读书笔记一：TCP/IP协议

为什么会有TCP/IP协议？

在世界上各地，各种各样的电脑运行着各自不同的操作系统为大家服务，这些电脑在表达同一种信息的时候所使用的方法是千差万别。就好像圣经中上帝打乱了各地人的口音，让他们无法合作一样。计算机使用者意识到，计算机只是单兵作战并不会发挥太大的作用。只有把它们联合起来，电脑才会发挥出它最大的潜力。于是人们就想方设法的用电线把电脑连接到了一起。

但是简单的连到一起是远远不够的，就好像语言不同的两个人互相见了面，完全不能交流信息。因而他们需要定义一些共通的东西来进行交流，TCP/IP就是为此而生。TCP/IP不是一个协议，而是一个协议族的统称。里面包括了IP协议，IMCP协议，TCP协议，以及我们更加熟悉的http、ftp、pop3协议等等。电脑有了这些，就好像学会了外语一样，就可以和其他的计算机终端做自由的交流了。

为什么要分层呢?

如果互联网只由一个协议统筹，某个地方需要改变设计时，就必须把所有部分整体替换掉。而分层之后只需把变动的层替换掉即可。把各层之间的接口部分规划好之后，每个层次内部的设计就能够自由改动了。值得一提的是，层次化之后，设计也变得相对简单了。处于应用层上的应用可以只考虑分派给自己的任务，而不需要弄清对方在地球上哪个地方、对方的传输路线是怎样的、是否能确保传输送达等问题。

TCP/IP协议分层

提到协议分层，我们很容易联想到ISO-OSI的七层协议经典架构，但是TCP/IP协议族的结构则稍有不同。如图所示

首先了解下ISO-OSI的七层协议

1.物理层(Physical Layer)

　　物理层位于 OSI 参考模型的最低层,它直接面向原始比特流的传输。为了实现原始比特流的物理传输,物理层必须解决好包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声等在内的一系列问题。另外,物理层标准要给出关于物理接口的机械、电气、功能和规程特性,以便于不同的制造厂家既能够根据公认的标准各自独立地制造设备,又能使各个厂家的产品能够相互兼容。

2.数据链路层(Data Link Layer)

　　在物理层发送和接收数据的过程中,会出现一些物理层自己不能解决的问题。例如, 当两个节点同时试图在一条线路上发送数据时该如何处理?节点如何知道它所接收的数据是否正确?如果噪声改变了一个分组的目标地址,节点如何察觉它丢失了本应收到的分组呢?这些都是数据链路层所必须负责的工作。

　　数据链路层涉及相邻节点之间的可靠数据传输,数据链路层通过加强物理层传输原始比特的功能,使之对网络层表现为一条无错线路。为了能够实现相邻节点之间无差错的数据传送,数据链路层在数据传输过程中提供了确认、差错控制和流量控制等机制。

3.网络层(Network Layer)

　　网络中的两台计算机进行通信时,中间可能要经过许多中间结点甚至不同的通信子网。网络层的任务就是在通信子网中选择一条合适的路径,使发送端传输层所传下来的数据能够通过所选择的路径到达目的端。

　　为了实现路径选择,网络层必须使用寻址方案来确定存在哪些网络以及设备在这些网络中所处的位置,不同网络层协议所采用的寻址方案是不同的。在确定了目标结点的位置后, 网络层还要负责引导数据包正确地通过网络,找到通过网络的最优路径,即路由选择。如果子网中同时出现过多的分组,它们将相互阻塞通路并可能形成网络瓶颈,所以网络层还需要提供拥塞控制机制以避免此类现象的出现。另外,网络层还要解决异构网络互连问题。

4.传输层(Transport Layer)

　　传输层是 OSI 七层模型中唯一负责端到端节点间数据传输和控制功能的层。传输层是 OSI 七层模型中承上启下的层,它下面的三层主要面向网络通信,以确保信息被准确有效地传输;它上面的三个层次则面向用户主机,为用户提供各种服务。

　　传输层通过弥补网络层服务质量的不足,为会话层提供端到端的可靠数据传输服务。它为会话层屏蔽了传输层以下的数据通信的细节,使会话层不会受到下三层技术变化的影响。但同时,它又依靠下面的三个层次控制实际的网络通信操作,来完成数据从源到目标的传输。传输层为了向会话层提供可靠的端到端传输服务,也使用了差错控制和流量控制等机制。

5.会话层(Session Layer)

　　会话层的功能是在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接。它是在传输连接的基础上建立会话连接,并进行数据交换管理,允许数据进行单工、半双工和全双工的传送。会话层提供了令牌管理和同步两种服务功能。

6.表示层(Presentation Layer)

　　表示层以下的各层只关心可靠的数据传输,而表示层关心的是所传输数据的语法和语义。它主要涉及处理在两个通信系统之间所交换信息的表示方式,包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。

7.应用层(Application Layer)

　　应用层是 OSI 参考模型的最高层,负责为用户的应用程序提供网络服务。与 OSI 其他层不同的是,它不为任何其他 OSI 层提供服务,而只是为 OSI 模型以外的应用程序提供服务。包括为相互通信的应用程序或进行之间建立连接、进行同步,建立关于错误纠正和控制数据完整性过程的协商等。应用层还包含大量的应用协议,如分布式数据库的访问、文件的交换、电子邮件、虚拟终端等。

OSI参考模型层的每个层的作用：
物理层	通信信道上的原始比特流的传输
数据链路层	提供可靠的数据传输，实现节点间的无差错的数据传送；在数据传输过程中提供了确认、差错控制和流量控制等机制。
网络层	网络层的任务就是在通信子网中选择一条合适的路径,能够通过所选择的路径到达目的端。
传输层	唯一负责端到端节点间数据传输和控制功能的层。
会话层	它是在传输连接的基础上建立会话连接,并进行数据交换管理,允许数据进行单工、半双工和全双工的传送。
表示层	它主要涉及处理在两个通信系统之间所交换信息的表示方式,包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。
应用层	负责为用户的应用程序提供网络服务。

举个例子：假设主机A的用户A要给主机B的用户B发送一封电子邮件：

发送方从第7层、第6层到第1层由上至下按照顺序传输数据，而接收端则从第1层、第2层到第7层由下至上向每个上一级分层传输数据。每个分层上，在处理由上一层传过来的数据时可以附上当前分层的协议所必须的“首部”信息。然后接收端对收到的数据进行数据“首部”与“内容”的分离，再转发给上一分层，并最终将发送端的数据恢复为原状。

 传输方式的分类

网络与通信中可以根据其数据发送方法进行多种分类。

面向连接与面向无连接

2.电路交换与分组交换

3.根据接收端数量来分

地址

通信传输中,发送端和接收端都可以被视作通讯主体。它们都能由一个所谓的"地址"的信息标识出来。比如打电话,电话号码就是"地址",比如寄快递,家庭住址就是"地址"。

在TCP/IP通信中使用MAC地址,IP地址,端口号等信息作为地址标识。甚至在应用层中可以将电子邮件地址作为网络通信的地址。

地址具有唯一性
当地址总数多时,需要有层次性来快速定位。

网络的构成要素

搭建一套网络环境要涉及到各种各样的电缆和网络设备。

下面开始讨论TCP/IP分层

TCP/IP协议族分为4层：应用层，运输层，网络层，链路层。

应用层和运输层使用End-to-end协议，提供端到端服务；

网络层提供Hop-by-hop协议，提供点到点服务。IP协议就在这里，它负责对数据加上IP地址和其他的数据（后面会讲到）以确定传输的目标。

数据链路层--这个层次为待传送的数据加入一个以太网协议头，并进行CRC编码，为最后的数据传输做准备。

发送协议的主机从上自下将数据按照协议封装，而接收数据的主机则按照协议从得到的数据包解开，最后拿到需要的数据。这种结构非常有栈的味道，所以某些文章也把tcp/ip协议族称为tcp/ip协议栈。

互联网的地址

网络上每一个节点都必须有一个独立的Internet地址（也叫做IP地址）。现在，通常使用的IP地址是一个32bit的数字，也就是我们常说的IPv4标准，这32bit的数字分成四组，也就是常见的255.255.255.255的样式。IPv4标准上，地址被分为五类，我们常用的是B类地址。具体的分类请参考其他文档。需要注意的是IP地址是网络号+主机号的组合，这非常重要。