TCP IP 网络协议基础

TCP IP 简介

可见 TCP/IP 被分为 4 层，每层承担的任务不一样，各层的协议的工作方式也不一样，每层封装上层数据的方式也不一样：

• 应用层：应用程序通过这一层访问网络，常见 FTP、HTTP、DNS 和 TELNET 协议；
• 传输层：TCP 协议和 UDP 协议；
• 网络层：IP 协议，ARP、RARP 协议，ICMP 协议等；
• 网络接口层：是 TCP/IP 协议的基层，负责数据帧的发送和接收。

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是传输控制协议和网络协议的简称，它定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。

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、ICMP 协议、TCP 协议、以及 http、ftp、pop3 协议等。网络中的计算机都采用这套协议族进行互联。

在 TCP/IP 层次模型中，网络层管理 IP 地址，链路层则负责 MAC 地址。因此每个网络位置会有一个专属于它的 IP 地址，而每个主机会有一个专属于它 MAC 地址。

常用协议对应端口号：

• SSH 22
• FTP 20 和 21
• Telnet 23
• SMTP 25
• TFTP 69
• HTTP 80
• SNMP 161
• Ping 使用 ICMP，无具体端口号

封装和分用

封装

当应用程序发送数据的时候，数据在协议层次当中自顶向下通过每一层，每一层都会对数据增加一些首部或尾部信息，这样的信息称之为协议数据单元（Protocol Data Unit，缩写为 PDU），在分层协议系统里，在指定的协议层上传送的数据单元，包含了该层的协议控制信息和用户信息。如下图所示：

• 物理层（一层）PDU 指数据位（Bit）

• 数据链路层（二层）PDU 指数据帧（Frame）

• 网络层（三层）PDU 指数据包（Packet）

• 传输层（四层）PDU 指数据段（Segment）

• 第五层以上为数据（data）

分用

当主机收到一个数据帧时，数据就从协议层底向上升，通过每一层时，检查并去掉对应层次的报文首部或尾部，与封装过程正好相反。

链路层介绍

网络层协议的数据单元是 IP 数据包，而数据链路层的工作就是把网络层交下来的 IP 数据报 封装为帧（frame）发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。 为达到这一目的，数据链路必须具备一系列相应的功能，主要有：

• 将数据封装为帧（frame），帧是数据链路层的传送单位；

• 控制帧的传输，包括处理传输差错，调节发送速率与接收方相匹配；

• 在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放的管理。

数据帧的结构是这样的：

IP 协议

IP 数据报：IP 协议位于网络层，它是 TCP/IP 协议族中最为核心的协议，所有的 TCP、UDP、ICMP 及 IGMP 数据都以 IP 数据报格式传输。IP 协议提供的是不可靠、无连接的数据报传送服务。

• 不可靠（unreliable）：IP 协议不能保证数据报能成功地到达目的地，它仅提供传输服务。当发生某种错误时，IP 协议会丢弃该数据报。传输的可靠性全由上层协议来提供。

• 无连接（connectionless）：IP 协议对每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，IP 数据报可以不按发送顺序接收。如果发送方向接收方发送了两个连续的数据报（先是 A，然后是 B），每个数据报可以选择不同的路线，因此 B 可能在 A 到达之前先到达。

IP 地址分类

为了便于寻址以及层次化构造网络，每个 IP 地址可被看作是分为两部分，即网络号和主机号。同一个区域的所有主机有相同的网络号（即 IP 地址的前半部分相同），区域内的每个主机（包括路由器）都有一个主机号与其对应。

IP 地址被分为 A、B、C、D、E 五类：

• A 类给大型网络或政府机构等；
• B 类分配给中型网络、跨国企业等；
• C 类分配给小型网络；
• D 类用于多播；
• E 类用于实验。

各类可容纳的地址数目不同，其中我们最常见的为 A、B、C 这三类。

IP 地址用 32 位二进制数字表示的时候，A、B、C 类 IP 的网络号长度分别为 8 位、16 位、24 位：

A 类地址：

• A 类地址网络号范围：1.0.0.0---127.0.0.0；
• A 类 IP 地址范围：1.0.0.0---127.255.255.255；
• A 类 IP 的私有地址范围：10.0.0.0---10.255.255.255 （所谓的私有地址就是在互联网上不使用，而被用在局域网络中的地址）；
• 127.X.X.X 是保留地址，用做循环测试用的；
• 因为主机号有 24 位，所以一个 A 类网络号可以容纳 224-2=16777214 个主机号。

B 类地址：

• B 类地址网络号范围：128.0.0.0---191.255.0.0；
• B 类 IP 地址范围：128.0.0.0---191.255.255.255；
• B 类 IP 的私有地址范围：172.16.0.0---172.31.255.255；
• 169.254.X.X 是保留地址；191.255.255.255 是广播地址；
• 因为主机号有 16 位，所以一个 B 类网络号可以容纳 216-2=65534 个主机号。

C 类地址：

• C 类地址网络号范围：192.0.0.0---223.255.255.0；
• C 类 IP 地址范围：192.0.0.0---223.255.255.255；
• C 类 IP 的私有地址范围：192.168.0.0---192.168.255.255；
• 因为主机号有 8 位，所以一个 C 类网络号可以容纳 28-2=254 个主机号。

子网划分

IP 地址如果只使用 ABCDE 类来划分，会造成大量的浪费：一个有 500 台主机的网络，无法使用 C 类地址。但如果使用一个 B 类地址，6 万多个主机地址只有 500 个被使用，造成 IP 地址的大量浪费。

因此，可以在 ABC 类网络的基础上，进一步划分子网：占用主机号的前几个位，用于表示子网号。

这样 IP 地址就可看作 IP = 网络号 + 子网号 + 主机号。

子网号的位数没有硬性规定，于是我们用子网掩码来确定一个 IP 地址中哪几位是主机号，具体使用方法如图：

子网掩码中的 1 标识了 IP 地址中相应的网络号和子网号，0 标识了主机号。将 IP 地址和子网掩码进行逻辑与运算，结果就能区分网络号和子网号。

IP 路由选择

如果发送方与接收方直接相连（点对点）或都在一个共享网络上（以太网），那么 IP 数据报就能直接送达。

而大多数情况则是发送方与接收方通过若干个路由器(router)连接，那么数据报就需要经过若干个路由器的转发才能送达，它是怎么选择一个合适的路径来"送货"的呢？

IP 层在内存中有一个路由表（输入命令 route -n 可以查看路由表），当收到一份数据报并进行发送时，都要对该表进行搜索：

• 搜索路由表，如果能找到和目的 IP 地址完全一致的主机，则将 IP 数据报发向该主机；
• 搜索路由表，如果匹配主机失败，则匹配同子网的路由器(这需要子网掩码的协助)。如果找到路由器，则将该 IP 数据报发向该路由器；
• 搜索路由表，如果匹配同子网路由器失败，则匹配同网络号路由器，如果找到路由器，则将该 IP 数据报发向该路由器；
• 如果以上都失败了，就搜索默认路由，如果默认路由存在，则发报；
• 如果都失败了，就丢掉这个包；
• 接收到数据报的路由器再按照它自己的路由表继续转发，直到数据报被转发到目的主机；
• 如果在转发过程中，IP 数据报的 TTL（生命周期）已经被减为 0，则该 IP 数据报就被抛弃。

NAT 技术

当你用 ifconfig 查看 IP 地址时，有时你会发现自己的 IP 地址是这样的———192.168.X.X 或 172.16.X.X。这是 C 类网和 B 类网的私有地址，就是俗称的内网 IP。这是因为你的路由器采用了 NAT 技术。

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是 1994 年提出的。当在专用网内部的一些主机本来已经分配到了内网 IP 地址，但现在又想和因特网上的主机通信时，NAT 技术将其内网 IP 地址转换成全球 IP 地址，然后与因特网连接，也就是说，内网的数台主机使用了同一个全球 IP 地址在上网。

NAT 技术实现了宽带共享，而且有助于缓解 IP 地址空间枯竭的问题。

IP 的未来

我们现在使用的 IPv4 协议版本从理论上讲，可以编址 1600 万个网络、40 亿台主机。但采用 A、B、C 三类编址方式后，可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣，以至 IP 地址已于 2011 年 2 月 3 日分配完毕。

其中北美占有 3/4，约 30 亿个，而人口最多的亚洲只有不到 4 亿个，中国截止 2010 年 6 月 IPv4 地址数量达到 2.5 亿，落后于 4.2 亿网民的需求。地址不足，严重地制约了中国及其他国家互联网的应用和发展。

随着网络技术的发展，计算机网络将进入人们的日常生活，可能身边的每一样东西都需要连入全球因特网，在这样的环境下，IPv6 应运而生。

IPv6 的地址长度是 128 位，通常将这 128 位的地址按每 16 位划分为一个段，将每个段转换成十六进制数字，并用冒号隔开，比如：2000:0000:0000:0000:0001:2345:6789:abcd 就是一个 IPv6 地址。

单从数量级上来说，IPv6 所拥有的地址容量是 IPv4 的约 8×10^28 倍，达到 2128（算上全零的）个。这不但解决了网络地址资源数量的问题，同时也为除电脑外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍。

随着 IPv4 不足，支持 IPv6 的网络迅速增长，现在全球已经有 5% 的网络使用 IPv6。

网络层其它协议

ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议

当主机通过数据链路发送数据的时候，IP 数据报会先被封装为一个数据帧，而 MAC 地址会被添加到数据帧的报头。ARP 便是在这个过程中通过目标主机的 IP 地址，查询目标主机的 MAC 地址。

在你的电脑和路由器中都有一个 ARP 缓存表，其中保存的是近期(20 分钟)与自己有过通信的主机的 IP 地址与 MAC 地址的对应关系。ARP 缓存表使用过程：

• 当主机要发送一个 IP 数据报的时候，会首先查询一下自己的 ARP 缓存表；
• 如果在 ARP 缓存表中找到对应的 MAC 地址，则将 IP 数据报封装为数据帧，把 MAC 地址放在帧首部，发送数据帧；
• 如果查询的 IP－MAC 值对不存在，那么主机就向网络中广播发送一个 ARP 请求数据帧，ARP 请求中包含待查询 IP 地址；
• 网络内所有收到 ARP 请求的主机查询自己的 IP 地址，如果发现自己符合条件，就回复一个 ARP 应答数据帧，其中包含自己的 MAC 地址；
• 收到 ARP 应答后，主机将其 IP - MAC 对应信息存入自己的 ARP 缓存，然后再据此封装 IP 数据报，再发送数据帧。

你可以通过命令 arp -a 查看 ARP 缓存表(表项记录 20 分钟超时)，这里介绍几个主要选项：

命令	描述
-a	显示 ARP 高速缓存中的所有内容
-d	从 ARP 缓冲区中删除指定主机的 ARP 条目
-s	设置指定的主机的 IP 地址与 MAC 地址的静态映射
-v	显示详细的 arp 缓冲区条目，包括缓冲区条目的统计信息

• ARP 代理

如果 ARP 请求是从一个网络上的主机发往另一个网络上的主机，那么连接这两个网络的路由器就可以回答该 ARP 请求，这个过程称作代理 ARP（Proxy ARP）。

当连接这两个网络的路由器收到该 ARP 请求时，它会发现自己有通向目的主机的路径，随后它会将自己（路由器）的 MAC 地址回复给源主机。源主机会认为路由器的 MAC 地址就是目的主机的 MAC 地址，而对于随后发来的数据帧，路由器会转发到它后面真实 MAC 地址的目的主机。

两个物理网络之间的路由器可以使这两个网络彼此透明化，在这种情况下，只要路由器设置成一个 ARP 代理，以响应一个网络到另一个网络主机的 ARP 请求，两个物理网络就可以使用相同的网络号。

• ARP 欺骗

从 ARP 代理的原理可以看出来：IP - MAC 的对应信息很容易被伪造！黑客可以伪造 ARP 应答数据帧而欺骗 ARP 请求者，从而达到截获数据的目的。

RARP(Reverse Address Resolution Protocol)逆向地址解析协议

RARP 与 ARP 是相反的关系，用于将 MAC 地址转换为 IP 地址。对应于 ARP，RARP 请求以广播方式传送，而 RARP 应答一般是单播传送的。

IGMP(Internet Group Management Protocol)组管理协议

IGMP 是用于管理多播组成员的一种协议，它的作用在于：让其它所有需要知道自己处于哪个多播组的主机和路由器知道自己的状态。只要某一个多播组还有一台主机，多播路由器就会把数据传输出去，这样接受方就会通过网卡过滤功能来得到自己想要的数据。

为了知道多播组的信息，多播路由器需要定时的发送 IGMP 查询，各个多播组里面的主机要根据查询来回复自己的状态。路由器来决定有几个多播组，自己要对某一个多播组发送什么样的数据。

ICMP(Internet Control Message Protocol)控制报文协议

通信过程中发生各种问题时，ICMP 将问题反馈，通过这些信息，管理者可以对所发生的问题作出诊断，然后采取适当的措施去解决它。

ICMP 报文由 8 位错误类型、8 位条件代码和 16 位校验和组成，被封装在一个 IP 数据报中：

也有一些出现差错而不产生 ICMP 报文的情况，比如：

• ICMP 差错报文；
• 目的地址是广播或多播地址；
• 作为链路层广播的数据报；
• 不是 IP 分片的第一片；
• 源地址不是单个主机的数据报（源不能为零地址、环回地址、广播多播地址）。

ping 程序

ping 程序和 traceroute 程序是两个常见的基于 ICMP 协议的工具。

ping 简介

ping 程序是对两台主机之间连通性进行测试的基本工具，它只是利用 ICMP 回显请求和回显应答报文，而不用经过传输层（TCP/UDP）。

ping 程序通过在 ICMP 报文数据中存放发送请求的时间值来计算往返时间，当应答返回时，用当前时间减去存放在 ICMP 报文中的时间值，即是往返时间。

ping 程序使用方法为 ping IP 地址，ping 命令还可以加上参数，实现更多的功能：

• -n 只输出数值；
• -q 不显示任何传送封包的信息，只显示最后的结果；
• -r 忽略普通的 Routing Table，直接将数据包送到远端主机上，通常是查看本机的网络接口是否有问题；
• -R 记录路由过程；
• -v 详细显示指令的执行过程；
• -c 数目：在发送指定数目的包后停止；
• -i 秒数：设定间隔几秒传送一个网络封包给一台机器，预设值是一秒送一次；
• -t 存活数值：设置存活数值 TTL 的大小。

TTL 是 Time To Live 的缩写，该字段指定 IP 包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量。可以去回顾一下上节的 IP 报文结构图。

TTL 是 IPv4 包头的一个 8 bit 字段，它的作用是限制 IP 数据包在计算机网络中的存在时间，即 IP 数据包在计算机网络中可以转发的最大条数。

假如没有 TTL 字段，网络中的 IP 包将越来越多造成网络阻塞，TTL 避免 IP 包在网络中的无限循环和收发，节省了网络资源，并能使 IP 包的发送者能收到告警消息。

traceroute 程序

traceroute 程序是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具。刚才 ping 程序中讲过，带 -R 参数的 ping 命令也可以记录路由过程，但是因为 IP 数据报头的长度限制(最多能保存 9 个 IP 地址)，ping 不能完全的记录下所经过的路由器，traceroute 正好就填补了这个缺憾。

traceroute 工作原理:

• 它发送一份 TTL 为 1 的 IP 数据报给目的主机，经过第一个路由器时，TTL 值被减为 0，则第一个路由器丢弃该数据报，并返回一份超时 ICMP 报文，于此得到了路径中第一个路由器的地址；
• 然后再发送一份 TTL 值为 2 的数据报，便可得到第二个路由器的地址；
• 以此类推，一直到到达目的主机为止，这样便记录下了路径上所有的路由 IP。

UDP 协议

UDP(User Datagram Protocol)用户数据报协议，它只在 IP 数据报服务之上增加了很少一点功能，它的主要特点有：

• UDP 是无连接的，发送数据之前不需要建立连接(而 TCP 需要)，减少了开销和时延。
• UDP 尽最大努力交付，不保证交付可靠性。
• UDP 是面向报文的，对于从应用层交付下来的 IP 数据报，只做很简单的封装(8 字节 UDP 报头)，首部开销小。
• UDP 没有拥塞控制，出现网络拥塞时发送方也不会降低发送速率。这种特性对某些实时应用是很重要的，比如 IP 电话，视频会议等，它们允许拥塞时丢失一些数据，因为如果不抛弃这些数据，极可能造成时延的累积。
• UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP 数据报可分为两部分：UDP 报头和数据部分。其中数据部分是应用层交付下来的数据。UDP 报头总共 8 字节，而这 8 字节又分为 4 个字段：

• 源端口：2 字节，在对方需要回信时可用，不需要时可以全 0；

• 目的端口：2 字节，必须，也是最重要的字段；

• 长度：2 字节，长度值包括报头和数据部分；

• 校验和：2 字节，用于检验 UDP 数据报在传输过程中是否有出错，有错就丢弃。

TCP 协议

TCP 和 UDP 处在同一层——传输层，但是它们有很多的不同。TCP 是 TCP/IP 系列协议中最复杂的部分，它具有以下特点：

• TCP 提供 可靠的 数据传输服务，TCP 是 面向连接的 。应用程序在使用 TCP 通信之前，先要建立连接，这是一个类似“打电话”的过程，通信结束后还要“挂电话”。
• TCP 连接是 点对点 的，一条 TCP 连接只能连接两个端点。
• TCP 提供可靠传输，无差错、不丢失、不重复、按顺序。
• TCP 提供 全双工 通信，允许通信双方任何时候都能发送数据，因为 TCP 连接的两端都设有发送缓存和接收缓存。
• TCP 面向 字节流 。TCP 并不知道所传输的数据的含义，仅把数据看作一连串的字节序列，它也不保证接收方收到的数据块和发送方发出的数据块具有大小对应关系。

TCP 是面向字节流的，而 TCP 传输数据的单元是 报文段 。一个 TCP 报文段可分为两部分：报头和数据部分。数据部分是上层应用交付的数据，而报头则是 TCP 功能的关键。

TCP 报文段的报头有前 20 字节的固定部分，后面 4n 字节是根据需要而添加的字段。如图则是 TCP 报文段结构：

20 字节的固定部分，各字段功能说明：

• 源端口和目的端口:各占 2 个字节，分别写入源端口号和目的端口号。这和 UDP 报头有类似之处，因为都是传输层协议。
• 序号:占 4 字节序，序号范围[0，2^32-1]，序号增加到 2^32-1 后，下个序号又回到 0。TCP 是面向字节流的，通过 TCP 传送的字节流中的每个字节都按顺序编号，而报头中的序号字段值则指的是本报文段数据的第一个字节的序号。
• 确认序号:占 4 字节，期望收到对方下个报文段的第一个数据字节的序号。
• 数据偏移:占 4 位，指 TCP 报文段的报头长度，包括固定的 20 字节和选项字段。
• 保留:占 6 位，保留为今后使用，目前为 0。
• 控制位:共有 6 个控制位，说明本报文的性质，意义如下：
  • URG 紧急:当 URG=1 时，它告诉系统此报文中有紧急数据，应优先传送(比如紧急关闭)，这要与紧急指针字段配合使用。
  • ACK 确认:仅当 ACK=1 时确认号字段才有效。建立 TCP 连接后，所有报文段都必须把 ACK 字段置为 1。
  • PSH 推送:若 TCP 连接的一端希望另一端立即响应，PSH 字段便可以“催促”对方，不再等到缓存区填满才发送。
  • RST复位:若 TCP 连接出现严重差错，RST 置为 1，断开 TCP 连接，再重新建立连接。
  • SYN 同步:用于建立和释放连接，稍后会详细介绍。
  • FIN 终止:用于释放连接，当 FIN=1，表明发送方已经发送完毕，要求释放 TCP 连接。
• 窗口:占 2 个字节。窗口值是指发送者自己的接收窗口大小，因为接收缓存的空间有限。
• 检验和:2 个字节。和 UDP 报文一样，有一个检验和，用于检查报文是否在传输过程中出差错。
• 紧急指针:2 字节。当 URG=1 时才有效，指出本报文段紧急数据的字节数。
• 选项:长度可变，最长可达 40 字节。具体的选项字段，需要时再做介绍

连接的建立与释放

TCP 是面向连接的，在传输 TCP 报文段之前先要创建连接，发起连接的一方被称为客户端，而响应连接请求的一方被称为服务端，而这个创建连接的过程被称为三次握手：

• 客户端发出请求连接报文段，其中报头控制位 SYN=1，初始序号 seq=x。客户端进入 SYN-SENT(同步已发送)状态。
• 服务端收到请求报文段后，向客户端发送确认报文段。确认报文段的首部中 SYN=1，ACK=1，确认号是 ack=x+1，同时为自己选择一个初始序号 seq=y。服务端进入 SYN-RCVD（同步收到）状态。
• 客户端收到服务端的确认报文段后，还要给服务端发送一个确认报文段。这个报文段中 ACK=1，确认号 ack=y+1，而自己的序号 seq=x+1。这个报文段已经可以携带数据，如果不携带数据则不消耗序号，则下一个报文段序号仍为 seq=x+1。

至此 TCP 连接已经建立，客户端进入 ESTABLISHED（已建立连接）状态，当服务端收到确认后，也进入 ESTABLISHED 状态，它们之间便可以正式传输数据了。

当传输数据结束后，通信双方都可以释放连接，这个释放连接过程被称为释放连接:

• 此时 TCP 连接两端都还处于 ESTABLISHED 状态，客户端停止发送数据，并发出一个 FIN 报文段。首部 FIN=1，序号 seq=u（u 等于客户端传输数据最后一字节的序号加 1）。客户端进入 FIN-WAIT-1（终止等待 1）状态。
• 服务端回复确认报文段，确认号 ack=u+1，序号 seq=v（v 等于服务端传输数据最后一字节的序号加 1），服务端进入 CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。现在 TCP 连接处于半开半闭状态，服务端如果继续发送数据，客户端依然接收。
• 客户端收到确认报文，进入 FIN-WAIT-2 状态，服务端发送完数据后，发出 FIN 报文段，FIN=1，确认号 ack=u+1，然后进入 LAST-ACK(最后确认)状态。
• 客户端回复确认报文段，ACK=1，确认号 ack=w+1（w 为半开半闭状态时，收到的最后一个字节数据的编号） ，序号 seq=u+1，然后进入 TIME-WAIT（时间等待）状态。

TCP 可靠传输的实现

• TCP 报文段的长度可变，根据收发双方的缓存状态、网络状态而调整。
• 当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据，它将发送一个确认。
• 当 TCP 发出一个报文段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段，如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。这就是稍后介绍的超时重传。
• TCP 将保持它首部和数据的检验和。如果通过检验和发现报文段有差错，这个报文段将被丢弃，等待超时重传。
• TCP 将数据按字节排序，报文段中有序号，以确保顺序的正确性。
• TCP 还能提供流量控制。TCP 连接的每一方都有收发缓存。TCP 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

应用层协议

在传输层之上，便是应用层。传输层的 UDP 报文和 TCP 报文段的数据部分就是应用层交付的数据。

不同类型的网络应用有不同的通信规则，因此应用层协议是多种多样的，比如 DNS、FTP、Telnet、SMTP、HTTP、RIP、NFS 等协议都是用于解决其各自的一类问题。

DNS 协议

DNS（Domain Name Service 域名服务）协议基于 UDP，使用端口号 53。

由数字组成的 IP 地址很难记忆，所以我们上网使用网站 IP 地址的别名——域名。实际使用中，域名与 IP 地址是对应的，这种对应关系保存在DNS 服务器之中。

在浏览器中输入一个域名后，会有 DNS 服务器将域名解析为对应的 IP 地址。注意这和网络层的 ARP 协议的不同之处：DNS 提供的是域名与 IP 地址的对应关系，而 ARP 提供的是 IP 地址和 MAC 地址的对应关系。

FTP 协议

FTP（File Transfer Protocol 文件传输协议）基于 TCP，使用端口号 20（数据）和 21（控制）。

它的主要功能是减少或消除在不同操作系统下处理文件的不兼容性，以达到便捷高效的文件传输效果。

• FTP 只提供文件传输的基本服务，它采用 客户端—服务器 的方式，一个 FTP 服务器可同时为多个客户端提供服务。
• 在进行文件传输时，FTP 的客户端和服务器之间会建立两个 TCP 连接：21 号端口建立控制连接，20 号端口建立数据连接。
• FTP 的传输有两种方式：ASCII 传输模式和二进制数据传输模式。

HTTP 协议

HTTP (HyperText Transfer Protocol 超文本传输协议) 基于 TCP，使用端口号 80 或 8080。

每当你在浏览器里输入一个网址或点击一个链接时，浏览器就通过 HTTP 协议将网页信息从服务器提取再显示出来，这是现在使用频率最大的应用层协议。

这个原理很简单：

• 点击一个链接后，浏览器向服务器发起 TCP 连接；
• 连接建立后浏览器发送 HTTP 请求报文，然后服务器回复响应报文；
• 浏览器将收到的响应报文内容显示在网页上；
• 报文收发结束，关闭 TCP 连接。

HTTP 报文会被传输层封装为 TCP 报文段，然后再被 IP 层封装为 IP 数据报。

HTTP 请求报文结构：

HTTP 响应报文结构：

可见报文分为 3 部分：

• 开始行：用于区分是请求报文还是响应报文，请求报文中开始行叫做请求行，而响应报文中，开始行叫做状态行。在开始行的三个字段之间都用空格分开，结尾处 CRLF 表示回车和换行。
• 首部行：用于说明浏览器、服务器或报文主体的一些信息。
• 实体主体：请求报文中通常不用实体主体。

请求报文的方法字段是对所请求对象进行的操作，而响应报文的状态码是一个 3 位数字，分为 5 类 33 种：

• 1xx：通知信息，如收到或正在处理。
• 2xx：成功接收。
• 3xx：重定向。
• 4xx：客户的差错，如 404 表示网页未找到。
• 5xx：服务器的差错，如常见的 502 Bad Gateway。

Telnet 协议

Telnet 协议是 TCP/IP 协议族中的一员，是 Internet 远程登录服务的标准协议和主要方式，它基于 TCP 协议，使用端口 23。

终端使用者在本地电脑上使用 telnet 程序，用它连接到服务器，终端使用者可以在 telnet 程序中输入命令，这些命令会在服务器上运行，就像直接在服务器的控制台上输入一样。

使用 Telnet 协议进行远程登录时必须满足以下条件:

• 在本地计算机上必须装有包含 Telnet 协议的客户程序；
• 必须知道远程主机的 IP 地址或域名；
• 必须知道登录标识与口令。

Telnet 远程登录服务分为以下 4 个过程:

• 本地与远程主机建立连接。该过程实际上是建立一个 TCP 连接，用户必须知道远程主机的 IP 地址或域名；
• 将本地终端上输入的用户名和口令及以后输入的任何命令或字符以 NVT ( Net Virtual Terminal ) 格式传送到远程主机。该过程实际上是从本地主机向远程主机发送一个 IP 数据包；
• 将远程主机输出的 NVT 格式的数据转化为本地所接受的格式送回本地终端，包括输入命令回显和命令执行结果；
• 最后，本地终端对远程主机进行撤消连接。该过程是撤销一个 TCP 连接。

常用来测试端口是否开放。

TFTP 协议

TFTP（ Trivial File Transfer Protocol ）是 TCP/IP 协议族中的一个用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不复杂、开销不大的文件传输服务，它基于 UDP 协议，使用端口 69 。

此协议设计的时候是进行小文件传输的，与 FTP 相比少了许多功能，它只能从文件服务器上获得或写入文件，不能列出目录，不进行认证。

TFTP 也有着它自身的优点：

• TFTP 可用于 UDP 环境；比如当需要将程序或者文件同时向许多机器下载时就往往需要使用到 TFTP 协议。
• TFTP 代码所占的内存较小，这对于小型计算机或者某些特殊用途的设备来说是很重要的，TFTP 具有更多的灵活性，也减少了开销。

SMTP 协议和 POP3 协议

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）即简单邮件传输协议，它是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，由它来控制信件的中转方式,它使用 TCP 协议，使用端口 25。

SMTP 存在两个端：

• 在发信人的邮件服务器上执行的客户端；
• 在收信人的邮件服务器上执行的服务器端。

SMTP 的客户端和服务器端同时运行在每个邮件服务器上。当一个邮件服务器在向其它邮件服务器发送邮件消息时，它是作为 SMTP 客户在运行。

SMTP 的连接和发送过程：

• 建立 TCP 连接
• 客户端向服务器发送 HELO 命令以标识发件人自己的身份，然后客户端发送 MAIL 命令
• 服务器端以 OK 作为响应，表示准备接收
• 客户端发送 RCPT 命令
• 服务器端表示是否愿意为收件人接收邮件
• 协商结束，发送邮件，用命令 DATA 发送输入内容
• 结束此次发送，用 QUIT 命令退出

POP3（Post Office Protocol Version 3 ）即邮局协议版本 3，是 TCP/IP 协议族中的一员 ，主要用于支持使用客户端远程管理在服务器上的电子邮件，使用 TCP 协议，使用端口 110 。

POP3 邮件服务器大都可以“只下载邮件，服务器端并不删除”，也就是改进的 POP3 协议。

POP3 工作过程：

• 用户运行用户代理（如 Foxmail, Outlook Express）
• 用户代理（以下简称客户端）与邮件服务器（以下简称服务器端）的 110 端口建立 TCP 连接
• 客户端向服务器端发出各种命令，来请求各种服务（如查询邮箱信息，下载某封邮件等）
• 服务端解析用户的命令，做出相应动作并返回给客户端一个响应
• 上述的两个步骤交替进行，直到接收完所有邮件转到下一步，或两者的连接被意外中断而直接退出
• 用户代理解析从服务器端获得的邮件，以适当地形式（如可读）的形式呈现给用户

一封邮件的发送过程：

• 通过 smtp 协议连接到 smtp 服务器，然后发一封邮件给 sohu 的 smtp 服务器；
• 通过 smtp 协议将邮件转投给 sina 的 smtp 服务器（邮件发送服务器）；
• 将接收到的邮件存储到 gacl@sina.com 这个邮件账号分配的存储空间中；
• 通过 POP3 协议连接到 POP3 服务器收取邮件；
• 从 gacl@sina.com 账号的存储空间当中取出邮件；
• POP3 服务器将取出来的邮件回送给 gacl@sina.com 账户。