TCP/IP 协议的结构与运行原理

本文背景：
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：240.0.0.0——247.255.255.255(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：0001——1023 (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，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。
 


图1  TCP/IP内部分解图

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)、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，做相应的业务逻辑处理。


注解：
RFC(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；RFC 1600是各种Internet协议的标准化现状。