TCP/IP协议概论

TCP/IP协议概论

1.什么是TCP/IP协议

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议） 是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

TCP/IP协议的分层模型

TCP/IP协议一共可分为5层：

• 应用层：为网络应用提供服务接口，以简化应用的设计和实现。
• 传输层：提供网络应用程序间的通信服务。
• 网络层：为网络上任意主机之间的通信提供不可靠，无连接的服务。
• 数据链路层：为两个直连的节点提供通信链路，可使用现有的各种物理网络协议。
• 物理层：完成比特流的传输。

注：数据链路层和物理层也可合在一起称为网络接口层，原因是TCP/IP协议中不定制独立的数据链路层和物理层，而是使用现有的标准，但会定义IP如何在其上承载的协议。

为什么需要分层：分层的目的是解耦合（低耦合高内聚），每一层只提供相应的服务标准，而各层之间不存在具体内部细节实现的相关性。所以方便各层单独进行修改而不影响其他层的使用。

1.1应用层

TCP/IP应用层为用户提供了访问Internet的一组高层协议，即一组应用程序，如FTP、Telnet等。应用层的作用是对数据进行格式化，并完成应用所要求的服务。数据格式化的目的是为了便于传输与接收。
严格地说，应用程序并不是TCP/IP的一部分，只是由于TCP/IP对此制定了相应的协议标准，所以将它们作为TCP/IP的内容。
应用层协议：Telenet，Ftp，Smtp，DNS，TFTP，NFS，SNMP，HTTP

1.2运输层

运输层的作用是提供应用程序间的通信服务。为实现可靠传输，该层协议规定接收端必须向发送端发回确认；若有分组丢失，必须重新发送。该层提供了以下两个协议：
（1）传输控制协议TCP：负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于一次传送大量报文，如文件等。
（2）用户数据协议UDP：负责提供高效率的服务，用于一次传送少量的报文，如数据查询等。

1.3网络层（IP层）

网络层的核心是IP协议，同时还提供多种其他协议。IP协议提供主机间的数据传送能力，其他协议为IP协议提供辅助功能，协助IP协议更好地完成数据报文传送。

IP层的主要功能：

• 处理来自运输层的分组发送请求。收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择路由，然后将数据报发往适当的网络接口。
• 处理输入数据报。首先检查输入的合法性，然后进行路由选择。假如该数据报已经到达目的地（本机），则去掉报头，将剩余的部分交给适当的传输协议；假如该数据报未到达目的地，则转发该数据报。
• 处理差错与控制报文。路由处理，流量控制，拥塞控制等问题。

网络层提供的其他协议：

• 地址解析协议ARP：用于将Internet地址转换为物理地址
• 方向地址解析协议RARP：用于将物理地址转换为Internet地址
• 网间控制信息协议ICMP：用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括：差错控制，拥塞控制和路由控制等。

1.4网络接入层

网络接入层是TCP/IP协议软件的最低一层，主要功能是负责接收IP分组，并通过特定的网络进行传输，或者从网络上接收物理帧，抽出IP分组并上交给运输层。网络接入层又叫网络接口层，实际上该层又可分为数据链路层和物理层。

2.IP协议

IP是Internet Protocol（网际互连协议）的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。设计IP的目的是提高网络的可扩展性：一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通；二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则，IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务。

2.1IP编址方式

IP协议提供的是在互联网中主机到主机间的通信服务，通信离不开目的地址和源地址，所以我们首先需要解决不同主机在互联网中的编址问题，这也是IP协议需要处理的一部分。主机在Internet网中的地址称为IP地址：

一个IP地址由4个8位字节数字串组成，这4个字节通常用小数点分隔。一个IP地址包括两部分的标识码，即网络ID和主机ID，同一个物理网络上的所有主机都用同一个网络ID，网络上的一个主机有一个主机ID与其对应。具体来讲，一个IP地址对应着唯一的一个网络接口，而一个主机可以有多个网络接口。

• 同一区域不同接口的IP地址网络号相同，主机号不同，相同网络号的IP地址构成IP子网
• IP子网内的接口不跨越网络层以上的设备（路由器）就可以物理连通
• 一个IP地址只能对应一台主机，而一台主机不一定对应唯一地址

最初的互联网采用简单的分类编址的机制，在这32位地址的信息内有五种定位的划分方式，这五种划分方式分别对应于A，B，C，D，E类IP地址。

• A类：一个A类IP地址由1个字节的网络地址和3个字节的主机地址组成，网络地址最高位必须是0
• B类：一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址最高位必须是10
• C类：一个C类IP地址由3个字节的网络地址和1个字节的主机地址组成，网络地址最高位必须是110
• D类：用于多点播送。第一个字节以1110开始
• E类：以11110开始，为研究和将来使用保留

特殊IP地址的划分和用途：

私有IP地址：

2.2IP子网的划分

为什么划分子网？
因为往往一个企业或者地域申请的IP子网可容纳的主机数远大于实际存在的主机数。
例如一个企业有上千台主机，而该企业申请了一个B类地址，同一网络号下的B类地址可容纳主机数为2的16次方台，这样一来就远远没有充分发挥B类地址容量大的优势，造成了大量的地址浪费。所以需要对同一网络号下的子网进行进一步的划分。

子网IP地址的划分方式：将原IP地址的网络号不变，从主机号中划分出一部分来作为子网号。

子网的划分形式可以根据不同的情形和需求进行划分，但是如何知道具体进行了怎样的划分，最重要的是如何从该划分后的IP地址中获取子网地址？

子网掩码就是为此而诞生的：

2.3子网掩码

子网掩码：子网掩码(subnetmask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。

子网掩码的形式与IP地址相似，同是由32位4字节二进制数组成的，字节间由小数点分隔
一个IP地址确定后，它的子网掩码也是唯一确定的，即子网掩码中对应IP地址中的网络号和子网号全部取1，主机号全部取0，例如一个B类IP子网，借用主机号的前3位划分为8个子网，那么我们可以推算出这个子网的子网掩码为 ：
11111111 11111111 11100000 00000000 即 255.255.224.0

子网掩码的应用：（如何提取子网地址）

再举一个应用子网掩码求IP子网地址的例子：
已知目的IP地址为153.22.124.25，且该IP地址所属的子网借用主机号的前5个bit划分子网，求该IP地址的子网地址：

分析如下：

• 已知IP地址，根据IP地址网络号的范围可以推出它属于B类IP地址。即处于128.0.0.0到191.255.255.255之间
• 根据子网掩码的设置规则，网络号与子网号置1，主机号置0，而该IP子网中子网号为5个bit，且B类IP网络号为2字节，则子网掩码为：11111111 11111111 11111000 00000000，即255.255.248.0
• 根据子网掩码的用法，即将子网掩码与IP地址按位与即可获得子网地址： 子网掩码 11111111 11111111 11111000 00000000 （225.255.248.0） IP地址 10011001 00010110 01111100 00011001 （153.22.124.25） 子网地址 10011001 00010110 01111000 00000000 （153.22.120.0） 即最终求得子网地址为：153.22.120.0

2.4IP分组格式

解决了主机在因特网中的通信地址问题后，我们需要进一步关心如何将数据在因特网中顺利传输，使从源主机地址发送的数据可以顺利被目的主机地址接收。这就需要引出数据在Internet网中的传输形式—IP分组:
IP分组是网络层传输的基本数据单元，IP分组由分组头和数据区两部分组成。
分组头部分用来存放IP协议的具体控制信息
数据区包含了上层协议提交给IP协议的传送数据

IP分组头的构成字段：

• 版本号：长度为4bit，表示与IP分组对应的IP协议版本号。若版本号的值为4，则对应IPv4版本，若版本号为6，则对应IPv6版本。
• 分组头长度（首部长度）：长度4bit，用于指明IP分组的分组头长度，单位是4字节，即分组头长度一定是4字节的整数倍。4bit的分组头长度可表示的分组头大小范围是0-480bit。每一个分组的分组头的固定部分都是20字节
• 服务类型（TOS）：长度为8bit，用于指明IP分组所希望得到的有关优先级，可靠性，吞吐量，时延等方面的服务质量要求。
• 总长度：长度为16bit，用于指明整个IP数据报的长度，以1个字节为单位。可表示的数据最长范围是65535字节。利用分组头部长度和总长度字段，我们就可以知道IP分组中数据部分的起始位置和长度。当数据报被分片时，该字段的值也随之变化。
• 标识符：长度为16bit，和源地址，目的地址，用户协议一起唯一地标识主机发送的每一个分组。通常每发送一个分组它的值就会加1.。
• 标志位：长度为3bit，在3bit中第一位保留，另外两位DF和MF分别指明IP分组不分片和分片。
• 分片偏移量：长度为13bit，以8个字节为单位，用于指明当前分组片在原始分组中的位置。可表示的字节范围为0-65535字节，该字段用于重装时判断分组片之间的位置顺序。
• 生存时间TTL（Time-to-Live）：长度为8bit，用于指明IP分组可在网络中传输的最长时间，TTL的初始值由源主机设置，一旦经过一个处理它的路由器，TTL的值就减小1。当该字段的值为0时，路由器将丢弃该分组，并发送ICMP消息通知源主机。该字段用于保证IP分组不会在网络出错时无休止地传输。
• 协议：长度为8bit，用于指明调用IP协议进行传输的高层协议。其中，1表示ICMP，6表示TCP，17表示UDP
• 分组头校验和：长度为16bit，用于保证分组头的完整性。算法为：该字段初始值为0，然后对IP分组头以每16bit为单位进行求异或，并将结果取反，便得到校验和。
• 源IP地址：长度为32bit，用于指明发送分组的源主机IP地址。
• 目的地址：长度为32bit，用于指明接收分组的目标主机IP地址。
• 任选项：长度可变，该字段允许在以后的版本中包括当前设计的分组头中未出现的信息

2.5IP的分片与重组

在互联网中各个网络定义的最大分组长度可能不同，因为网络链路存在最大传输单元MTU，也就是链路层数据帧可封装数据的上限不同。当较大的IP分组被转发向较小的MTU链路时，该分组不能直接通过，网络层需要将收到的数据报分割成较小的数据块，也就是分片。相反地，到了目的端将多个数据块组合起来，称为重组。

3.TCP协议

TCP协议又叫运输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793 定义。由于TCP协议实现了面向连接的可靠传输，所以相比UDP协议来讲，复杂度大大提升，在IP协议的基础上做出了较多的扩展。由于篇幅原因，这里只对此做简单介绍，关于TCP协议与UDP的详细内容会在之后的博客中另做介绍，请大家关注点赞（>_<)后面写好之后会在此添加超链接

文章参考了很多哈工大MOOC部分的内容以及现代通信网概论教材