协议系列之TCP/IP协议

根据前面介绍的几种协议，将IP协议、TCP协议、UDP协议组合起来，于是便有了TCP/IP协议。现在很多的应用的通信都是建立在TCP/IP协议的基础上，运用非常广泛，很有必要对其学习一下。

打个不太恰当的比方，TCP/IP协议可以看成是邮局与邮递员的关系（实际TCP/IP协议族会包含四层，应用层、传输层、网络层、链路层）。这个协议族中的IP协议定位到哪台计算机，而具体到这台计算机的哪个端口（应用程序）就需要TCP协议，一个属于网络层，一个属于传输层，互相依赖，提供有效的解决通信问题的措施。这就好比在90年代，你写一封情书给你远方的情人，情书先从寄出邮局被送往目的地邮局，接着当地可爱的邮递员把情书送给你的情人同志手上，你俩感情得到升温。

图2-2-5-1，TCP/IP协议其实还包含了UDP协议，即由TCP、IP、UDP三个协议组成。此图展示了TCP/IP协议的通信模型，左边是主机A，通过通信信道（一般是以太网）跟主机B进行通信。假设主机A的应用程序要发送数据到主机B的应用程序，主机A的应用程序会通过socket的API访问TCP协议、UDP协议提供的服务，再通过IP协议，利用TCP/IP协议以通信信道为介质与主机B建立起连接，传送到主机B的数据依次经过IP协议层、TCP协议层，被主机B的应用程序接收。

图2-2-5-1   TCP/IP通信模型

这里四层中每一层的功能都不一样。应用层主要发送用户的应用数据，由系统调用交给运输层处理；运输层负责建立连接，分割数据发送，释放连接，数据重组及错误处理；网络层负责确定将数据发送到哪个路由。链路层主要是对二进制用户数据进行传输校验。下面从不同角度来说明每个层次的区别：

（1）     运行进程态。应用层运行在用户程序进程中，属于用户态；其它三层运行在系统内核进程，属于核心态。

（2）     通信方式。传输层是进程与进程之间的通信，是端对端的；网络层是机器与机器之间的通信，是点对点的。

（3）     传输数据单元。传输层上是TCP或UDP报文段；网络层上是IP数据报文；数据链路层是帧数据。

（4）     寻址方式。网络层通过IP寻址；链路层通过MAC寻址（传输层通过端口寻址；一般而言MAC地址是世界唯一的、不变的，计算机通信其实是靠MAC地址，而非IP地址，但MAC地址不能变，不灵活，所以应用层用IP进行寻址）。

以图2-2-5-1，分解这四层数据传输的流程：

①  主机A的应用层组织好数据，发给传输层，并调用系统API通知TCP建立连接。

②  主机A传输层接收应用层数据，组织好TCP报文，发送给网络层，进行连接建立，其中会加上目标跟源端口。

③  主机A网络层接收传输层TCP数据，组织好IP报文，发送给链路层，其中会加上目标跟源IP地址。

④  链路层接收网络层数据，组装好链路报文，其中会加上MAC地址。

⑤  链路数据由网卡发送，根据目标IP找到最近的路由器的MAC地址，将数据包发往它，由它确定下一个路由，最终将数据包发送到主机B的网卡。

⑥  主机B的网络层获取IP数据包，根据IP协议拆包。

⑦  主机B的传输层获取TCP数据包，根据TCP协议拆包。

⑧  主机B应用层获取TCP拆包后的数据包进行解析，完成相应的业务逻辑处理。

在这四个层中，数据报文的的变化可以简单用图2-2-5-2表示，应用层的数据到达传输层后，会被TCP协议打包数据（此图假设使用TCP协议），这是会添加一个TCP头部报文，而应用层数据被封装成TCP报文体。继续往下到网络层，TCP报文又被IP协议打包，这时添加了一个IP头部报文，整个TCP报文被封装成IP报文体。最后到达链路层，IP报文被链路相关协议打包，这时添加了帧头部报文和帧尾部报文，整个IP报文被封装成链路协议的报文体。

图2-2-5-2 TCP/IP四层数据的封装

对于我们研究服务器，需要对传输层与网络层的报文比较深入理解，下面以一个更加详细的图对传输过程中TCP与IP报文组合进行说明。根据TCP缓冲大小，会被分成一个个TCP分段，每个分段都由IP分组与TCP段组成。在前几章已经对IP协议报文结构详细说明，这里不再赘述，IP报文的选项区域会被装入TCP报文，这样就把TCP报文嵌进IP报文，即可利用IP协议进行发送传输数据。

图2-2-5-3 TCP/IP协议报文

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