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TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧分為應用層（Application）、傳輸層（Transport）、網(wǎng)絡(luò )層（Network）和鏈路層（Link）四層。如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。

圖 36.1. TCP/IP協(xié)議棧

兩臺計算機通過(guò)TCP/IP協(xié)議通訊的過(guò)程如下所示（該圖出自[TCPIP]）。

圖 36.2. TCP/IP通訊過(guò)程

傳輸層及其以下的機制由內核提供，應用層由用戶(hù)進(jìn)程提供（后面將介紹如何使用socket API編寫(xiě)應用程序），應用程序對通訊數據的含義進(jìn)行解釋?zhuān)鴤鬏攲蛹捌湟韵绿幚硗ㄓ嵉募毠?，將數據從一臺計算機通過(guò)一定的路徑發(fā)送到另一臺計算機。應用層數據通過(guò)協(xié)議棧發(fā)到網(wǎng)絡(luò )上時(shí)，每層協(xié)議都要加上一個(gè)數據首部（header），稱(chēng)為封裝（Encapsulation），如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。

圖 36.3. TCP/IP數據包的封裝

不同的協(xié)議層對數據包有不同的稱(chēng)謂，在傳輸層叫做段（segment），在網(wǎng)絡(luò )層叫做數據報（datagram），在鏈路層叫做幀（frame）。數據封裝成幀后發(fā)到傳輸介質(zhì)上，到達目的主機后每層協(xié)議再剝掉相應的首部，最后將應用層數據交給應用程序處理。

上圖對應兩臺計算機在同一網(wǎng)段中的情況，如果兩臺計算機在不同的網(wǎng)段中，那么數據從一臺計算機到另一臺計算機傳輸過(guò)程中要經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)路由器，如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。

圖 36.4. 跨路由器通訊過(guò)程

其實(shí)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(wǎng)通用的網(wǎng)線(xiàn)（雙絞線(xiàn)）、早期以太網(wǎng)采用的的同軸電纜（現在主要用于有線(xiàn)電視）、光纖等都屬于物理層的概念。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(xiàn)器（Hub）是工作在物理層的網(wǎng)絡(luò )設備，用于雙絞線(xiàn)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(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等標準，鏈路層負責網(wǎng)卡設備的驅動(dòng)、幀同步（就是說(shuō)從網(wǎng)線(xiàn)上檢測到什么信號算作新幀的開(kāi)始）、沖突檢測（如果檢測到?jīng)_突就自動(dòng)重發(fā)）、數據差錯校驗等工作。交換機是工作在鏈路層的網(wǎng)絡(luò )設備，可以在不同的鏈路層網(wǎng)絡(luò )之間轉發(fā)數據幀（比如十兆以太網(wǎng)和百兆以太網(wǎng)之間、以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)之間），由于不同鏈路層的幀格式不同，交換機要將進(jìn)來(lái)的數據包拆掉鏈路層首部重新封裝之后再轉發(fā)。

網(wǎng)絡(luò )層的IP協(xié)議是構成Internet的基礎。Internet上的主機通過(guò)IP地址來(lái)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(fā)數據包，數據包從Internet上的源主機到目的主機往往要經(jīng)過(guò)十多個(gè)路由器。路由器是工作在第三層的網(wǎng)絡(luò )設備，同時(shí)兼有交換機的功能，可以在不同的鏈路層接口之間轉發(fā)數據包，因此路由器需要將進(jìn)來(lái)的數據包拆掉網(wǎng)絡(luò )層和鏈路層兩層首部并重新封裝。IP協(xié)議不保證傳輸的可靠性，數據包在傳輸過(guò)程中可能丟失，可靠性可以在上層協(xié)議或應用程序中提供支持。

網(wǎng)絡(luò )層負責點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point）的傳輸（這里的“點(diǎn)”指主機或路由器），而傳輸層負責端到端（end-to-end）的傳輸（這里的“端”指源主機和目的主機）。傳輸層可選擇TCP或UDP協(xié)議。TCP是一種面向連接的、可靠的協(xié)議，有點(diǎn)像打電話(huà)，雙方拿起電話(huà)互通身份之后就建立了連接，然后說(shuō)話(huà)就行了，這邊說(shuō)的話(huà)那邊保證聽(tīng)得到，并且是按說(shuō)話(huà)的順序聽(tīng)到的，說(shuō)完話(huà)掛機斷開(kāi)連接。也就是說(shuō)TCP傳輸的雙方需要首先建立連接，之后由TCP協(xié)議保證數據收發(fā)的可靠性，丟失的數據包自動(dòng)重發(fā)，上層應用程序收到的總是可靠的數據流，通訊之后關(guān)閉連接。UDP協(xié)議不面向連接，也不保證可靠性，有點(diǎn)像寄信，寫(xiě)好信放到郵筒里，既不能保證信件在郵遞過(guò)程中不會(huì )丟失，也不能保證信件是按順序寄到目的地的。使用UDP協(xié)議的應用程序需要自己完成丟包重發(fā)、消息排序等工作。

目的主機收到數據包后，如何經(jīng)過(guò)各層協(xié)議棧最后到達應用程序呢？整個(gè)過(guò)程如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。

圖 36.5. Multiplexing過(guò)程

以太網(wǎng)驅動(dòng)程序首先根據以太網(wǎng)首部中的“上層協(xié)議”字段確定該數據幀的有效載荷（payload，指除去協(xié)議首部之外實(shí)際傳輸的數據）是IP、ARP還是RARP協(xié)議的數據報，然后交給相應的協(xié)議處理。假如是IP數據報，IP協(xié)議再根據IP首部中的“上層協(xié)議”字段確定該數據報的有效載荷是TCP、UDP、ICMP還是IGMP，然后交給相應的協(xié)議處理。假如是TCP段或UDP段，TCP或UDP協(xié)議再根據TCP首部或UDP首部的“端口號”字段確定應該將應用層數據交給哪個(gè)用戶(hù)進(jìn)程。IP地址是標識網(wǎng)絡(luò )中不同主機的地址，而端口號就是同一臺主機上標識不同進(jìn)程的地址，IP地址和端口號合起來(lái)標識網(wǎng)絡(luò )中唯一的進(jìn)程。

注意，雖然IP、ARP和RARP數據報都需要以太網(wǎng)驅動(dòng)程序來(lái)封裝成幀，但是從功能上劃分，ARP和RARP屬于鏈路層，IP屬于網(wǎng)絡(luò )層。雖然ICMP、IGMP、TCP、UDP的數據都需要IP協(xié)議來(lái)封裝成數據報，但是從功能上劃分，ICMP、IGMP與IP同屬于網(wǎng)絡(luò )層，TCP和UDP屬于傳輸層。本文對RARP、ICMP、IGMP協(xié)議不做進(jìn)一步介紹，有興趣的讀者可以看參考資料。