對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有所了解的朋友，相信都知道TCP IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議這個大戶，那么對于TCP IP協(xié)議來說，我們需要掌握的內(nèi)容還真不少，這次我們則重點講解一下協(xié)議棧的內(nèi)容。我們知道，TCP IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分為應(yīng)用層（Application）、傳輸層（Transport）、網(wǎng)絡(luò)層（Network）和鏈路層（Link）四層.如下圖所示

圖 TCP IP協(xié)議棧

兩臺計算機(jī)通過TCP IP協(xié)議通訊的過程如下所示

圖 TCP IP通訊過程

傳輸層及其以下的機(jī)制由內(nèi)核提供,應(yīng)用層由用戶進(jìn)程提供（后面將介紹如何使用socket API編寫應(yīng)用程序）,應(yīng)用程序?qū)νㄓ崝?shù)據(jù)的含義進(jìn)行解釋,而傳輸層及其以下處理通訊的細(xì)節(jié),將數(shù)據(jù)從一臺計算機(jī)通過一定的路徑發(fā)送到另一臺計算機(jī).應(yīng)用層數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上時,每層協(xié)議都要加上一個數(shù)據(jù)首部（header）,稱為封裝（Encapsulation）,如下圖所示

圖 TCP IP數(shù)據(jù)包的封裝

不同的協(xié)議層對數(shù)據(jù)包有不同的稱謂,在傳輸層叫做段（segment）,在網(wǎng)絡(luò)層叫做數(shù)據(jù)報（datagram）,在鏈路層叫做幀（frame）.數(shù)據(jù)封裝成幀后發(fā)到傳輸介質(zhì)上,到達(dá)目的主機(jī)后每層協(xié)議再剝掉相應(yīng)的首部,最后將應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序處理.

上圖對應(yīng)兩臺計算機(jī)在同一網(wǎng)段中的情況,如果兩臺計算機(jī)在不同的網(wǎng)段中,那么數(shù)據(jù)從一臺計算機(jī)到另一臺計算機(jī)傳輸過程中要經(jīng)過一個或多個路由器,如下圖所示

圖 跨路由器通訊過程#p#

其實在鏈路層之下還有物理層,指的是電信號的傳遞方式,比如現(xiàn)在以太網(wǎng)通用的網(wǎng)線（雙絞線）、早期以太網(wǎng)采用的的同軸電纜（現(xiàn)在主要用于有線電視）、光纖等都屬于物理層的概念.物理層的能力決定了最大傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等.集線器（Hub）是工作在物理層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,用于雙絞線的連接和信號中繼（將已衰減的信號再次放大使之傳得更遠(yuǎn)）.

鏈路層有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn),鏈路層負(fù)責(zé)網(wǎng)卡設(shè)備的驅(qū)動、幀同步（就是說從網(wǎng)線上檢測到什么信號算作新幀的開始）、沖突檢測（如果檢測到?jīng)_突就自動重發(fā)）、數(shù)據(jù)差錯校驗等工作.交換機(jī)是工作在鏈路層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,可以在不同的鏈路層網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀（比如十兆以太網(wǎng)和百兆以太網(wǎng)之間、以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)之間）,由于不同鏈路層的幀格式不同,交換機(jī)要將進(jìn)來的數(shù)據(jù)包拆掉鏈路層首部重新封裝之后再轉(zhuǎn)發(fā).

網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議是構(gòu)成Internet的基礎(chǔ).Internet上的主機(jī)通過IP地址來標(biāo)識,Internet上有大量路由器負(fù)責(zé)根據(jù)IP地址選擇合適的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包從Internet上的源主機(jī)到目的主機(jī)往往要經(jīng)過十多個路由器.路由器是工作在第三層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,同時兼有交換機(jī)的功能,可以在不同的鏈路層接口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此路由器需要將進(jìn)來的數(shù)據(jù)包拆掉網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層兩層首部并重新封裝.IP協(xié)議不保證傳輸?shù)目煽啃?數(shù)據(jù)包在傳輸過程中可能丟失,可靠性可以在上層協(xié)議或應(yīng)用程序中提供支持.

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)點到點（point-to-point）的傳輸（這里的"點"指主機(jī)或路由器）,而傳輸層負(fù)責(zé)端到端（end-to-end）的傳輸（這里的"端"指源主機(jī)和目的主機(jī)）.傳輸層可選擇TCP或UDP協(xié)議.TCP是一種面向連接的、可靠的協(xié)議,有點像打電話,雙方拿起電話互通身份之后就建立了連接,然后說話就行了,這邊說的話那邊保證聽得到,并且是按說話的順序聽到的,說完話掛機(jī)斷開連接.也就是說TCP傳輸?shù)碾p方需要首先建立連接,之后由TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性,丟失的數(shù)據(jù)包自動重發(fā),上層應(yīng)用程序收到的總是可靠的數(shù)據(jù)流,通訊之后關(guān)閉連接.UDP協(xié)議不面向連接,也不保證可靠性,有點像寄信,寫好信放到郵筒里,既不能保證信件在郵遞過程中不會丟失,也不能保證信件是按順序寄到目的地的.使用UDP協(xié)議的應(yīng)用程序需要自己完成丟包重發(fā)、消息排序等工作.

目的主機(jī)收到數(shù)據(jù)包后,如何經(jīng)過各層協(xié)議棧最后到達(dá)應(yīng)用程序呢?整個過程如下圖所示

圖 Multiplexing過程

以太網(wǎng)驅(qū)動程序首先根據(jù)以太網(wǎng)首部中的"上層協(xié)議"字段確定該數(shù)據(jù)幀的有效載荷（payload,指除去協(xié)議首部之外實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)）是IP、ARP還是RARP協(xié)議的數(shù)據(jù)報,然后交給相應(yīng)的協(xié)議處理.假如是IP數(shù)據(jù)報,IP協(xié)議再根據(jù)IP首部中的"上層協(xié)議"字段確定該數(shù)據(jù)報的有效載荷是TCP、UDP、ICMP還是IGMP,然后交給相應(yīng)的協(xié)議處理.假如是TCP段或UDP段,TCP或UDP協(xié)議再根據(jù)TCP首部或UDP首部的"端口號"字段確定應(yīng)該將應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給哪個用戶進(jìn)程.IP地址是標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)的地址,而端口號就是同一臺主機(jī)上標(biāo)識不同進(jìn)程的地址,IP地址和端口號合起來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中唯一的進(jìn)程.

注意,雖然IP、ARP和RARP數(shù)據(jù)報都需要以太網(wǎng)驅(qū)動程序來封裝成幀,但是從功能上劃分,ARP和RARP屬于鏈路層,IP屬于網(wǎng)絡(luò)層.雖然ICMP、IGMP、TCP、UDP的數(shù)據(jù)都需要IP協(xié)議來封裝成數(shù)據(jù)報,但是從功能上劃分,ICMP、IGMP與IP同屬于網(wǎng)絡(luò)層,TCP和UDP屬于傳輸層.