TCPIP协议族的体系结构、数据格式及传输过程

什么事计算机网络 最简单定义是 一些相互连接的 以共享资源为目的的 自治的计算机的集合 按连接定 义 计算机网络就是将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机 终端及其附 属设备用通信设备和通信线路连接起来 并配置网络软件 以实现计算机资源共享的系统 在计算机网络里 两台计算机之间如何沟通呢 这就需要为网上的所有计算机制定通信协 议了 那什么是协议呢 协议规定了网络上的所有通信设备 尤其是一个计算机与另一个计算机之间的数据往来格 式 数据的含义和交互过程的控制顺序 网络用户要把自然语言写成的邮件从一个计算机发到网上另一个计算机 这是一个网络应 用 但网线上只能传递电压信号 哪么应该如何实现这一网络通信呢 看来要把自然语言 的邮件变成一个个的电压信号 得做许多工作 比如发方要做 规定邮件的格式 自然语言的编码标准 把邮件分成一个个的数据段 数据段 发放地址 收方的地址 数据 子网内的交换 内外网之间的路径选择 把数据信号转换成电压信号 还要保证传输数据的正确性 网上的每个计算机都有地址 用户看到的计算机名是逻辑的如 张三的计算机 李四的 计算机 客户信息数据库 等 得需要找到它们对应的网上的门牌号 IP 地址 在子 网内交换时还应进一步找到与它们的 IP 地址对应的网卡的 MAC 地址 收方的工作顺序正好与发放的顺序相反 由此可见 在计算机网上要发一封邮件 得需要很多工作 也需要很多标准 或者说协议 因此 TCP IP 协议族应运而生 1 TCP IP 协议族的体系结构协议族的体系结构 图 1 的右边是 TCP IP 的体系结构 可以看出 TCP IP 不是一个单独的协议 而是由多个协 议组成的协议族 这些协议从高到低分四层 分别规定了满足网络用户需求的应用层协议 信息传输层协议 网络互联层协议以及面向物理链路的网络接口层协议 图 1 的左边是 OSI 七层模型 图 1 给出了 OSI 七层模型与 TCP IP 协议族之间的对应关系 图 1 TCP IP 体系结构与 OSI 体系结构 图 2 说明了我们常用的以太网协议 IEEE802 与 OSI 的对应关系 图 2 局域网和城域网体系结构的参考模型 L MAN RM 协议栈协议栈 当应用程序用 TCP 传送数据时 数据被送入协议栈中 然后逐个通过每一层直到被当作一 串比特流送入网络 其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息 有时还要增加尾部 信息 TCP 传给 IP 的数据单元称作 TCP 消息段或简称为 TCP 段 TCP segment IP 传 给网络接口层的数据单元称作 IP 数据报 IP Datagram 通过以太网传输的比特流称作帧 Frame 如图 3 所示 图 3 数据进入协议栈时的封装过程 2 网上传输的数据格式网上传输的数据格式 2 1 TCP 报文段的格式报文段的格式 图 4 TCP 报文段的格式 虽然图 4 中 TCP 报文的长度字段均为 16 位 因此 TCP 报文可以长达 64KB 但是 TCP 报 文太长 在下层 IP 层传输时要分解成多个短数据段 再加上封装 拆装 导致网络传输效 率降低 如果 TCP 报文的长度过短 也会导致网络传输效率降低 一般 TCP 报文的长度 取 536 字节净负荷 IP 数据报也有同样的问题及其解决思路 2 2 IP 数据报的格式数据报的格式 图 5 IP 数据报头部的组成 2 3 以太网以太网 II Ethernet V2 的帧格式 的帧格式 以太网 II 的帧是用于 IP 数据报在以太网中传输的约定俗成的标准帧类型 以太网 II 帧格 式里的序言序言为以太网回路建立必需的定时机制以识别和开始读取传入的数据 信宿地址信宿地址为 接收方网卡的 MAC 地址 源地址源地址为发送方网卡的 MAC 地址 协议标识域 协议标识域 Type 域 域 标明了使用该帧的上一层协议 例如 Type 值 0 x0800 表明使用该 帧的协议是 IP 协议 图 6 以太网 II 的帧格式 以太网 II 的帧的有效载荷的长度在 64 到 1518 字节之间 3 使用使用 TCP 协议通信的过程协议通信的过程 主机 A 和主机 B 使用 TCP 协议通信时先按图 7 的方式建立连接 然后再传数据 传完后 解除连接 图 7 用三次握手建立 TCP 连接 主机 B 应答的信息中 ack x l 中的 x 是通信发起方 主机 A 设定的一个初始序号 应答方 主机 B 应答此序号表明应答方确实收到了发起方的信息 据此预防冒充者应答 因冒充者收不到发起方的报文 不知道 x 的值 发起方再回复 y 1 予以确认 下面就可以 正式通信了 三次握手 三次握手 第一次握手 客户端发送 syn 包 syn x 到服务器 并进入 SYN SEND 状态 等待服 务器确认 第二次握手 服务器收到 syn 包 必须确认客户的 SYN ack x 1 同时自己也发送 一个 SYN 包 syn y 即 SYN ACK 包 此时服务器进入 SYN RECV 状态 第三次握手 客户端收到服务器的 SYN ACK 包 向服务器发送确认包 ACK ack y 1 此包发送完毕 客户端和服务器进入 ESTABLISHED 状态 完成三次握手 握手过程中传送的包里不包含数据 三次握手完毕后 客户端与服务器才正式开始传 送数据 理想状态下 TCP 连接一旦建立 在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前 TCP 连接都将被一直保持下去 与建立连接的与建立连接的 三次握手三次握手 类似 断开一个类似 断开一个 TCP 连接则需要连接则需要 四次握手四次握手 第一次挥手 主动关闭方发送一个 FIN 用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送 也就是主动关闭方告诉被动关闭方 我已经不会再给你发数据了 当然 在 fin 包之前发送 出去的数据 如果没有收到对应的 ack 确认报文 主动关闭方依然会重发这些数据 但是 此时主动关闭方还可以接受数据 第二次挥手 被动关闭方收到 FIN 包后 发送一个 ACK 给对方 确认序号为收到序 号 1 与 SYN 相同 一个 FIN 占用一个序号 第三次挥手 被动关闭方发送一个 FIN 用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传 送 也就是告诉主动关闭方 我的数据也发送完了 不会再给你发数据了 第四次挥手 主动关闭方收到 FIN 后 发送一个 ACK 给被动关闭方 确认序号为收 到序号 1 至此 完成四次挥手 4 常用的通信软件工作原理 常用的通信软件工作原理 大多数计算机系统将 CPU 执行状态分为管态和目态