關於 TCP/IP 必須要知道的 10 個問題 (上)


一、TCP/IP模型
TCP/IP協定模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），
包含了一系列構成互聯網基礎的網路通訊協定，是Internet的核心協議。
基於TCP/IP的參考模型將協定分成四個層次，
它們分別是鏈路層、網路層、傳輸層和應用層。下圖表示TCP/IP模型與OSI模型各層的對照關係

TCP/IP協定族按照層次由上到下，層層包裝。
最上面的是應用層，這裡面有http，ftp 等等我們熟悉的協議。
而第二層則是傳輸層，著名的TCP和UDP協定就在這個層次。
第三層是網路層，IP協定就在這裡，
它負責對資料加上IP位址和其他的資料以確定傳輸的目標。
第四層是資料連結層，這個層次為待傳送的資料加入一個乙太網協定頭，
並進行CRC編碼，為最後的資料傳輸做準備。

上圖清楚地表示了TCP/IP協議中每個層的作用，而TCP/IP協議通信的過程其實就對應著資料入棧與出棧的過程。
入棧的過程，資料發送方每層不斷地封裝首部與尾部，添加一些傳輸的資訊，
確保能傳輸到目的地。出棧的過程，資料接收方每層不斷地拆除首部與尾部，得到最終傳輸的資料。

上圖以HTTP協議為例，具體說明。
二、資料連結層
實體層負責0、1位元流與物理設備電壓高低、光的閃滅之間的互換。
資料連結層負責將0、1序列劃分為資料幀從一個節點傳輸到臨近的另一個節點,
這些節點是通過MAC來唯一標識的(MAC,物理位址，一個主機會有一個MAC位址)。

  • 封裝成幀: 把網路層資料包加頭和尾，封裝成幀,幀頭中包括源MAC位址和目的MAC位址。
  • 透明傳輸:零比特填充、轉義字元。
  • 可靠傳輸: 在出錯率很低的鏈路上很少用，但是無線鏈路WLAN會保證可靠傳輸。
  • 差錯檢測(CRC):接收者檢測錯誤,如果發現差錯，丟棄該幀。
三、網路層
1、IP協議
IP協定是TCP/IP協定的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGMP的資料都以IP資料格式傳輸。
要注意的是，IP不是可靠的協議，這是說，IP協定沒有提供一種資料未傳達以後的處理機制，
這被認為是上層協議：TCP或UDP要做的事情。

1.1 IP地址
在資料連結層中我們一般通過MAC地址來識別不同的節點，
而在IP層我們也要有一個類似的位址標識，這就是IP位址。
32位元IP位址分為網路位元和位址位元，這樣做可以減少路由器中路由表記錄的數目，
有了網路位址，就可以限定擁有相同網路位址的終端都在同一個範圍內，
那麼路由表只需要維護一條這個網路位址的方向，
就可以找到相應的這些終端了。A類IP地址: 0.0.0.0~127.0.0.0

B類IP地址:128.0.0.1~191.255.0.0
C類IP地址:192.168.0.0~239.255.255.0
1.2 IP協議頭
這裡只介紹:八位的TTL欄位。這個欄位規定該資料包在穿過多少個路由之後才會被拋棄。
某個IP資料包每穿過一個路由器，該資料包的TTL數值就會減少1，當該資料包的TTL成為零，
它就會被自動拋棄。這個欄位的最大值也就是255，
也就是說一個協議包也就在路由器裡面穿行255次就會被拋棄了，
根據系統的不同，這個數位也不一樣，一般是32或者是64。

2、ARP及RARP協議
ARP 是根據IP位址獲取MAC位址的一種協議。ARP（位址解析）協定是一種解析協定，
本來主機是完全不知道這個IP對應的是哪個主機的哪個介面，當主機要發送一個IP包的時候，
會首先查一下自己的ARP快取記憶體（就是一個IP-MAC位址對應表緩存）。
如果查詢的IP－MAC值對不存在，那麼主機就向網路發送一個ARP協定廣播包，
這個廣播包裡面就有待查詢的IP地址，而直接收到這份廣播的包的所有主機都會查詢自己的IP位址，
如果收到廣播包的某一個主機發現自己符合條件，
那麼就準備好一個包含自己的MAC位址的ARP包傳送給發送ARP廣播的主機。
而廣播主機拿到ARP包後會更新自己的ARP緩存（就是存放IP-MAC對應表的地方）。
發送廣播的主機就會用新的ARP緩存資料準備好資料連結層的的資料包發送工作。
RARP協議的工作與此相反，不做贅述。

3、ICMP協議
IP協定並不是一個可靠的協定，它不保證資料被送達，那麼，自然的，保證資料送達的工作應該由其他的模組來完成。
其中一個重要的模組就是ICMP(網路控制報文)協定。
ICMP不是高層協定，而是IP層的協議。當傳送IP資料包發生錯誤。
比如主機不可達，路由不可達等等，ICMP協定將會把錯誤資訊封包，然後傳送回給主機。
給主機一個處理錯誤的機會，這 也就是為什麼說建立在IP層以上的協議是可能做到安全的原因。
四、ping
ping可以說是ICMP的最著名的應用，是TCP/IP協議的一部分。
利用“ping”命令可以檢查網路是否連通，可以很好地説明我們分析和判定網路故障。
例如：當我們某一個網站上不去的時候。通常會ping一下這個網站。
ping會回顯出一些有用的資訊。一般的資訊如下:
ping這個單詞源自聲納定位，而這個程式的作用也確實如此，它利用ICMP協議包來偵測另一個主機是否可達。
原理是用類型碼為0的ICMP發請求，受到請求的主機則用類型碼為8的ICMP回應。
五、Traceroute
Traceroute是用來偵測主機到目的主機之間所經路由情況的重要工具，也是最便利的工具。
Traceroute的原理是非常非常的有意思，它收到到目的主機的IP後，
首先給目的主機發送一個TTL=1的UDP資料包，而經過的第一個路由器收到這個資料包以後，
就自動把TTL減1，而TTL變為0以後，路由器就把這個包給拋棄了，
並同時產生 一個主機不可達的ICMP資料包給主機。
主機收到這個資料包以後再發一個TTL=2的UDP資料包給目的主機，
然後刺激第二個路由器給主機發ICMP資料 報。如此往復直到到達目的主機。
這樣，traceroute就拿到了所有的路由器IP。
六、TCP/UDP
TCP/UDP都是是傳輸層協議，但是兩者具有不同的特性，
同時也具有不同的應用場景，下面以圖表的形式對比分析。
面向報文面向報文的傳輸方式是應用層交給UDP多長的報文，UDP就照樣發送，即一次發送一個報文。
因此，應用程式必須選擇合適大小的報文。若報文太長，則IP層需要分片，降低效率。
若太短，會是IP太小。面向位元組流面向位元組流的話，
雖然應用程式和TCP的交互是一次一個資料塊（大小不等），但TCP把應用程式看成是一連串的無結構的位元組流。
TCP有一個緩衝，當應用程式傳送的資料塊太長，TCP就可以把它劃分短一些再傳送。
關於擁塞控制，流量控制，是TCP的重點，後面講解。TCP和UDP協議的一些應用

什麼時候應該使用TCP？
當對網路通訊品質有要求的時候，比如：整個資料要準確無誤的傳遞給對方，
這往往用於一些要求可靠的應用，比如HTTP、HTTPS、FTP等傳輸檔的協議，POP、SMTP等郵件傳輸的協定。

什麼時候應該使用UDP？
當對網路通訊品質要求不高的時候，要求網路通訊速度能儘量的快，這時就可以使用UDP。