TCP/IP 協(xié)議棧是一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的總和，是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信的核心骨架，它定義了電子設(shè)備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間進(jìn)行傳輸。TCP/IP 協(xié)議采用4層結(jié)構(gòu)，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層，每一層都呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來完成自己的需求。由于我們大部分時(shí)間都工作在應(yīng)用層，下層的事情不用我們操心；其次網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系本身就很復(fù)雜龐大，入門門檻高，因此很難搞清楚TCP/IP的工作原理，通俗一點(diǎn)講就是，一個主機(jī)的數(shù)據(jù)要經(jīng)過哪些過程才能發(fā)送到對方的主機(jī)上。 接下來，我們就來探索一下這個過程。

0、物理介質(zhì)

物理介質(zhì)就是把電腦連接起來的物理手段，常見的有光纖、雙絞線，以及無線電波，它決定了電信號(0和1)的傳輸方式，物理介質(zhì)的不同決定了電信號的傳輸帶寬、速率、傳輸距離以及抗干擾性等等。

TCP/IP協(xié)議棧分為四層，每一層都由特定的協(xié)議與對方進(jìn)行通信，而協(xié)議之間的通信最終都要轉(zhuǎn)化為 0 和 1 的電信號，通過物理介質(zhì)進(jìn)行傳輸才能到達(dá)對方的電腦，因此物理介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)通信的基石。

下面我們通過一張圖先來大概了解一下TCP/IP協(xié)議的基本框架：

當(dāng)通過http發(fā)起一個請求時(shí)，應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的相關(guān)協(xié)議依次對該請求進(jìn)行包裝并攜帶對應(yīng)的首部，最終在鏈路層生成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過物理介質(zhì)傳輸給對方主機(jī)，對方接收到數(shù)據(jù)包以后，然后再一層一層采用對應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行拆包，最后把應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序處理。

網(wǎng)絡(luò)通信就好比送快遞，商品外面的一層層包裹就是各種協(xié)議，協(xié)議包含了商品信息、收貨地址、收件人、聯(lián)系方式等，然后還需要配送車、配送站、快遞員，商品才能最終到達(dá)用戶手中。

一般情況下，快遞是不能直達(dá)的，需要先轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的配送站，然后由配送站再進(jìn)行派件。

配送車就是物理介質(zhì)，配送站就是網(wǎng)關(guān)， 快遞員就是路由器，收貨地址就是IP地址，聯(lián)系方式就是MAC地址。

快遞員負(fù)責(zé)把包裹轉(zhuǎn)發(fā)到各個配送站，配送站根據(jù)收獲地址里的省市區(qū)，確認(rèn)是否需要繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他配送站，當(dāng)包裹到達(dá)了目標(biāo)配送站以后，配送站再根據(jù)聯(lián)系方式找到收件人進(jìn)行派件。

有了整體概念以后，下面我們詳細(xì)了解一下各層的分工。

1、鏈路層

網(wǎng)絡(luò)通信就是把有特定意義的數(shù)據(jù)通過物理介質(zhì)傳送給對方，單純的發(fā)送 0 和 1 是沒有意義的，要傳輸有意義的數(shù)據(jù)，就需要以字節(jié)為單位對 0 和 1 進(jìn)行分組，并且要標(biāo)識好每一組電信號的信息特征，然后按照分組的順序依次發(fā)送。以太網(wǎng)規(guī)定一組電信號就是一個數(shù)據(jù)包，一個數(shù)據(jù)包被稱為一幀， 制定這個規(guī)則的協(xié)議就是以太網(wǎng)協(xié)議。一個完整的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包如下圖所示：

整個數(shù)據(jù)幀由首部、數(shù)據(jù)和尾部三部分組成，首部固定為14個字節(jié)，包含了目標(biāo)MAC地址、源MAC地址和類型；數(shù)據(jù)最短為46個字節(jié)，最長為1500個字節(jié)，如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很長，就必須分割成多個幀進(jìn)行發(fā)送；尾部固定為4個字節(jié)，表示數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)序列，用于確定數(shù)據(jù)包在傳輸過程中是否損壞。因此，以太網(wǎng)協(xié)議通過對電信號進(jìn)行分組并形成數(shù)據(jù)幀，然后通過物理介質(zhì)把數(shù)據(jù)幀發(fā)送給接收方。那么以太網(wǎng)如何來識接收方的身份呢？

以太網(wǎng)規(guī)協(xié)議定，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都必須安裝網(wǎng)絡(luò)適配器，即網(wǎng)卡， 數(shù)據(jù)包必須是從一塊網(wǎng)卡傳送到另一塊網(wǎng)卡。而網(wǎng)卡地址就是數(shù)據(jù)包的發(fā)送地址和接收地址，也就是幀首部所包含的MAC地址，MAC地址是每塊網(wǎng)卡的身份標(biāo)識，就如同我們身份證上的身份證號碼，具有全球唯一性。MAC地址采用十六進(jìn)制標(biāo)識，共6個字節(jié)， 前三個字節(jié)是廠商編號，后三個字節(jié)是網(wǎng)卡流水號，例如4C-0F-6E-12-D2-19

有了MAC地址以后，以太網(wǎng)采用廣播形式，把數(shù)據(jù)包發(fā)給該子網(wǎng)內(nèi)所有主機(jī)，子網(wǎng)內(nèi)每臺主機(jī)在接收到這個包以后，都會讀取首部里的目標(biāo)MAC地址，然后和自己的MAC地址進(jìn)行對比，如果相同就做下一步處理，如果不同，就丟棄這個包。

所以鏈路層的主要工作就是對電信號進(jìn)行分組并形成具有特定意義的數(shù)據(jù)幀，然后以廣播的形式通過物理介質(zhì)發(fā)送給接收方。

2、網(wǎng)絡(luò)層

對于上面的過程，有幾個細(xì)節(jié)問題值得我們思考：

發(fā)送者如何知道接收者的MAC地址？

發(fā)送者如何知道接收者和自己同屬一個子網(wǎng)？

如果接收者和自己不在同一個子網(wǎng)，數(shù)據(jù)包如何發(fā)給對方？

為了解決這些問題，網(wǎng)絡(luò)層引入了三個協(xié)議，分別是IP協(xié)議、ARP協(xié)議、路由協(xié)議。

【1】IP協(xié)議

通過前面的介紹我們知道，MAC地址只與廠商有關(guān)，與所處的網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，所以無法通過MAC地址來判斷兩臺主機(jī)是否屬于同一個子網(wǎng)。

因此，網(wǎng)絡(luò)層引入了IP協(xié)議，制定了一套新地址，使得我們能夠區(qū)分兩臺主機(jī)是否同屬一個網(wǎng)絡(luò)，這套地址就是網(wǎng)絡(luò)地址，也就是所謂的IP地址。

IP地址目前有兩個版本，分別是IPv4和IPv6，IPv4是一個32位的地址，常采用4個十進(jìn)制數(shù)字表示。IP協(xié)議將這個32位的地址分為兩部分，前面部分代表網(wǎng)絡(luò)地址，后面部分表示該主機(jī)在局域網(wǎng)中的地址。由于各類地址的分法不盡相同，以C類地址192.168.24.1為例，其中前24位就是網(wǎng)絡(luò)地址，后8位就是主機(jī)地址。因此，如果兩個IP地址在同一個子網(wǎng)內(nèi)，則網(wǎng)絡(luò)地址一定相同。為了判斷IP地址中的網(wǎng)絡(luò)地址，IP協(xié)議還引入了子網(wǎng)掩碼，IP地址和子網(wǎng)掩碼通過按位與運(yùn)算后就可以得到網(wǎng)絡(luò)地址。

由于發(fā)送者和接收者的IP地址是已知的(應(yīng)用層的協(xié)議會傳入)， 因此我們只要通過子網(wǎng)掩碼對兩個IP地址進(jìn)行AND運(yùn)算后就能夠判斷雙方是否在同一個子網(wǎng)了。

【2】ARP協(xié)議

即地址解析協(xié)議，是根據(jù)IP地址獲取MAC地址的一個網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。其工作原理如下：

ARP首先會發(fā)起一個請求數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的首部包含了目標(biāo)主機(jī)的IP地址，然后這個數(shù)據(jù)包會在鏈路層進(jìn)行再次包裝，生成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，最終由以太網(wǎng)廣播給子網(wǎng)內(nèi)的所有主機(jī)，每一臺主機(jī)都會接收到這個數(shù)據(jù)包，并取出標(biāo)頭里的IP地址，然后和自己的IP地址進(jìn)行比較，如果相同就返回自己的MAC地址，如果不同就丟棄該數(shù)據(jù)包。ARP接收返回消息，以此確定目標(biāo)機(jī)的MAC地址；與此同時(shí)，ARP還會將返回的MAC地址與對應(yīng)的IP地址存入本機(jī)ARP緩存中并保留一定時(shí)間，下次請求時(shí)直接查詢ARP緩存以節(jié)約資源。cmd輸入 arp -a 就可以查詢本機(jī)緩存的ARP數(shù)據(jù)。

【3】路由協(xié)議

通過ARP協(xié)議的工作原理可以發(fā)現(xiàn)，ARP的MAC尋址還是局限在同一個子網(wǎng)中，因此網(wǎng)絡(luò)層引入了路由協(xié)議，首先通過IP協(xié)議來判斷兩臺主機(jī)是否在同一個子網(wǎng)中，如果在同一個子網(wǎng)，就通過ARP協(xié)議查詢對應(yīng)的MAC地址，然后以廣播的形式向該子網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包；如果不在同一個子網(wǎng)，以太網(wǎng)會將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給本子網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行路由。網(wǎng)關(guān)是互聯(lián)網(wǎng)上子網(wǎng)與子網(wǎng)之間的橋梁，所以網(wǎng)關(guān)會進(jìn)行多次轉(zhuǎn)發(fā)，最終將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)IP所在的子網(wǎng)中，然后再通過ARP獲取目標(biāo)機(jī)MAC，最終也是通過廣播形式將數(shù)據(jù)包發(fā)送給接收方。

而完成這個路由協(xié)議的物理設(shè)備就是路由器，在錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)世界里，路由器扮演者交通樞紐的角色，它會根據(jù)信道情況，選擇并設(shè)定路由，以最佳路徑來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

【4】IP數(shù)據(jù)包

在網(wǎng)絡(luò)層被包裝的數(shù)據(jù)包就叫IP數(shù)據(jù)包，IPv4數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

IP數(shù)據(jù)包由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成，首部長度為20個字節(jié)，主要包含了目標(biāo)IP地址和源IP地址，目標(biāo)IP地址是網(wǎng)關(guān)路由的線索和依據(jù)；數(shù)據(jù)部分的最大長度為65515字節(jié)，理論上一個IP數(shù)據(jù)包的總長度可以達(dá)到65535個字節(jié)，而以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的最大長度是1500個字符，如果超過這個大小，就需要對IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分割，分成多幀發(fā)送。

所以，網(wǎng)絡(luò)層的主要工作是定義網(wǎng)絡(luò)地址，區(qū)分網(wǎng)段，子網(wǎng)內(nèi)MAC尋址，對于不同子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由。

3、傳輸層

鏈路層定義了主機(jī)的身份，即MAC地址， 而網(wǎng)絡(luò)層定義了IP地址，明確了主機(jī)所在的網(wǎng)段，有了這兩個地址，數(shù)據(jù)包就從可以從一個主機(jī)發(fā)送到另一臺主機(jī)。但實(shí)際上數(shù)據(jù)包是從一個主機(jī)的某個應(yīng)用程序發(fā)出，然后由對方主機(jī)的應(yīng)用程序接收。而每臺電腦都有可能同時(shí)運(yùn)行著很多個應(yīng)用程序，所以當(dāng)數(shù)據(jù)包被發(fā)送到主機(jī)上以后，是無法確定哪個應(yīng)用程序要接收這個包。

因此傳輸層引入了UDP協(xié)議來解決這個問題，為了給每個應(yīng)用程序標(biāo)識身份，UDP協(xié)議定義了端口，同一個主機(jī)上的每個應(yīng)用程序都需要指定唯一的端口號，并且規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包必須加上端口信息。 這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)主機(jī)以后，就可以根據(jù)端口號找到對應(yīng)的應(yīng)用程序了。UDP定義的數(shù)據(jù)包就叫做UDP數(shù)據(jù)包，結(jié)構(gòu)如下所示：

UDP數(shù)據(jù)包由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成，首部長度為8個字節(jié)，主要包括源端口和目標(biāo)端口；數(shù)據(jù)最大為65527個字節(jié)，整個數(shù)據(jù)包的長度最大可達(dá)到65535個字節(jié)。

UDP協(xié)議比較簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但它沒有確認(rèn)機(jī)制， 數(shù)據(jù)包一旦發(fā)出，無法知道對方是否收到，因此可靠性較差，為了解決這個問題，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，TCP協(xié)議就誕生了，TCP即傳輸控制協(xié)議，是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的通信協(xié)議。簡單來說TCP就是有確認(rèn)機(jī)制的UDP協(xié)議，每發(fā)出一個數(shù)據(jù)包都要求確認(rèn)，如果有一個數(shù)據(jù)包丟失，就收不到確認(rèn)，發(fā)送方就必須重發(fā)這個數(shù)據(jù)包。

為了保證傳輸?shù)目煽啃裕琓CP 協(xié)議在 UDP 基礎(chǔ)之上建立了三次對話的確認(rèn)機(jī)制，也就是說，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對方建立可靠的連接。由于建立過程較為復(fù)雜，我們在這里做一個形象的描述：

主機(jī)A：我想發(fā)數(shù)據(jù)給你，可以么？

主機(jī)B：可以，你什么時(shí)候發(fā)？

主機(jī)A：我馬上發(fā)，你接著！

經(jīng)過三次對話之后，主機(jī)A才會向主機(jī)B發(fā)送正式數(shù)據(jù)，而UDP是面向非連接的協(xié)議，它不與對方建立連接，而是直接就把數(shù)據(jù)包發(fā)過去了。所以 TCP 能夠保證數(shù)據(jù)包在傳輸過程中不被丟失，但美好的事物必然是要付出代價(jià)的，相比 UDP，TCP 實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜，消耗連接資源多，傳輸速度慢。

TCP 數(shù)據(jù)包和 UDP 一樣，都是由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成，唯一不同的是，TCP 數(shù)據(jù)包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網(wǎng)絡(luò)的效率，通常 TCP 數(shù)據(jù)包的長度不會超過IP數(shù)據(jù)包的長度，以確保單個 TCP 數(shù)據(jù)包不必再分割。

總結(jié)一下，傳輸層的主要工作是定義端口，標(biāo)識應(yīng)用程序身份，實(shí)現(xiàn)端口到端口的通信，TCP協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/span>。

4、應(yīng)用層

理論上講，有了以上三層協(xié)議的支持，數(shù)據(jù)已經(jīng)可以從一個主機(jī)上的應(yīng)用程序傳輸?shù)搅硪慌_主機(jī)的應(yīng)用程序了，但此時(shí)傳過來的數(shù)據(jù)是字節(jié)流，不能很好的被程序識別，操作性差。因此，應(yīng)用層定義了各種各樣的協(xié)議來規(guī)范數(shù)據(jù)格式，常見的有 HTTP、FTP、SMTP 等，HTTP 是一種比較常用的應(yīng)用層協(xié)議，主要用于B/S架構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信，其報(bào)文格式如下：

在 Resquest Headers 中，Accept 表示客戶端期望接收的數(shù)據(jù)格式，而 ContentType 則表示客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)格式；在 Response Headers 中，ContentType 表示服務(wù)端響應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，這里定義的格式，一般是和 Resquest Headers 中 Accept 定義的格式是一致的。

有了這個規(guī)范以后，服務(wù)端收到請求以后，就能正確的解析客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)，當(dāng)請求處理完以后，再按照客戶端要求的格式返回，客戶端收到結(jié)果后，按照服務(wù)端返回的格式進(jìn)行解析。

所以應(yīng)用層的主要工作就是定義數(shù)據(jù)格式并按照對應(yīng)的格式解讀數(shù)據(jù)。

5、全流程

首先我們梳理一下每層模型的職責(zé)：

鏈路層：對0和1進(jìn)行分組，定義數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)主機(jī)的物理地址，傳輸數(shù)據(jù)；

網(wǎng)絡(luò)層：定義IP地址，確認(rèn)主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)位置，并通過IP進(jìn)行MAC尋址，對外網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)；

傳輸層：定義端口，確認(rèn)主機(jī)上應(yīng)用程序的身份，并將數(shù)據(jù)包交給對應(yīng)的應(yīng)用程序；

應(yīng)用層：定義數(shù)據(jù)格式，并按照對應(yīng)的格式解讀數(shù)據(jù)。

然后再把每層模型的職責(zé)串聯(lián)起來，用一句通俗易懂的話講就是：

當(dāng)你輸入一個網(wǎng)址并按下回車鍵的時(shí)候，首先，應(yīng)用層協(xié)議對該請求包做了格式定義；緊接著傳輸層協(xié)議加上了雙方的端口號，確認(rèn)了雙方通信的應(yīng)用程序；然后網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加上了雙方的IP地址，確認(rèn)了雙方的網(wǎng)絡(luò)位置；最后鏈路層協(xié)議加上了雙方的MAC地址，確認(rèn)了雙方的物理位置，同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，形成數(shù)據(jù)幀，采用廣播方式，通過傳輸介質(zhì)發(fā)送給對方主機(jī)。而對于不同網(wǎng)段，該數(shù)據(jù)包首先會轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)路由器，經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)后，最終被發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)。目標(biāo)機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，采用對應(yīng)的協(xié)議，對幀數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝，然后再通過一層一層的協(xié)議進(jìn)行解析，最終被應(yīng)用層的協(xié)議解析并交給服務(wù)器處理。

6、總結(jié)

以上內(nèi)容是對TCP/IP四層模型做了簡單的介紹，而實(shí)際上每一層模型都有很多協(xié)議，每個協(xié)議要做的事情也很多，但我們首先得有一個清晰的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)，掌握每一層模型最基本的作用，然后再去豐富細(xì)枝末節(jié)的東西，也許會更容易理解。