Luben Park

    TCP/IP協議，或稱為TCP/IP協議棧，或互聯網協議系列。

    包含了一系列構成互聯網基礎的網絡協議。這些協議最早發源于美國國防部的DARPA互聯網項目。TCP/IP字面上代表了兩個協議:TCP傳輸控制協議和IP互聯網協議。

    時間回放到1983年1月1日，在這天，互聯網的前身Arpanet中，TCP/IP協議取代了舊的網絡核心協議NCP(Network Core Protocol)，從而成為今天的互聯網的基石。最早的的TCP/IP由Vinton Cerf和Robert Kahn兩位開發，慢慢地通過競爭戰勝了其它一些網絡協議的方案，比如國際標準化組織ISO的OSI模型。TCP/IP的蓬勃發展發生在上世紀的90年代中期。當時一些重要而可靠的工具的出世，例如頁面描述語言HTML和瀏覽器Mosaic，導致了互聯網應用的飛束發展。

    隨著互聯網的發展，目前流行的IPv4協議(IP Version 4，IP版本四)已經接近它的功能上限。IPv4最致命的兩個缺陷在與:

• 地址只有32位，IP地址空間有限;
• 不支持服務等級(Quality of Service, Qos)的想法，無法管理帶寬和優先級，故而不能很好的支持現今越來越多的實時的語音和視頻應用。因此IPv6 (IP Version 6, IP版本六) 浮出海面，用以取代IPv4。

    TCP/IP成功的另一個因素在與對為數眾多的低層協議的支持。這些低層協議對應與OSI模型 中的第一層(物理層)和第二層(數據鏈路層)。每層的所有協議幾乎都有一半數量的支持TCP/IP，例如: 以太網(Ethernet)，令牌環(Token Ring)，光纖數據分布接口(FDDI)，端對端協議( PPP)，X.25，幀中繼(Frame Relay)，ATM，Sonet, SDH等。

目錄

1 TCP/IP協議棧組成 2 必須協議 3 推薦協議 4 可選協議 5 范例: 不同計算機運行的不同協議 6 參考文獻

    TCP/IP協議棧組成

    整個通信網絡的任務，可以劃分成不同的功能塊，即抽象成所謂的 ” 層” 。用于互聯網的協議可以比照TCP/IP參考模型進行分類。TCP/IP協議棧起始于第三層協議IP(互聯網協議) 。所有這些協議都在相應的RFC文檔中討論及標準化。重要的協議在相應的RFC文檔中均標記了狀態: “必須“ (required) ，“推薦“ (recommended) ，“可選“ (elective) 。其它的協議還可能有“ 試驗“(experimental) 或“ 歷史“(historic) 的狀態。

    必須協議

    所有的TCP/IP應用都必須實現IP和ICMP。對于一個路由器(router) 而言，有這兩個協議就可以運作了，雖然從應用的角度來看，這樣一個路由器 意義不大。實際的路由器一般還需要運行許多“推薦“使用的協議，以及一些其它的協議。

    在幾乎所有連接到互聯網上的計算機上都存在的IPv4 協議出生在1981年，今天的版本和最早的版本并沒有多少改變。升級版IPv6 的工作始于1995年，目的在與取代IPv4。ICMP 協議主要用于收集有關網絡的信息查找錯誤等工作。

    推薦協議

    每一個應用層(TCP/IP參考模型 的最高層) 一般都會使用到兩個傳輸層協議之一: 面向連接的TCP傳輸控制協議和無連接的包傳輸的UDP用戶數據報文協議 。 其它的一些推薦協議有:

• TELNET (Teletype over the Network, 網絡電傳) ，通過一個終端(terminal)登陸到網絡(運行在TCP協議上)。
• FTP (File Transfer Protocol, 文件傳輸協議) ，由名知義(運行在TCP協議上) 。
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol，簡單郵件傳輸協議) ，用來發送電子郵件(運行在TCP協議上) 。
• DNS (Domain Name Service，域名服務) ，用于完成地址查找，郵件轉發等工作(運行在TCP和UDP協議上) 。
• ECHO (Echo Protocol, 回繞協議) ，用于查錯及測量應答時間(運行在TCP和UDP協議上) 。
• NTP (Network Time Protocol，網絡時間協議) ，用于網絡同步(運行在UDP協議上) 。
• SNMP (Simple Network Management Protocol, 簡單網絡管理協議) ，用于網絡信息的收集和網絡管理。
• BOOTP (Boot Protocol，啟動協議) ，應用于無盤設備(運行在UDP協議上)。

    可選協議

    最常用的一些有

• 支撐萬維網WWW的超文本傳輸協議HTTP，
• 動態配置IP地址的DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol,動態主機配置協議)，
• 收郵件用的POP3 (Post Office Protocol, version 3, 郵局協議) ，
• 用于加密安全登陸用的SSH (Secure Shell，用于替代安全性差的TELNET) ，
• 用于動態解析以太網硬件地址的ARP (Address Resolution Protocol，地址解析協議) 。

    范例: 不同計算機運行的不同協議

• 一個簡單的路由器上可能會實現ARP, IP, ICMP, UDP, SNMP, RIP。
• WWW用戶端使用ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DNS, HTTP, FTP。
• 一臺用戶電腦上還會運行如TELNET, SMTP, POP3, SNMP, ECHO, DHCP, SSH, NTP。
• 無盤設備可能會在固件比如ROM中實現了ARP, IP, ICMP, UDP, BOOT, TFTP (均為面向數據報的協議，實現起來相對簡單)。

TCP/IP基礎講座-1：1層，2層，3層？

    讀過關于網絡的課程的，都知道ISO-OSI 7層協議這個名詞，許多書籍都會具體的畫出那幅圖，然后標注上物理層，數據鏈路層，網絡層等等.背的大家要死.但是卻又不知道具體這些層次干嗎用的勒？

    其實在互聯網中，由于實際使用的是TCP/IP模型，也就是DOD模型(現在不知道沒關系，后面會說).所以7層模型在現實網絡環境中只是一個理論上，學究派的東西.這個模型中，我們真正關心的是下面的3層.

1.物理層 .哦.是的.這個名詞還算容易了解.網卡還有那些網線構成了這一層.那些在網線中傳播的二進制數據流是這層的具體表象.也就是說，這一層上面沒有什么協議(不是很精確的說法，但是你可以這么理解).有的都是電流而已.我們把兩臺機器用網線連起來.或者用HUB把機器都連起來，這些工作就是物理層的工作.

    有2個設備屬于物理層的，一個是中繼器，一個是HUB.大家知道.物理上面的連線距離一長就會產生電信號的衰減.為了重新加強這個信號，我們就需要在一定距離之后加上一個信號放大器，這就是中繼器(repeater)

    恩...這個比較容易理解.repeater就是連接在2根網線之間的么.沒有做任何處理.所以只是一個物理設備.屬于1層的.

    那么集線器(HUB) 呢？這個怎么會是在1層？？？似乎非常難以理解.

    當我說出HUB的本質，大家就能夠清楚了解了

    HUB的本質其實只是一個多口中繼器(MULTI PORT REPEATER) .啊...這樣大家能夠理解了.HUB不叫多口中繼器其實只是為了銷售上面的策略.他的本質就是連接多根網線的一個物理設備.也是不對經過的電信號做任何邏輯處理的.

2.數據鏈路層

    歐~這個名詞有些別扭了.DATA LINK層.英文似乎更加容易理解.

    這個層面上面的東西不再是電信號了.而是DATA了.對，既然是DATA就有了邏輯關系了.這個層面上面的基本單位是幀(Frame) .這層和物理層的接觸是最緊密的.他是把從網線上面傳輸的電流轉換成0和1的組合.

    物理層只是網卡對網線發出或者接受各種電平信號，那就是說物理層是無法判別電流的來源和目標的.那么把電流打成0和1的幀之后.里面就有邏輯數據了.有了數據，就可以判別數據從何而來，到何處去.所以也就可以真正的形成LINK.

    既然可以判別地址，那么地址是按照什么來判別的呢？

    那就是最重要的概念之一:MAC地址

    大家肯定都聽說過我們的網卡都有MAC地址

    有些人可能也知道MAC地址都是唯一的.

    對.MAC地址是全球唯一的.也就是說你的網卡雖然便宜.但是他也是世界上獨一無二的.

    有些人說他可以改MAC.那就不是唯一了.對.雖然可以更改，那只是欺騙上層對封包里面的MAC地址進行改寫.你網卡真正的MAC地址是固化的.無法修改的.

    我們有了MAC地址了.這樣就可以有針對性對所有連接在一起的計算機進行通訊了.是的.我們終于可以在一個局域網內通訊了.

    但是有個問題我們前面沒有提到.就是既然物理層傳輸的是電信號.那么如果我有2臺機器一起發電信號，信號豈不是混亂了么？

    非常正確.這個問題在網絡里面成為"碰撞"，所以協議里面規定了如果你需要往外發數據，一定需要先看看電纜里面有沒有別的信號.如果沒有，那就可以發.如果2者同時發送，檢測到碰撞之后2者分別等待一個隨機時間，然后重發.這個就是重要的"碰撞檢測 ".

    哈.看來問題解決了.不是么.現在整個網絡可以正常運行了.

    確實如此.但是如果連接在網絡上的計算機越來越多，那么碰撞的現象會越來越頻繁.這樣效率一定很低了.恩.這里還有一個重要概念"沖突域 ".在同一個物理上連接的網絡上的所有設備是屬于同一個沖突域的.

    接著就需要引入我們的2層設備來分割沖突域了.

    網橋(Bridge) 就是連接2個不同的物理網絡的.主要功能是在2個網絡之間轉發Frame.因為從實際中我們可以知道.其實很多時候并非整個網絡都在相互通訊.最多相互通訊的一組計算機我們可以分在一個小的沖突域內.這樣分割以后可以減少沖突域，也就相對的減少了沖突的機會.而之間使用網橋來橋接，由于網橋兩邊的通訊不是非常頻繁，所以使用網橋來為2邊作為"代言人".這樣任意一個小網絡里面產生沖突的機會就少了.

    交換機(Switch)是我們最熟悉的設備了，交換機的本質其實就是一個多口網橋(Multi port Bridge) .同理可得.交換機的每個口后面都是一個沖突域.我們都說交換機比HUB快，就是因為交換機分割了所有的沖突域.

    由于現在交換機非常便宜.所以一般我們都是直接在交換機的口上接計算機.這樣每臺計算機都是一個獨立的沖突域.這樣碰撞的問題就沒有了.所以速度是比HUB快.

    而前面說過.2層設備主要是個轉發的功能.交換機的主要功能就是轉發包.而不是讓所有的沖突域直接物理連接.所以交換機有CPU，有內存，可以對frame進行處理等等.這些也是交換機和HUB的區別.

3.網絡層

    我們前面的一些技術就可以構建出局域網了.有了網絡層以后.數據才能夠真正的在整個世界間傳送

    由于倫納德?博薩卡(Leonard Bosack)和姍蒂?雷納(Sandy Lerner)為了解決他們之間的通信問題(關于路由器發明的版本有很多.你聽到的別的說法可能比這個說法更準確，但是誰知道呢.呵呵).路由器被發明用來解決"信息孤島"問題.而且如果是由SWITCH來構建整個網絡，那么整個網絡將會有"中心節點"，這樣也不符合ARPANET的初衷.所以我們有了這一層.(這樣說可能會感覺本末倒置，但是先這么理解吧.)

    這一層的基本單元是包(Packet) .所有的包都有一個IP頭.啊.聽起來很熟悉不是么.IP就是用來在這層上面標識包的來源和目的地址的.

    這層的一個主要概念就是"路由 "，也就是和switch一樣，把包轉發到其他的地方.不過有個不同的地方，switch只有知道具體的MAC在哪里的情況下才能夠發送給指定的計算機，而路由則不需要知道最終IP所在的計算機在哪個位置，只要知道那個途徑可以過去就可以工作.

    這3層構建了整個網絡的基礎.由于TCP/IP模型將最下面2層合并成為一層，所以在TCP/IP里面總共這2層也是整個構架最基礎的內容.而網絡方面要做的工作也都是針對于這2層做的.

2: TCP/IP.真實世界的模型

    上一講里面我們說過OSI 7層模型只是一個理論模型,而實際中只需要保證7層的功能能夠實現,實際分層無需按照7層來分.而且如果真的分7層.那么數據處理的速度便要慢許多.

    在實際應用中.使用最多的便是DoD模型.也成為TCP/IP協議簇

    DoD模型(Department Of Defanse Model 美國國防部模型) 顧名思義,是美國國防部設計的一個網絡模型.最早用于ARPANET.這些話可能在許多教材的第一章就會講了.但是一般教材對于DoD模型與OSI模型對應關系都沒有講到.或者很多是模糊或者錯誤的.

    在這里我就要描述一下2者對應關系.OSI模型有7層我們已經知道了,而DoD模型則只有4層.下面是對應關系

    OSI                                  DoD

    7.Application     ┐     

    6.Presentation   |->       4. Application/Process

    5.Session         ┘     

    4.Transport       --->       3. Host to Host

    3.Network        --->       2. Internet

    2.Data Link      ┬->       1. Network Access

    1.Physical        ┘

    由于我不會制表符.所以圖有些難看.其實就是OSI的1.2層對應DoD的第1層

OSI的5.6.7對應DoD的第4層

    其實這個還是比較容易記憶的

    由于物理層和數據鏈路層非常密切.所以分為一個.然后上面依次對應,最上面的一大塊成為應用層(處理層)

現在我們有了一個可用的實際模型了.不過一般我們在描述某個設備或者協議的時候.還是會使用OSI的模型,比如我們在討論SWITCH的時候,就會說他是一個2層的設備.而路由器是一個3層的設備,還會有一些特殊的設備,比如3層交換機,4層交換機.這些都是使用OSI模型進行分類的.這點大家不要搞混淆了.

    我們一直聽說TCP或者UDP.還有什么SMTP.POP3.這些協議到底是在哪一層定義的那?接下來的一張圖會給大家一個非常清晰的概念了(不能算是圖拉 :D ).

    4. APPLICATION

    HTTP,FTP,telnet,SNMP,SMTP,POP3,DNS 等等

    3.Host to Host

    TCP,UDP

    2.internet

    ICMP,ARP,RARP,IP

    1.Network Access

    Ethernet,FastEthernet,Token Ring 等等

    恩...這下清楚了.讓我們從下至上來看看

    首先是最下層的.包括了以太網,快速以太網,還有現在的千M以太網等等的協議,這些協議規定了線纜的絞數.連接方式等等物理層的東西.還有底層使用MAC通訊的方式等等.

    接下來是IP.ARP這些.IP在OSI模型的時候也說過.通過IP地址.我們在轉發包的時候無需知道具體目標機的位置.而路由器自然會根據路由表來轉發.最后一站一站的慢慢傳遞.達到最終目標.而ARP協議就是在IP和MAC之間轉換用的.

 我在上一章提過,由于有了路由器,IP,整個網絡才真正能夠覆蓋全球.所以這一層叫做internet大家也應該容易記憶了.

    WOW.TCP,UDP是我們聽說最多的了.他是屬于控制網絡連接的.在OSI稱為Transport.傳輸層.在DoD內是Host to Host 端對端.意思其實是一樣的.就是在在2臺計算機之間構建出一個虛擬的通訊通道來.

    最上面一層就無窮無盡了.所有的最終應用層的東西都在這里,你甚至可以定義你自己的協議類型.這些都是完全可以的.因為本身這一層就是提供給開發人員自行發揮的.只是上面列舉的都經過標準化了.

    TCP包頭結構

    源端口 16位

    目標端口  16位

    序列號  32位

    回應序號  32位

    TCP頭長度  4位

    reserved 6位

    控制代碼 6位

    窗口大小 16位

    偏移量 16位

    校驗和 16位

    選項   32位(可選)

    這樣我們得出了TCP包頭的最小大小.就是20字節.

    UDP包頭結構

    源端口 16位

    目的端口 16位

    長度  16位

    校驗和  16位

    恩...UDP的包小很多.確實如此.因為UDP是非可靠連接.設計初衷就是盡可能快的將數據包發送出去.所以UDP協議顯得非常精簡.

    有一個問題,似乎這些頭里面怎么沒有IP地址啊.沒有IP地址這些包往哪里發送那?

    對.你觀察的很仔細.TCP和UDP的頭里面確實沒有任何IP信息.我們回頭想一下TCP和UDP是屬于DoD的哪一層的? 對了!是第3層. 而IP則位于模型的第二層.也就是他們兩者雖然有聯系.但是不屬于同一層.

    模型的一個重要規則就是.當發送端發送一個數據,上一層將數據傳往下一層的時候.上一層的包就成為了下一層包的數據部分.

    而到接受端接受到數據.下一層將本層的頭部信息去掉后交給上一層去處理.

那么我們來看看實際例子:

    假使我們通過SMTP協議發送數據AAA到另外一段.那么數據先會被加上SMTP的頭.成為[SMTP]AAA.往下發送到TCP層.成為[TCP][SMTP]AAA.再往下送到internet層[IP][TCP][SMTP]AAA.然后成為[MAC][IP][TCP][SMTP]AAA

    這樣通過enternet或者FastEnternet發送到路由器.路由器得到后替換自己的MAC地址上去.傳到下一級的路由器.這樣經過長途跋涉.最終這個數據流到達目標機.

    目標機先從下面一層開始.去掉MAC,成為[IP][TCP][SMTP]AAA往上到IP層,恩,比對后是發送給我這個IP的.去掉,成為[TCP][SMTP]AAA.TCP接到了查看校驗和,沒錯.往上[SMTP]AAA.最后SMTP協議去解釋.得到了AAA.

    萬里長征終于結束.我們也將AAA發送到了目標機.大家也應該明白了為何TCP包頭和UDP包頭里面沒有IP地址那?因為IP位于他們下面一層.TCP和UDP的包頭信息是作為IP包的數據段來傳送的.

    IP層可不管那許多.他只管他那層的協議,也就是管把從上面層來的數據加上自己的頭,傳到下面一層.把從下面一層來的數據去掉頭.傳到上面一層.

    每層都是這么干的.完美的契合完成了數據包的最終旅程.

TCP/IP的通訊協議

　　這部分簡要介紹一下TCP/IP的內部結構。TCP/IP協議組之所以流行，部分原因是因為它可以用在各種各樣的信道和底層協議（例如T1和X.25、以太網以及RS-232串行接口）之上。確切地說，TCP/IP協議是一組包括TCP協議和IP協議，UDP（User Datagram Protocol）協議、ICMP（Internet Control Message Protocol）協議和其他一些協議的協議組。

TCP/IP整體構架概述

　　TCP/IP協議并不完全符合OSI的七層參考模型。傳統的開放式系統互連參考模型，是一種通信協議的7層抽象的參考模型,其中每一層執行某一特定任務。該模型的目的是使各種硬件在相同的層次上相互通信。這7層是:物理層、數據鏈路層、網路層、傳輸層、話路層、表示層和應用層。而TCP/IP通訊協議采用了4層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求。這4層分別為：

　　應用層：應用程序間溝通的層，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協議（FTP）、網絡遠程訪問協議（Telnet）等。

　　傳輸層：在此層中，它提供了節點間的數據傳送服務，如傳輸控制協議（TCP）、用戶數據報協議（UDP）等，TCP和UDP給數據包加入傳輸數據并把它傳輸到下一層中，這一層負責傳送數據，并且確定數據已被送達并接收。

　　互連網絡層：負責提供基本的數據封包傳送功能，讓每一塊數據包都能夠到達目的主機（但不檢查是否被正確接收），如網際協議（IP）。

　　網絡接口層：對實際的網絡媒體的管理，定義如何使用實際網絡（如Ethernet、Serial Line等）來傳送數據。

TCP/IP中的協議

　　以下簡單介紹TCP/IP中的協議都具備什么樣的功能，都是如何工作的：

　　1． IP

　　網際協議IP是TCP/IP的心臟，也是網絡層中最重要的協議。

　　IP層接收由更低層（網絡接口層例如以太網設備驅動程序）發來的數據包，并把該數據包發送到更高層---TCP或UDP層；相反，IP層也把從TCP或UDP層接收來的數據包傳送到更低層。IP數據包是不可靠的，因為IP并沒有做任何事情來確認數據包是按順序發送的或者沒有被破壞。IP數據包中含有發送它的主機的地址（源地址）和接收它的主機的地址（目的地址）。

　　高層的TCP和UDP服務在接收數據包時，通常假設包中的源地址是有效的。也可以這樣說，IP地址形成了許多服務的認證基礎，這些服務相信數據包是從一個有效的主機發送來的。IP確認包含一個選項，叫作IP source routing，可以用來指定一條源地址和目的地址之間的直接路徑。對于一些TCP和UDP的服務來說，使用了該選項的IP包好象是從路徑上的最后一個系統傳遞過來的，而不是來自于它的真實地點。這個選項是為了測試而存在的，說明了它可以被用來欺騙系統來進行平常是被禁止的連接。那么，許多依靠IP源地址做確認的服務將產生問題并且會被非法入侵。

　　2. TCP

　　如果IP數據包中有已經封好的TCP數據包，那么IP將把它們向‘上’傳送到TCP層。TCP將包排序并進行錯誤檢查，同時實現虛電路間的連接。TCP數據包中包括序號和確認，所以未按照順序收到的包可以被排序，而損壞的包可以被重傳。

　　TCP將它的信息送到更高層的應用程序，例如Telnet的服務程序和客戶程序。應用程序輪流將信息送回TCP層，TCP層便將它們向下傳送到IP層，設備驅動程序和物理介質，最后到接收方。

　　面向連接的服務（例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它們使用了TCP。DNS在某些情況下使用TCP（發送和接收域名數據庫），但使用UDP傳送有關單個主機的信息。

　　3.UDP

　　UDP與TCP位于同一層，但對于數據包的順序錯誤或重發。因此，UDP不被應用于那些使用虛電路的面向連接的服務，UDP主要用于那些面向查詢---應答的服務，例如NFS。相對于FTP或Telnet，這些服務需要交換的信息量較小。使用UDP的服務包括NTP（網落時間協議）和DNS（DNS也使用TCP）。

　　欺騙UDP包比欺騙TCP包更容易，因為UDP沒有建立初始化連接（也可以稱為握手）（因為在兩個系統間沒有虛電路），也就是說，與UDP相關的服務面臨著更大的危險。

　　4.ICMP

　　ICMP與IP位于同一層，它被用來傳送IP的的控制信息。它主要是用來提供有關通向目的地址的路徑信息。ICMP的‘Redirect’信息通知主機通向其他系統的更準確的路徑，而‘Unreachable’信息則指出路徑有問題。另外，如果路徑不可用了，ICMP可以使TCP連接‘體面地’終止。PING是最常用的基于ICMP的服務。

　　5. TCP和UDP的端口結構

　　TCP和UDP服務通常有一個客戶/服務器的關系，例如，一個Telnet服務進程開始在系統上處于空閑狀態，等待著連接。用戶使用Telnet客戶程序與服務進程建立一個連接。客戶程序向服務進程寫入信息，服務進程讀出信息并發出響應，客戶程序讀出響應并向用戶報告。因而，這個連接是雙工的，可以用來進行讀寫。

　　兩個系統間的多重Telnet連接是如何相互確認并協調一致呢？TCP或UDP連接唯一地使用每個信息中的如下四項進行確認：

　　源IP地址　　發送包的IP地址。

　　目的IP地址　接收包的IP地址。

　　源端口　　　源系統上的連接的端口。

　　目的端口　　目的系統上的連接的端口。

　　端口是一個軟件結構，被客戶程序或服務進程用來發送和接收信息。一個端口對應一個16比特的數。服務進程通常使用一個固定的端口，例如，SMTP使用25、Xwindows使用6000。這些端口號是‘廣為人知’的，因為在建立與特定的主機或服務的連接時，需要這些地址和目的地址進行通訊。