：(最短46字节，最长1500字节)

• 数据包的具体内容

　　　　head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

　　mac地址：

　　　　head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址

　　　　mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

　　　　

　　广播：

　　　　有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）

　　　　ethernet（以太网）采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼

　　　　

　　3 网络层

　　　　网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由

　　　　一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，

　　　　这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难

　　　　

　　　　上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是。如果是就采用广播的方式发送，如果不是，

　　　　就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关

　　　　网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址

　　IP协议：

• 规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示
• 范围0.0.0.0-255.255.255.255 (4个点分十进制，也就是4个8位二进制数)
• 一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1

　　ipv6，通过上面可以看出，ip紧缺，所以为了满足更多ip需要，出现了ipv6协议：6个冒号分割的16进制数表示，这个应该是将来的趋势，但是ipv4还是用的最多的，因为我们一般一个公司就一个对外的IP地址，我们所有的机器上网都走这一个IP出口。

ip地址分成两部分

• 网络部分：标识子网
• 主机部分：标识主机

　　注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网

　　例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

　　子网掩码

　　　　所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

 

　　知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

 

　　比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，

　　172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

　　255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

　　AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

 

　　172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010

　　255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

　　AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

　　结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。

　　ip地址与子网掩码 按位与 得到网段地址

　　　　

 

　　总结一下，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

　　ip数据包

　　ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分

 

　　head：长度为20到60字节

　　data：最长为65,515字节。

　　而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

 

以太网头

ip 头

ip数据

 

 

　　 ARP协议

　　　　arp协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到

　　　　通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议

　　　　arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

　　　　协议工作方式：每台主机ip都是已知的（我只知道我的局域网ip地址，要给一个非同一网络的我不知道ip地址的电脑发消息，怎么办：NET穿透）

　　　　例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

　　一：首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

 

场景	数据包地址
同一子网	目标主机mac，目标主机ip
不同子网	网关mac，目标主机ip

 

 

 

　　

二：分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

	源mac	目标mac	源ip	目标ip	数据部分
发送端主机	发送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	数据

 

 

　

　三：这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac

　　4 传输层

　　　　传输层的由来：网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机吗，但是只找到主机有用吗，是不是程序之间进行的沟通啊像QQ、浏览器和京东服务器，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，

　　　　那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

　　　　传输层功能：建立端口到端口的通信(端对端通信)

　　　　补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

　　　　

 　　　　

　　　　127.0.0.1就是你本机程序之间进行通信的地址，就是自己玩自己，不和别人玩，这叫做本机的回环地址，我们测试的时候自己模拟客户端和服务端。

　　

　　　　

 

 

　　tcp协议：(TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种端点我们叫作套接字（socket），它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80，那么得到的套接字为192.3.4.16:80。)

　　当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时，它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后，TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex，双方都可以收发消息) 的通信。

　　这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路，直到它被一方或双方关闭为止。

　　它是可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

以太网头

ip 头

tcp头

数据

 

　　udp协议：不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

以太网头

ip头

udp头

数据

 

 

 

　　tcp报文

　　　　

       5 应用层

　　　　应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式 

　　　　应用层功能：规定应用程序的数据格式。

　　　　例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。