TCP IP協議棧的各個層次解釋

對於網絡協議有所了解的朋友，相信都知道TCP IP網絡協議這個大戶，那麼對於TCP IP協議來說，我們需要掌握的內容還真不少，這次我們則重點講解一下協議棧的內容。我們知道，TCP IP網絡協議棧分為應用層（Application）、傳輸層（Transport）、網絡層（Network）和鏈路層（Link）四層。如下圖所示

 

　　圖 TCP IP協議棧

兩台計算機通過TCP IP協議通訊的過程如下所示

 

　　圖 TCP IP通訊過程

傳輸層及其以下的機制由內核提供，應用層由用戶進程提供（後面將介紹如何使用socket API編寫應用程序），應用程序對通訊數據的含義進行解釋，而傳輸層及其以下處理通訊的細節，將數據從一台計算機通過一定的路徑發送到另一台計算機。應用層數據通過協議棧發到網絡上時，每層協議都要加上一個數據首部（header），稱為封裝（Encapsulation），如下圖所示

 

　　圖 TCP IP數據包的封裝

不同的協議層對數據包有不同的稱謂，在傳輸層叫做段（segment），在網絡層叫做數據報（datagram），在鏈路層叫做幀（frame）。數據封裝成幀後發到傳輸介質上，到達目的主機後每層協議再剝掉相應的首部，最後將應用層數據交給應用程序處理。

上圖對應兩台計算機在同一網段中的情況，如果兩台計算機在不同的網段中，那麼數據從一台計算機到另一台計算機傳輸過程中要經過一個或多個路由器，如下圖所示


 

　　圖 跨路由器通訊過程

其實在鏈路層之下還有物理層，指的是電信號的傳遞方式，比如現在以太網通用的網線（雙絞線）、早期以太網采用的的同軸電纜（現在主要用於有線電視）、光纖等都屬於物理層的概念。物理層的能力決定了最大傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等。集線器（Hub）是工作在物理層的網絡設備，用於雙絞線的連接和信號中繼（將已衰減的信號再次放大使之傳得更遠）。

鏈路層有以太網、令牌環網等標准，鏈路層負責網卡設備的驅動、幀同步（就是說從網線上檢測到什麼信號算作新幀的開始）、沖突檢測（如果檢測到沖突就自動重發）、數據差錯校驗等工作。交換機是工作在鏈路層的網絡設備，可以在不同的鏈路層網絡之間轉發數據幀（比如十兆以太網和百兆以太網之間、以太網和令牌環網之間），由於不同鏈路層的幀格式不同，交換機要將進來的數據包拆掉鏈路層首部重新封裝之後再轉發。

網絡層的IP協議是構成Internet的基礎。Internet上的主機通過IP地址來標識，Internet上有大量路由器負責根據IP地址選擇合適的路徑轉發數據包，數據包從Internet上的源主機到目的主機往往要經過十多個路由器。路由器是工作在第三層的網絡設備，同時兼有交換機的功能，可以在不同的鏈路層接口之間轉發數據包，因此路由器需要將進來的數據包拆掉網絡層和鏈路層兩層首部並重新封裝。IP協議不保證傳輸的可靠性，數據包在傳輸過程中可能丟失，可靠性可以在上層協議或應用程序中提供支持。

網絡層負責點到點（point-to-point）的傳輸（這裡的"點"指主機或路由器），而傳輸層負責端到端（end-to-end）的傳輸（這裡的"端"指源主機和目的主機）。傳輸層可選擇TCP或UDP協議。TCP是一種面向連接的、可靠的協議，有點像打電話，雙方拿起電話互通身份之後就建立了連接，然後說話就行了，這邊說的話那邊保證聽得到，並且是按說話的順序聽到的，說完話掛機斷開連接。也就是說TCP傳輸的雙方需要首先建立連接，之後由TCP協議保證數據收發的可靠性，丟失的數據包自動重發，上層應用程序收到的總是可靠的數據流，通訊之後關閉連接。UDP協議不面向連接，也不保證可靠性，有點像寄信，寫好信放到郵筒裡，既不能保證信件在郵遞過程中不會丟失，也不能保證信件是按順序寄到目的地的。使用UDP協議的應用程序需要自己完成丟包重發、消息排序等工作。

目的主機收到數據包後，如何經過各層協議棧最後到達應用程序呢？整個過程如下圖所示