1、TCP/IP协议族体系结构及主要协议

现在Internet使用的主流协议族是TCP/IP协议族，它是一个分层、多协议的通信体系。
TCP/IP协议族是一个四层协议系统，自底而上分别是数据链路层、网络层、传输层和应用层。每一层完成不同的功能，且通过若干协议来实现，上层协议使用下层协议提供的服务，如下图所示：

1.1 数据链路层

数据链路层实现了网卡接口的网络驱动程序，以处理数据在物理媒介(比如以太网、令牌环等)上的传输。不同的物理网络具有不同的电气特性，网络驱动程序隐藏了这些细节，为上层协议提供一个统一的接口。
数据链路层两个常用的协议是ARP协议( Address Resolve Protocol，地址解析协议)和RARP协议(Reverse Address Resolve Protocol, 逆地址解析协议)。它们实现了IP地址和机器物理地址(通常是MAC地址，以太网、令牌环和802.11无线网络都使用MAC地址)之间的相互转换。
网络层使用IP地址寻址一台 机器，而数据链路层使用物理地址寻址一台机器，因此网络层必须先将目标机器的IP地址转化成其物理地址，才能使用数据链路层提供的服务，这就是ARP协议的用途。RARP 协议仅用于网络上的某些无盘工作站。因为缺乏存储设备，无盘工作站无法记住自己的IP地址，但它们可以利用网卡上的物理地址来向网络管理者(服务器或网络管理软件)查询自身的IP地址。运行RARP服务的网络管理者通常存有该网络上所有机器的物理地址到IP地址的映射。

1.2 网络层

网络层实现数据包的选路和转发。WAN (Wide Area Network,广域网)通常使用众多分级的路由器来连接分散的主机或LAN (Local Area Network，局域网)，因此，通信的两台主机一般不是直接相连的，而是通过多个中间节点(路由器)连接的。网络层的任务就是选择这些中间节点，以确定两台主机之间的通信路径。同时，网络层对上层协议隐藏了网络拓扑连接的细节，使得在传输层和网络应用程序看来，通信的双方是直接相连的。
网络层最核心的协议是IP协议(Intermet Protocol,因特网协议)。IP 协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议就为它寻找一个合适的下一跳(next hop)路由器，并将数据包交付给该路由器来转发。多次重复这一过程，数据包最终到达目标主机，或者由于发送失败而被丢弃。可见，IP 协议使用逐跳(hop by hop)的方式确定通信路径。
网络层另外一个重要的协议是ICMP协议(Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议)。它是IP协议的重要补充，主要用于检测网络连接。ICMP 协议使用的报文格式如下图所示。

上图中，8位类型字段用于区分报文类型。它将ICMP报文分为两大类： 一类是差错报文，这类报文主要用来回应网络错误，比如目标不可到达(类型值为3)和重定向(类型值为5)；另一类是查询报文，这类报文用来查询网络信息，比如ping程序就是使用ICMP报文查看目标是否可到达(类型值为8)的。有的ICMP报文还使用8位代码字段来进一步细分不同的条件。比如重定向报文使用代码值0表示对网络重定向，代码值1表示对主机重定向。ICMP 报文使用16位校验和字段对整个报文(包括头部和内容部分)进行循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)， 以检验报文在传输过程中是否损坏。不同的ICMP报文类型具有不同的正文内容。

需要指出的是，ICMP 协议并非严格意义上的网络层协议，因为它使用处于同一层的IP协议提供的服务(一般来说，上层协议使用下层协议提供的服务)。

1.3 传输层

传输层为两台主机上的应用程序提供端到端(end to end)的通信。与网络层使用的逐跳通信方式不同，传输层只关心通信的起始端和目的端，而不在乎数据包的中转过程。如下图展示了传输层和网络层的这种区别。

上图中，垂直的实线箭头表示TCP/IP协议族各层之间的实体通信(数据包确实是沿着这些线路传递的)，而水平的虚线箭头表示逻辑通信线路。该图中还附带描述了不同物理网络的连接方法。可见，数据链路层(驱动程序)封装了物理网络的电气细节:网络层封装了网络连接的细节;传输层则为应用程序封装了一条端到端的逻辑通信链路，它负责数据的收发、链路的超时重连等。
传输层协议主要有三个： TCP 协议、UDP协议和SCTP协议。
TCP协议(Transmission Control Protocol，传输控制协议)为应用层提供可靠的、面向连接的和基于流(stream)的服务。TCP协议使用超时重传、数据确认等方式来确保数据包被正确地发送至目的端，因此TCP服务是可靠的。使用TCP协议通信的双方必须先建立TCP连接，并在内核中为该连接维持一些必要的数据结构，比如连接的状态、读写缓冲区，以及诸多定时器等。当通信结束时，双方必须关闭连接以释放这些内核数据。TCP服务是基于流的。基于流的数据没有边界(长度)限制，它源源不断地从通信的一端流人另一端。发送端可以逐个字节地向数据流中写人数据，接收端也可以逐个字节地将它们读出。
UDP协议(User Datagram Protocol，用户数据报协议)则与TCP协议完全相反，它为应用层提供不可靠、无连接和基于数据报的服务。“不可靠”意味着UDP协议无法保证数据从发送端正确地传送到目的端。如果数据在中途失，或者目的端通过数据校验发现数据错误而将其丢弃，则UDP协议只是简单地通知应用程序发送失败。因此，使用UDP协议的应用程序通常要自己处理数据确认、超时重传等逻辑。UDP协议是无连接的，即通信双方不保持一个长久的联系，因此应用程序每次发送数据都要明确指定接收端的地址(IP地址等信息)。基于数据报的服务，是相对基于流的服务而言的。每个UDP数据报都有一个长度，接收端必须以该长度为最小单位将其所有内容一次性读出，否则数据将被截断。
SCTP协议(Stream Control Transmission Protocol， 流控制传输协议)是一种相对较新的传输层协议，它是为了在因特网上传输电话信号而设计的。

1.4 应用层

应用层负责处理应用程序的逻辑。数据链路层、网络层和传输层负责处理网络通信细节，这部分必须既稳定又高效，因此它们都在内核空间中实现，如下图所示。而应用层则在用户空间实现，因为它负责处理众多逻辑，比如文件传输、名称查询和网络管理等。如果应用层也在内核中实现，则会使内核变得非常庞大。当然，也有少数服务器程序是在内核中实现的，这样代码就无须在用户空间和内核空间来回切换(主要是数据的复制)，极大地提高了工作效率。不过这种代码实现起来较复杂，不够灵活，且不便于移植。

应用层协议很多，上图仅列举了其中的几个：
ping是应用程序，而不是协议，前面说过它利用ICMP报文检测网络连接，是调试网络环境的必备工具。
telnet协议是一种远 程登录协议，它使我们能在本地完成远程任务，可以使用telnet客户端登录到其他服务器上。
OSPF (Open Shortest Path First,开放最短路径优先)协议是一种动态路由更新协议，用于路由器之间的通信，以告知对方各自的路由信息。
DNS (Domain Name Service,域名服务)协议提供机器域名到IP地址的转换。
应用层协议(或程序)可能跳过传输层直接使用网络层提供的服务，比如ping程序和OSPF协议。应用层协议(或程序)通常既可以使用TCP服务，又可以使用UDP服务，比如DNS协议。在Linux环境下，我们可以通过/etc/services文件查看所有知名的应用层协议，以及它们都能使用哪些传输层服务。

2、向下封装

上层协议是如何使用下层协议提供的服务的呢?其实这是通过封装(encapsulation) 实现的。应用程序数据在发送到物理网络上之前，将沿着协议栈从上往下依次传递。每层协议都将在上层数据的基础上加上自己的头部信息(有时还包括尾部信息)，以实现该层的功能，这个过程就称为封装，如下图所示。

当发送端应用程序使用send (或者write)丽数向一个 TCP连接写人数据时，内核中的TCP模块首先把这些数据复制到与该连接对应的TCP内核发送缓冲区中，然后TCP模块调用IP模块提供的服务，传递的参数包括TCP头部信息和TCP发送缓冲区中的数据，即TCP报文段。
经过UDP封装后的数据称为UDP数据报(UDP datagram)。UDP对应用程序数据的封装与TCP类似。不同的是，UDP无须为应用层数据保存副本，因为它提供的服务是不可靠的。当一个UDP数据报被成功发送之后，UDP内核缓冲区中的该数据报就被丢弃了。如果应用程序检测到该数据报未能被接收端正确接收，并打算重发这个数据报，则应用程序需要重新从用户空间将该数据报拷贝到UDP内核发送缓冲区中。
经过IP封装后的数据称为IP数据报(IP datagram)。IP 数据报也包括头部信息和数据部分，其中数据部分就是一个TCP报文段、UDP数据报或者ICMP报文。
经过数据链路层封装的数据称为帧(frame)。 传输媒介不同，帧的类型也不同。比如，以太网上传输的是以太网帧(ethernet frame)，而令牌环网络上传输的则是令牌环帧(token ring frame)。以以太网帧为例，其封装格式如下图所示。

以太网帧使用6字节的目的物理地址和6字节的源物理地址来表示通信的双方。关于类型(type)字段，我们将在后面讨论。4字节CRC字段对帧的其他部分提供循环冗余校验。
帧的最大传输单元(Max Transmit Unit, MTU)，即帧最多能携带多少上层协议数据(比如IP数据报)，通常受到网络类型的限制。图上所示的以太网帧的MTU是1500字节。正因为如此，过长的IP数据报可能需要被分片(fragment) 传输。

3、向上分用

当帧到达目的主机时，将沿着协议栈自底向上依次传递。各层协议依次处理帧中本层负责的头部数据，以获取所需的信息，并最终将处理后的帧交给目标应用程序。这个过程称为分用(demultiplexing)。 分用是依靠头部信息中的类型字段实现的。标准文档RFC 1700定义了所有标识上层协议的类型字段以及每个上层协议对应的数值。下图显示了以太网帧的分用过程。

因为IP协议、ARP 协议和RARP协议都使用帧传输数据，所以帧的头部需要提供某个字段(具体情况取决于帧的类型)来区分它们。以以太网帧为例，它使用2字节的类型字段来标识上层协议。如果主机接收到的以太网帧类型字段的值为0x800，则帧的数据部分为IP数据报，以太网驱动程序就将帧交付给IP模块；若类型字段的值为0x806，则帧的数据部分为ARP请求或应答报文，以太网驱动程序就将帧交付给ARP模块；若类型字段的值为0x835，则帧的数据部分为RARP请求或应答报文，以太网驱动程序就将帧交付给RARP模块。
同样，因为ICMP协议、TCP协议和UDP协议都使用IP协议,所以IP数据报的头部采用16位的协议(protocol) 字段来区分它们。
TCP报文段和UDP数据报则通过其头部中的16位的端口号(portnumber)字段来区分上层应用程序。比如DNS协议对应的端口号是53，HTTP 协议(Hyper-Text Transfer Protocol,超文本传送协议)对应的端口号是80。所有知名应用层协议使用的端口号都可在/etc/services文件中找到。
帧通过上述分用步骤后，最终将封装前的原始数据送至目标服务(上图中的ARP服务、RARP服务、ICMP 服务或者应用程序)。这样，在顶层目标服务看来，封装和分用似乎没有发生过。