计算机网络 - TCP/IP 详解

编程 , 评论

上次在 计算机网络（一）中引出了tcp/ip协议

本文来对 tcp/ip协议群 进行更加详细的叙述

  • 本文篇幅也比较长，先来一张思维导图。
    mind-map

TCP/IP 基础

TCP/IP 的具体含义

  • TCP/IP 不仅仅是指 TCP 和 IP 两种协议。它只是利用 IP 进行通信时所必须用到的协议群的统称。具体来说，IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都属于 TCP/IP 协议。他们与 TCP 或 IP 的关系紧密，是互联网必不可少的组成部分。TCP/IP 一词泛指这些协议，因此，有时也称 TCP/IP 为网际协议群。

  • 互联网进行通信时，需要相应的网络协议，TCP/IP 原本就是为使用互联网而开发制定的协议族。因此，互联网的协议就是 TCP/IP，TCP/IP 就是互联网的协议。

protocol-group

数据包

包、帧、数据包、段、消息

  • 以上五个术语都用来表述数据的单位，大致区分如下：

    • 包可以说是全能性术语；
    • 帧用于表示数据链路层中包的单位；
    • 数据包是 IP 和 UDP 等网络层以上的分层中包的单位；
    • 段则表示 TCP 数据流中的信息；
    • 消息是指应用协议中数据的单位。

  • 每个分层中，都会对所发送的数据附加一个首部，在这个首部中包含了该层必要的信息，如发送的目标地址以及协议相关信息。通常，为协议提供的信息为包首部，所要发送的内容为数据。在下一层的角度看，从上一层收到的包全部都被认为是本层的数据。

header

  • 网络中传输的数据包由两部分组成：一部分是协议所要用到的首部，另一部分是上一层传过来的数据。首部的结构由协议的具体规范详细定义。在数据包的首部，明确标明了协议应该如何读取数据。反过来说，看到首部，也就能够了解该协议必要的信息以及所要处理的数据。包首部就像协议的脸。

数据处理流程

  • 下图以用户 a 向用户 b 发送邮件为例子：
    data-flow

  • ① 应用程序处理

    • 首先应用程序会进行编码处理，这些编码相当于 OSI 的表示层功能；
    • 编码转化后，邮件不一定马上被发送出去，这种何时建立通信连接何时发送数据的管理功能，相当于 OSI 的会话层功能。

  • ② TCP 模块的处理

    • TCP 根据应用的指示，负责建立连接、发送数据以及断开连接。TCP 提供将应用层发来的数据顺利发送至对端的可靠传输。为了实现这一功能，需要在应用层数据的前端附加一个 TCP 首部。

  • ③ IP 模块的处理

    • IP 将 TCP 传过来的 TCP 首部和 TCP 数据合起来当做自己的数据，并在 TCP 首部的前端加上自己的 IP 首部。IP 包生成后，参考路由控制表决定接受此 IP 包的路由或主机。

  • ④ 网络接口（以太网驱动）的处理

    • 从 IP 传过来的 IP 包对于以太网来说就是数据。给这些数据附加上以太网首部并进行发送处理，生成的以太网数据包将通过物理层传输给接收端。

  • ⑤ 网络接口（以太网驱动）的处理

    • 主机收到以太网包后，首先从以太网包首部找到 MAC 地址判断是否为发送给自己的包，若不是则丢弃数据。
    • 如果是发送给自己的包，则从以太网包首部中的类型确定数据类型，再传给相应的模块，如 IP、ARP 等。这里的例子则是 IP 。

  • ⑥ IP 模块的处理

    • IP 模块接收到 数据后也做类似的处理。从包首部中判断此 IP 地址是否与自己的 IP 地址匹配，如果匹配则根据首部的协议类型将数据发送给对应的模块，如 TCP、UDP。这里的例子则是 TCP。
    • 另外吗，对于有路由器的情况，接收端地址往往不是自己的地址，此时，需要借助路由控制表，在调查应该送往的主机或路由器之后再进行转发数据。

  • ⑦ TCP 模块的处理

    • 在 TCP 模块中，首先会计算一下校验和，判断数据是否被破坏。然后检查是否在按照序号接收数据。最后检查端口号，确定具体的应用程序。数据被完整地接收以后，会传给由端口号识别的应用程序。

  • ⑧ 应用程序的处理

    • 接收端应用程序会直接接收发送端发送的数据。通过解析数据，展示相应的内容。

传输层中的 TCP 和 UDP

  • TCP/IP 中有两个具有代表性的传输层协议，分别是 TCP 和 UDP。

    • TCP 是面向连接的、可靠的流协议。流就是指不间断的数据结构，当应用程序采用 TCP 发送消息时，虽然可以保证发送的顺序，但还是犹如没有任何间隔的数据流发送给接收端。TCP 为提供可靠性传输，实行“顺序控制”或“重发控制”机制。此外还具备“流控制（流量控制）”、“拥塞控制”、提高网络利用率等众多功能。

    • UDP 是不具有可靠性的数据报协议。细微的处理它会交给上层的应用去完成。在 UDP 的情况下，虽然可以确保发送消息的大小，却不能保证消息一定会到达。因此，应用有时会根据自己的需要进行重发处理。

    • TCP 和 UDP 的优缺点无法简单地、绝对地去做比较：TCP 用于在传输层有必要实现可靠传输的情况；而在一方面，UDP 主要用于那些对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信。TCP 和 UDP 应该根据应用的目的按需使用。

端口号

  • 数据链路和 IP 中的地址，分别指的是 MAC 地址和 IP 地址。前者用来识别同一链路中不同的计算机，后者用来识别 TCP/IP 网络中互连的主机和路由器。在传输层也有这种类似于地址的概念，那就是端口号。端口号用来识别同一台计算机中进行通信的不同应用程序。因此，它也被称为程序地址。

根据端口号识别应用

  • 一台计算机上同时可以运行多个程序。传输层协议正是利用这些端口号识别本机中正在进行通信的应用程序，并准确地将数据传输。

port

通过 IP 地址、端口号、协议号进行通信识别

  • 仅凭目标端口号识别某一个通信是远远不够的。
    multi-port

  • ① 和② 的通信是在两台计算机上进行的。它们的目标端口号相同，都是80。这里可以根据源端口号加以区分。

  • ③ 和 ① 的目标端口号和源端口号完全相同，但它们各自的源 IP 地址不同。

  • 此外，当 IP 地址和端口号全都一样时，我们还可以通过协议号来区分（TCP 和 UDP）。

端口号的确定

  • 标准既定的端口号：这种方法也叫静态方法。它是指每个应用程序都有其指定的端口号。但并不是说可以随意使用任何一个端口号。例如 HTTP、FTP、TELNET 等广为使用的应用协议中所使用的端口号就是固定的。这些端口号被称为知名端口号，分布在 01023 之间；除知名端口号之外，还有一些端口号被正式注册，它们分布在 102449151 之间，不过这些端口号可用于任何通信用途。
  • 时序分配法：服务器有必要确定监听端口号，但是接受服务的客户端没必要确定端口号。在这种方法下，客户端应用程序完全可以不用自己设置端口号，而全权交给操作系统进行分配。动态分配的端口号范围在 49152~65535 之间。

端口号与协议

  • 端口号由其使用的传输层协议决定。因此，不同的传输层协议可以使用相同的端口号。

  • 此外，那些知名端口号与传输层协议并无关系。只要端口一致都将分配同一种应用程序进行处理。

UDP

  • UDP 不提供复杂的控制机制，利用 IP 提供面向无连接的通信服务。

  • 并且它是将应用程序发来的数据在收到的那一刻，立即按照原样发送到网络上的一种机制。即使是出现网络拥堵的情况，UDP 也无法进行流量控制等避免网络拥塞行为。

  • 此外，传输途中出现丢包，UDP 也不负责重发。

  • 甚至当包的到达顺序出现乱序时也没有纠正的功能。

  • 如果需要以上的细节控制，不得不交由采用 UDP 的应用程序去处理。

  • UDP 常用于一下几个方面：1.包总量较少的通信（DNS、SNMP等）；2.视频、音频等多媒体通信（即时通信）；3.限定于 LAN 等特定网络中的应用通信；4.广播通信（广播、多播）。

TCP

  • TCP 与 UDP 的区别相当大。它充分地实现了数据传输时各种控制功能，可以进行丢包时的重发控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。而这些在 UDP 中都没有。

  • 此外，TCP 作为一种面向有连接的协议，只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费。

  • 根据 TCP 的这些机制，在 IP 这种无连接的网络上也能够实现高可靠性的通信（ 主要通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现）。

网络层中的 IP 协议

  • IP（IPv4、IPv6）相当于 OSI 参考模型中的第3层——网络层。网络层的主要作用是“实现终端节点之间的通信”。这种终端节点之间的通信也叫“点对点通信”。

  • 网络的下一层——数据链路层的主要作用是在互连同一种数据链路的节点之间进行包传递。而一旦跨越多种数据链路，就需要借助网络层。网络层可以跨越不同的数据链路，即使是在不同的数据链路上也能实现两端节点之间的数据包传输。

  • IP 大致分为三大作用模块，它们是 IP 寻址、路由（最终节点为止的转发）以及 IP 分包与组包。

IP地址

  • 在计算机通信中，为了识别通信对端，必须要有一个类似于地址的识别码进行标识。在数据链路中的 MAC 地址正是用来标识同一个链路中不同计算机的一种识别码。

  • 作为网络层的 IP ,也有这种地址信息，一般叫做 IP 地址。IP 地址用于在“连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址”。因此，在 TCP/IP 通信中所有主机或路由器必须设定自己的 IP 地址。

  • 不论一台主机与哪种数据链路连接，其 IP 地址的形式都保持不变。

  • IP 地址（IPv4 地址）由32位正整数来表示。IP 地址在计算机内部以二进制方式被处理。然而，由于我们并不习惯于采用二进制方式，我们将32位的 IP 地址以每8位为一组，分成4组，每组以 “.” 隔开，再将每组数转换成十进制数。如下：

2^8 2^8 2^8 2^8 2^8
10101100 00010100 00000001 00000001 （2进制）
10101100. 00010100. 00000001. 00000001 （2进制）
172. 20. 1. 1 （10进制）

IP地址详解

  • IP地址（IPv4 地址）由32位正整数来表示，由（网络标识 + 主机识别）
定义 网络标识 对应的网络地址(不是ip地址哦) 一个网段内可容纳的主机地址上限
A IP 地址是首位以 “0” 开头的地址 1 ~ 8 0.0.0.0 ~ 127.0.0.0 16,777,214
B IP 地址是首位以 “10” 开头的地址 1 ~ 16 128.0.0.0 ~ 191.255.0.0 65,534
C IP 地址是首位以 “110” 开头的地址 1 ~ 24 192.0.0.0 ~ 223.255.255.0 254
D IP 地址是首位以 “1110” 开头的地址 1 ~ 32 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 没有主机标识，常用于多播
  • 在分配 IP 地址时关于主机标识有一点需要注意。即要用比特位表示主机地址时，不可以全部为 0 或全部为 1。
    • 因为全部为 0 只有在表示对应的网络地址或 IP 地址不可以获知的情况下才使用。
    • 而全部为 1 的主机通常作为广播地址。因此，在分配过程中，应该去掉这两种情况。这也是为什么 C 类地址每个网段最多只能有 254（ 28 - 2 = 254）个主机地址的原因。

QinHanGame Developer & Designer

当你发现自己的才华撑不起野心时，就请安静下来学习吧！