以太网接口TCP/IP协议介绍

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时间回放到1983年1月1日，在这天，互联网的前身Arpanet中，TCP/IP协议取代了旧的网络核心协议NCP(Network Core Protocol)，从而成为今天的互联网的基石。最早的的TCP/IP由Vinton Cerf和Robert Kahn两位开发，慢慢地通过竞争战胜了其它一些网络协议的方案，比如国际标准化组织ISO的OSI模型。TCP/IP的蓬勃发展发生在上世纪的90年代中期。当时一些重要而可靠的工具的出世，例如页面描述语言HTML和浏览器Mosaic，导致了互联网应用的飞束发展。

随着互联网的发展，目前流行的IPv4协议(IP Version 4，IP版本四)已经接近它的功能上限。IPv4最致命的两个缺陷在与:

•地址只有32位，IP地址空间有限; 
•不支持服务等级(Quality of Service, Qos)的想法，无法管理带宽和优先级，故而不能很好的支持现今越来越多的实时的语音和视频应用。因此IPv6 (IP Version 6, IP版本六) 浮出海面，用以取代IPv4。 
    TCP/IP成功的另一个因素在与对为数众多的低层协议的支持。这些低层协议对应与OSI模型中的第一层(物理层)和第二层(数据链路层)。每层的所有协议几乎都有一半数量的支持TCP/IP，例如: 以太网(Ethernet)，令牌环(Token Ring)，光纤数据分布接口(FDDI)，端对端协议( PPP)，X.25，帧中继(Frame Relay)，ATM，Sonet, SDH等。

TCP/IP协议栈组成
整个通信网络的任务，可以划分成不同的功能块，即抽象成所谓的 ” 层” 。用于互联网的协议可以比照TCP/IP参考模型进行分类。TCP/IP协议栈起始于第三层协议IP(互联网协议) 。所有这些协议都在相应的RFC文档中讨论及标准 化。重要的协议在相应的RFC文档中均标记了状态: “必须“ (required) ，“推荐“ (recommended) ，“可选“ (elective) 。其它的协议还可能有“ 试验“(experimental) 或“ 历史“(historic) 的状态。

必须协议
所有的TCP/IP应用都必须实现IP和ICMP。对于一个路由器(router)而言，有这两个协议就可以运作了，虽然从应用的角度来看，这样一个路由器意义不大。实际的路由器一般还需要运行许多“推荐“使用的协议，以及一些其它的协议。在几乎所有连接到互联网上的计算机上都存在的IPv4 协议出生在1981年，今天的版本和最早的版本并没有多少改变。升级版IPv6 的工作始于1995年，目的在与取代IPv4。ICMP 协议主要用于收集有关网络的信息查找错误等工作。

推荐协议
每一个应用层(TCP/IP参考模型 的最高层) 一般都会使用到两个传输层协议之一: 面向连接的TCP传输控制协议和无连接的包传输的UDP用户数据报文协议 。 其它的一些推荐协议有:

•TELNET (Teletype over the Network, 网络电传) ，通过一个终端(terminal)登陆到网络(运行在TCP协议上)。 
•FTP (File Transfer Protocol, 文件传输协议) ，由名知义(运行在TCP协议上) 。 
•SMTP (Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议) ，用来发送电子邮件(运行在TCP协议上) 。 
•DNS (Domain Name Service，域名服务) ，用于完成地址查找，邮件转发等工作(运行在TCP和UDP协议上) 。 
•ECHO (Echo Protocol, 回绕协议) ，用于查错及测量应答时间(运行在TCP和UDP协议上) 。 
•NTP (Network Time Protocol，网络时间协议) ，用于网络同步(运行在UDP协议上) 。 
•SNMP (Simple Network Management Protocol, 简单网络管理协议) ，用于网络信息的收集和网络管理。 
•BOOTP (Boot Protocol，启动协议) ，应用于无盘设备(运行在UDP协议上)。 
可选协议
最常用的一些有

•支撑万维网WWW的超文本传输协议HTTP， 
•动态配置IP地址的DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol,动态主机配置协议)， 
•收邮件用的POP3 (Post Office Protocol, version 3, 邮局协议) ， 
•用于加密安全登陆用的SSH (Secure Shell，用于替代安全性差的TELNET) ， 
•用于动态解析以太网硬件地址的ARP (Address Resolution Protocol，地址解析协议) 。 
    范例: 不同计算机运行的不同协议
•一个简单的路由器上可能会实现ARP, IP, ICMP, UDP, SNMP, RIP。 
•WWW用户端使用ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DNS, HTTP, FTP。 
•一台用户电脑上还会运行如TELNET, SMTP, POP3, SNMP, ECHO, DHCP, SSH, NTP。 
•无盘设备可能会在固件比如ROM中实现了ARP, IP, ICMP, UDP, BOOT, TFTP (均为面向数据报的协议，实现起来相对简单)。

读过关于网络的课程的，都知道ISO-OSI 7层协议这个名词，许多书籍都会具体的画出那幅图，然后标注上物理层，数据链路层，网络层等等。背的大家要死，但是却又不知道具体这些层次干吗用的？

其实在互联网中，由于实际使用的是TCP/IP模型，也就是DOD模型(现在不知道没关系，后面会说).所以7层模型在现实网络环境中只是一个理论上，学究派的东西.这个模型中，我们真正关心的是下面的3层.

1.物理层

     网卡还有那些网线构成了这一层，那些在网线中传播的二进制数据流是这层的具体表象。也就是说，这一层上面没有什么协议(不是很精确的说法，但是你可以这么理解)。有的都是电流而已，我们把两台机器用网线连起来，或者用HUB把机器都连起来，这些工作就是物理层的工作。

    有2个设备属于物理层的，一个是中继器，一个是HUB。大家知道，物理上面的连线距离一长就会产生电信号的衰减，为了重新加强这个信号，我们就需要在一定距离之后加上一个信号放大器，这就是中继器(repeater)恩...这个比较容易理解。repeater就是连接在2根网线之间的么，没有做任何处理，所以只是一个物理设备，属于1层的。

    HUB的本质其实只是一个多口中继器(MULTI PORT REPEATER)。啊...这样大家能够理解了，HUB不叫多口中继器其实只是为了销售上面的策略。他的本质就是连接多根网线的一个物理设备，也是不对经过的电信号做任何逻辑处理的。

2.数据链路层

   这个层面上面的东西不再是电信号了，而是DATA了。对，既然是DATA就有了逻辑关系了，这个层面上面的基本单位是帧(Frame)。这层和物理层的接触是最紧密的，他是把从网线上面传输的电流转换成0和1的组合。

    物理层只是网卡对网线发出或者接受各种电平信号，那就是说物理层是无法判别电流的来源和目标的。那么把电流打成0和1的帧之后，里面就有逻辑数据了，有了数据，就可以判别数据从何而来，到何处去，所以也就可以真正的形成LINK。

    既然可以判别地址，那么地址是按照什么来判别的呢？

    那就是最重要的概念之一:MAC地址

    大家肯定都听说过我们的网卡都有MAC地址

    有些人可能也知道MAC地址都是唯一的。

    对，MAC地址是全球唯一的，也就是说你的网卡虽然便宜，但是他也是世界上独一无二的。

    有些人说他可以改MAC，那就不是唯一了，对，虽然可以更改，那只是欺骗上层对封包里面的MAC地址进行改写。你网卡真正的MAC地址是固化的，无法修改的。

    我们有了MAC地址了，这样就可以有针对性对所有连接在一起的计算机进行通讯了，是的，我们终于可以在一个局域网内通讯了。

    但是有个问题我们前面没有提到，就是既然物理层传输的是电信号，那么如果我有2台机器一起发电信号，信号岂不是混乱了么？

    非常正确，这个问题在网络里面成为"碰撞"，所以协议里面规定了如果你需要往外发数据，一定需要先看看电缆里面有没有别的信号，如果没有，那就可以发，如果2者同时发送，检测到碰撞之后2者分别等待一个随机时间，然后重发。这个就是重要的"碰撞检测 "。

    哈，看来问题解决了，不是么，现在整个网络可以正常运行了。

    确实如此，但是如果连接在网络上的计算机越来越多，那么碰撞的现象会越来越频繁。这样效率一定很低了，恩，这里还有一个重要概念"冲突域 "。在同一个物理上连接的网络上的所有设备是属于同一个冲突域的。

    接着就需要引入我们的2层设备来分割冲突域了。

    网桥(Bridge)就是连接2个不同的物理网络的，主要功能是在2个网络之间转发Frame，因为从实际中我们可以知道，其实很多时候并非整个网络都在相互通讯，最多相互通讯的一组计算机我们可以分在一个小的冲突域内，这样分割以后可以减少冲突域，也就相对的减少了冲突的机会。而之间使用网桥来桥接，由于网桥两边的通讯不是非常频繁，所以使用网桥来为2边作为"代言人"，这样任意一个小网络里面产生冲突的机会就少了。

    交换机(Switch)是我们最熟悉的设备了，交换机的本质其实就是一个多口网桥(Multi port Bridge)。同理可得，交换机的每个口后面都是一个冲突域，我们都说交换机比HUB快，就是因为交换机分割了所有的冲突域。

    由于现在交换机非常便宜，所以一般我们都是直接在交换机的口上接计算机，这样每台计算机都是一个独立的冲突域，这样碰撞的问题就没有了，所以速度是比HUB快。

    而前面说过，2层设备主要是个转发的功能，交换机的主要功能就是转发包，而不是让所有的冲突域直接物理连接，所以交换机有CPU，有内存，可以对frame进行处理等等。这些也是交换机和HUB的区别。

集线器与交换机的区别在于:

集线器是一种物理层设备，本身不能识别MAC地址和IP地址，当集线器下连接的主机设备间传输数据时，数据包是以广播的方式进行传输，由每一台主机自己眼中MAC地址来确定是否接收。（只能传输一个）

这种情况下，同一时刻由集线器连接的网络中只能传输一组数据，如果发生冲突则需要重传。集线器下连接的所有端口共享整个带宽，即所有端口为一个冲突域。

交换机则是工作在数据链路层的设备，在接收到数据后，通过查找自身系统MAC地址表中的MAC地址与端口对应关系，将数据传送到目的端口。（可以传输多个）

交换机在同一时刻可进行多个端口之间的数据传输，每一端口都是独立的物理网段，连接在端口上的网络设备独自享有全部的带宽。因此，交换机起到了分割冲突域的作用，每一个端口为一个冲突域。

3.网络层

    我们前面的一些技术就可以构建出局域网了，有了网络层以后，数据才能够真正的在整个世界间传送。

    由于伦纳德?博萨卡(Leonard Bosack)和姗蒂?雷纳(Sandy Lerner)为了解决他们之间的通信问题(关于路由器发明的版本有很多，你听到的别的说法可能比这个说法更准确，但是谁知道呢。)，路由器被发明用来解决"信息孤岛"问题，而且如果是由SWITCH来构建整个网络，那么整个网络将会有"中心节点"，这样也不符合ARPANET的初衷，所以我们有了这一层。(这样说可能会感觉本末倒置，但是先这么理解吧。)

    这一层的基本单元是包(Packet) ，所有的包都有一个IP头，啊，听起来很熟悉不是么，IP就是用来在这层上面标识包的来源和目的地址的。

    这层的一个主要概念就是"路由 "，也就是和switch一样，把包转发到其他的地方。不过有个不同的地方，switch只有知道具体的MAC在哪里的情况下才能够发送给指定的计算机，而路由则不需要知道最终IP所在的计算机在哪个位置，只要知道那个途径可以过去就可以工作。

    这3层构建了整个网络的基础，由于TCP/IP模型将最下面2层合并成为一层，所以在TCP/IP里面总共这2层也是整个构架最基础的内容，而网络方面要做的工作也都是针对于这2层做的。

4 TCP/IP真实世界的模型

    上一讲里面我们说过OSI 7层模型只是一个理论模型，而实际中只需要保证7层的功能能够实现，实际分层无需按照7层来分。而且如果真的分7层，那么数据处理的速度便要慢许多。

    在实际应用中，使用最多的便是DoD模型，也成为TCP/IP协议簇。

    DoD模型(Department Of Defanse Model 美国国防部模型) 顾名思义，是美国国防部设计的一个网络模型。最早用于ARPANET，这些话可能在许多教材的第一章就会讲了。但是一般教材对于DoD模型与OSI模型对应关系都没有讲到，或者很多是模糊或者错误的。

    在这里我就要描述一下2者对应关系，OSI模型有7层我们已经知道了。而DoD模型则只有4层，下面是对应关系

    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        ┘

    由于我不会制表符，所以图有些难看，其实就是OSI的1.2层对应DoD的第1层。OSI的5.6.7对应DoD的第4层

    其实这个还是比较容易记忆的。

    由于物理层和数据链路层非常密切，所以分为一个，然后上面依次对应，最上面的一大块成为应用层(处理层)。

现在我们有了一个可用的实际模型了，不过一般我们在描述某个设备或者协议的时候。还是会使用OSI的模型，比如我们在讨论SWITCH的时候，就会说他是一个2层的设备，而路由器是一个3层的设备。还会有一些特殊的设备，比如3层交换机，4层交换机，这些都是使用OSI模型进行分类的，这点大家不要搞混淆了。

    我们一直听说TCP或者UDP，还有什么SMTP、POP3，这些协议到底是在哪一层定义的那?接下来的一张图会给大家一个非常清晰的概念了。

5. APPLICATION

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

    首先是最下层的，包括了以太网，快速以太网，还有现在的千M以太网等等的协议，这些协议规定了线缆的绞数、连接方式等等物理层的东西。还有底层使用MAC通讯的方式等等。

    接下来是IP、ARP这些，IP在OSI模型的时候也说过，通过IP地址，我们在转发包的时候无需知道具体目标机的位置，而路由器自然会根据路由表来转发，最后一站一站的慢慢传递，达到最终目标。而ARP协议就是在IP和MAC之间转换用的。

    由于有了路由器、IP、整个网络才真正能够覆盖全球。所以这一层叫做internet大家也应该容易记忆了。

    TCP、UDP是我们听说最多的了，他是属于控制网络连接的。在OSI称为Transport，传输层。在DoD内是Host to Host 端对端。意思其实是一样的，就是在在2台计算机之间构建出一个虚拟的通讯通道来。

    最上面一层就无穷无尽了，所有的最终应用层的东西都在这里，你甚至可以定义你自己的协议类型。这些都是完全可以的。因为本身这一层就是提供给开发人员自行发挥的，只是上面列举的都经过标准化了。

    因为UDP是非可靠连接，设计初衷就是尽可能快的将数据包发送出去，所以UDP协议显得非常精简。

    有一个问题，似乎这些头里面怎么没有IP地址啊，没有IP地址这些包往哪里发送那?

    对，你观察的很仔细。TCP和UDP的头里面确实没有任何IP信息，我们回头想一下TCP和UDP是属于DoD的哪一层的? 是第3层，而IP则位于模型的第二层，也就是他们两者虽然有联系，但是不属于同一层。

    模型的一个重要规则就是，当发送端发送一个数据，上一层将数据传往下一层的时候，上一层的包就成为了下一层包的数据部分。而到接受端接受到数据，下一层将本层的头部信息去掉后交给上一层去处理。

那么我们来看看实际例子:

    假使我们通过SMTP协议发送数据AAA到另外一段，那么数据先会被加上SMTP的头，成为[SMTP]AAA。往下发送到TCP层，成为[TCP][SMTP]AAA，再往下送到internet层[IP][TCP][SMTP]AAA，然后成为[MAC][IP][TCP][SMTP]AAA，这样通过enternet或者FastEnternet发送到路由器，路由器得到后替换自己的MAC地址上去，传到下一级的路由器，这样经过长途跋涉最终这个数据流到达目标机。

    目标机先从下面一层开始，去掉MAC，成为[IP][TCP][SMTP]AAA往上到IP层，恩，比对后是发送给我这个IP的，去掉，成为[TCP][SMTP]AAA。TCP接到了查看校验和，没错，往上[SMTP]AAA。最后SMTP协议去解释，得到了AAA。

    万里长征终于结束，我们也将AAA发送到了目标机。大家也应该明白了为何TCP包头和UDP包头里面没有IP地址那?因为IP位于他们下面一层，TCP和UDP的包头信息是作为IP包的数据段来传送的。

    IP层可不管那许多，他只管他那层的协议，也就是管把从上面层来的数据加上自己的头，传到下面一层，把从下面一层来的数据去掉头，传到上面一层。

    每层都是这么干的，完美的契合完成了数据包的最终旅程。

TCP/IP的通讯协议

　　这部分简要介绍一下TCP/IP的内部结构。TCP/IP协议组之所以流行，部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底层协议（例如T1和X.25、以太网以及RS-232串行接口）之上。确切地说，TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议，UDP（User Datagram Protocol）协议、ICMP（Internet Control Message Protocol）协议和其他一些协议的协议组。

TCP/IP整体构架概述

　　TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网路层、传输层、话路层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：

　　应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

　　传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。

　　互连网络层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。

　　网络接口层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、Serial Line等）来传送数据。

TCP/IP中的协议

　　以下简单介绍TCP/IP中的协议都具备什么样的功能，都是如何工作的：

1． IP

　　网际协议IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。

　　IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层---TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。

　　高层的TCP和UDP服务在接收数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。也可以这样说，IP地址形成了许多服务的认证基础，这些服务相信数据包是从一个有效的主机发送来的。IP确认包含一个选项，叫作IP source routing，可以用来指定一条源地址和目的地址之间的直接路径。对于一些TCP和UDP的服务来说，使用了该选项的IP包好象是从路径上的最后一个系统传递过来的，而不是来自于它的真实地点。这个选项是为了测试而存在的，说明了它可以被用来欺骗系统来进行平常是被禁止的连接。那么，许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。

2. TCP

　　如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包，那么IP将把它们向‘上’传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。

　　TCP将它的信息送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层，设备驱动程序和物理介质，最后到接收方。

　　面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。

3.UDP

　　UDP与TCP位于同一层，但对于数据包的顺序错误或重发。因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询---应答的服务，例如NFS。相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。使用UDP的服务包括NTP（网落时间协议）和DNS（DNS也使用TCP）。

　　欺骗UDP包比欺骗TCP包更容易，因为UDP没有建立初始化连接（也可以称为握手）（因为在两个系统间没有虚电路），也就是说，与UDP相关的服务面临着更大的危险。

4.ICMP

　　ICMP与IP位于同一层，它被用来传送IP的的控制信息。它主要是用来提供有关通向目的地址的路径信息。ICMP的‘Redirect’信息通知主机通向其他系统的更准确的路径，而‘Unreachable’信息则指出路径有问题。另外，如果路径不可用了，ICMP可以使TCP连接‘体面地’终止。PING是最常用的基于ICMP的服务。

5. TCP和UDP的端口结构

　　TCP和UDP服务通常有一个客户/服务器的关系，例如，一个Telnet服务进程开始在系统上处于空闲状态，等待着连接。用户使用Telnet客户程序与服务进程建立一个连接。客户程序向服务进程写入信息，服务进程读出信息并发出响应，客户程序读出响应并向用户报告。因而，这个连接是双工的，可以用来进行读写。

　　两个系统间的多重Telnet连接是如何相互确认并协调一致呢？TCP或UDP连接唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认：

　　源IP地址　　发送包的IP地址。

　　目的IP地址　接收包的IP地址。

　　源端口　　　源系统上的连接的端口。

　　目的端口　　目的系统上的连接的端口。

　　端口是一个软件结构，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。一个端口对应一个16比特的数。服务进程通常使用一个固定的端口，例如，SMTP使用25、Xwindows使用6000。这些端口号是‘广为人知’的，因为在建立与特定的主机或服务的连接时，需要这些地址和目的地址进行通讯。