网络编程(二)TCP/IP

一、概念

TCP/IP:利用IP进行通信时所必须用到的协议群的统称。有时也称TCP/IP为网际协议族(网际协议族(Internet Protocol Suite):组成网际协议的一组协议)。

TCP/IP协议群

互联网:“互联网”是指由ARPANET发展而来、互连全世界的计算机网络。现在,“互联网”已经是一个专有名词了,其对应的英文单词“The Internet”也早已成为固有名词。

互联网进行通信时,需要相应的网络协议,TCP/IP原本就是为使用互联网而开发制定的协议族。因此,互联网的协议就是TCP/IP,TCP/IP就是互联网的协议

二、TCP/IP协议分层模型

OSI模型与TCP/IP模型对应关系

1)硬件(物理层)

TCP/IP的最底层是负责数据传输的硬件。TCP/IP是在网络互连的设备之间能够通信的前提下才被提出的协议。

2)网络接口层(数据链路层)

网络接口层(有时人们也将网络接口层与硬件层合并起来称作网络通信层。)
利用以太网中的数据链路层进行通信,因此属于接口层。也就是说,把它当做让NIC起作用的“驱动程序”也无妨。

3)互联网层(网络层)

互联网层使用IP协议,它相当于OSI模型中的第3层网络层。IP协议基于IP地址转发分包数据。

TCP/IP分层中的互联网层与传输层的功能通常由操作系统提供。

IP

IP是跨越网络传送数据包,使整个互联网都能收到数据的协议。

IP还隐含着数据链路层的功能。通过IP,相互通信的主机之间不论经过怎样的底层数据链路都能够实现通信。

虽然IP也是分组交换的一种协议,但是它不具有重发机制。即使分组数据包未能到达对端主机也不会重发。因此,属于非可靠性传输协议。

ICMP

IP数据包在发送途中一旦发生异常导致无法到达对端目标地址时,需要给发送端发送一个发生异常的通知。ICMP就是为这一功能而制定的。它有时也被用来诊断网络的健康状况。

ARP

从分组数据包的IP地址中解析出物理地址(MAC地址)的一种协议。

4)传输层

传输层最主要的功能就是能够让应用程序之间实现通信。

TCP

TCP是一种面向有连接的传输层协议。它可以保证两端通信主机之间的通信可达。TCP能够正确处理在传输过程中丢包、传输顺序乱掉等异常情况。

此外,TCP还能够有效利用带宽,缓解网络拥堵。

然而,为了建立与断开连接,有时它需要至少7次的发包收包,导致网络流量的浪费。

此外,为了提高网络的利用率,TCP协议中定义了各种各样复杂的规范,因此不利于视频会议(音频、视频的数据量既定)等场合使用。

UDP

UDP有别于TCP,它是一种面向无连接的传输层协议。

UDP不会关注对端是否真的收到了传送过去的数据,如果需要检查对端是否收到分组数据包,或者对端是否连接到网络,则需要在应用程序中实现。

UDP常用于分组数据较少或多播、广播通信以及视频通信等多媒体领域。

5)应用层(会话层以上的分层)

TCP/IP的分层中,将OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层的功能都集中到了应用程序中实现。这些功能有时由一个单一的程序实现,有时也可能会由多个程序实现。

因此,细看TCP/IP的应用程序功能会发现,它不仅实现OSI模型中应用层的内容,还要实现会话层与表示
层的功能

WWW

WWW(中文叫万维网,是一种互联网上数据读取的规范。有时也叫做Web、WWW或W3。) 可以说是互联网能够如此普及的一个重要原动力。

浏览器与服务端之间通信所用的协议是HTTP(HyperText Transfer Protocol)。所传输数据的主要格式是HTML(HyperText Markup Language)。WWW中的HTTP属于OSI应用层的协议,而HTML属于表示层的协议

电子邮件(E-mali)

发送电子邮件时用到的协议叫做SMTP(Simple Mail Tranfer Protocol)

电子邮件使用MIME(在互联网上广泛使用的、用来定义邮件数据格式一种规范。)协议,是邮件内容更丰富。这里提到的MIME属于OSI参考模型的第6层--表示层

电子邮件与TCP/IP的发展相辅相成。电子邮件协助改善协议,更加完善的协议又可以令电子邮件的形式多样化。

文件传输(FTP)

该过程使用的协议叫做FTP(File Transfer Prototol)。

传输过程中可以选择用二进制方式还是文本方式,使用文本方式时会自动修改换行符。这也属于表示层的功能。

在FTP中进行文件传输时会建立两个TCP连接,分别是发出传输请求时所要用到的控制连接与实际传输数据时所要用到的数据连接(这两种连接的控制管理属于会话层的功能。)

远程登录(TELNET与SSH)

TCP/IP网络中远程登录常用TELNET(TELetypewriter NETwork的缩写。有时也称作默认协议。)和SSH(SSH是Secure SHell的缩写。) 两种协议。

三、TCP/IP通信过程

数据包首部

每个分层中,都会对所发送的数据附加一个首部,在这个首部中包含了该层必要的信息,如发送的目标地址以及协议相关信息。通常,为协议提供的信息为包首部,所要发送的内容为数据。


数据包首部的层次化

发送数据包

以发邮件为例,主要会经历以下几个过程
发送邮件.png
应用程序处理

会对邮件进行编码处理,相当于OSI的表示层功能。

不同的邮件软件有不同的发送邮件的机制,立即发送或者是由接收方发起接收才开始发送。这种从何时建立连接的机制类似于OSI的会话层的功能。

TCP模块处理

TCP负责建立连接、发送数据和断开连接等功能。

如何将应用端的数据准确传输呢?
需要在应用发过来的数据上增加一个TCP首部包,其中包括源端口号,目标端口号,序号(判断发送的数据包中那部分是数据)和校验(判断数据是否能正常读取)。随后将附加TCP首部的数据发送给IP模块。

IP模块处理

IP将TCP传过来的TCP首部和TCP数据合起来当做自己的数据,并在TCP首部的前端在加上自己的IP首部。因此,IP数据包中IP首部后面紧跟着TCP首部,然后才是应用的数据首部和数据本身。

IP首部中包含接收端IP地址以及发送端IP地址。紧随IP首部的还有用来判断其后面数据是TCP还是UDP的信息。

IP包生成后,参考路由控制表决定接受此IP包的路由或主机。随后,IP包将被发送给连接这些路由器或主机网络接口的驱动程序,以实现真正发送数据。

如果尚不知道接收端的MAC地址,可以利用ARP(Address Resolution Protocol)查找。只要知道了对端的MAC地址,就可以将MAC地址和IP地址交给以太网的驱动程序,实现数据传输。

网络接口(以太网)处理

从IP传过来的IP包,对于以太网驱动来说不过就是数据。给这数据附加上以太网首部并进行发送处理。

以太网首部中包含接收端MAC地址、发送端MAC地址以及标志以太网类型的以太网数据的协议。
根据上述信息产生的以太网数据包将通过物理层传输给接收端。

发送处理中的FCS(Frame Check Sequence) 由硬件计算,添加到包的最后。设置FCS的目的是为了判断数据包是否由于噪声而被破坏。

发接收数据包

接收程序的处理过程刚好与发送时相反的。不做多余解释了。

整个发送邮件的过程

TCP/IP各层在发送邮件中的处理

文章内容摘自:图解TCP/IP(第五版)

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