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TCP/IP协议四层模型

2023-05-16

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  接下来的学习重心会放在Linux网络编程这一块，我的博客也会随之更新。参照的书籍有《Linux高性能服务器编程》(游双著)、《UNIX网络编程-卷1：套接字联网API》。

  TCP/IP协议族是一个四层协议系统：

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####1. 数据链路层
  1.1 作用
  (1) 实现网卡接口的网络驱动，以处理数据在以太网线等物理媒介上的传输
  (2) 网络驱动程序隐藏了不同物理网络的不同电气特性，为上层协议提供一个统一的接口
  1.2 协议应用
  ARP和RARP(Reverse Address Resolve Protocol)即逆地址解析协议，该协议实现了IP地址和物理地址(MAC地址)之间的转换

####2. 网络层
  2.1 作用
  网络有分局域网(LAN, Local Area Network)和广域网(WAN, Wide Area Network)。对于后者通常需要使用众多分级的路由器来连接分散的主机或者LAN，即通讯的两台主机一般不是直接连接，而是通过多个中间节点(路由器)连接的，从而形成网络拓扑连接。
  (1) 网络层的任务之一就是选择这些中间节点，以确定两台主机间的通讯路径。
  (2) 其次网络层对上层协议隐藏了网络拓扑连接的细节，在使得传输层看来通讯双方是直接连接的
  2.2 协议应用
  (1) IP协议: IP协议(Internet Protocol)是网络层最核心的协议，它根据数据包的目的IP地址来决定如何投递该数据包。若数据包不可直接发送给目标主机，那么IP协议就为它寻找一个合适的下一跳路由器，并将数据包交付给该路由器去转发，如此循环直至到达目标主机或者发送失败而丢弃该数据包。
  (2) ICMP协议: ICMP协议(Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议)是IP协议的补充，用于检测网络的连接状态，如ping应用程序就是ICMP协议的使用。ICMP包发送是不可靠的，所以不能依靠接收ICMP包解决网络问题；ICMP与TCP/UDP不同，它们是传输层协议，虽然都具有类型域和代码域，但是前者和后者不同，ping用到的ICMP协议，不是端口。ICMP协议使用的是IP协议而非使用下层协议提供的的服务，所以严格来讲它并非网络层协议，而是网络层程序。

####3. 传输层
  3.1 作用
  传输层的作用是为应用程序提供端对端通讯的"错觉"，即为应用程序隐藏了数据包跳转的细节，负责数据包的收发、链路超时重连等。
  3.2 协议应用
  (1) TCP协议: TCP协议(Transmission Control Protocol, 传输控制协议)为应用程序提供可靠的、面向连接的、基于流的服务，具有超时重传、数据确认等方式来确保数据包被正确发送到目的端。因此TCP服务是可靠的，使用TCP协议通讯的双方必须先建立起TCP连接，并在系统内核中为该连接维持一些必要的数据结构，比如连接的状态，读写缓冲区，多个定时器等。当通讯结束时双方必须关闭连接以释放这些内核数据。基于流发送意思是数据是没有长度限制，它可源源不断地从通讯的一段流入另一端。
  (2) UDP协议: UDP协议(User Datagram Protocol, 用户数据报协议)与TCP协议相反，它为应用程序提供的是不可靠的、无连接的基于数据报的服务。
  无连接: 通讯双方不保持一个长久的联系，因此应用程序每次发送数据都要明确指定接收方的地址；
  基于数据报的服务: 这是相对于数据流而言的，每个UDP数据报都有一个长度，接收端必须以该长度为最小单位将其内容一次性读出，否则数据将被截断。
  UDP不具有发送时是被重发功能，所以UDP协议在内核实现中无需为应用程序的数据保存副本，当UDP数据报被成功发送之后，UDP内核缓冲区中该数据报就被丢弃了。
  (3) SCTP协议: SCTP(Stream Control Transmission Protocol, 流控制传输协议)是为了在因特网上传输电话信号而设计的。

####4. 应用层
  4.1 作用
  前面所述的三层负责处理网络通讯的相关细节，这部分需要稳定高效，因此它们是在操作系统的内核空间中，而应用层是在用户空间实现的，负责处理众多业务逻辑，如文件传输、网络管理。
  4.2 协议应用
  应用层的协议很多，如：
  (1) telne协议: 远程登录协议，它使我们能在本地完成远程任务
  (2) OSPF协议: OSPF协议(Open Shorttest Path First, 开放最短路径优先)是一种动态路由更新协议，用于路由器之间的通讯，以告知对方自身的路由信息
  (3) DNS协议: DNS协议(Domain Name Service, 域名服务)提供机器域名到IP地址的转换。如百度的机器域名是www.baidu.com，对应的IP地址是http://119.75.217.109/。
另外注意，ping是应用程序而非协议，它利用网络层的ICMP协议监测网络连接。
应用层协议可以跳过传输层直接使用网络层提供的服务，比如ping程序和OSPF协议；又可以既使用TCP服务，又可以使用UDP服务，如DNS协议。在/etc/services文件中可以看到应用程序使用的协议:
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