通俗易懂网络协议（TCP/IP概述）

近期工作，跟网络协议相关，这让我有机会更深入学习网络协议，而之前很长一段时间，我对网络协议的理解都停留在比较浅的层面。

比如：TCP是面向连接的、可靠传输，而UDP是非连接的、不可靠传输，TCP建连需要3次握手，会造成delay，UDP更快。

比如：socket编程，服务器socket create、bind、listen、accept、read/write、shutdown/close，客户端socket create、connect、read/write、shutdown/close，再加上epoll/select这几下子。

再比如：我知道网络编程要忽视SIGPIPE信号不然会挂，read返回0代表对端主动关闭，非阻塞的read要放在循环里要考虑返回值，多路复用以及阻塞、非阻塞的区别。

TCP/UDP的区别上，我是这样理解的：从北京到杭州，TCP相当于修了一条高铁线路(建连)再通车发货(传输数据)，而UDP相当于寄快递，丢了不管(直接传输数据)。

上面的理解对不对?可以说对，也可以说不对。对于应用程序员来说，有了上面的认识+熟悉socket编程接口，够了吗?不够吗?

大物理学家费曼提出一个高效的费曼学习法，即从问题入手，试着把问题都讲出来，以教代学，一旦你能把问题都讲清楚，便学会了。所以我想尝试一下把TCP/IP讲清楚，借此让自己学明白，顺便帮助一下读者。

虽然《TCP/IP详解卷1》是一本关于互联网协议族很严谨详尽的书，但在我看来，它稍微有点晦涩，可能需要读几遍，才能心领神会。虽然我没有能力把这个问题说的更好，但因为我经历过从稀里糊涂到稍有所悟的过程，这可能是大师不可比的，我将尽量用通俗易懂的语言把TCP/IP相关的知识讲清楚。

TCP/IP是什么

TCP/IP协议族是一组协议的集合，也叫互联网协议族，用来实现互联网上主机之间的相互通信。TCP和IP只是其中的2个协议，也是很重要的2个协议，所以用TCP/IP来命名这个互联网协议族，实际上，它还包括其他协议，比如UDP、ICMP、IGMP、ARP/RARP等。

网络分层

大学《计算机网络》教科书上有经典的网络ISO七层模型，但七层划分太细了，稍显繁琐，不容易记住。

互联网协议族TCP/IP按粗粒度的四层划分，两种划分的对照图让彼此关系一目了然。

分层是计算机领域的常用技巧，比如互联网后端的三层架构“接入-逻辑-存储”就是分层思想的典型应用。

分层是为了隔离，通过分层划分职能，拆解问题，层与层之间约定接口，屏蔽实现细节。

TCP/IP自下到上划分为链路层、网络层、传输层、应用层。下层向上层提供能力，上层利用下层的能力提供更高的抽象。

• 链路层，也称网络接口层，包括操作系统的设备驱动程序和网卡，它们一起处理与传输媒介(光纤等)的物理接口细节。
• 网络层，也就是IP层，负责处理IP datagram在网络中的传输，IP层传输的是IP datagram，借助路由表，把IP datagram从网络的一端传输到另一端，简而言之：IP实现包的路由传输，IP协议和路由器工作在网络层。
• 传输层，提供端到端之间的通信，包括提供面向连接和高可靠性的TCP，以及无连接不可靠的UDP。貌似TCP更好，但实际不是这样，UDP因为不需要建连开销，所以更快，应用得也很广，比如新一代互联网协议HTTP3就从TCP转向UDP，应根据适应场景选择传输层协议。
• 应用层，跟应用相关，不同应用解决不同问题，需要不同的应用层协议。

链路层处理数据在媒介上的传输，以及主机与网卡、光纤等打交道的细节。因为与硬件相关，所以需要借助系统的驱动程序，链路层协议就是定义这些细节的，比如怎么把数据从网卡发送到光纤，采用什么格式编码等，它解决的数据在媒介上表示、流动的问题。

光有链路层功能肯定是不够的，网络上有成千上万的机器，主机A与B通信，你不能将数据发到主机C，所以仿照现实，要为主机分配网络地址，通过IP地址去标识网络中的一台主机，发送一个数据包，需要正确路由到目的地，这就好比你从家到公司，要经过哪些路径，需要地图，而路由表就类似这张地图。IP解决的是数据包在网络中的传输路由的问题。

有了网络层的传输路由能力，还不够，因为IP报在传输过程中可能丢包，比如中间经历过的路由器缓冲区满了便会丢包，这样不可靠，如果需要可靠传输的能力，便需要传输层基于IP层，提供更多的能力，TCP解决了可靠性问题。具体而言，如果丢包了，TCP层会负责超时重传，它通过接收确认和重传机制保证了可靠传输。另外，因为IP报都是独立路由的，所以从主机A到主机B，一份数据被拆分成x、y两个IP报先后发送，这2个包可能选择不同的传输路径，这样有可能y包先于x包到达，但我们希望在接收端(主机B)恢复这个数据的信息，但我们无法控制IP报的到达顺序，所以，我们需要在接收端恢复数据，我只需要在x、y包里记录它属于数据块的哪个部分，然后重组这份数据，这正是TCP做的，它会重新组装IP报，从而保证顺序性，递交给应用层。

有时候并不需要保证可靠性和顺序性，这便是UDP能提供的，它只是简单的把数据封装成IP报，然后通过IP层路由发送到目的端。

再往上，便是应用层协议了，比如http，又比如游戏服务器自定义协议，应用层协议通常基于TCP或者UDP做传输。

分层

什么是协议?懒得去翻协议的各种权威定义了，我认为协议就是约定，跟现实生活中协议这个词含义差不多。网络协议就是通信双方共同遵守的约定，更具体一点，就是定义数据在网络上传输的格式、规则和流程。

因为网络是分层模型，不同层有不同层的作用，所以为各层定义各层的规则，各层对应的各层协议。

前面讲了TCP/IP协议族包含很多协议，这些协议分属不同的分层，承担不同的作用。

• TCP和UDP是两种主要的传输层协议。
• IP是网络层的主要协议，TCP、UDP都需要利用IP协议进行数据传输。
• ICMP是互联网控制报文协议，是IP的附属协议，IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。比如一个Packet经过某个路由器节点的时候，超过网络对Packet的长度限制，而又不分片，则会给发送端发送一个ICMP包报告错误信息，属于ICMP是用来辅助IP完成数据包传输的。
• IGMP是Internet组管理协议，用来把一个包多播到多个主机。
• ARP(地址解析协议)和RARP(逆地址解析协议)是用来转换IP层和链路层的地址，IP层使用IP地址，链路层使用Mac地址
• 应用层和传输层使用端到端(end-to-end)协议，网络层提供的是逐跳(hop-by-hop)协议。

封装

A给B通过网络传送一块数据，可以设想仅仅是传输这块原始数据是不够的，因为网络传输过程中，网络包到了某个路由器，需要转发，而转发必须依赖数据包的一些附加信息，比如目标机器。

发送端在发送数据的时候，将原始数据按照协议格式加上一些控制信息，包装成可在网络上正确传输数据包的过程叫封装。

（编辑：PHP编程网 - 黄冈站长网）

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