TCP/IP协议族

Posted 2020-08-09

TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（ Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层。

1.数据链路层

实现了网卡接口的网络驱动程序。

协议：ARP协议和RARP协议

ARP协议：目标机器IP地址—（ARP协议）→ 目标机器MAC地址→ 目标机器

RARP协议：（无盘工作站）MAC地址—（RARP协议）→IP地址

2.网络层

实现数据包的选路和转发。负责点对点（point to point）的传输（“点”：主机或路由器）。网络层向上层协议隐藏了网络拓扑连接的细节，在传输层和应用层看来通信双方是直接相连的。

协议：IP协议，ICMP协议。

IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发给目的主机，那么IP协议就为它寻找合适的下一跳路由器，并将数据包交付给该路由器来转发。IP协议使用逐跳的方式确定通信路径。

ICMP协议是IP协议重要的补充，用于检测网络连接。

3.传输层

传输层为两台主机上的应用程序提供端到端（end to end）的通信。传输层只关心通信的起始端和目的端，而不在乎数据包的中转过程。

协议：TCP协议、UDP协议、SCTP协议

TCP协议 为应用层提供可靠的、面向连接和基于流（stream）的服务；	TCP协议使用超时重传、数据确定等方式确认数据报被正确地发送至目的端	使用TCP协议通信的双方必须先建立TCP连接，并在内核中为该连接维持一些必要的数据结构。通信结束时，双方必须关闭连接以释放这些内核数据。	TCP协议是基于流的，数据没有边界（长度）限制。发送端可以逐个字节地向数据流中写入数据，接收端也可以逐个字节将其读出
UDP协议 为应用层提供不可靠、无连接、基于数据报的服务。	UPD协议无法保证数据从发送端正确地传到目的端。使用UDP协议的应用程序通常要自己处理数据确认、超时重传等逻辑。	UDP协议是无连接的，因此应用程序每次发送数据都要明确指定接收端的地址（IP地址等信息）。	每个UPD数据报都有一个长度，接收端必须以该长度为最小单位将其所有内容一次性读出，否则数据将被截断。

TCP是一种面向连接的，开放的协议，有点像打电话，双方拿起电话互通身份后就建立了连接，然后说话就行了，这边说话那边保证听得到，并且是按说话的顺序听到的，说完话挂机断开连接。也就是说TCP传输的双方需要首先建立连接，之后由TCP协议保证数据收发的可靠性，丢失的数据包自动重发，上层应用程序收到的总是可靠的数据流，通讯之后关闭连接。

UDP协议不面向连接，也不保证可靠性，有点像寄信，写好信放进邮筒里，既不能保证信件在邮递过程中不会丢失， 也不能保证信件是按顺序寄到目的地的。使用UDP协议的应用程序需要自己完成丢包重发、消息排序等工作。

SCTP协议是为了在因特网上传输电话信号而设计的。

4.应用层

负责处理应用程序的逻辑

应用层协议（或程序）可能跳过传输层直接使用网络层提供的服务，比如ping程序和OSPF协议。

应用层协议（或程序）通常既可以使用TCP服务，又可以使用UDP服务，比如DNS协议。

TCP/IP数据包的封装

以太网帧使用6字节（48位）的目的物理地址和6字节（48位）的源物理地址（MAC地址）来表示通信的双方。

协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RAPP。

以太网帧的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补充填位。最大值1500称为以太网最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU，如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包的长度大于拨号链路的MTU，则需要对数据包进行分片（fragment）传输。

帧末尾的4字节CRC字段对帧的其他部分提供循环冗余校验。

帧才是最终在网络上传送的字节序列。

TCP/IP数据包跨路由器通讯过程

数据链路层（驱动程序）封装了物理网络的电气细节；

网络层封装了网络连接的细节；

传输层则为应用程序封装了一条端对端的逻辑通信链路，它负责数据的收发、链路的超时重连等。

分用

 当帧到达目的主机时 ，将沿着协议栈自底向上依次传递。各层协议依次处理帧中本层负责的头部数据，以获取所需的信息，并将处理后的帧交给目的应用程序。这个过程称为分用（ demultiplexing）。

分用是依靠头部信息中的类型字段实现的。

整理自《Linux高性能服务器编程》第1章，《Linux C一站式学习》第36章

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