TCP/IP协议族、封装/解封装

---

说明：本文摘自游双的《Linux高性能服务器编程》，主要摘抄重要的概念和内容。

1、死也不能忘记的四个层

①数据链路层

1. 实现了网卡接口的网络驱动程序，以处理数据在物理媒介（比如以太网、令牌环等）上的传输。主要的协议ARP和RARP
2. 经过数据链路层封装的数据成为帧，有以太网帧、令牌环帧，其中，以太网帧的格式：
   
   MTU最大传输单元，即帧最多能携带多少上层协议数据(比如IP数据报)，正因为如此，过长的IP数据报可能需要分片传输。
   说明：以太网帧的MTU=1500，可以通过ifconfig、netstat查看，因此它携带的IP数据报的数据部分最多是1480个字节(IP数据报头部占20个字节)

②网络层

1. 主要的协议是IP和ICMP
2. 功能：
   路由选择：通信的两台主机不是直接相连的，而是经过多个中间节点(路由器)连接，网络层的任务就是选择这些中间节点，已确定两台主机之间的通信
3. IP协议是根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议将会为数据包选择合适的下一跳路由器，并将数据包交付给该路由器来转发。多次重复该过程，直到数据包到达目的主机，或者由于发送失败数据包而被丢弃。可以发现，网络层的IP协议使用逐跳的方式确定通信路径。
4. ICMP协议(因特网控制报文协议)主要用于检测网络连接，分为两种类型：差错报文、查询报文。详细介绍看图示：
   

③传输层

主要协议：TCP、UDP、SCTP
功能：为两台主机上的应用程序提供端到端(end-to-end)的通信。与网络层的IP协议使用逐跳的通信方式缺人通信路径不同，传输层只关心src和dst，并不关心数据包的中转过程。

④应用层

在用户空间实现，主要协议：telnet、OSPF、DNS、ping程序等

---

2、TCP/IP工作原理以及流程

①封装：加上协议头

Q1：上层协议是如何使用下层协议提供的服务的呢？—封装
A1：应用程序的数据在发送到物理网络上之前，将沿着协议栈从上向下一次传递，每层协议都将在上层数据的基础上加上自己的头部信息。
TCP–>TCP报文段、UDP–>UDP数据报、IP–>IP数据包、数据链路层–>帧(以太网帧、令牌环帧)
说明：TCP、UDP对数据的封装类似，不同的是，UDP无需为数据保存副本，因为UDP是不可靠的服务，当UDP数据报被成功发送之后，UDP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方正确接收，并打算重发该数据包，则应用程序需要从用户空间将该数据拷贝到UDP内核发送缓冲区中）。

②分用/解封装：解析协议头

Q2：当帧在物理网络上传输到目的主机时，将会沿着协议自底向上依次传递，具体执行过程？—分用
A2：各层协议将依次处理帧中本层负责的头部数据，以获取所需要的信息，并最终将处理后的帧交给目标应用程序。

(从下到上)以太网帧的分用过程，图示：

可以看到：
1. IP、ARP、RARP协议都使用帧传输数据，所以帧的头部中以太网帧的类型来区分它们。IP、ARP、RARP对应的类型分别是：0x800、0x806、0x835。
2. ICMP协议、TCP协议、UDP协议都是用IP协议，所以IP数据报的头部采用16位的协议字段来区分它们
3. TCP、UDP则通过16位的端口号字段区分上层应用程序

③对等层通信

在两个端系统的同一层上，双方都有对应的一个或多个协议进行通信