TCP/IP協議族體系結構以及主要協議

TCP/IP協議族是一個四層協議系統，自底而上分別是數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。每一層完成不同
的功能，且通過若干協議來實現，上層協議使用下層協議提供的服務。

數據鏈路層

數據鏈路層實現了網卡接口的網絡驅動程序，以處理數據在物理媒介（比如以太網、令牌環等）上的傳輸。

數據鏈路層兩個常用的協議是ARP協議（Address Resolve Protocol，地址解析協議）和RARP協議（ReverseAddress Resolve Protocol，逆地址解析協議）。它們實現了IP地址和機器物理地址（通常是MAC地址，以太網、令牌環和802.11無線網絡都使用MAC地址）之間的相互轉換。

網絡層使用IP地址尋址一臺機器，而數據鏈路層使用物理地址尋址一臺機器，因此網絡層必須先將目標機器的IP地址轉化成其物理地址，才能使用數據鏈路層提供的服務，這就是ARP協議的用途。

RARP協議僅用于網絡上的某些無盤工作站。因為缺乏存儲設備，無盤工作站無法記住自己的IP地址，但它們可以利用網卡上的物理地址來向網
絡管理者（服務器或網絡管理軟件）查詢自身的IP地址。運行RARP服務的網絡管理者通常存有該網絡上所有機器的物理地址到IP地址的映射。

網絡層

網絡層實現數據包的選路和轉發。
WAN（Wide Area Network，廣域網）通常使用眾多分級的路由器來連接分散的主機或LAN（Local Area Network，局域網），因此，通信的兩臺主機一般不是直接相連的，而是通過多個中間節點（路由器）連接的。網絡層的任務就是選擇這些中間節點，以確定兩臺主機之間的通信路徑。同時，網絡層對上層協議隱藏了網絡拓撲連接的細節，使得在傳輸層和網絡應用程序看來，通信的雙方是直接相連的。

網絡層最核心的協議是IP協議（Internet Protocol，因特網協議）。IP協議根據數據包的目的IP地址來決定如何投遞它。如果數據包不能直接發送給目標主機，那么IP協議就為它尋找一個合適的下一跳（next hop）路由器，并將數據包交付給該路由器來轉發。多次重復這一過程，數據包最終到達目標主機，或者由于發送失敗而被丟棄。可見，IP協議使用逐跳（hop by hop）的方式確定通信路徑。

網絡層另外一個重要的協議是ICMP協議（Internet Control Message Protocol，因特網控制報文協議）。它是IP協議的重要補充，主要用于檢測網絡連接。

8位類型字段用于區分報文類型。它將ICMP報文分為兩大類
差錯報文，這類報文主要用來回應網絡錯誤，比如目標不可到達（類型值為3）和重定向（類型值為5）；
查詢報文，這類報文用來查詢網絡信息，比如ping程序就是使用ICMP報文查看目標是否可到達（類型值為8）的。
有的ICMP報文還使用8位代碼字段來進一步細分不同的條件。比如重定向報文使用代碼值0表示對網絡重定向，代碼值1表示對主機重定向。
ICMP報文使用16位校驗和字段對整個報文（包括頭部和內容部分）進行循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC），以檢驗報文在傳輸過程中是否損壞。不同的ICMP報文類型具有不同的正文內容。

傳輸層

傳輸層為兩臺主機上的應用程序提供端到端（end to end）的通信。與網絡層使用的逐跳通信方式不同，傳輸層只關心通信的起始端和目的端，而不在乎數據包的中轉過程。

垂直的實線箭頭表示TCP/IP協議族各層之間的實體通信（數據包確實是沿著這些線路傳遞的），而水平的虛線箭頭表示邏輯通信線路。該圖中還附帶描述了不同物理網絡的連接方法。可見，
數據鏈路層（驅動程序）封裝了物理網絡的電氣細節；網絡層封裝了網絡連接的細節；傳輸層則為應用程序封裝了一條端到端的邏輯通信鏈路，它負責數據的收發、鏈路的超時重連等。

傳輸層協議：TCP協議、UDP協議。

• TCP協議（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）為應用層提供可靠的、面向連接的和基于流（stream）的服務。TCP協議使用超時重傳、數據確認等方式來確保數據包被正確地發送至目的端，因此TCP服務是可靠的。使用TCP協議通信的雙方必須先建立TCP連接，并在內核中為該連接維持一些必要的數據結構，比如連接的狀態、讀寫緩沖區，以及諸多定時器等。當通信結束時，雙方必須關閉連接以釋放這些內核數據。TCP服務是基于流的。基于流的數據沒有邊界（長度）限制，它源源不斷地從通信的一端流入另一端。發送端可以逐個字節地向數據流中寫入數據，接收端也可以逐個字節地將它們讀出。

• UDP協議（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）則與TCP協議完全相反，它為應用層提供不可靠、無連接和基于數據報的服務。“不可靠”意味著UDP協議無法保證數據從發送端正確地傳送到目的端。如果數據在中途丟失，或者目的端通過數據校驗發現數據錯誤而將其丟棄，則UDP協議只是單地通知應用程序發送失敗。因此，使用UDP協議的應用程序通常要自己處理數據確認、超時重傳等邏輯。UDP協議是無連接的，即通信雙方不保持一個長久的聯系，因此應用程序每次發送數據都要明確指定接收端的地址（IP地址等信息）。基于數據報的服務，是相對基于流的服務而言的。每個UDP數據報都有一個長度，接收端必須以該長度為最小單位將其所有內容一次性讀出，否則數據將被截斷。

應用層

應用層負責處理應用程序的邏輯。
數據鏈路層、網絡層和傳輸層負責處理網絡通信細節，這部分必須既穩定又高效，因此它們都在內核空間中實現。而應用層則在用戶空間實現，因為它負責處理眾多邏輯，比如文件傳輸、名稱查詢和網絡管理等。如果應用層也在內核中實現，則會使內核變得非常龐大。當然，也有少數服務器程序是在內核中實現的，這樣代碼就無須在用戶空間和內核空間來回切換（主要是數據的復制），極大地提高了工作效率。不過這種代碼實現起來較復雜，不夠靈活，且不便于移植。

ping是應用程序，而不是協議，前面說過它利用ICMP報文檢測網絡連接，是調試網絡環境的必備工具。

telnet協議是一種遠程登錄協議，它使我們能在本地完成遠程任務。

OSPF（Open Shortest Path First，開放最短路徑優先）協議是一種動態路由更新協議，用于路由器之間的通信，以告知對方各自的路由信息。

DNS（Domain Name Service，域名服務）協議提供機器域名到IP地址的轉換。

應用層協議（或程序）可能跳過傳輸層直接使用網絡層提供的服務，比如ping程序和OSPF協議。應用層協議（或程序）通常既可以使用TCP服務，又可以使用UDP服務，比如DNS協議。我們可以通過/etc/services文件查看所有知名的應用層協議，以及它們都能使用哪些傳輸層服務。

五層協議背后的思想：上層屏蔽下層細節，只使用其提供的服務。高內聚低耦合，每一層專注于其功能，各層之間的關系依賴不大。

數據包在每層有不同的格式，從上到下依次叫段，數據報，幀，數據從應用層通過協議棧向下傳遞，每經過一層加上對應層協議的報頭，最后封裝成幀發送到傳輸介質上，到達路由器或者目的主機剝掉頭部，交付給上層需要者。這一過程稱為封裝，傳輸，分離，分用。