网络协议相关的知识和术语

目录

目标

计算机数据存储单位

七层模型

TCP/IP协议族

TCP/IP协议族传输数据时的封装过程

分用

MTU（最大传输单元）

路径MTU

IP（网际协议）

IP首部&网络字节序&首部长度

套接字（socket ）和套接字对（socket pair）

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目标

了解网络协议中相关的知识和术语，以此为前置条件，方便后期学习网络编程。本文介绍的相关知识大多来源于百度百科网页和TCP/IP详解这本书，如有纰漏希望大家积极指正。

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计算机数据存储单位

英文名	中文名	描述
bit	比特位、位、比特	计算机最小的存储单位，以0或1来表示比特位的值。比如：0001表示4个比特位。
Byte	字节	一个字节存储8个bit的数据，最大值是8个1，所以字节的大小范围是0到255。
KB	千字节	根据国际单位标准制，有1KB=1000字节，记作1000B，因为Windows系统的历史原因，也有1KB = 1024B的说法（实际上是1KiB=1024B）。
MB	兆字节	1MB=1000KB或1MB=1024KB，原因同KB。
GB	吉字节	1GB=1000MB或1GB=1024MB，原因同KB。
TB	太字节	1TB=1000GB或1TB=1024GB，原因同KB。

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七层模型

• 由国际标准化组织（ISO）制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系，一般称为OSI参考模型或七层模型。
• 各个层的名称在翻译上可能会不同，如：传输层又叫运输层；网络层又叫互联网层；数据链路层又叫链路层、网络接口层。

应用层	网络服务与最终用户的一个接口。 协议有：HTTP、FTP、TFTP、SMTP、SNMP、DNS、TELNET、HTTPS、POP3、DHCP。
表示层	数据的表示、安全、压缩。（在五层模型里面已经合并到了应用层） 格式有：JPEG、ASCll、EBCDIC、加密格式等。
会话层	建立、管理、终止会话。（在五层模型里面已经合并到了应用层） 对应主机进程，指本地主机与远程主机正在进行的会话。
传输层	定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验。 协议有：TCP、UDP，数据包一旦离开网卡即进入网络传输层。
网络层	进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择。 协议有：ICMP、IGMP、IP（IPV4 IPV6）。
数据链路层	建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能。（由底层网络定义协议） 将比特组合成字节进而组合成帧，用MAC地址访问介质，错误发现但不能纠正。
物理层	建立、维护、断开物理连接。（由底层网络定义协议）

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TCP/IP协议族

也叫TCP/IP协议簇、Internet协议族，是Internet的基础，也是当今最流行的组网形式。特别注意：

• 协议族是一组不同层次上的多个协议的组合。
• TCP是传输层的协议，IP是网络层的协议。TCP和IP只是TCP/IP协议族中的两种协议。
• 应用层由用户进程处理业务细节，应用层以下又内核处理通信细节。
• TCP/IP协议族通常被认为是一个四层协议系统，如下图所示：

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TCP/IP协议族传输数据时的封装过程

当应用程序使用TCP协议传输数据时，数据被送入协议栈，依次通过每一层知道数据变成了二进制串（比特流）。在这个过程中，每一层都会对数据增加首部信息（有时候还要增加尾部信息）。每一层传输的数据单元叫法不同：

1. TCP报文段：TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段（TCP segment）。
2. IP数据报：IP传给网络接口层的数据单元称作IP数据报(IP datagram)。
3. 帧：通过以太网传输的比特流称作帧(Frame)或以太网帧。

注意：UDP数据与TCP数据基本一致。唯一的不同是UDP传给IP的信息单元称作UDP数据报，且UDP的首部长为8字节。

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分用

分用是与封装相反的过程。指的是目标主机收到了以太网帧，数据开始从协议栈底部上升的过程。数据在上升的过程中会去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。

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MTU（最大传输单元）

MTU是链路层的概念，用来通知对方所能接受数据服务单元的最大尺寸，说明发送方能够接受的有效载荷大小。MTU一般以字节为单位计算。偶尔也听别人说MTU一般是1500字节大小，这是不对的，因为不同的网络MTU也不同，比如：IEEE（电子电气工程师协会）公布的802.3标准的MTU是1492字节，以太网的MTU则是1500字节。
如果IP层有一个数据报要传，而且数据报的长度大于链路层的MTU，这就需要IP层对数据进行分片，也就是把数据分成若干片，每片都小于MTU。

网络	MTU（单位：字节）
超通道	65535
16Mb/s令牌环（IBM）	17914
4Mb/s令牌环（IEEE 802.5）	4464
FDDI	4352
以太网	1500
IEEE 802.3/802.2	1492
X.2.5	576
点对点（低延时）	296

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路径MTU

如果两台主机之间经过了多种网络才实现通信，不同网络链路层的MTU可能不同，在这些不同网络中最小的MTU，被称为路径MTU。两个主机的路由不同（A主机到比B主机的路由，和B主机到A主机的路由），会导致路径MTU就可能不是一个常数。

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IP（网际协议）

IP也叫网际互连协议，是TCP/IP体系中的网络层协议。IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。它提供不可靠、无连接的数据报传送服务。

• 不可靠：不能保证IP数据报能成功地到达目的地，仅提供最好的传输服务。可靠性必须由上层来提供，如：TCP。
• 无连接：不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，IP数据报可以不按发送顺序接收。

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IP首部&网络字节序&首部长度

上面介绍了封装的概念，根据封装的过程图发现IP协议将TCP段转化成了IP数据报，IP数据报有IP首部。上述的封装流程图指出IP首部的大小是20字节，这里说的这只是普通的IP首部，如果含有选项字段，则IP首部长度要大于20字节。
首部长度指的是首部占32bit的数量，包括选项。首部长度是一个4比特字段，因此IP首部长度最大是60字节（二进制的1111转十进制是15，15✖32bit=60字节）。普通的IP数据报字段值是5，所以首部长度是20字节。
32bit值以下面的次序传输：首先是0~7bit，其次8~15bit，然后16~23 bit，最后是24~31 bit。这种传输次序称作big endian字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。

套接字（socket ）和套接字对（socket pair）

一个TCP连接的套接字对，是一个定义该连接的两个端点的四元组：本地IP地址、本地TCP端口号、外地IP地址、外地TCP端口号。套接字对唯一标识一个网络上的每个TCP连接。

标识每个端点的两个值（IP地址和端口号）通常称为一个套接字。