第3章 TCPIP协议栈
tcp ip协议栈
tcp ip协议栈TCP/IP 协议栈是计算机网络中一种重要的通信协议体系结构，它是互联网的基础。
TCP/IP 协议栈由四层组成，分别是物理层、数据链路层、网络层和传输层。
本文将详细介绍这四层及其功能。
物理层是 TCP/IP 协议栈的最底层，它负责将比特流传输到网络媒介上。
它的主要功能包括将数字信号转换为电信号，控制数据的传输速率和数据同步，以及通过网卡与其他物理层设备进行通信。
在 TCP/IP 协议栈中，物理层的传输媒介可以是有线的，如双绞线、光纤等，也可以是无线的，如无线电波等。
数据链路层是在网络节点之间传输数据的链路层协议。
它负责将网络层的数据包封装成帧，并在物理层提供的传输媒介上传输。
它的主要功能包括物理地址的封装和解封装、差错检测和纠正、流量控制和链路管理等。
在 TCP/IP 协议栈中，常见的数据链路层协议有以太网协议和无线局域网协议。
网络层是 TCP/IP 协议栈的核心层，它负责将主机间的数据包进行路由并进行跨网络传输。
它的主要功能包括控制数据包的路由和寻址、分包和组包、差错检测和纠正、拥塞控制和网络管理等。
在 TCP/IP 协议栈中，常见的网络层协议有 Internet协议（IP）和 Internet 控制报文协议（ICMP）。
传输层是建立在网络层之上的一层协议，它负责提供端到端的可靠数据传输。
它的主要功能包括连接的建立和释放、数据的分段和组装、差错检测和纠正、流量控制和拥塞控制等。
在TCP/IP 协议栈中，常见的传输层协议有传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。
在TCP/IP 协议栈中，各个层次之间的数据传输是逐层封装的。
数据从应用层传输到传输层时，会添加传输层的首部；数据从传输层传输到网络层时，会再次封装网络层的首部；数据从网络层传输到数据链路层时，还会封装数据链路层的首部。
这种逐层封装的方式保证了数据能够在不同层次之间进行传输和处理。
总结起来，TCP/IP 协议栈是一种分层的通信协议体系结构，它由物理层、数据链路层、网络层和传输层组成。
什么是TCPIP协议栈？栈是什么意思？
什么是TCP/IP协议栈？栈是什么意思？TCP/IP协议叫做传输控制/网际协议，它是Internet国际互联网络的基础。
TCP/IP 是网络中使用的基本的通信协议。
虽然从名字上看TCP/IP包括两个协议，传输控制协议（TCP）和网际协议（IP），但TCP/IP实际上是一组协议，它包括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。
通常说TCP/IP是Internet协议族，而不单单是TCP和IP。
TCP/IP协议的基本传输单位是数据包（datagram）,TCP协议负责把数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上包头（就像给一封信加上信封），包头上有相应的编号，以保证在数据接收端能将数据还原为原来的格式，IP协议在每个包头上再加上接收端主机地址，这样数据找到自己要去的地方，如果传输过程中出现数据丢失、数据失真等情况，TCP协议会自动要求数据重新传输，并重新组包。
总之，IP协议保证数据的传输，TCP协议保证数据传输的质量。
TCP/IP 协议数据的传输基于TCP/IP协议的四层结构：应用层、传输层、网络层、接口层，数据在传输时每通过一层就要在数据上加个包头，其中的数据供接收端同一层协议使用，而在接收端，每经过一层要把用过的包头去掉，这样来保证传输数据的格式完全一致。
TCP/IP协议介绍TCP/IP的通讯协议这部分简要介绍一下TCP/IP的内部结构，为讨论与互联网有关的安全问题打下基础。
TCP/IP协议组之所以流行，部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底层协议（例如T1和X.25、以太网以及RS-232串行接口）之上。
确切地说，TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议，UDP（User Datagram Protocol）协议、ICMP（Internet Control Message Protocol）协议和其他一些协议的协议组。
TCP IP协议体系结构简介
TCP/IP协议体系结构简介TCP/IP协议体系结构简介1、TCP/IP协议栈四层模型TCP/IP这个协议遵守一个四层的模型概念：应用层、传输层、互联层和网络接口层。
网络接口层模型的基层是网络接口层。
负责数据帧的发送和接收，帧是独立的网络信息传输单元。
网络接口层将帧放在网上，或从网上把帧取下来。
互联层互联协议将数据包封装成internet数据报，并运行必要的路由算法。
这里有四个互联协议：网际协议IP：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。
地址解析协议ARP：获得同一物理网络中的硬件主机地址。
网际控制消息协议ICMP：发送消息，并报告有关数据包的传送错误。
互联组管理协议IGMP：被IP主机拿来向本地多路广播路由器报告主机组成员。
传输层传输协议在计算机之间提供通信会话。
传输协议的选择根据数据传输方式而定。
两个传输协议：传输控制协议TCP：为应用程序提供可*的通信连接。
适合于一次传输大批数据的情况。
并适用于要求得到响应的应用程序。
用户数据报协议UDP：提供了无连接通信，且不对传送包进行可*的保证。
适合于一次传输小量数据，可*性则由应用层来负责。
应用层应用程序通过这一层访问网络。
网络接口技术IP使用网络设备接口规范NDIS向网络接口层提交帧。
IP支持广域网和本地网接口技术。
串行线路协议TCP/IPG一般通过internet串行线路协议SLIP或点对点协议PPP在串行线上进行数据传送。
(是不是我们平时把它称之为异步通信，对于要拿L INUX提供建立远程连接的朋友应该多研究一下这方面的知识)?2、ARP要在网络上通信，主机就必须知道对方主机的硬件地址(我们不是老遇到网卡的物理地址嘛)。
地址解析就是将主机IP地址映射为硬件地址的过程。
地址解析协议A RP用于获得在同一物理网络中的主机的硬件地址。
解释本地IP地址(要了解地址解析工作过程的朋友看好了)主机IP地址解析为硬件地址：(1)当一台主机要与别的主机通信时，初始化ARP请求。
第3章 OSI参考模型体系与TCPIP协议
4. 应用层 应用层（Application Layer）
应用层向用户提供一组常用的应用协议，是应用程序访问网 应用层 络下面各层的网络服务的接口。 应用层协议可分为3类： （1）依赖于TCP的应用协议，如远程终端协议Telnet，文件 传输型的电子邮件协议SMTP，文件传输协议FTP，超文本传 输协议HTTP，外部网关协议BGP等。 （2）依赖于UDP的协议，例如单纯文件传输协议TFTP，简单网 络管理协议SNMP，域名系统DNS，内部网关协议RIP，动态主 机配置协议DHCP和引导程序协议BOOTP等。 （3）依赖于TCP和UDP的协议，如通信用管理信息协议CMOT。 当然，一些没有标准化的建立在TCP/ IP协议簇之上的用户 应用程序（或专用程序）也属于应用层。
3.1 OSI参考模型体系 参考模型体系 3.2 TCP/IP协议的参考模型 协议的参考模型 3.3 网层中的 协议及其他协议 网层中的IP协议及其他协议 3.4 子网划分 3.5 传输控制协议和应用层协议 3.6 TCP/IP组件的配置 端口与服务 组件的配置(端口与服务 组件的配置 端口与服务) 3.7 TCP/IP网络工具 网络工具
3.3.1 IP数据包 数据包
• IP数据包的基本结构: P142 F7-4 IP数据包头 IP负载
1. IP数据包头:包含传输该数据包所需的全部信息,如 发送主机的源地址,接收主机的目的地址,IP数据包 总长等.
IP数据包头的基本格式:
版本 首部长度 服务类型 16位标识 寿命 上层协议 32位IP源地址 32位目的地址 选项
1. 网络体系结构 OSI参考模型 体系结构--体系结构 参考模型
F3-4
2. OSI模型中的重要概念
• 实体和对等实体:每一层中,用于实现层功能的活动元 素称为实体(Entity). 不同机器位于同一层次,完成相同 功能的实体称为对等实体(Peer Entity). • 对等层和对等协议:不同主机位于相同层次,称为对等 层(Peer).对等实体之间通信时必须遵循的规则称为对 等协议(Peer Protocol) (Peer • 服务与接口:每一层实体为相邻的上一层实体提供的 通信功能称为服务.N层提供服务给N+1的服务访问点 SAP(Service Access Poit)称接口,它是上下层实体 之间的逻辑传输通道. • 数据单元: 1.服务数据单元 SDU 2.协议数据单元 PDU 3.接口数据单元 IDU
计算机网络：TCPIP协议栈概述
计算机⽹络：TCPIP协议栈概述⽬录参考模型在⽹络刚刚被搞出来的年代，通常只有同⼀个⼚家⽣产的设备才能彼此通信，不同的⼚家的设备不能兼容。
这是因为没有统⼀的标准去要求不同的⼚家按照相同的⽅式进⾏通信，所以不同的⼚家都闭门造车。
为了解决这个问题，后来就产⽣出参考模型的概念。
参考模型是描述如何完成通信的概念模型，它指出了完成⾼效通信所需要的全部步骤，并将这些步骤划分为称之为“层”的逻辑组。
分层最⼤的优点是为上层隐藏下层的细节，即对于开发者来说，如果他们要开发或实现某⼀层的协议，则他们只需要考虑这⼀层的功能即可。
其它层都⽆需考虑，因为其它层的功能有其它层的协议来完成，上层只需要调⽤下层的接⼝即可。
参考模型的优点如下：1. 将⽹络通信过程划分为更⼩、更简单的组件，使得组件的开发、设计和排错更为⽅便；2. 通过标准化⽹络组件，让不同的⼚商能够协作开发；3. 定义了模型每层执⾏的功能，从⽽⿎励了⾏业标准化；4. 让不同类型的⽹络硬件和软件能够彼此通信；5. 避免让对⼀层的修改影响其它层，从⽽避免妨碍开发⼯作。
协议计算机⽹络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题，⽹络协议 (network protocol)是为进⾏⽹络中的数据交换⽽建⽴的规则、标准或约定。
⽹络协议有 3 个要素：1. 语法：数据与控制信息的结构或格式；2. 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；3. 同步：事件实现顺序的详细说明。
OSI 模型OSI 模型旨在以协议的形式帮助⼚商⽣产兼容的⽹络设备和软件，让不同⼚商的⽹络能够协同⼯作。
同时对于⽤户⽽⾔，OSI 能帮助不同的主机之间传输数据。
OSI 并⾮是具体的模型，⽽是⼀组指导原则，开发者以此为依据开发⽹络应⽤。
同时它也提供了框架，指导如何制定和实施⽹络标准、制造设备，以及制定⽹络互联的⽅案。
OSI 模型包含 7 层，上三层指定了终端中应⽤程序如何彼此通信，以及如何与⽤户交互，下四层指定了如何进⾏端到端数据传输。
操作系统中的网络协议栈与网络通信
操作系统中的网络协议栈与网络通信在当今数字化时代，网络通信已成为人们生活中不可或缺的一部分。
而在计算机中，操作系统的网络协议栈扮演着至关重要的角色，它负责管理和协调计算机与外部网络之间的通信。
本文将深入探讨操作系统中的网络协议栈以及网络通信的原理和机制。
一、操作系统中的网络协议栈网络协议栈是指计算机操作系统内一组相互关联的协议层，用于实现计算机与网络之间的通信。
常见的网络协议栈包括TCP/IP协议栈和OSI参考模型等。
1. TCP/IP协议栈TCP/IP协议栈是当前互联网中最常用的网络协议栈。
它由四个层次组成，分别是网络接口层、网络层、传输层和应用层。
每层都有特定的功能和协议。
- 网络接口层：负责将数据包在物理链路上传输，包括以太网、WiFi等。
常用协议有ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议）。
- 网络层：负责将数据包从源主机传输到目标主机，包括IP （Internet协议）和ICMP（Internet控制消息协议）等。
- 传输层：提供端到端的数据传输，包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）等。
- 应用层：为用户提供各种网络应用服务，如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）等。
2. OSI参考模型OSI参考模型是一种理论模型，由国际标准化组织提出。
它将网络通信分为七个层次，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
- 物理层：负责传输比特流，包括电压、电平等物理特性。
- 数据链路层：负责将数据帧传输到物理链路上，并进行错误检测和纠正。
- 网络层：负责将数据包从源主机传输到目标主机，实现路由和转发功能。
- 传输层：提供可靠的端到端数据传输，包括TCP和UDP等协议。
- 会话层：建立、管理和终止应用程序之间的会话。
- 表示层：负责数据的格式化、加密和解密。
- 应用层：为用户提供网络应用服务，如电子邮件、文件传输等。
二、网络通信的原理和机制网络通信是指不同计算机之间通过网络进行数据交换和传输的过程。
TCPIP网络协议栈介绍
Reverse Address Resolution Protocol (RARP)
• OSI 网络层对应的是TCP/IP的internet层
IP 数据
B1it 0
Bit 15 Bit 16
Version Header Priority & Type (4) Length (4) of Service (8)
Bit 31
Source port (16)
Destination port (16)
Sequence number (32) Acknowledgement number (32)
Header length (4)
Reserved
(6)
Code
bits
(6)
Window (16)
Checksum (16)
确认号
…
#
#
我发送 #10.
Source Dest. Seq. Ack. 1028 23 10 1
TCP 顺序号和确认号
源端口 目标端口
顺序号 #
我发送 #10.
Source Dest. Seq. Ack. 1028 23 10 1
确认号 #
…
我已收到 #10, 现在我需要 #11.
Source Dest. Seq. Ack. 23 1028 1 11
网络管理 - SNMP *
名称管理 - DNS*
* 路由器使用
主机到主机层概述
应用层 主机到主机层
Internet层
网络接入层
Transmission Control
Protocol (TCP)
TCPIP协议栈、以太网、VLAN
TCPIP协议栈、以太⽹、VLAN1.TCP/IP分层和TCP/IP协议栈OSI七层模型注重的是模型本⾝，这个模型对讨论和研究计算机⽹络是⾮常有益的。
但是，⼤家更喜欢⽤TCP/IP协议来分层，它注重的是协议。
TCP/IP分层后，将各种协议对应到这些分层，那么就称TCP/IP协议栈。
OSI七层协议、TCP/IP分层和TCP/IP协议栈的对应关系如下图。
在TCP/IP分层中，OSI的应⽤层、表⽰层、会话层全都统⼀为应⽤层，⽽底层的物理层和链路层⼜统⼀为接⼝层。
每个TCP/IP分层都对应⼀些协议，这些协议组成了TCP/IP协议栈。
最顶层的是应⽤层协议，⽐如HTTP协议、DNS协议、FTP协议、POP3协议等。
传输层包含两个协议，TCP协议和UDP协议，在这⼀层将指定通信端⼝。
⽹络层包括ARP协议、IP协议、ICMP协议、IGMP协议等等，⽹络层的协议有些并不完全属于⽹络层，有可能向下跨到链路层，但总的来说，将它们都归类到⽹络层协议。
⽹络接⼝层的协议包含了点对点的PPP协议，以太⽹还有帧中继以及其他⼀些协议。
有了TCP/IP协议栈之后，可以将⽬光集中在各种协议上，通过分析各个协议，就能⽐较清晰的理解各层的责任、功能等等特性。
但是TCP/IP分层模型的缺点也是很⼤的，它将原本的OSI七层粗鲁的归纳成四层，带来的是丢弃了很多细节，在通⽤性上也要差得多，⽐如TCP/IP分层显然不适合描述蓝⽛。
但仅对于⽹络分析来说，TCP/IP的分层显然要宏观且⽅便的多。
2.局域⽹：以太⽹以太⽹（Ethernet）是链路层的⼀种，它是局域⽹技术。
除了以太⽹链路，还有⼴域⽹的链路，包括点对点的PPP协议、帧中继等。
⽆论是局域⽹还是⼴域⽹，只要⾝处链路层，所有数据帧都在通信链路的⼀个个链路节点上传输。
链路层传输时需要保证数据能够且正确被下⼀个链路接收。
所以，在链路层中，需要提供最基本的两个服务：1）封装成帧和解封帧2）差错校验和纠正这⾥只介绍⼀些关于局域⽹相关的知识。
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ICND—8-15
TCP的流控机制－拥塞控制2－2 的流控机制－拥塞控制 － 的流控机制
Host A Host B
1 2 3
通报窗口大小为3， 通报窗口大小为 ，但因为 中间链路拥塞，丢包， 中间链路拥塞，丢包，只 接收到102一个确认 接收到 一个确认 重传102，实际传输的 ， 重传 窗口大小减小
面向连接 非面向连接
网络接入层
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TCP的封装格式 的封装格式
0 15 16 31
源端口号
目标端口号
32位序列号 发送TCP进程 进程 发送 位序列号 目标端接收进 对应的端口号 程的端口号 32位确认号 位确认号 0 ～ 232-1范围内，数据段 范围内， 范围内 4位 位 U A P R S F 标记，32-1范围内，对发送 0～2 范围内， 标记，用于到目的端对到 范围内 保留 16位窗口大小 位窗口大小 达包的重组 ，告诉发送端 首部长（6位） R C S S Y I 端的确认信息， 端的确认信息 位 度 G K H T N N 这个序号之前的数据段都收 到了 滑动窗口的大小， 滑动窗口的大小 16位校验和 ，与 16位紧急指针， 位校验和 位紧急指针 紧急指针有效位， 紧急指针有效位 确认序列号有 为 时 通知接收端立即将数 时 时 1时，数据发 指明本地可接收数 16位紧急指针配合使 16位紧急指针配合使 ，请求建 为 可选项 效位，为1时，请求重 效位，表明该 1时 据提交给用户进程， 据提交给用户进程， 请求断 据的字节数 送完毕， 新建立TCP连接 新建立 送完毕， 用 数据包包含确 立连接连接 不在缓存中停留， 不在缓存中停留，等 开连接 数据 认信息 待更多的数据
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ICND—8-8
TCP 端口号
源端口 目标端口 …
Telnet Z
Host A Host Z
SP 1028
DP 23 …
目标端口 = 23.
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Source Dest. Seq. Ack.
ICND—8-19
TCP 顺序号和确认号
源端口 目标端口 顺序号 # 确认号 # …
我发送 #11 我已收到 #11, 现在我需要 #12.
Source Dest. Seq. Ack. 1 1028 23
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ICND—8-16
TCP 顺序号和确认号
源端口 目标端口 顺序号 # 确认号 # …
我发送 #10.
Source Dest. Seq. Ack. 1028 23 10 1
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接收 SYN
接收 SYN
2 发送 SYN, ACK (seq=300 ack=101 ctl=syn,ack)
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TCP 三次握手
Host A Host B
1
发送 SYN (seq=100 ctl=SYN)
16位目标端口号 位目标端口号 16位UDP校验和 位 校验和
接收端的UDP进程端 进程端 接收端的 口号 UDP的差错控制（ 的差错控制（ 的差错控制 可选） 可选）
没有顺序号和确认号
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ICND—8-5
应用层概述
文件传输 - TFTP * - FTP * - NFS E-Mail - SMTP 远程登陆 - Telnet * - rlogin * 网络管理 - SNMP * 名称管理 - DNS* * 路由器使用
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TCP 三次握手
Host A Host B
1
发送 SYN (seq=100 ctl=SYN)
接收 SYN
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TCP 三次握手
Host A Host B
1
发送 SYN (seq=100 ctl=SYN)
UDP的使用 的使用
端口
69 53 123 111
协议
TFTP DNS NTP 简单文件传输协议 域名服务 网络时间协议
说明
RPC DNS服务器支持 远程过程调用 和UDP两种协议的查询方式，而且端口都是 服务器支持TCP和 两种协议的查询方式， 服务器支持 两种协议的查询方式 53。大多数的查询都是 查询的， 。大多数的查询都是UDP查询的，一般需要 查询的 一般需要TCP查询的有两种 查询的有两种 情况： 情况： 当查询数据较大以至于产生了数据分段，这时，需要利用TCP ①当查询数据较大以至于产生了数据分段，这时，需要利用 的分片能力来进行数据传输。 的分片能力来进行数据传输。 当主（ ②当主（master）服务器和辅（slave）服务器之间数据同步通 ）服务器和辅（ ） 信的时候。 信的时候。 Page 24/33
2 3
4
发送ACK 发送 (seq=102,ack=302 ctl=ACK)
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ICND—8-13
TCP的流控机制－滑动窗口 的流控机制－ 的流控机制
Host A Host B 接收方的缓冲区
0 3
1 2
协议
FTP Telnet SMTP DNS HTTP
说明
文件传输协议，用于上传、 文件传输协议，用于上传、下载 用于远程登录，通过连接目标计算机的这一端口，得到验证后 用于远程登录，通过连接目标计算机的这一端口， 可以远程控制管理目标计算机 简单邮件传输协议， 简单邮件传输协议，用于发送邮件 域名服务，当用户输入网站的名称后， 域名服务，当用户输入网站的名称后，由DNS负责将它解析成 负责将它解析成 IP地址，这个过程中用到的端口号是 地址， 地址 这个过程中用到的端口号是53 超文本传输协议，通过 超文本传输协议，通过HTTP实现网络上超文本的传输 实现网络上超文本的传输
应用层
主机到主机层 Internet层 层
网络接入层
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主机到主机层概述
应用层 主机到主机层 Internet层 层
Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP)
• 相同点 • 两者都是以协议栈的概念为基础 • 协议栈中的协议彼此相互独立 • 下层对上层提供服务 • 不同点 • OSI是先有模型；TCP/IP是先有协议，后有模型 是先有模型； 是先有协议， 是先有模型 是先有协议 • OSI适用于各种协议栈；TCP/IP只适用于 适用于各种协议栈； 只适用于TCP/IP网络 适用于各种协议栈 只适用于 网络 • 层次数量不同
通报窗口大小为3 通报窗口大小为
3
缓冲区满 应用程序读取 通报窗口大小为1 通报窗口大小为 了1个数据段 个数据段
0
1
2
3
发送窗口大小为3 发送窗口大小为 实际发送窗口大 小变为1 小变为
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TCP的流控机制－拥塞控制2－1 的流控机制－拥塞控制 － 的流控机制
Win＝10 ＝ Win＝10 ＝
Win＝10, Cwnd=5 ＝
传输时窗口大小 中间链路带宽比较窄， 中间链路带宽比较窄，传 为10 输时窗口大小根据拥塞窗 Win＝10 ＝ 记为cwnd）的大小变 口（记为 ） 为5
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UDP的封装格式 的封装格式
0
15
16
31
16位源端口号 位源端口号 16位UDP长度 位 长度
发送端的UDP进程端 进程端 发送端的 口号 包含数据的长度， 包含数据的长度，可 数据 以算出数据的结束位 置
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TCP 顺序号和确认号
源端口 目标端口 顺序号 # 确认号 # …
我发送 #10. 我已收到 #10, 现在我需要 #11.
Source Dest. Seq. Ack. 1028 23 10 1 Source Dest. Seq. Ack. 23 1028 1 11 1028 23 11 2
Host A Host B
1
发送 FIN,请求断开连接 请求断开连接 (seq=101 ,ack=301, ctl=FIN，ACK) ，
发送 ACK (seq=301,ack=102 ctl=ACK) 发送 FIN,请求断开连接 请求断开连接 (seq=301,ack=102 ctl=FIN，ACK) ，
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TCP/IP介绍 介绍
主机 主机
Internet TCP/IP