TCP/IP協(xié)議棧

TCP/IP協(xié)議是規(guī)范不同主機(jī)之間進(jìn)行通信的一系列協(xié)議，其中涉及到數(shù)據(jù)的封裝，傳輸，尋址等一系列內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域非常重要的基礎(chǔ)知識(shí)，我們?cè)贘ava中用到的Socket通信就是基于TCP/IP協(xié)議中的TCP協(xié)議，開發(fā)為一系列封裝好的API供用戶使用。為什么要制定這些協(xié)議呢？這些協(xié)議為通信領(lǐng)域指定了唯一的標(biāo)準(zhǔn)，為不同的網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商，設(shè)備制造商的生產(chǎn)和服務(wù)提供了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP協(xié)議棧就是一個(gè)類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧的模型，它有很多層，每層承擔(dān)著不同的功能，有不同的協(xié)議。我們一般可以把協(xié)議棧理解為一個(gè)四層的模型：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。應(yīng)用層中有一些面向用戶的與應(yīng)用相關(guān)的協(xié)議，涉及到對(duì)數(shù)據(jù)的一些分析和處理，使得用戶信息和數(shù)據(jù)流之間得到轉(zhuǎn)換；傳輸層是負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)段之間的轉(zhuǎn)換，是數(shù)據(jù)信息的管理層面；網(wǎng)絡(luò)層涉及到與其他主機(jī)的聯(lián)系，對(duì)數(shù)據(jù)封裝并找到合適的路徑把信息發(fā)出去或者接收進(jìn)來(lái)；鏈路層中主要是一系列為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的接口，是協(xié)議棧的最底層。一般來(lái)說(shuō)，用戶信息會(huì)從應(yīng)用層開始，往下逐步被包裝，當(dāng)傳到另一個(gè)主機(jī)的時(shí)候，再?gòu)南碌缴弦徊讲酱蜷_包裝，最終解析還原為用戶信息。在這個(gè)過(guò)程中，各項(xiàng)協(xié)議確保了傳輸過(guò)程的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)的安全。 TCP/IP協(xié)議棧：

協(xié)議棧之應(yīng)用層

應(yīng)用層包括的協(xié)議有： 1、文件傳輸類：HTTP（超文本傳輸協(xié)議）、FTP（文件傳輸協(xié)議）、TFTP（簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議） 2、遠(yuǎn)程登錄類：Telnet 3、電子郵件類：SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議） 4、網(wǎng)絡(luò)管理類：SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議） 5、域名解析類：DNS 接下來(lái)我們逐一介紹這些協(xié)議： ①HTTP協(xié)議：這是一種超文本鏈接協(xié)議，適用于分布式超媒體系統(tǒng)，它對(duì)應(yīng)的客戶端的連接對(duì)象是web服務(wù)器，也就是我們常見(jiàn)的“www”，我們?cè)诘卿浺粋€(gè)網(wǎng)頁(yè)的時(shí)候必然需要經(jīng)過(guò)這個(gè)協(xié)議，它是我們?cè)诰W(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)以及網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)的傳輸中的規(guī)范。 ②FTP協(xié)議：這是一種文件傳輸協(xié)議，它是基于TCP協(xié)議（TCP協(xié)議位于傳輸層，我們之后會(huì)提到）實(shí)現(xiàn)的一種應(yīng)用層的協(xié)議，使得用戶可以在FTF服務(wù)器上下載大信息量的文件，F(xiàn)TP協(xié)議保障了文件的傳輸?shù)目煽啃浴?③TFTP協(xié)議：簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議，TFTP只能獲得和寫入文件，和前者不同之處是這種協(xié)議是基于UDP協(xié)議的，這是不是一種面向連接的協(xié)議。什么是面向連接呢？面向連接就是協(xié)議的目的是保障通信雙方能夠保持連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。而TFTP協(xié)議是一種無(wú)連接協(xié)議，發(fā)文件方只管文件發(fā)出去了而不會(huì)管對(duì)方是不是受到了文件。QQ傳輸文件使用的就是TFTP協(xié)議，那么既然它不可靠，為什么還要使用它呢？因?yàn)檫@種文件傳輸方式成本低，在小文件的傳輸中可以提高速度而不需要復(fù)雜的來(lái)回確認(rèn)和驗(yàn)證，我們要想保障文件的傳輸，只要在應(yīng)用層對(duì)UDP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做一些處理，依然能達(dá)到可靠傳輸?shù)男Ч?④Telnet協(xié)議：遠(yuǎn)程登錄類協(xié)議，客戶端需要通過(guò)這個(gè)協(xié)議去登錄到服務(wù)器上。這里我們可以舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明：主機(jī)1提出申請(qǐng)希望登錄到某主機(jī)2的服務(wù)器上，這時(shí)TCP會(huì)為它分配一個(gè)源端口號(hào)（假設(shè)是1288），然后指定登錄類的目標(biāo)端口號(hào)為23（登錄類的端口號(hào)在計(jì)算機(jī)上是確定且唯一的，這可以讓主機(jī)2知道這個(gè)消息發(fā)給登錄類的），當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)主機(jī)2的時(shí)候，如果23號(hào)端口的服務(wù)器是開啟的，客戶端便可以連接到服務(wù)器，主機(jī)2會(huì)生成一個(gè)遠(yuǎn)程端口1288號(hào)，如果主機(jī)1上的第二個(gè)Telnet用戶向TCP提出登錄申請(qǐng)，這時(shí)TCP會(huì)為它分配另一個(gè)（如1289）的端口號(hào)去和服務(wù)器連接。關(guān)于端口號(hào)的使用，小于255一般是公共應(yīng)用，255 ~1023是特定應(yīng)用商的特定端口號(hào)，我們一般使用大于1023的端口號(hào)。 ⑤STMP協(xié)議：簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議，這也是基于UDP的一項(xiàng)應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)類似于簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議但這項(xiàng)協(xié)議是針對(duì)郵件的傳輸?shù)摹?⑥SNMP協(xié)議：簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，它的作用是管理員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)那些位于不同物理空間的主機(jī)進(jìn)行配置和管理。 ⑦DNS協(xié)議：這是一系列關(guān)于網(wǎng)站域名和IP地址的映射，IP地址是由一系列數(shù)字組成，不便于記憶，而映射為域名去訪問(wèn)就會(huì)容易很多，在DNS中，這種映射也是唯一的。

【文章福利】小編推薦自己的Linux內(nèi)核技術(shù)交流群:【891587639】整理了一些個(gè)人覺(jué)得比較好的學(xué)習(xí)書籍、視頻資料共享在群文件里面，有需要的可以自行添加哦?。。。ê曨l教程、電子書、實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目及代碼)? ?

協(xié)議棧之傳輸層

傳輸層我們的協(xié)議是TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，這兩個(gè)協(xié)議在整個(gè)TCP/IP協(xié)議棧中十分重要，下面我們來(lái)詳細(xì)介紹這兩種協(xié)議的特點(diǎn)和區(qū)別： ①TCP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議）：

TCP協(xié)議是一種面向連接的可靠的協(xié)議，它會(huì)確保數(shù)據(jù)可以安全的從一方傳輸?shù)搅硪环剑琓CP的可靠性是如何實(shí)現(xiàn)的呢？ 三次握手：基于TCP的通信在數(shù)據(jù)傳輸前需要先進(jìn)行三次握手，然后建立連接，開始數(shù)據(jù)的傳輸，在傳輸結(jié)束的時(shí)候，會(huì)執(zhí)行改進(jìn)的三次握手實(shí)現(xiàn)斷開連接，由此可以看出這個(gè)過(guò)程的可靠性。在傳輸層，主機(jī)之間的通信是端到端的，兩主機(jī)之間相互發(fā)送數(shù)據(jù)。 三次握手：主機(jī)1發(fā)送自己的序列號(hào)SYN：X給主機(jī)2，主機(jī)2收到后會(huì)發(fā)一個(gè)應(yīng)答號(hào)ACK：X+1給主機(jī)1，同時(shí)會(huì)把自己的序列號(hào)SYN：Y也發(fā)給主機(jī)1，主機(jī)1收到后，會(huì)發(fā)應(yīng)答號(hào)ACK：Y+1及序列號(hào)SYN：X+1給主機(jī)2，這樣三次握手就完成了，兩主機(jī)就可以進(jìn)行通信。 三次握手圖示：

在通信結(jié)束時(shí)，兩主機(jī)執(zhí)行改進(jìn)的三次握手來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的結(jié)束。主機(jī)1先發(fā)一個(gè)FIN報(bào)文段包給主機(jī)2，主機(jī)2收到后先發(fā)一個(gè)應(yīng)答號(hào)ACK，然后開始關(guān)閉相關(guān)應(yīng)用，待主機(jī)2的程序告訴主機(jī)，要徹底關(guān)閉應(yīng)用時(shí)，主機(jī)2向主機(jī)1發(fā)送FIN報(bào)文段給主機(jī)1，主機(jī)1收到后發(fā)一個(gè)應(yīng)答號(hào)ACK給主機(jī)2，表示徹底關(guān)閉了連接，結(jié)束了通信。在這個(gè)過(guò)程我們可以發(fā)現(xiàn)，三次握手使得雙方可以可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)話，但這如果在小信息量的通信中，似乎效率有些低。

改進(jìn)的三次握手圖示（四次揮手）：

超時(shí)與重傳：如果發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接受到發(fā)送的數(shù)據(jù)段的應(yīng)答，就會(huì)重新發(fā)送此數(shù)據(jù)段，直到接受到該數(shù)據(jù)段的應(yīng)答后就會(huì)釋放該數(shù)據(jù)段的緩存。另外，如果在數(shù)據(jù)段傳輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)堵塞，發(fā)送方遲遲沒(méi)有收到應(yīng)答，就會(huì)重傳數(shù)據(jù)段，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后原先的數(shù)據(jù)段就會(huì)繼續(xù)發(fā)送到接收方，這時(shí)接收方收到了兩個(gè)相同的數(shù)據(jù)段，但它只會(huì)獲取第一個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包而丟棄第二個(gè)，這增加了TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?窗口技術(shù)：窗口是限制同時(shí)接收的最大數(shù)據(jù)量，如果發(fā)送方一次性發(fā)出的數(shù)據(jù)段數(shù)量大于它的窗口限制，就會(huì)只接收最大限額的數(shù)據(jù)段而把剩下的數(shù)據(jù)段返還給發(fā)送方，并告訴發(fā)送方下次最大的同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)段數(shù)量，返還的數(shù)據(jù)段會(huì)在下一次發(fā)送的時(shí)候再次發(fā)出。窗口技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸量提出了要求，可以防止網(wǎng)絡(luò)的堵塞。 面向流：當(dāng)發(fā)送方和接收方之間傳輸大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，發(fā)送方的TCP會(huì)把數(shù)據(jù)流分段分組發(fā)送，接收方再根據(jù)分段上的信息對(duì)其重新整合還原。 多路復(fù)用技術(shù)：由端口號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 全雙工：在一條連接上可以同時(shí)傳輸兩條相反的數(shù)據(jù)流。 TCP數(shù)據(jù)域頭格式：

②UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）： UDP協(xié)議是一種無(wú)連接的不可靠的協(xié)議，也被稱為一種輕權(quán)通信。如果說(shuō)TCP是協(xié)議實(shí)現(xiàn)的是兩個(gè)人的電話的交流，UDP實(shí)現(xiàn)的給另一個(gè)發(fā)一封信，我只管把東西發(fā)出去，而不用管對(duì)方有沒(méi)有收到。因此這是一種不可靠的協(xié)議，在數(shù)據(jù)的傳輸中是可能出現(xiàn)丟包的情況的，但它依然應(yīng)用廣泛，因?yàn)樗鼈鬏敂?shù)據(jù)很方便，消耗的資源很少，我們需要用應(yīng)用層協(xié)議來(lái)確保數(shù)據(jù)的可靠性，可能實(shí)現(xiàn)比TCP更優(yōu)的效果。 使用UDP的協(xié)議包括：TFTP、SNMP、NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）、DNS、DHCP（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置）等。 UDP數(shù)據(jù)域頭格式：

協(xié)議棧之網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括的協(xié)議有：IP、ICMP、ARP、RARP、DHCP等。 ①IP（網(wǎng)際協(xié)議）：

IP協(xié)議是我們最常見(jiàn)的一種通信協(xié)議，它為每一臺(tái)主機(jī)賦予了身份，使得不同主機(jī)之間可以通過(guò)IP進(jìn)行訪問(wèn)，IP地址有32位和48位兩種，32位的是IPv4，目前這種IP將要被分配完，之后將逐漸過(guò)渡到IPv6，更長(zhǎng)的位數(shù)意味著可以分配更多不同的IP。IP地址是網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商為其網(wǎng)絡(luò)中的用戶分配的一系列地址，IPv4有A、B、C、D、E五類，IP地址的高位一般是網(wǎng)絡(luò)地址，低位是主機(jī)地址，不同的類別決定了其網(wǎng)絡(luò)地址的長(zhǎng)度，比如A類的高八位是網(wǎng)絡(luò)地址，B類的高16位是網(wǎng)絡(luò)地址。 IP地址分類圖：

這里我們介紹一下什么是網(wǎng)絡(luò)地址，什么是主機(jī)地址：我們知道，在不同主機(jī)之間除了有傳輸數(shù)據(jù)的線路，還有分配數(shù)據(jù)的路由器，路由器的作用就是通過(guò)其自身的網(wǎng)絡(luò)地址和接口的映射來(lái)決定把數(shù)據(jù)傳輸給誰(shuí)。一般來(lái)說(shuō)我們通過(guò)鏈路層發(fā)出的數(shù)據(jù)包括以下這些信息：目標(biāo)IP地址，源IP地址，目標(biāo)MAC（介質(zhì)訪問(wèn)地址，此地址由設(shè)備的制造商賦予，全球唯一）地址，自身MAC地址，數(shù)據(jù)，到達(dá)路由器后它會(huì)選擇一個(gè)合適的通道把數(shù)據(jù)傳送到下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，數(shù)據(jù)會(huì)從一個(gè)路由器跳到另外一個(gè)路由器（逐跳的方式），當(dāng)數(shù)據(jù)從最后一個(gè)路由器發(fā)出后，通過(guò)ARP就可以把數(shù)據(jù)送到目標(biāo)主機(jī)，ARP尋址用到的就是主機(jī)地址。IP地址是網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址統(tǒng)一，我們區(qū)分他們的方法就是通過(guò)子網(wǎng)掩碼，子網(wǎng)掩碼是高位全為1，低位全為0的和IP等長(zhǎng)的數(shù)據(jù)區(qū)域，把子網(wǎng)掩碼和IP地址相與就可以得到高位的IP網(wǎng)絡(luò)地址。 如果我們一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有少數(shù)幾臺(tái)主機(jī)，這就意味著我們只需要很少的幾種主機(jī)地址就可以區(qū)分這些主機(jī)，那么我們的思路是把子網(wǎng)掩碼的更多的位賦1，使得高位有更多位數(shù)來(lái)分配更多的子網(wǎng)絡(luò)，這是一種充分利用位數(shù)的思路。 子網(wǎng)規(guī)劃示意圖：

IP地址的特殊情況。全為0，一般缺省情況是不支持這種情況的。 公有地址和私有地址。為了節(jié)省地址的數(shù)量，我們把地址分為公有地址和私有地址，公有地址是對(duì)外的且其地址唯一，私有地址是對(duì)內(nèi)的，在內(nèi)部使用的時(shí)候用的是私有地址，我們用公有地址來(lái)接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為私有地址再使用，我們要把信息發(fā)出去時(shí)要先轉(zhuǎn)化為公有地址再發(fā)出去。 VLSM是一種可變長(zhǎng)度子網(wǎng)掩碼的協(xié)議，使得地址空間的分配更加靈活，得到優(yōu)化。 ②ICMP協(xié)議（控制消息協(xié)議）：它主要用在對(duì)信息的發(fā)送的判斷處理上。 查詢報(bào)文。比如在cmd中的Ping指令，它可以去嘗試連接某個(gè)網(wǎng)，如果能夠?qū)ふ业骄蜁?huì)有返回信息；在Ping自身IP時(shí)，指令經(jīng)過(guò)一個(gè)回路會(huì)回到原處，此時(shí)不需要網(wǎng)絡(luò)。 錯(cuò)誤報(bào)文。錯(cuò)誤報(bào)文可能出現(xiàn)在信息傳輸?shù)牟煌h(huán)節(jié)上，分為幾種不可達(dá)。網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)：主機(jī)1把信息發(fā)到路由器上之后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)路由器上沒(méi)有到達(dá)指定位置的網(wǎng)絡(luò)地址的映射，會(huì)返回一個(gè)網(wǎng)絡(luò)不可到達(dá)的指令；主機(jī)不可到達(dá)：在網(wǎng)絡(luò)可達(dá)的情況下，如果在與主機(jī)2連接的路由器發(fā)出信息后，服務(wù)器down機(jī)了，便會(huì)返回主機(jī)不可達(dá)到；禁止分割：當(dāng)數(shù)據(jù)的大小超過(guò)數(shù)據(jù)包最大傳輸單元（MTU）時(shí)，我們需要把數(shù)據(jù)包分割為兩個(gè)較小的單位才可以通過(guò)路由器，但如果路由器禁止分割，數(shù)據(jù)包就無(wú)法通過(guò)，便會(huì)返回禁止分割；當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)主機(jī)2但是主機(jī)2上沒(méi)有TCP/IP協(xié)議（這種情況一般不會(huì)發(fā)生），會(huì)返回協(xié)議不可達(dá)；端口不可達(dá)：即使數(shù)據(jù)包通過(guò)了最后一步，連接上了服務(wù)器，但相關(guān)端口的軟件沒(méi)有開，那么數(shù)據(jù)仍然無(wú)法達(dá)到，此時(shí)返回端口不可達(dá)。 ICMP超時(shí)：每個(gè)數(shù)據(jù)包在發(fā)出后會(huì)在數(shù)據(jù)段標(biāo)識(shí)TTL這個(gè)值，初值大于0，每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器就會(huì)減1，一旦減到0，這個(gè)數(shù)據(jù)包就會(huì)被丟棄，返回ICMP超時(shí)，丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣可以防止數(shù)據(jù)包在兩個(gè)路由器之間不斷回傳。 ICMP重定向：當(dāng)主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)是發(fā)給路由器B，路由器B發(fā)現(xiàn)下一跳是發(fā)給路由器A，而路由器A的接口和之前的數(shù)據(jù)包接收的接口是同一個(gè)，那么它會(huì)向主機(jī)發(fā)送一個(gè)ICMP重定向報(bào)文，告訴它以后把數(shù)據(jù)發(fā)給路由器A，這就是重定向。

ICMP重定向圖示： 在Ping指令中，ICMP還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算數(shù)據(jù)的往返時(shí)間，用接收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間減去發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間就可得到往返時(shí)間。 ③ARP協(xié)議（地址解析協(xié)議）：這也是一種映射，它是映射在主機(jī)中的，它存儲(chǔ)的信息是IP地址到MAC的映射。IP和MAC的區(qū)別就是IP是由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商分配提供的地址，IP在大的范圍內(nèi)是可能重復(fù)的，MAC是由計(jì)算機(jī)的制造商生產(chǎn)的時(shí)候賦予計(jì)算機(jī)的全球唯一的標(biāo)識(shí)。假設(shè)主機(jī)1和主機(jī)2在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)1有主機(jī)2的IP但不知道它的MAC地址，這時(shí)候數(shù)據(jù)是無(wú)法送達(dá)主機(jī)2的，這時(shí)需要用到廣播的形式。以太網(wǎng)中，主機(jī)之間都有一條公用的總線，主機(jī)1發(fā)送消息給總線，所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)都能收到，他們會(huì)匹配目的IP地址，如果匹配上就會(huì)應(yīng)答，向主機(jī)發(fā)送自己的IP和MAC，同時(shí)把主機(jī)的IP和MAC映射到自己的ARP中，便于下次發(fā)消息，其他主機(jī)雖然不會(huì)去應(yīng)答，但也會(huì)把主機(jī)1的信息映射到自己的ARP中。 ④RARP協(xié)議（反向地址解析協(xié)議）：和ARP的區(qū)別的這類協(xié)議的主機(jī)自身無(wú)磁盤空間，它的信息都存放在別的服務(wù)器中，在發(fā)送信息前需要回去需要的數(shù)據(jù)，比如它已知自己的MAC，需要獲取自己的IP，發(fā)出廣播后，其授權(quán)服務(wù)器接收到信息后就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)答，把它的IP地址返回。 ⑤DHCP協(xié)議（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）：它的作用是使得主機(jī)的配置可以在服務(wù)器中完成，通過(guò)服務(wù)器去配置其他主機(jī)的IP，子網(wǎng)掩碼，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等參數(shù)。這使得維護(hù)修改IP數(shù)據(jù)的成本大大降低了。