简话TCP/IP

　　　　在分析IP分片与重组时，想起一个问题，为什么分片和重组发生在IP网络层，而不是数据链路层（以太网/令牌环网），或者运输层（TCP/UDP），或者应用层（FTP/IMAP）呢？

　　　　这是一个简单的问题，却难于回答。这个问题牵扯到另外一个问题——网络分层模型。常见的有，OSI模型和TCP/IP模型（见下图），这是我们所熟知的。但是，ISO组织依据什么理由进行划分呢？

　　　　不同计算机间进行通信，最简单的情况是直接用一根网线连接两台主机，相互之间就能传输电信号了。但计算机需要借助“软件”才能理解这些电信号的具体含义。此处所说的“软件”，可以一般化地理解成“规则”或“协议”的意思，只有这些协议发生作用，两台主机才能真正地开始通信。在这些协议及软件中，以解析电信号的先后顺序排列，可以分成上述几种层次。分层之后，每个层就是一个独立的个体，却又是通信协议族中不可分割的一个成员。所谓不可分割，确实是不可分割，少了哪一层也不行，不像某国的领土尽管不可分割，却可以在他人之手。

 

　　　　每个层都有它的特殊功用。先从物理层/数据链路层协议开始，它们是最底层的协议，直接接触最原始的0-1电信号，不同物理网络之间有特定的物理线路，那些物理线路有专门的技术参数，比如传输数据率，帧结构（见下图），MTU（最大传输单元），传输介质（无线，双绞线，光纤）等等，很显然，不同物理网络之间无法直接通信。物理层协议仅仅负责该物理网络中的机器进行通信，协议内容包括MAC地址格式，表明某个主机的位置；帧结构，数据传输表示方法；传输控制，流量控制、差错控制和链路管理。在这里，最重要的一点，物理层协议仅负责某类物理网络，MAC地址是物理层所特有的。如果有两台计算机A和B，A在令牌环网，B在以太网，按照上面的规定，它们无法通信。事实证明，办法永远比困难多。人们说：要有连接不同网络的方法，就有了网络层协议。

 

　　　　网络层位于物理层之上，作用是连接不同物理网络。最著名的网络层协议是IP（internet protocol）。IP协议通过什么方式实现不同网络互联呢？我一直认为，凡是理解一个协议，什么都别做，先看看该协议的数据包格式。IP协议的数据报格式（见下图）。

 

　　　　放眼望去，一下看见源IP地址与目的IP地址这两个大胖子，占了IP头部的64位。这也是IP协议最显著的特征。通过创建IP地址这个通用概念，使得数据得以在不同物理网络中传输。但数据链路层传输数据，依赖于MAC地址，因此网络层传输最终需要依靠ARP协议将ip地址映射到物理层的MAC地址。进一步，每个物理层的MTU都不同，大的数据包需要分成小块，小的数据包需要合成大块。这就是IP分片和重组。每一个处理完的数据包都是IP数据包格式。在IP头部中，由标识符，标志，偏移量这32位字段提供IP分片和重组的机制。这32位字段的具体应用过程，以后再讲。好了，具备以上两项功能，IP数据包已经能够在不同网络中畅通无阻了。但是IP数据包头部并不止于此，还提供了其他功能，比如TTL（生存时间，很重要）,上层协议类型，校验和，选项等等。其中，上层协议类型有TCP、UDP、IGMP等等。现在，再说网络层是数据链路层的上层，似乎没有那么突兀了。网络层的确提供了更多更广的服务。我也不是完全通晓IP协议族，实际上，IP协议族博大精深，需要更多的实际操作才能更深入的理解它。

 

　　　　接下来到了传输层，这是我最不情愿涉及的一个话题。因为它是又一块难啃的骨头。老规矩，先从简单的入手，来看看UDP数据包的首部格式（见下图）：

Format
------

                                    
                  0      7 8     15 16    23 24    31  
                 +--------+--------+--------+--------+ 
                 |     源端口号     |   目的端口号      | 
                 |                 |                 | 
                 +--------+--------+--------+--------+ 
                 |                 |                 | 
                 |     总长度       |    检验和        | 
                 +--------+--------+--------+--------+ 
                 |                                     
                 |          data （数据） ...            
                 +---------------- ...                 

                      User Datagram Header Format（UDP数据包头部格式）

 

　　　　　为什么说UDP（传输层）是网络层的上层协议呢？因为端口号。端口号是每个计算机上运行的程序所使用的端口号。说是程序，有些业余，其实是进程。每个计算机上都有许多许多运行着的程序（好吧，是进程），就拿windows来说，开机以后，打开任务管理器，点“进程”一项，能够发现里面有许多.exe格式的东东。每个exe格式的东东都代表了一个正在运行的进程。既然是进程，那么它也可能需要和外部通信。如何通信，计算机为每个进程分配了一个端口号，等于对外宣称的地址，如果你想和这个程序说话，就得用端口号。UDP协议是一个不靠谱的家伙，没有流量控制，非常少的差错控制，而且还是无连接服务。无连接服务，好纠结的术语啊，如果是无连接，那又怎么通信啊，如果能够通信，那又为什么叫它无连接服务啊。真是纠结。初看，我不甚了了。后来才知道，它的无连接指的是它发完数据包，通信过程就算结束了，它就只管发，不管对方是否接到这数据包，这很像某党的办事风格。与之对比，TCP就不一样了，非常细致，首先三次握手，确认以后，建立连接，就连“分手”也要三次握手，很像淘宝支付宝付款模式，双方确认后再交易钱财。TCP如何实现这些操作呢？来看TCP头部（下图）。

TCP Header Format

                                    
    0                   1                   2                   3   
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          源端口号          |       目的端口号        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        序号                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    确认号                    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   | 数据   |           |U|A|P|R|S|F|                               |
   | 偏移   | 保留       |R|C|S|S|Y|I|            窗口             |
   |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          检验和（ Checksum）            |         紧急指针        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    选项                    |    填充   |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             数据                             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                            TCP头部格式

 

　　　　　三次握手，靠的是头部中的控制位（即中间那些英文）；识别每个程序，靠的是端口号；确保面向连接服务，靠的是序号和确认号。确保流量控制，靠的是窗口大小这一字段。再啰 嗦一句面向连接，即流式运输，其过程彷佛中间有一条无形的管道连接了两个程序，然后传递数据。TCP很重要，再怎么认真学习也不为过。

 

　　　　　终于到了应用层，一层一层地攀爬，真累。应用层，就是我们常见的程序了。每个人都熟悉，例如IE浏览器，QQ，迅雷等等一些程序。在这些程序中，涉及了数据的产生，比如你想聊天，光有TCP/IP协议，没用，你不懂TCP/IP协议，它也不懂你。中间的沟通过程需要通过应用层来完成，聊天软件提供了一个界面给你操作，比如你打字的窗口，传送照片的操作，以及剪切图片的操作，你只要按瓢画葫芦，剩下来的工作就由应用层来完成。它是你和TCP/IP协议之间的桥梁。

 

　　　　简单地，TCP/IP也就是这么回事。其实不然，它还是很复杂的。最后，用一幅巨大的图来结束这篇文章。图中包含了每一层数据包的格式和处理。

　　　　

 

 

 

 

注：

　　　　1.图片来自网络，如有侵犯，请通知我，我一并撤销。

　　　　2.上述纯属个人理解，未必正确，欢迎指正。

　　　　3.看到这里，你会发现，图画比文字精彩。

　　　　4.vamei大牛的TCP相关文章非常精彩，一定不要错过。请点：http://www.cnblogs.com/vamei/tag/%E7%BD%91%E7%BB%9C/