TCPIP协议的结构与运行原理

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1、TCP/IP 协议的结构与运行原理TCP/IP 模型很成功，其设计已经经得起多年的磨练。无奈，TCP/IP 协议 族是很繁杂的一个模型，为了全面理解它，宜采取先全局后局部的庖丁解牛式。本文从应用的角度试着去理解 TCP/IP 的全貌，配合例 子加以讲解。本文目的： 巩固自己这方面的知识，作为深入TCP/IP 协议 族的基础。本文内容：1. TCP/IP 协议 族组成从字面上理解，TCP/IP协议族只有TCP、IP协议，其实不然。其真正的名字是Internet协议族（Internet Protocol Suite） 。和大型软件一样，其分为四层：应用层、传输层、网络层、链路层。每一层的功能和目的

2、都是不一样的，每一层上服务的协议也不是有区别的。从上往下看：应用层（产生 |利用数据）协议：FTP、HTTP、SNMP（网管）、SMTP（Email）等常用协议；职责：利用应用层协议发送用户的应用数据，比如利用FTP发送文件，利用SMTP发送Email;由系统调用交给运输层处理。运输层（发送 |接收数据）协议：TCP（有连接）、UDP（无连接）； 职责：负责建立连接、将数据分割发送；释放连接、数据重组或错误处理。网络层（分组 |路由 数据）协议：IP、ICMP（控制报文协议）、IGMP（组管理协议）； 职责：负责数据的路由，即数据往哪个路由器发送。链路层（按位发送 |接收数据） 协议：以太网卡

3、设备驱动、令牌网卡驱动程序、 ARP、 RARP 等； 职责：负责传输校验二进制用户数据。从可靠性角度看各层区别：网络层 IP 协议是不可靠的协议， 为此， 如果其上面的层也不做任何特殊处理， 也将是不可靠的。 于是， 运输层的 TCP 协议弥补了这个空缺，提供有连接的、可校验的数据传输服务。应用层的话可对数据进行加密之类的处理，增强的是传输数据的 安全性，如 https。 链路层可对数据进行校验。从运行进程态看各层区别：应用层运行在用户程序进程中，属性用户态；其他层则在系统内核进程运行，属于核心态； 从通信方式上看各层区别：传输层是端对端的通信，也就是说，处理的是进程与进程之间的通信，如两个

4、TCP 进程；网络层是点对点的通信，也就是说，处理的是机器之间的逻辑连接。从传输数据单元上看区别：传输层上形成的是 TCP 或 UDP 报文段； 网络层形成的是 IP 数据报； 数据链路层形成的是帧 （Frame）。从寻址方式上看各层区别：网络层通过 IP 寻址；链路层通过 MAC 寻址。注解 :ICMP: 供 IP 用于发送错误报文，也可由应用层直接调用；IGMP: 用于多播 (Multicast) ，比如， UDP 可用多播 IP 地址往多个目标主机发送数据报，就是依靠它 ARP&RARP: 用户在 IP 地址与 MAC 地址互相转换。2. TCP/IP 模型基础设施IP 地址 共分五类地

5、址，分别如下：A 类：0. 0. 0. 0 127.255.255.255（单播 ）B 类：128.0.0.0 191.255.255.255（单播 ）C 类：192.0.0.0 223.255.255.255（单播 ）D 类：224.0.0.0 239.255.255.255（多播 ）E 类：240.0.0.0247.255.255.255（待用 ）附加类： 255.255.255.255 (传输层 UDP 广播 )MAC 地址每个网卡的 MAC 地址世界唯一，不可变；计算机通信其实靠的是 MAC 地址，而不是 IP 地址，请看 下面注解。端口 端口在硬件里的名称为接口，跟网卡的入口一样；在

6、软件概念里，可以理解为一些数据结构数据缓冲 区。端口可分为：知名端口：00011023 （例如 FTP 20，TCP 21 ，UDP 69）临时端口：1024 5000预留端口：5000 65535假设你的应用程序需要端口，一般是从临时端口分配，只在应用程序运行时有效，故称临时端口。 传输层可将进程与端口进行绑定，当数据到来时，其知该往哪个进程缓冲区里送。注解：IP 与 MAC 的区别： IP 地址是基于网络拓扑结构的，是动态可变的。 MAC 地址是由网卡厂商定的，是 终身不可变且唯一的。假设应用层利用 MAC 地址传输数据，那么其是不灵活的 ,因为它不能变。所以，应 用层用 IP 寻址。但是

7、，硬件又必须用 MAC 才能找到机器，为此引入 ARP 及 RARP 来做两地址的查询与转换。3. TCP/IP 应用案例分析 场景：左边用户利用 FTP 客户端与右边 FTP 服务器 端进行连接上传文件。 数据将从上往下流，每到一层都会加上层头，数据以类堆栈形式 存储 ，到目标机器时，底层数据先 得，由底向上，符合堆栈先进后出的特性。步骤 1：应用层准备好数据文件，调用 Windows API 通知传输层 TCP 建立连接，传输层加入 TCP 包头，其中包含标识应用层协议的标识符 端口 21。步骤 2：网络层接收了传输层的 TCP 包，由于 IP 协议可接收 ICMP(1) 、IGMP(2)

8、 、TCP(6) 、 UDP(17) 来的数据，其需要一个标识域来表明是那个协议发来的数据。此数据域将加于 IP 包头中。除此之外，还将 赋以 IP 地址。步骤 3：数据链路层接收网络层来的数据后，加之标识域表明数据是从IP、 ARP 或 RARP 来。然后，加上 MAC 地址往外发送。步骤 4：将数据由网卡送出，送的过程中， ARP 利用目标 IP 找到最近的路由器 MAC 地址，然后将包 发往它，之后由它找到一个路由器，最终将数据包送到右边机器的网卡中。步骤 5 ：根据包头的标识域可知这是一个 IP 数据包，利用 IP 协议拆包。步骤 6：根据包头的标识域可知这是一个 TCP 包，利用 TCP 协议拆包。步骤 7：根据包头的端口号，将数据直接送入应用层的对应缓冲区中，应用程序负责解析数据包， 相应的业务逻辑处理。注解：RFC 1600RFC(Request for Comment) ：各种 Internet 的正式标准都以 RFC 文档形式发布。 各种协议文档： RFC 1122 是链路层、网络层、传输层的文档； RFC 1123 是应用层的文档； 是各种 Internet 协议的标准化现状。