TCP/IP协议族体系结构及主要协议

数据链路层

数据链路层实现网卡接口的网络驱动程序，以处理数据在物理媒介上的传输。不同的物理网络有不同的电器特性，网络驱动程序隐藏了这些细节，为上层协议提供一个统一的接口。

ARP/RARP

数据链路层两个常用的协议是ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）和RARP协议（Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析解析）。它们实现了IP地址和物理地址之间的相互转换。
网络层使用IP地址寻址一台机器，而数据链路层使用物理地址寻址一台机器，因此网络层必须先将其目标机器IP地址转换为物理地址，才能使用数据链路层提供的服务。

ARP协议工作原理

其工作原理是:主机向自己所在的网络广播-个ARP请求，该请求包含目标机器的网络地址。此网络上的其他机器都将收到这个请求，但只有被请求的目标机器会回应-一个 ARP应答，其中包含自己的物理地址。

• 硬件类型：字段定义物理地址的类型，它的值为1表示MAC地址。
• 协议类型：字段表示要映射的协议地址类型，它的值为0x800，表示IP地址。
• 口硬件地址长度字段和协议地址长度字段：顾名思义，其单位是字节。对MAC地址来说，其长度为6;对IP (v4)地址来说，其长度为4。
• 操作字段：指出4种操作类型: ARP 请求(值为1)、ARP应答(值为2)、RARP请求(值为3)和RARP应答(值为4)。
• 最后4个字段指定通信双方的以太网地址和IP地址。发送端填充除目的端以太网地址外的其他3个字段，以构建ARP请求并发送之。接收端发现该请求的目的端IP地址是自己，就把自己的以太网地址填进去，然后交换两个目的端地址和两个发送端地址，以构建ARP应答并返回之(当然，如前所述，操作字段需要设置为2)。

由此可知，ARP请求/应答报文的长度为28字节。如果再加上以太网帧头部和尾部的18字节，则一个搒带ARP请求1应答报文的以太网帧长度为46字节。不过有的实现要求以太网帧数据部分长度至少为46字节，此时ARP请求/应答报文将增加一-些填充字节，以满足这个要求。在这种情况下，一个携带ARP请求/应答报文的以太网帧长度为64字节。

ARP高速缓存

通常，ARP 维护-一个高速缓存，其中包含经常访问(比如网关地址)或最近访问的机器的IP地址到物理地址的映射。这样就避免了重复的ARP请求，提高了发送数据包的速度。

cmf@cmf-virtual-machine:~$ arp -a
localhost (192.168.26.254) 位于 00:50:56:e3:1f:1d [ether] 在 ens33
localhost (192.168.26.2) 位于 00:50:56:ea:fc:36 [ether] 在 ens33
localhost (192.168.26.1) 位于 00:50:56:c0:00:08 [ether] 在 ens33
? (169.254.169.254) 位于 <incomplete> 在 ens33

网络层

网络层实现数据包的选择和转发。

IP协议

IP协议根据数据报的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发给目标主机，那么IP协议就为他寻找一个合适的下一跳（next hop）路由器,并将数据包交付给路由来器转发。多次重复这一过程，最终到达目标主机，或者由于发送失败而被丢弃。

ICMP协议

ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）它是IP协议的补充，主要用于网络连接测试。

8位类型字段用于区分报文类型，它将ICMP分为两大类：

• 差错报文：这类报文主要用来回应网络错误，比如目标不可达（类型值为3）和重定向（类型值为5）；
• 查询报文：这类报文用来查询网络信息，比如ping程序就是使用ICMP报文查看目标是否可达（类型值为8）。

有的 ICMP报文还是用8为代码字段来进一步细分不同的条件。比如重定向报文使用代码值0表示对网路重定向，代码值1表示对主机重定向。
ICMP使用16位校验和字段对整个报文（包括头部和内容部分）进行循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check， CRC）以校验报文在传输过程中是否损坏。不同的ICMP报文类型有不同的正文内容。

传输层

传输层为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。与网络层使用的逐跳通信方式不同，传输层只关心通信的起始端和目的端，而不在乎数据包的中转过程。

垂直的直线箭头表示TCP/IP协议族各层之间的实体通信，而水平的虚线箭头表示逻辑通信线路。从中可见，数据链路层封装了物理网络的电气细节；网络层封装了网络连接的细节；传输层则为程序封装了一条端到端的逻辑通信链路，它负责数据的收发，链路的超时重连等；

TCP协议

TCP协议（TCP，Transmission Control Protocol，传输控制协议）它为应用层提供面向连接的、可靠的、基于字节流的服务。

UDP协议

UDP协议（UDP，User Datagram Protocol，用户数据报协议）它为应用层提供无连接，不可靠，基于数据报的服务。

SCTP协议

SCTP协议（SCTP，Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）是一种传输协议,在TCP/IP协议栈中所处的位置和TCP、UDP类似,兼有TCP/UDP两者特征

应用层

应用层负责处理应用程序的逻辑。数据链路层、网络层和传输层负责处理网络通信细节，这部分必须既稳定又高效，因此它们都在内核空间中实现。而应用层则在用户空间实现，因为它负责处理众多逻辑，比如文件传输、名称查询和网络管理等。如果应用层也在内核中实现，则会使内核变得非常庞大。当然，也有少数服务器程序是在内核中实现的，这样代码就无须在用户空间和内核空间来回切换(主要是数据的复制)，极大地提高了工作效率。不过这种代码实现起来较复杂，不够灵活，且不便于移植。

• ping是应用程序，而不是协议，它利用ICMP报文检测网络连接,是调试网络环境的必备工具。
• telnet协议：是一种远程登录协议，它使我们能在本地完成远程任务。
• OSPF (Open Shortest Path First，开放最短路径优先)协议是一种动态路由更新协议，用于路由器之间的通信，以告知对方各自的路由信息。
• DNS (Domain Name Service，域名服务)协议提供机器域名到IP地址的转换。

应用层协议(或程序)可能跳过传输层直接使用网络层提供的服务，比如ping程序和OSPF协议。应用层协议(或程序)通常既可以使用TCP服务，又可以使用UDP服务，比如DNS协议。我们可以通过/etc/services文件查看所有知名的应用层协议，以及它们都能使那些传输层服务。

DNS协议

DNS是--套分布式的域名服务系统。每个DNS服务器上都存放着大量的机器名和IP地址的映射，并且是动态更新的。众多网络客户端程序都使用DNS协议来向DNS服务器查询目标主机的IP地址。DNS查询和应答报文的格式如图。

16位标识e字段用于标记- -对 DNS查询和应答，以此区分-一个DNS应答是哪个DNS查询的回应。16位标志字段用于协商具体的通信方式和反馈通信状态。

• QR，查询1应答标志。0表示这是-一个查询报文，1表示这是一个应答报文。
• opcode,定义查询和应答的类型。0表示标准查询，1表示反向查询(由IP地址获得主机域名)，2表示请求服务器状态。
• AA，授权应答标志，仅由应答报文使用。1表示域名服务器是授权服务器。
• TC，截断标志，仅当DNS报文使用UDP服务时使用。因为UDP数据报有长度限制，所以过长的DNS报文将被截断。1表示DNS报文超过512字节，并被截断。
• RD,递归查询标志。1表示执行递归查询，即如果目标DNS服务器无法解析某个主机名，则它将向其他DNS服务器继续查询，如此递归，直到获得结果并把该结果返回给客户端。0表示执行迭代查询，即如果目标DNS服务器无法解析某个主机名，则它将自己知道的其他DNS服务器的IP地址返回给客户端，以供客户端参考。
• RA，允许递归标志。仅由应答报文使用，1表示DNS服务器支持递归查询。
• zero，这3位未用，必须都设置为0。
• rcode, 4位返回码，表示应答的状态。常用值有0 (无错误)和3 (域名不存在)。.

接下来的4个字段则分别指出DNS报文的最后4个字段的资源记录数目。对查询报文而言，它一般包含1个查询问题，而应答资源记录数、授权资源记录数和额外资源记录数则为0。应答报文的应答资源记录数则至少为1，而授权资源记录数和额外资源记录数可为0或非0。

查询类型的格式：

查询名以一定的格式封装了要查询的主机域名。16位查询类型表示如何执
查询操作，常见的类型有如下几种:

• 类型A，值是1,表示获取目标主机的IP地址。0类型CNAME，值是5,表示获得目标主机的别名。
• 类型PTR,值是12，表示反向查询。

16位查询类通常为1,表示获取因特网地址(IP 地址)。
应答字段、授权字段和额外信息字段都使用资源记录(Resource Record，RR)格式。资源记录格式如图所示。

32 位域名是该记录中与资源对应的名字，其格式和查询问题中的查询名字
段相同。16 位类型和16位类字段的含义也与DNS查询问题的对应字段相同。
32位生存时间表示该查询记录结果可被本地客户端程序缓存多长时间，单位是秒。
16位资源数据长度字段和资源数据字段的内容取决于类型字段。对类型A而言，资源数据是32位的IPv4地址，而资源数据长度则为4 (以字节为单位)。

封装

通过封装(encapsulation)上层协议可以使用下层协议提供的服务。应用程序数据在发送到物理网络上之前，将沿着协议栈从上往下依次传递。每层协议都将在上层数据的基础上加上自己的头部信息(有时还包括尾部信息)，以实现该层的功能。

经过TCP封装后的数据称为TCP报文段(TCP message segment)，或者简称TCP段。TCP协议为通信双方维持一个连接，并且在内核中存储相关数据。这部分数据中的TCP头部信息和TCP内核缓冲区(发送缓冲区或接收缓冲区)数据一起构成了 TCP报文段。

当发送端应用程序使用send (或者write)丽数向-一个TCP连接写人数据时，内核中的TCP模块首先把这些数据复制到与该连接对应的TCP内核发送缓冲区中，然后TCP模块调用IP模块提供的服务，传递的参数包括TCP头部信息和TCP发送缓冲区中的数据，即TCP报文段。

经过UDP封装后的数据称为UDP数据报(UDPdatagram)。UDP对应用程序数据的封装与TCP类似。不同的是，UDP无须为应用层数据保存副本，因为它提供的服务是不可靠的。当一个UDP数据报被成功发送之后，UDP内核缓冲区中的该数据报就被丢弃了。如果应用程序检测到该数据报未能被接收端正确接收，并打算重发这个数据报，则应用程序需要重新从用户空间将该数据报拷贝到UDP内核发送缓冲区中。

经过IP封装后的数据称为IP数据报(IP datagram)。IP 数据报也包括头部信息和数据部分，其中数据部分就是一个TCP报文段、UDP数据报或者ICMP报文。

经过数据链路层封装的数据称为帧(frame)。传输媒介不同，帧的类型也不同。比如，以太网上传输的是以太网帧(ethernet frame)，而令牌环网络上传输的则是令牌环帧(token ring frame)。以以太网帧为例。

以太网帧使用6字节的目的物理地址和6字节的源物理地址来表示通信的双方。关于类型(type)字段，4字节CRC字段对帧的其他部分提供循环冗余校验。

帧的最大传输单元(Max Transmit Unit, MTU)，即帧最多能携带多少上层协议数据(比如IP数据报)，通常受到网络类型的限制。图1-6所示的以太网帧的MTU是1500字节。正因为如此，过长的IP数据报可能需要被分片( fragment)传输。帧才是最终在物理网络上传送的字节序列。至此，封装过程完成。

分用

当帧到达目标主机时，将沿着协议栈自低向上依次传递，各层协议依次处理帧中本次负责的头部数据，以获取所需的信息，并最终将处理后的帧交给目标应用程序。这个过程称为分用（(demultiplexing)。 分用是依靠头部信息中的类型字段实现的。