TCPIP協(xié)議族的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)格式及傳輸過程

1、什么事計算機網(wǎng)絡(luò)？最簡單定義是：一些相互連接的、以共享資源為目的的、自治的計算機的集合。按連接定義：計算機網(wǎng)絡(luò)就是將分布在不同地理位置上的具有獨立工作能力的計算機、終端及其附屬設(shè)備用通信設(shè)備和通信線路連接起來，并配置網(wǎng)絡(luò)軟件，以實現(xiàn)計算機資源共享的系統(tǒng)。在計算機網(wǎng)絡(luò)里，兩臺計算機之間如何溝通呢？這就需要為網(wǎng)上的所有計算機制定通信協(xié)議了。那什么是協(xié)議呢？協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)上的所有通信設(shè)備，尤其是一個計算機與另一個計算機之間的數(shù)據(jù)往來格式、數(shù)據(jù)的含義和交互過程的控制順序。網(wǎng)絡(luò)用戶要把自然語言寫成的郵件從一個計算機發(fā)到網(wǎng)上另一個計算機（這是一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用），但網(wǎng)線上只能傳遞電壓信號，哪么應(yīng)該如何實現(xiàn)這一網(wǎng)

2、絡(luò)通信呢？看來要把自然語言的郵件變成一個個的電壓信號，得做許多工作，比如發(fā)方要做：規(guī)定郵件的格式、自然語言的編碼標準、把郵件分成一個個的數(shù)據(jù)段（數(shù)據(jù)段=發(fā)放地址+收方的地址+數(shù)據(jù)）、子網(wǎng)內(nèi)的交換、內(nèi)外網(wǎng)之間的路徑選擇、把數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，還要保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性。網(wǎng)上的每個計算機都有地址，用戶看到的計算機名是邏輯的如“張三的計算機”、“李四的計算機”、“客戶信息數(shù)據(jù)庫”等，得需要找到它們對應(yīng)的網(wǎng)上的門牌號（IP地址）、在子網(wǎng)內(nèi)交換時還應(yīng)進一步找到與它們的IP地址對應(yīng)的網(wǎng)卡的MAC地址。收方的工作順序正好與發(fā)放的順序相反。由此可見，在計算機網(wǎng)上要發(fā)一封郵件，得需要很多工作，也需要很多標準（

3、或者說協(xié)議）。因此TCP/IP協(xié)議族應(yīng)運而生。 1. TCP/IP協(xié)議族的體系結(jié)構(gòu)圖1的右邊是TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)，可以看出TCP/IP不是一個單獨的協(xié)議，而是由多個協(xié)議組成的協(xié)議族，這些協(xié)議從高到低分四層，分別規(guī)定了滿足網(wǎng)絡(luò)用戶需求的應(yīng)用層協(xié)議、信息傳輸層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層協(xié)議以及面向物理鏈路的網(wǎng)絡(luò)接口層協(xié)議。圖1的左邊是OSI七層模型，圖1給出了OSI七層模型與TCP/IP協(xié)議族之間的對應(yīng)關(guān)系。               

4、0;                圖1 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)與OSI體系結(jié)構(gòu)圖2說明了我們常用的以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802與OSI的對應(yīng)關(guān)系。                       圖2 局域網(wǎng)

5、和城域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的參考模型（L&MAN/RM）協(xié)議棧當(dāng)應(yīng)用程序用TCP傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)被送入?yún)f(xié)議棧中，然后逐個通過每一層直到被當(dāng)作一串比特流送入網(wǎng)絡(luò)。其中每一層對收到的數(shù)據(jù)都要增加一些首部信息（有時還要增加尾部信息），TCP傳給IP的數(shù)據(jù)單元稱作TCP消息段或簡稱為TCP段（TCP segment）。IP傳給網(wǎng)絡(luò)接口層的數(shù)據(jù)單元稱作IP數(shù)據(jù)報（IP Datagram）。通過以太網(wǎng)傳輸?shù)谋忍亓鞣Q作幀（Frame）。如圖3所示。 圖3 數(shù)據(jù)進入?yún)f(xié)議棧時的封裝過程2. 網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式2.1  TCP報文段的格式圖4 TCP報文段的格式雖然

6、圖4中TCP報文的長度字段均為16位，因此TCP報文可以長達64KB，但是TCP報文太長，在下層IP層傳輸時要分解成多個短數(shù)據(jù)段，再加上封裝/拆裝，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率降低。如果TCP報文的長度過短，也會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率降低。一般TCP報文的長度取536字節(jié)凈負荷。IP數(shù)據(jù)報也有同樣的問題及其解決思路。2.2  IP數(shù)據(jù)報的格式圖5 IP數(shù)據(jù)報頭部的組成2.3  以太網(wǎng)II（Ethernet  V2）的幀格式以太網(wǎng)II的幀是用于IP數(shù)據(jù)報在以太網(wǎng)中傳輸?shù)募s定俗成的標準幀類型。以太網(wǎng)II幀格式里的序言為以太網(wǎng)回路建立必需的定時機制以識別和開

7、始讀取傳入的數(shù)據(jù)。信宿地址為接收方網(wǎng)卡的MAC地址。源地址為發(fā)送方網(wǎng)卡的MAC地址。協(xié)議標識域（Type）域，標明了使用該幀的上一層協(xié)議，例如Type值0x0800表明使用該幀的協(xié)議是IP協(xié)議。圖6 以太網(wǎng)II的幀格式以太網(wǎng)II的幀的有效載荷的長度在64到1518字節(jié)之間。3. 使用TCP協(xié)議通信的過程主機A和主機B使用TCP協(xié)議通信時先按圖 7的方式建立連接，然后再傳數(shù)據(jù)，傳完后解除連接。 圖7 用三次握手建立TCP連接    主機B應(yīng)答的信息中，ack=x+l中的x是通信發(fā)起方（主機A）設(shè)定的一個初始

8、序號，應(yīng)答方（主機B）應(yīng)答此序號表明應(yīng)答方確實收到了發(fā)起方的信息，據(jù)此預(yù)防冒充者應(yīng)答，因冒充者收不到發(fā)起方的報文，不知道x的值。發(fā)起方再回復(fù)y+1予以確認。下面就可以正式通信了。三次握手：第一次握手：客戶端發(fā)送syn包(syn=x)到服務(wù)器，并進入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認；第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=x+1），同時自己也發(fā)送一個SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此時服務(wù)器進入SYN_RECV狀態(tài)；第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYNACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認包ACK(ack=y+1)，此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進入ESTABLISHED

9、狀態(tài)，完成三次握手。握手過程中傳送的包里不包含數(shù)據(jù)，三次握手完畢后，客戶端與服務(wù)器才正式開始傳送數(shù)據(jù)。理想狀態(tài)下，TCP連接一旦建立，在通信雙方中的任何一方主動關(guān)閉連接之前，TCP連接都將被一直保持下去。與建立連接的“三次握手”類似，斷開一個TCP連接則需要“四次握手”。第一次揮手：主動關(guān)閉方發(fā)送一個FIN，用來關(guān)閉主動方到被動關(guān)閉方的數(shù)據(jù)傳送，也就是主動關(guān)閉方告訴被動關(guān)閉方：我已經(jīng)不會再給你發(fā)數(shù)據(jù)了(當(dāng)然，在fin包之前發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，如果沒有收到對應(yīng)的ack確認報文，主動關(guān)閉方依然會重發(fā)這些數(shù)據(jù))，但是，此時主動關(guān)閉方還可以接受數(shù)據(jù)。第二次揮手：被動關(guān)閉方收到FIN包后，發(fā)送一個ACK給對方，確認序號為收到序號+1（與SYN相同，一個FIN占用一個序號）。第三次揮手：被動關(guān)閉方發(fā)送一個FIN，用來關(guān)閉被動關(guān)閉方到主動關(guān)閉方的數(shù)據(jù)傳送，也就是告訴主動關(guān)閉方，我的數(shù)據(jù)也發(fā)送完了，不會再給你發(fā)數(shù)據(jù)了。第四次揮手：主動關(guān)閉方收到FIN后，發(fā)送一個ACK給被動關(guān)閉方，確認序號為收到序號+1，至此，完成四次揮手。4、常用的通信軟件工作原理？大多數(shù)計算機系統(tǒng)將CPU