TCP/IP入门指导
本文翻译自https://tools.ietf.org/rfc/rfc1180.txt，包括原文90%内容，删减最后的网络应用介绍章节。这是我看到过的最简单易懂又不失核心原理的文章。
一 介绍
这篇文档仅仅包括TPC/IP协议的要点描述，但是它是TPC/IP技术的基石。这篇文档使用的例子基于UNIX TCP/IP环境，其中技术要点在所有实现了TCP/IP协议的平台通用。
二 TCP/IP概述
“TCP/IP”通常表示与TCP和IP协议相关的任何东西。包括协议，应用，甚至网络媒介。协议方面，比如：UDP/ARP/ICMP，应用方面，比如：TELNET/FTP/RCP。一个更准确的术语应该是“网络技术”，一个使用网络技术的网络称作“Internet”。
2.1 逻辑结构
要明白TCP/IP，必须先理解下面的逻辑图：
----------------------------
| network applications |
| |
|... \ | / .. \ | / ...|
| ----- ----- |
| |TCP| |UDP| |
| ----- ----- |
| \ / |
| -------- |
| | IP | |
| ----- -*------ |
| |ARP| | |
| ----- | |
| \ | |
| ------ |
| |ENET| |
| ---@-- |
----------|-----------------
|
----------------------o---------
Ethernet Cable
Figure 1. Basic TCP/IP Network Node
这是一个互联网上计算机内部的网络分层逻辑图。每个拥有网络的计算机内部都是这种逻辑图。
o：表示网卡；
@：表示mac地址；
*：表示ip地址。
2.2 术语
数据报文在不同的协议栈时有不同的名称。比如：如果数据报文在网卡驱动中，称作以太网帧（Ethernet frame）；如果数据报文在网卡驱动和IP模块之间，称作IP包（IP packet）；如果数据报文在IP模块和UDP模块之间，称作UDP报文（UDP datagram）；如果数据报文在IP模块和TCP模块之间，称作TCP段（TCP segment）；如果数据报文位于网络应用内部，称作应用数据（application message）。
这些定义是不完善的，且不同的出版物都有不同的说法。更准确的定义详见RFC1122，section 1.3.3。
直接与网卡通信的软件称作“驱动”，可以与驱动，应用通信的软件称作模块。
驱动，模块，以太网帧，IP包，UDP报文，TPC段，应用数据会在这篇文档中使用。
2.3 数据流
让我们分析下图1中数据经过协议栈的过程。
对于使用TCP的应用，数据在应用与TCP模块间传递，对于使用UDP的应用，数据在应用与UDP模块间传递。FTP是典型的TCP应用，它的协议栈是FTP->TCP->IP->ETHERNET。SNMP是典型的UDP应用，它的协议栈是SNMP->UDP->IP->ETHERNET。
TCP模块，UDP模块，网卡驱动就像是n-to-1的多路复用器，把多路应用输入数据输出到IP模块，或者1-to-n的解复用器。它们把来自IP模块的数据分发到多个应用。
RFC 1180 A TCP/IP Tutorial January 1991 1 2 3 ... n 1 2 3 ... n \ | / | \ | | / ^ \ | | / | \ | | / | ------------- flow ---------------- flow |multiplexer| of |de-multiplexer| of ------------- data ---------------- data | | | | | v | | 1 1 Figure 2. n-to-1 multiplexer and 1-to-n de-multiplexer
网卡收到以太网帧后，根据以太网帧的类型，将报文送到ARP模块或者IP模块。
IP模块根据IP包协议类型，将其送到TCP模块或者UDP模块。
UDP模块根据UDP头的端口号信息，将应用数据送到对应的应用程序，而TCP模块则根据TCP头的端口信息，将应用数据送到对应的应用程序。
下行方向的多路服用比较简单，因为只有一条路径。每一层协议在报文中添加自己的协议头即可，以便对端计算机收到报文后可以解析报文。
应用发出的数据经过TCP模块或UDP模块，然后经过IP模块，最终被网卡驱动发出。
尽管互联网技术支持许多网络媒介，但是基于IP的网络中，以太网是最常见的物理网络。图1中的计算机有一个以太网接口，网卡中的6字节的MAC地址是识别以太网端口的唯一标识。同时，计算机拥有4字节的IP地址， IP地址在一个网络中必须是唯一的。
2.4 双网口
----------------------------
| network applications |
| |
|... \ | / .. \ | / ...|
| ----- ----- |
| |TCP| |UDP| |
| ----- ----- |
| \ / |
| -------- |
| | IP | |
| ----- -*----*- ----- |
| |ARP| | | |ARP| |
| ----- | | ----- |
| \ | | / |
| ------ ------ |
| |ENET| |ENET| |
| ---@-- ---@-- |
----------|-------|---------
| |
| ---o---------------------------
| Ethernet Cable 2
---------------o----------
Ethernet Cable 1
Figure 3. TCP/IP Network Node on 2 Ethernets
图3的计算机有两个MAC地址和两个IP地址。上图的IP模块可以理解为n-to-m的多路复用器或m-to-n的解复用器。
RFC 1180 A TCP/IP Tutorial January 1991 1 2 3 ... n 1 2 3 ... n \ | | / | \ | | / ^ \ | | / | \ | | / | ------------- flow ---------------- flow |multiplexer| of |de-multiplexer| of ------------- data ---------------- data / | | \ | / | | \ | / | | \ v / | | \ | 1 2 3 ... m 1 2 3 ... m Figure 4. n-to-m multiplexer and m-to-n de-multiplexer
具有多个网络接口的IP模块比图1中的IP模块复杂很多，因为它能将报文转发的另一个网络。数据能够从任意网络接口进来，然后能从任意网络接口发送出去。
TCP UDP \ / \ / -------------- | IP | | | | --- | | / \ | | / v | -------------- / \ / \ data data comes in goes out here here Figure 5. Example of IP Forwarding a IP Packet
将一个IP报文发送到另一个网络的行为叫做“转发”。一个专门转发IP报文的计算机称作“路由器”。
如上图所示，被转发的IP报文不需要经过TCP/UDP模块，所以一些路由器是没有TCP/UDP模块的。
2.5 IP逻辑网络
IP模块是互联网技术的关键。下行（向外发送）流量中，每个模块都会在报文中添加自己的协议头，与此相反，上行（接收）流量中，每个模块都会剥掉自己的协议头，直到送到应用程序。IP协议头中包括IP地址。
基于物理网络，IP地址建立逻辑网络。不同物理网络的互联是“互联网”的由来。
2.6 物理网络无关性
IP层屏蔽了底层物理网络的差异，如果你发明了一个新的物理网络，只需要写好对应的驱动就能使用互联网。网络应用不受底层硬件变动干扰。
2.7 Continue
经过上面背景介绍，我们将回答下列问题：
发送IP报文时，怎么确定目标计算机的MAC地址？
多网卡计算机上，IP模块怎么知道应该从哪个网卡发送出去？
不同网络（网段）的计算机怎么通信的？
三 以太网
本节简单介绍下以太网技术。
一个以太网帧包括：目标地址、源地址、帧类型、数据。
一个以太网MAC地址是6字节。每个网络设备都有唯一的以太网地址。
以太网使用CSMA/CD技术，CSMA/CD特点：使用同一线缆通信的所有设备，同一时刻只有一个设备能发送，但是所有设备可以同时接收。如果两个设备在同一时刻准备发送数据，发送冲突就被检测到，两个设备会等待一段随机时间，然后重发。
四 ARP
发送IP报文时，怎么确定目标计算机的MAC地址？
ARP(Address Resolution Protocol)协议用来获取IP地址对应的MAC地址。
4.1 ARP Table
通过查找一个表来获取IP地址对应的MAC地址，这个表被称作“ARP Table”。
ARP Table有两列，一列表示IP地址，一列表示MAC地址。
通过查找ARP Table匹配IP地址，来获取对应的MAC地址。
------------------------------------
|IP address Ethernet address |
------------------------------------
|223.1.2.1 08-00-39-00-2F-C3|
|223.1.2.3 08-00-5A-21-A7-22|
|223.1.2.4 08-00-10-99-AC-54|
------------------------------------
TABLE 1. Example ARP Table
4.2 典型转换场景
网络应用，比如TELNET，发送应用数据到TCP模块，然后TCP模块发送对应的TCP报文到IP模块。IP模块向驱动传递报文时必须知道目标IP对应的MAC地址。
4.3 ARP 报文
ARP表的内容是怎么填充的呢？答案是，ARP表的内容在需要的时候被自动填充。
当ARP表格匹配IP地址失败后，系统会做两件事：
1)使用广播地址向外发送一个ARP请求报文
2)将待发送的报文入队
每个计算机都会接收广播报文，然后检查报文类型是ARP，就将ARP请求报文送到ARP模块。ARP请求报文的内容是“如果你的IP地址是xxx，请告诉我你的MAC地址”。ARP请求报文示例：
---------------------------------------
|Sender IP Address 223.1.2.1 |
|Sender Enet Address 08-00-39-00-2F-C3|
---------------------------------------
|Target IP Address 223.1.2.2 |
|Target Enet Address <blank> |
---------------------------------------
TABLE 2. Example ARP Request
ARP模块检查自己的IP地址和目标IP地址是否相同 ，如果相同，就会发送ARP回应报文，内容“我的IP地址和你请求的目标IP相同，我的MAC地址是yyy”。ARP回应报文示例：
---------------------------------------
|Sender IP Address 223.1.2.2 |
|Sender Enet Address 08-00-28-00-38-A9|
---------------------------------------
|Target IP Address 223.1.2.1 |
|Target Enet Address 08-00-39-00-2F-C3|
---------------------------------------
TABLE 3. Example ARP Response
发送ARP请求的计算机收到ARP回应报文后，将报文送入ARP模块，ARP模块检查ARP回应报文内容，将请求IP地址与MAC地址填入ARP表。
更新后的ARP表：
----------------------------------
|IP address Ethernet address |
----------------------------------
|223.1.2.1 08-00-39-00-2F-C3|
|223.1.2.2 08-00-28-00-38-A9|
|223.1.2.3 08-00-5A-21-A7-22|
|223.1.2.4 08-00-10-99-AC-54|
----------------------------------
TABLE 4. ARP Table after Response
接下来，通过查找ARP表得到目标IP地址的MAC地址，然后IP模块将报文发送到驱动层，报文被发送出去。
发送网络报文的完整步骤：
使用广播地址向外发送一个ARP请求报文
将待发送的报文入队
收到ARP回应报文，并更新ARP表
使用ARP表得到待发送报文的目的IP对应的MAC地址
网络报文被发送
每个计算机上每个网络接口都有独立的ARP表。如果如果网络报文的目的IP在ARP表不存在，且也没有ARP回应，就丢弃这个网络报文。上层应用不能区分丢包的原因是因为IP错误还是物理链路错误。
五 网络协议
IP模块是网络技术的核心，而IP技术的本质是路由表。IP技术基于路由表项决定IP包的转发策略。路由表的内容由网络管理员决定，错误的路由表配置会导致网络瘫痪。
明白了路由表就明白了网络互联。理解路由表是管理维护IP网络的基础。
理解路由表的最好方式是先有一个概括的认识，然后认识学习IP网络地址，最后学习细节。
5.1 直接路由
下图中有三个计算机：A、B、C。每个计算机都有像图1一样的TCP/IP协议栈，每个计算机网络接口都有自己的MAC地址，IP地址。
RFC 1180 A TCP/IP Tutorial January 1991 A B C | | | --o------o------o-- Ethernet 1 IP network "development" Figure 6. One IP Network
当A发往B的网络报文，报文IP头中的源IP是A的IP地址，以太帧头中的源MAC是A的MAC地址。同时，报文IP头中的目的IP是B的IP地址，以太帧头中的目的MAC是B的MAC地址。
----------------------------------------
|address source destination|
----------------------------------------
|IP header A B |
|Ethernet header A B |
----------------------------------------
TABLE 5. Addresses in an Ethernet frame for an IP packet
from A to B
当B的IP模块收到从A传来的报文，它检查报文的目的IP是否与自己的相同，如果相同，就把报文送到上层协议处理。
这种场景下，A与B的通信方式称作直接路由。
5.2 间接路由
下图显示了一个更真实的网络结构，它集合了通过路由器连接的三个子网。每个IP子网络有4个计算机，每个计算机都有自己的IP地址和MAC地址。
RFC 1180 A TCP/IP Tutorial January 1991 A B C ----D---- E F G | | | | | | | | | --o------o------o------o- | -o------o------o------o-- Ethernet 1 | Ethernet 2 IP network "development" | IP network "accounting" | | | H I J | | | | --o-----o------o------o-- Ethernet 3 IP network "factory" Figure 7. Three IP Networks; One internet
D是路由器。它连接三个子网，所以它有三个IP地址和三个MAC地址。同时，它有3个ARP模块和3个网卡驱动，但是它只有一个IP模块。
当A向B发送网络报文，过程就是上一节描述的直接路由。任何同一子网内的通信都是直接路由通信。
但是，A与其它子网的计算机通信必须通过路由器D路由转发，这种通信方式称作“间接路由”。路由转发发生在IP层，与上层无关。
如果A向E发送网络报文，源IP与源MAC都是A的，目的IP是E的，但是A需要向将报文发给D做转发，所以目的MAC是D的。
RFC 1180 A TCP/IP Tutorial January 1991 ---------------------------------------- |address source destination| ---------------------------------------- |IP header A E | |Ethernet header A D | ---------------------------------------- TABLE 6. Addresses in an Ethernet frame for an IP packet from A to E (before D)
D的IP模块收到IP包后，检查目的IP，发现不是自己的IP地址，接着，将这个IP包发送给E。
----------------------------------------
|address source destination|
----------------------------------------
|IP header A E |
|Ethernet header D E |
----------------------------------------
TABLE 7. Addresses in an Ethernet frame for an IP packet
from A to E (after D)
总之，对于直接通信，源IP、源MAC都是发送方的，目的IP、目的MAC都是接收方的；对于间接通信，IP与MAC并没有这种配对关系。
5.3 IP模块路由规则
对于上层传递下来的IP包，IP模块决定是直接发送还是间接发送，并且IP模块要决定从底层哪个网口发送出去。这些决定都是通过路由表决策的。
对于从网口收到的IP包，IP模块决定是把IP包送到上层协议栈还是转发出去。
一个网络报文不能从接收它的端口发送出去。
5.3 IP地址
网络管理员基于计算机所在子网给计算机分配IP地址。IP地址一部分是网络地址，一部分是主机地址。比如之前使用的IP地址223.1.2.1，网络地址是223.1.2，主机地址是1。
IP地址中哪部分表示网络地址，哪部分表示主机地址，是由4字节的网络掩码决定的，我们这篇文档使用C类IP地址，即网络掩码是255.255.255.0，前21bit表示网络地址，后8bit表示主机地址。
IP地址空间被NIC（Network Information Center）管理，所有的连接到互联网的计算机必须使用由NIC分配的网络号。即使一个私人局域网，也应此规则限制，否则有与其它局域网冲突的风险。
5.4 名字
我们习惯用名称来表示计算机，而不是数字。一个叫做alpha的计算机可能拥有IP地址223.1.2.1。对于小型网络，hosts文件可以完成名称到地址的转换。对于大型网络这个转换文件存储在专门服务器中。转换文件大概内容：
223.1.2.1 alpha 223.1.2.2 beta 223.1.2.3 gamma 223.1.2.4 delta 223.1.3.2 epsilon 223.1.4.2 iota
第一列表示IP地址，第二列表示计算机名字。
比如delta（图7中的计算机D）有三个IP地址，但是转换文件只有一个条目，这种情况不影响delta的通信能力，delta收到报文后会解析报文目的IP，只要与自己的任意IP匹配就可以接收报文。
IP子网络也可以被命名，比如有三个IP子网络，IP子网络与网络名的对应文件大概像这样：
223.1.2 development 223.1.3 accounting 223.1.4 factory
第一列表示IP子网络的网络号，第二列表示IP子网络的名称。
从这个例子可以看出alpha是“development”子网的第1号计算机，beta是第2号计算机。
上述hosts文件对于普通用户是足够的，但是网络管理员可能添加下面的信息到hosts文件：
223.1.2.4 devnetrouter delta 223.1.3.1 facnetrouter 223.1.4.1 accnetrouter
这三行把delta的所有IP都赋予了一个名字，事实上第一行的delta和devnetrouter含义相同，一般使用时delta是通用名称，其它三个名称仅在管理路由表时使用。
5.5 IP路由表
IP模块如何知道将报文从哪个网口发送出去？
IP模块通过匹配路由表的网络地址与目的IP的网络地址，确定从哪个端口发送出去。
路由表每一行表示一条路由，路由表的主要内容：IP网络号、直接路由/间接路由标记、路由器IP地址、网口号。IP模块发送报文时需要查询路由表。
大多数计算机上可以通过route命令修改路由表。
5.6 直接路由细节
--------- ---------
| alpha | | beta |
| 1 | | 1 |
--------- ---------
| |
--------o---------------o-
Ethernet 1
IP network "development"
Figure 8. Close-up View of One IP Network
上图中，Alpha中的路由表：
--------------------------------------------------------------
|network direct/indirect flag router interface number|
--------------------------------------------------------------
|development direct <blank> 1 |
--------------------------------------------------------------
TABLE 8. Example Simple Route Table
上图中的路由表可以用netstat –r看到。
为了方便讨论，把上图的网络号名称换成网络号：
RFC 1180 A TCP/IP Tutorial January 1991 -------------------------------------------------------------- |network direct/indirect flag router interface number| -------------------------------------------------------------- |223.1.2 direct <blank> 1 | -------------------------------------------------------------- TABLE 9. Example Simple Route Table with Numbers
alpha向beta发送IP报文，IP报文的目的IP是beta或223.1.2.2，IP模块在路由表中匹配目的IP的网络号，发现与路由表的第一个条目匹配。
路由表的其它信息表示：alpha到beta的逻辑网络通过端口1直接路由。接着通过ARP模块将beta的IP地址转换成MAC地址，然后交由网卡向外发送。
如果一个应用向一个不能在路由表中匹配的IP地址发送数据，IP模块将丢弃IP报文，有些计算机可能会回复一个“网络不可达”的错误消息。
5.7 间接路由细节
RFC 1180 A TCP/IP Tutorial January 1991 --------- --------- --------- | alpha | | delta | |epsilon| | 1 | |1 2 3| | 1 | --------- --------- --------- | | | | | --------o---------------o- | -o----------------o-------- Ethernet 1 | Ethernet 2 IP network "Development" | IP network "accounting" | | -------- | | iota | | | 1 | | -------- | | --o--------o-------- Ethernet 3 IP network "factory" Figure 9. Close-up View of Three IP Networks
上图中，alpha中的路由表：
--------------------------------------------------------------------- |network direct/indirect flag router interface number| --------------------------------------------------------------------- |development direct <blank> 1 | |accounting indirect devnetrouter 1 | |factory indirect devnetrouter 1 | --------------------------------------------------------------------- TABLE 10. Alpha Route Table
上图中的路由表可以用netstat –r看到。
为了方便讨论，把上图的网络号名称换成网络号：
-------------------------------------------------------------------- |network direct/indirect flag router interface number| -------------------------------------------------------------------- |223.1.2 direct <blank> 1 | |223.1.3 indirect 223.1.2.4 1 | |223.1.4 indirect 223.1.2.4 1 | -------------------------------------------------------------------- TABLE 11. Alpha Route Table with Numbers
aplpha给epsilon发送IP报文。IP报文的目的IP是epsilon或223.1.3.2，IP模块在路由表中匹配目的IP的网络号，发现与路由表的第二个条目匹配。
这个条目表示：目的子网223.1.3可以通过devnetrouter间接到达。alpha的IP模块将devnetrouter的IP地址翻译成MAC地址，作为报文的目的MAC，并把这个IP报文发送给路由器delta。同时，报文的目的IP还是223.1.3.2。
Delta收到这个IP报文后，IP模块发现目的IP不是自己的IP，所以这个IP报文需要转发。
Delta的IP模块解析目的IP的网络号（223.1.3）与自己的路由表匹配，匹配到第2条目。表示223.1.3子网可以通过网口3直接到达，通过ARP模块将目的IP翻译成MAC地址，通过网口3发送出去。
---------------------------------------------------------------------- |network direct/indirect flag router interface number| ---------------------------------------------------------------------- |development direct <blank> 1 | |factory direct <blank> 3 | |accounting direct <blank> 2 | ---------------------------------------------------------------------- TABLE 12. Delta's Route Table
IP报文到达epsilon，报文目的IP与epsilon的IP地址匹配，所以epsilon的IP模块将报文上送。
5.8 路由总结
IP报文在大型网络中需要经过许多路由器，发送计算机根据自己的路由表决定第一个路由器，然后剩下的每个路由器决定报文的下一跳（下一个路由器）。最终到达目的计算机。
六 UDP
UDP是基于IP的两个主要协议之一，另一个是TCP。基于UDP的应用很多，比如：NFS、SNMP。
UDP是非连接的，不保证发送报文一定能到达，UDP仅仅是向网络发包，从网络收包，不维护链路状态。
UDP在IP的基础上添加了两个信息：
1） 端口号，用以区分不同的应用
2） Checksum，用以校验数据正确定
6.1 端口号
客户端怎么与服务器上的程序通信？
应用与UDP通过端口号通信，端口号是从0开始的数字，应用通过监听/响应分配给它的端口号对外提供服务。
比如，SNMP server监听161端口，如果SNMP client想请求服务，需要向161端口发送请求。
UDP不会合并拆分UDP包，比如发送5个UDP报文，对端会收到5个。
6.2 checksum
当UDP模块收到报文后，UDP模块检查UDP checksum，如果checksum是0，表示发送方没有计算checksum，checksum应该被忽略。如果checksum校验正确，UDP模块根据UDP头中的端口号信息，查看系统中是否有进程监听此端口号，如果有，把报文剥去UDP头，送入应用待读取队列。其它情况，报文将被丢弃，比如checksum错误，没有进程监听此端口号。如果报文流量太大，超过进程读取报文的速度，UDP模块依然会丢包，知道进程待读取队列有空闲空间。
七 TCP
相比UDP，TCP提供基于连接的服务，保证报文能到达目的计算机。
典型的TCP应用包括：FTP、TELNET、X-Window、rcp。
TCP强大的能力也带来了性能消耗，它需要更多的CPU运算与网络带宽。它比UDP复杂很多。
TCP客户端从启动开始就与TCP服务程序建立连接，两端各自维护TCP连接的状态信息。TCP连接支持双向通信。
TCP支持合并提交发送的报文，比如应用发送了5个报文，对端可能只需要读取一次就能全部获取。一端发送的包数量与另一端接收的包数量并没有必然联系。
TCP是一个滑动窗口协议，支持超时和重传。发出去的数据必须得到确认，否则就要重发。两端均可以实施流控，防止缓冲区溢出。同时TCP协议有自己的窗口大小，窗口大小决定了在确认报文收到前，能够发送的最大报文量，比如在发送端向外发送数据，而对端不回复确认收到，发送端最多只能发送窗口大小的数据量。
alpha向beta发送IP报文，IP报文的目的IP是beta或223.1.2.2，IP模块在路由表中匹配目的IP的网络号，发现与路由表的第一个条目匹配。路由表的其它信息表示：alpha到beta的逻辑网络通过端口1直接路由。接着通过ARP模块将beta的IP地址转换成MAC地址，然后交由网卡向外发送。如果一个应用向一个不能在路由表中匹配的IP地址发送数据，IP模块将丢弃IP报文，有些计算机可能会回复一个“网络不可达”的错误消息。
posted on 2020-10-25 17:28 Hello-World3 阅读(438) 评论(0) 编辑 收藏 举报
