计算机网络协议——TCP/IP协议总结

TCP/IP协议出现的原因是互联网世界各个主机作为一个个独立的个体，如何制定统一的规则让他们互相通讯是达成万物互联的纽带。基于此，设定了TCP/IP协议来规范网络访问行为。TCP/IP并不是一个具体的协议，而是表示一系列协议的统称，包括IP、ICMP、TCP以及http、FTP、POP3等等。个人主机遵循对应的协议就能与同样遵循该协议的第三方主机进行通讯。

1.分层模型

网络协议通常分成不同的层次进行开发，每一层负责不同的通讯功能。数据传输的过程就像发快递一样，每经过一个邮局，都加上当前邮局的印戳，告知邮差当前快递经过了哪里，下一个邮局又是哪。TCP/IP通常被认为是一个四层的协议系统，由上至下为：应用层、传输层、网络层和链路层。

应用层：定义上层应用可以直接使用的高级协议，如http、FTP等。

传输层：定义控制数据传输的协议，用以保证数据的可靠性和顺序到达性等，如TCP、UDP协议。

网络层：定义不同网络类型间通讯的协议，如IP协议用于实现互联网路由，ICMP协议用于检测网络的畅通性，ARP协议用于获取设备MAC地址等。

链路层：定义网络介质上的传输协议，和电气相关，如Ethernet协议、802.3协议等，主要由操作系统的网卡驱动程序实现。

说到4层模型，我们自然联想到OSI的7层模型，有大佬总结了一个图，我就拿过来用：

我们拿TCP/IP四层模型具体分析一下每一层都会做什么事情：

1.1链路层

链路层做的事情很简单：把0、1按照字节为单位进行传输。以太网规定一组电讯号就是一个数据包，一个数据包被称为一帧，制定这个规则的协议就是以太网协议。一个完整的以太网数据包如下图所示：

整个数据帧由首部、数据和尾部三部分组成，首部固定为14个字节，包含了目标MAC地址、源MAC地址和类型；数据最短为46个字节，最长为1500个字节，如果需要传输的数据很长，就必须分割成多个帧进行发送；尾部固定为4个字节，表示数据帧校验序列，用于确定数据包在传输过程中是否损坏。因此，以太网协议通过对电讯号进行分组并形成数据帧，然后通过物理介质把数据帧发送给接收方。那么以太网如何来认识接收方的身份呢？

以太网规协议定，接入网络的设备都必须安装网络适配器，即网卡，数据包必须是从一块网卡传送到另一块网卡。而网卡地址就是数据包的发送地址和接收地址，也就是帧首部所包含的MAC地址，MAC地址是每块网卡的身份标识，就如同我们身份证上的身份证号码，具有全球唯一性。MAC地址采用十六进制标识，共6个字节，前三个字节是厂商编号，后三个字节是网卡流水号，例如5D-3E-11-3F-05-E1。

有了MAC地址以后，以太网采用广播形式，把数据包发给该子网内所有主机，子网内每台主机在接收到这个包以后，都会读取首部数据中的目标MAC地址，然后和自己的MAC地址进行对比，如果相同就做下一步处理，如果不同，就丢弃这个包。

所以链路层的主要工作就是对电讯号进行分组并形成具有特定意义的数据帧，然后以广播的形式通过物理介质发送给接收方。

1.2网络层

链路层提到定位唯一一个设备的方式是查询网卡地址。那么在网络层要做的事情是：根据IP找到IP对应的设备。我们可以思考一下IP是如何和MAC地址对应的呢？网络层主要提供以下协议进行传输和定位。

IP协议

网络通讯是基于IP协议来进行，MAC地址不具备规律性所以无法用来作为通讯协议，但是它是唯一的所以可以用来确定一台设备。

IP地址目前有两个版本，分别是IPv4和IPv6，IPv4是一个32位的地址，常采用4个十进制数字表示。IP协议将这个32位的地址分为两部分，前面部分代表网络地址，后面部分表示该主机在区域网中的地址。由于各类地址的分法不尽相同，以C类地址192.168.24.1为例，其中前24位就是网络地址，后8位就是主机地址。

因此，如果两个IP地址在同一个子网内，则网络地址一定相同。为了判断IP地址中的网络地址，IP协议还引入了子网掩码，IP地址和子网掩码通过按位与运算后就可以得到网络地址。由于发送者和接收者的IP地址是已知的（应用层的协议会传入），因此我们只要通过子网掩码对两个IP地址进行AND运算后就能够判断双方是否在同一个子网。

IP地址的组成：

IP地址=网络地址+主机地址，比如：

IP地址分类：

最初设计互联网络时，为了便于定址以及层次化构造网络，每个IP地址包括两个标识码（ID），即网络ID和主机ID。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络ID，网络上的一个主机（包括网络上工作站，服务器和路由器等）有一个主机ID与其对应。Internet委员会定义了5种IP地址类型以适合不同容量的网络，即A类～E类。其中A、B、C 3类由InternetNIC在全球范围内统一分配，D、E类为特殊地址。

IP地址分为五大类：A类、B类、C类、D类和E类，如下图所示：

IP路由选择

当一个IP数据包准备好了的时候，IP数据包（或者说是路由器）是如何将数据包送到目的地的呢？它是怎么选择一个合适的路径来“送货”的呢？最特殊的情况是目的主机和主机直连，那么主机根本不用寻找路由，直接把数据传递过去就可以了。至于是怎么直接传递的，这就要靠ARP协议了，后面会讲到。

稍微一般一点的情况是，主机通过若干个路由器（router）和目的主机连接。那么路由器就要通过IP包的信息来为IP包寻找到一个合适的目标来进行传递，比如合适的主机，或者合适的路由。路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个IP数据包。如果IP数据包的TTL（生命周期）已到，则该IP数据包就被抛弃。

搜索路由表，优先搜索匹配主机，如果能找到和IP地址完全一致的目标主机，则将该包发向目标主机。搜索路由表，如果匹配主机失败，则匹配同子网的路由器，这需要「子网掩码」的协助。如果找到路由器，则将该包发向路由器。搜索路由表，如果匹配同子网路由器失败，则匹配同网号路由器，如果找到路由器，则将该包发向路由器。

搜索路由表，如果以上都失败了，就搜索默认路由，如果默认路由存在，则发包。如果都失败了，就丢掉这个包。以上过程说明：IP包是不可靠的，因为它不保证送达。