【大话存储】学习笔记（11章），TCP/IP

TCP/IP协议

以太网的出现，给系统的互联带来方便的方式，每个节点安装一块以太网适配器，上层程序只要将发送的数据以及目的MAC地址告诉以太网卡，就可以完成通信过程。

但是实际上，以太网不能直接被应用程序用来收发数据的，因为以太网是一个没有传输保障的网络。

表现在：

• 不会对数据帧进行校验纠错。
• 如果交换量大，可能会出现缓冲区队列满了的情况，所以以太网会主动丢弃，并且不会通知发送者。

正因为如此 ，需要上层程序来获得可靠数据。

比如NetBEUI,NetBIOS,IPX,TCP/IP，这些协议其下层调用以太网提供的服务，上层对外提供新的调用接口。

而TCP/IP因为适用广，性能好，可以在超大规模的网络上运行，迅速得到普及。

IP协议

作用一：屏蔽链路层地址

以太网主要实现了OSI的下三层，即物理层、链路层、网络层，现在普遍认为以太网只作用到了链路层，这种误解的原因是以太网与TCP/IP结合就沦落为TCP/IP的链路层，其第三层地址被以太网IP所映射掉了。

而且以太网定义了MAC地址，也有自己的物理层，完全可以用来进行寻址。但是为什么没有完全靠MAC来寻址呢？因为

• 首先MAC 太长，48bit，用于路由寻址的时效低。

• 最关键的是，世界上不是每个环境都用以太网来建立网络，还可以有其他的网络系统，有其他的寻址方式。

比如以太网适合局域网通信，但是不适合广域网，一般来说广域网有专门的的联网协议，比如PPP , HDLC , FrameRelay ， X25 , ATM等，它们也如以太网一样各有各的寻址体系。

在一个Internet上有如此多的不同类型的网络，如果要联通，需要各种转换，映射。所以最好才解决方案是给他们通通分配一个IP地址给每个节点，对外以IP地址作为寻址地址，再将IP地址映射到所在网络的地址上，比如IP映射到Frame Relay 的DLCI ，映射到ATM的地址等。

以太网天生的弱点导致它必须向TCP/IP合作，而且只能将MAC地址隐藏，对外通通使用IP地址。

总结一下，因为除了以太网以外，还有很多其他类型的联网方式，而几乎所有的联网方式都有自己的编址和寻址方式，为了兼容，只能将地址全都映射到IP地址上

既然有映射，当然需要一种协议来完成这个过程。那就是ARP协议，这个协议就是用来处理一种地址和另一种地址的映射。运行在每个网络设备上，将一种地址映射成底层网络设备所使用的另一种地址。

每种网络要想用IP来统一就必须运行各自的ARP协议，比如以太网的ARP ， 帧中继的ARP。

ARP协议：主要用来将IP地址映射到底层设备的地址（MAC地址）

我们以浏览器中输入网络域名之后发生的事情来举例。

• 首先DNS兑换程序自动向DNS服务器查询，获得域名对应的地址，然后用IP地址与服务器通信。

• 数据包带着IP地址到了服务器所在的局域网，会通过局域网的路由器发出的ARP请求，将IP地址兑换为服务器所在局域网的地址，

• 如果服务器所在的局域网是以太网，则对应成MAC地址，然后通过以太网交换设备，找到此MAC地址所在的交换机端口，将数据包发向这个端口。

上述过程发生了两种不同的兑换：

• IP转换为域名，这是因为IP不方便记忆，所以我们平时使用类似"www.baid.com"这样的字符来表示网站，当然需要在后台将域名和IP进行相互转换。

• MAC转换IP：为了统一。

作用二：适配上下层

IP层另外的作用是适配上下层：给链路层和传输层提供适配。

链路层有MTU的概念：链路的最大传输单元，即每帧所允许的最大字节数。

链路层就类似司机和交通规则，对货车的载重、大小有要求，如果货物太大，就必须分割。这个动作是由IP层程序来做，也就是IP根据链路的MTU来分割货物，然后贴上源目的IP地址、顺序号。

路由器每次选择的路径不一样，所以到达目的地以后可能乱序了，此时可以使用顺序号。这个顺序号是根据分割处相对起点的距离，根据这个号，等所有货物到达了以后，对方的IP程序可以将这个号码组装起来。

每个货物块都携带IP头，但是只有第一块携带TCP头部 。因为传输层头部是在应用数据之前的，所以IP在分割的时候，一定会把头部分到第一块中。

缺点

IP最大的作用是寻址和路由，以及适配链路层的MTU。但是以太网是个面向无连接的网络， 不保障数据一定会传送到对方。

Frame Relay协议，其前身X.25协议，有很好的传输保障功能，因为其设计初衷是为了运行在不稳定的链路，当链路的质量不断提升，x25的做法有些多余，所以在FR替代了X25，只留下流控机制。

但是以太网和FR都没有实现端到端的传输保障。端到端是相对于“过路”而言的。过路是指在两个终端之间通信路径上的网络设备之间的路径。链路层只保障两个设备之间传送的数据无误，但是不能保证最终终端传输的无误。

TCP和UDP

TCP/IP协议包含两个亚层：

• IP：统一底层网络地址和寻址
• TCP或者UDP：逻辑上位于IP上。

TCP和UDP的功能

• TCP功能：维护复杂的状态机，保障发送方发出的数据包都会传送到接收方。出错的话，则反馈信息。

• UDP功能：TCP/IP对以太网的透传。没有传输保障功能的亚层。除了UDP可以提供比以太网更方便的调用方式，其他没有本质区别。

TCP/IP协议向应用程序呈现的接口就是Socket接口，即插座接口。TCP/IP想让应用程序更方便的使用网络，就像插头插入插座一样。

基于TCP/IP的应用程序，必须依赖于TCP/IP协议，如Ping , Trace , SNMP,Telnet , SMTP,FTP,HTTP

这些协议加上IP、TCP等，然后加上物理层链路层（以太网等），形成了TCP/IP协议簇。

所以说TCP运行在终端上，监控终端最终发送的接收的数据包的顺序、缓存区、校验。

TCP协议

TCP就是个押运员，是由它把货物交给IP做调度的。

货物最初是由应用程序生成，调用Socket接口向接收方发送货物。通告TCP/IP去特定的内存区将数据复制到Socket缓冲区，然后TCP再从缓冲区将数据通过IP层分片之后，从底层网络适配器发送到对端。

TCP通过MSS（max Segment Size）来调整每次转给IP层的数据大小。而MSS值完全取决底层链路的MTU。

为了避免IP分片，MSS总等于MTU值减掉IP头，再减掉TCP头的值，TCP发送给IP的数据，IP加上IP头之后，恰好等于底层链路的MTU值，使得IP不需要分片。

TCP将上层应用的数据完全当成字节流，不进行定界处理,认为上层应用数据就是一连串的字节，不认识字节的具体含义，却可以分割这些字节，封装成货物进行传送，但是必须保证数据排列顺序。

TCP将上层数据“分段” ， IP将TCP分段再“分片”（若此段大于MTU）
IP到达目的地以后，会将分片合并为分端，然后放到货仓，顺序排放，不管上层消息的分界。

UDP协议

UDP只是被动的起到了一个IP和上三层的接口的作用。

没有出错重传，没有缓冲、定时器、状态机，而且也不会像TCP将数据流分段，适配MTU的工作完全由IP来做。

没有握手机制，所以UDP头部只有8个字节长，包括目的和源端口号，UDP数据包长度、UDP校验和，效率高。所以UDP协议一般用于实时性高的地方，比如视频流

端口号

OS上运行N个程序，如果需要通信，可以使用号码来标识，所以只要知道了进程号就可以区分程序。

同一PC上的程序通信，一般是在内存中直接通信，但是如果两台计算机的两个程序都需要通信，若用内存共享，成本太高，所以可以采用先发送到另一台计算机，然后让接收消息的计算机将这个消息发送给对应的程序。

所以接收方的OS中的TCP/IP协议必须知道某个数据包应该放到哪一个应用程序的缓冲区，因为同一时刻可能有多个应用调用Socket 进行数据收发。

为了区分正在调用Socket的不同应用程序，规定了端口号。

所以在调用socket的时候，必须声明连接目的计算机TCP/IP协议的那个端口号。

TCP/IP与以太网的关系

有人把TCP/IP与以太网等同起来，是完全错误的。

TCP/IP与以太网是互相利用，而非相互依存。

TCP/IP协议不像以太网有底层专门的硬件，绝对是可以租用一切合适的硬件来作为物理和链路层。

比如TCP/IP可以用无线、USB、COM串口、ATM作为物理层和链路层。

以太网有自己的网络层编址和寻址，有网络层的元素

TCP/IP在网络层和传输层的功能应用太广泛了，所以OSI的第三和第4层几乎是被TCP/IP统治了。