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tcp/ip详解-协议

概述

四层协议系统

TCP/IP协议族通常被认作是四层协议系统，每层分别负责不同功能，由下到上分别为

1. 链路层（数据链路层）
2. 网络层：负责分组在网络中的活动，例如分组的选路等。网络层协议通常包含ip协议,icmp协议，igmp协议
3. 传输层：负责在两台主机之间提供端到端的通信，tcp/ip协议族中，传输层协议有TCP和UDP
4. 应用层：负责处理特定的协议细节

IGMP

IGMP为internet组管理协议，其用于将udp数据报广播到多个主机

ARP & RARP

ARP和RARP是某些网络接口使用的特殊协议，用于转换ip层和链路层所使用的地址。

ipv4地址

ipv4地址大小为4字节，其分类如下所示：

• A类： 0~127.xxx.xxx.xxx (第一bit为0)
• B类： 128~191.xxx.xxx.xxx (前两位bit为10)
• C类: 192~223.xxx.xxx.xxx (前三位bit为110)
• D类：224~239.xxx.xxx.xxx (前四位bit为1110)
• E类：240~255.xxx.xxx.xxx (前五位bit为11110)

协议层封装

当应用向网络中发送数据时，数据被送入协议栈中，从上到下，从应用层一直到数据链路层，每层协议都会为上一层提交的数据添加首部或尾部信息，并且将修改后的数据传递给下一层。

其中，个数据层叫法如下：

• tcp传递给网络层的数据被称为tcp段（tcp segment）
• 网络层传递给数据链路层的数据被称为ip数据报（ip datagram）
• 通过以太网传输的数据流被称为帧（frame）

以太网数据帧

以太网数据帧，其以太网首部长度为14字节,尾部为4字节。

且数据帧的长度必须位于46字节~1500字节之间

packet

更确切说，ip传递给数据链路层的，是分组（packet），分组可能是ip数据报（ip datagram），也可能是ip数据报的一个片（fragment）

UDP datagram

UDP数据和TCP数据类似，UDP传递给IP的数据被称为UDP数据报（UDP datagram）。

UDP首部长度为8字节。

IP首部

除了TCP, UDP向IP传递数据外，ICMP和IGMP也会向IP传输数据，即使ICMP和IGMP和IP都位于网络层。

故而，IP首部中存在长度为8bit的范围，用于标识传递给ip的协议。该字段中，1表示ICMP，2表示IGMP，6表示TCP，17表示UDP。

TCP/UDP首部中的端口号

有很多程序都使用UDP/TCP来传递数据，故而，需要通过端口号来标识程序。

端口号长度为16bit，范围为0 ~ 65535，tcp和udp把源端口号和目标端口号存放在报文首部。

数据链路层标识传递数据的协议

类似于ip，网络接口不仅会被ip传递数据，ARP和RARP即使和网络接口一样位于数据链路层，但是仍然会向网络接口传递数据。故而，以太网帧的首部同样存在一个16bit的区域用于标识传递数据的协议。

分用

当目标主机接收到网络上传输到的数据时，会沿着协议栈至底向上传递。

在每层协议从下层协议接收到数据时，会去掉本层的首部/尾部。每层协议都会检查首部中的标识区域，用于判断上层协议，并将去掉首部/尾部后的数据传递给上层协议。这个过程被称之为分用。

各层协议其对应上层协议可能为：

• 以太网网络接口：上层协议可能为ARP, RARP, IP
• IP协议：上层协议可能为ICMP, IGMP, TCP, UDP
• TCP, UDP: 上层可能为各种应用层序，通过来源ip、来源端口号、目标端口号进行判断

数据链路层

TCP/IP中以太网数据报的封装格式在RFC894中，IEEE 802网络的ip数据报则是封装在RFC 1042中。

对于Internet主机，必须要求：

• 必须能接受和发送RFC 894封装格式的分组
• 应该能接受RFC 894和RFC 1042封装格式的分组
• 也许能发送RFC 1042封装格式的分组

RFC 894是最常被使用的封装格式，如下为两种格式的定义。

RFC 1042

目的物理地址(6字节) + 源物理地址(6字节) + 长度(2字节) + 802.2 LLC(3字节) + 802.2 SNAP(5字节) + 数据(38 ~ 1492字节) + CRC(4字节)

其中，字段含义如下：

• 目的/源地址：目的/源地址均代表物理地址，长度均为6字节48bit
• 长度: RFC 1042中长度代表长度字段后续不包含CRC的长度
• CRC: CRC字段用于帧内字节差错的循环冗余校验，

RFC 894

目标物理地址(6字节) + 源物理地址(6字节) + 类型(2字节) + 数据(46 ~ 1500字节) + CRC(4字节)

其中，字段定义如下：

• 类型：以太网帧中类型字段定义了被封装数据的协议类型：
  • 0800: 如果类型字段的值为0800，那么代表后续数据为IP数据报
  • 0806: 如果类型字段值为0806，那么代表后续数据为ARP请求/应答
  • 0835: 如果字段类型为0835，那么代表后续数据为RARP请求/应答

RFC 894和RFC 1042定义的帧必须有最小长度要求，RFC894要求数据长度至少为46字节，而RFC1042要求数据长度至少为38字节，为了保证被封装数据长度达到最小长度要求，必须在长度不足时向剩余空间填充pad字节。

环回接口

大多数产品都支持环回接口(loopback interface)，允许运行在同一台机器上的程序之间相互进行通信。在A类地址中，127开头的地址即是为环回端口预留。根据惯例，大多数系统把127.0.0.1分配给这个接口，并命名为localhost。

一个传给loopback interface的ip数据包不能在任何网络上出现。

MTU

RFC 894和RFC 1042对数据帧长度有限制，数据部分长度最多不能超过1500和1492字节，该限制被称为最大传输单元（MTU）。

如果ip层需要传输一个大于MTU的数据报，那么该数据报需要被分片为若干片，令每一片都小于MTU限制的大小。

ip:网际协议

ip协议为tcp/ip中最为核心的协议，TPC/UDP/ICMP/IGMP数据都以ip数据报的形式进行发送。

IP协议特性

ip协议是不可靠的，其并不保证传输的数据被成功送达目标端。如果在ip数据包发送途中，某个路由器暂时用完缓冲区，那么ip协议存在简单的错误处理算法：丢弃该ip数据报，并且向信源段发送ICMP消息报。