什么是TCP/IP網(wǎng)絡模型詳解

TCP/IP網(wǎng)絡模型

TCP/IP模型是互聯(lián)網(wǎng)的基礎，它是一系列網(wǎng)絡協(xié)議的總稱。這些協(xié)議可以劃分為四層，分別為鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。

• 鏈路層：負責封裝和解封裝IP報文，發(fā)送和主機。
• 傳輸層：負責對報文進行分組和重組，并以TCP或UDP協(xié)議格式封裝報文。
• 應用層：負責向用戶提供應用程序，比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

在網(wǎng)絡體系結構中網(wǎng)絡通信的建立必須是在通信雙方的對等層進行，不能交錯。 在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)在發(fā)送端時經(jīng)過各層時都要附加上相應層的協(xié)議頭和協(xié)議尾（僅數(shù)據(jù)鏈路層需要封裝協(xié)議尾）部分，也就是要對數(shù)據(jù)進行協(xié)議封裝，以標識對應層所用的通信協(xié)議。

OSI七層模型

當然在理論上，還有一個OSI七層模型：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。這是一個理想模型，由于其復雜性并沒有被大家廣泛采用。

鏈路層

1 以太網(wǎng)和802封裝

以太網(wǎng)封裝是以RFC894定義的 而802封裝則是RFC1042定義的 主機需求RFC要求： （1）必須支持以太網(wǎng)封裝 （2）應該支持與RFC894混合的RFC1042封裝 （3）或許可以發(fā)送RFC1042封裝的分組

2 SLIP

適用于RS-232和高速調(diào)制解調(diào)器接入網(wǎng)絡 （1）以0xC0結束 （2）對報文中的0xC0和ESC字符進行轉義 缺點：沒有辦法通知本端IP到對端；沒有類型字段；沒有校驗和

3 CSLIP

將SLIP報文中的20字節(jié)IP首部和20字節(jié)TCP首部壓縮為3或5字節(jié)

4 PPP協(xié)議

修正了SLIP協(xié)議的缺陷，支持多種協(xié)議類型；帶數(shù)據(jù)校驗和；報文首部壓縮；雙方可以進行IP地址動態(tài)協(xié)商（使用IP協(xié)議）；鏈路控制協(xié)議可以對多個鏈路選項進行設置。

5 環(huán)回接口

用于同一臺主機上的程序通過TCP／IP通信。 傳給環(huán)回的數(shù)據(jù)均作為輸入； 傳給該主機IP地址的數(shù)據(jù)也是送到環(huán)回接口； 廣播和多播數(shù)據(jù)先復制一份到環(huán)回接口，再送到以太網(wǎng)上。

6 MTU

對數(shù)據(jù)幀長度的大限制，如果數(shù)據(jù)分組長度大于這個數(shù)值，需要在IP層對其分片。 注意：發(fā)往以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)要考慮路徑MTU

IP網(wǎng)際協(xié)議

IP是TCP/IP中最為核心的協(xié)議，所有的TCP、UDP、ICMP等協(xié)議均以IP數(shù)據(jù)報的格式傳輸。IP協(xié)議提供不可靠、無連接的服務，它不保證數(shù)據(jù)報一定可以送達目的，也不保證數(shù)據(jù)報的先后次序。

IP首部格式為

注：網(wǎng)絡字節(jié)序：32bit傳輸?shù)拇涡驗?-7bit, 8-15bit, 16-23bit, 24-31bit（即big endian字節(jié)序）

IP路由

IP路由選擇是逐跳進行的。IP并不知道到達任何目的的完整路徑（當然，除了那些與主機直接相連的）。所有的IP路由選擇只為數(shù)據(jù)報傳輸提供下一站路由器的I P地址。它假定下一站路由器比發(fā)送主機更接近目的，而且下一站路由器與該主機是直接相連的。

IP路由選擇主要完成以下這些功能：

1) 搜索路由表，尋找能與目的IP地址完全匹配的表目（網(wǎng)絡號和主機號都要匹配）。如果找到，則把報文發(fā)送給該表目指定的下一站路由器或直接連接的網(wǎng)絡接口（取決于標志字段的值）。 2) 搜索路由表，尋找能與目的網(wǎng)絡號相匹配的表目。如果找到，則把報文發(fā)送給該表目指定的下一站路由器或直接連接的網(wǎng)絡接口（取決于標志字段的值）。目的網(wǎng)絡上的所有主機都可以通過這個表目來處置。例如，一個以太網(wǎng)上的所有主機都是通過這種表目進行尋徑的。這種搜索網(wǎng)絡的匹配方法必須考慮可能的子網(wǎng)掩碼。關于這一點我們在下一節(jié)中進行討論。 3) 搜索路由表，尋找標為“默認”的表目。如果找到，則把報文發(fā)送給該表目指定的下一站路由器。

如果上面這些步驟都沒有成功，那么該數(shù)據(jù)報就不能被傳送。如果不能傳送的數(shù)據(jù)報來自本機，那么一般會向生成數(shù)據(jù)報的應用程序返回一個“主機不可達”或“網(wǎng)絡不可達”的錯誤。

IP路由選擇是通過逐跳來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)報在各站的傳輸過程中目的IP地址始終不變，但是封裝和目的鏈路層地址在每一站都可以改變。大多數(shù)的主機和許多路由器對于非本地網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)報都使用默認的下一站路由器。

IP路由選擇機制的兩個特征： （1）完整主機地址匹配在網(wǎng)絡號匹配之前執(zhí)行 （2）為網(wǎng)絡指定路由，而不必為每個主機指定路由

IP地址和MAC地址分類

按IP地址范圍劃分

• A類：地址范圍1.0.0.1-126.255.255.255，A類IP地址的子網(wǎng)掩碼為255.0.0.0，每個網(wǎng)絡支持的大主機數(shù)為256的3次方-2=16777214臺。
• B類：地址范圍128.0.0.1-191.255.255.255，B類IP地址的子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0，每個網(wǎng)絡支持的大主機數(shù)為256的2次方-2=65534臺
• C類：地址范圍192.0.1.1-223.255.255.255，C類IP地址的子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，每個網(wǎng)絡支持的大主機數(shù)為256-2=254臺
• D類：以1110開始的地址，多播地址
• E類：以11110開始的地址，保留地址

按照通訊模式劃分

• 單播：目標是特定的主機，比如192.168.0.3
• 廣播：目標IP地址的主機部分全為1，并且目的MAC地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF。比如B類網(wǎng)絡172.16.0.0的默認子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0，廣播地址為172.16.255.255。
• 多播：目標為一組主機，IP地址范圍為224.0.0.0～239.255.255.255。多播MAC地址以十六進制值01-00-5E打頭，余下的6個十六進制位根據(jù)IP多播組地址的最后23位轉換得到。

單播是對特定的主機進行數(shù)據(jù)傳送。如給某一個主機發(fā)送IP數(shù)據(jù)包，鏈路層頭部是非常具體的目的地址，對于以太網(wǎng)來 說，就是網(wǎng)卡的MAC地址。廣播和多播僅應用于UDP，它們對需將報文同時傳往多個接收者的應用來說十分重要。

• 廣播是針對某一個網(wǎng)絡上的所有主機發(fā)包，這個網(wǎng)絡可能是網(wǎng)絡，可能是子網(wǎng)，還可能是所有的子網(wǎng)。如果是網(wǎng)絡，例如A類網(wǎng)址的廣播就是 netid.255.255.255，如果是子網(wǎng)，則是netid.netid.subnetid.255；如果是所有的子網(wǎng)（B類IP）則是則是 netid.netid.255.255。廣播所用的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。網(wǎng)絡內(nèi)所有的主機都會收到這個廣播數(shù)據(jù)，網(wǎng)卡只要把 MAC地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF的數(shù)據(jù)交給內(nèi)核就可以了。一般說來ARP，或者路由協(xié)議RIP應該是以廣播的形式播發(fā)的。
• 多播就是給一組特定的主機（多播組）發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣，數(shù)據(jù)的播發(fā)范圍會小一些。多播的MAC地址是高字節(jié)的低位為一，例 如01-00-00-00-00-00。多播組的地址是D類IP，規(guī)定是224.0.0.0-239.255.255.255。與IP多播相對應的以太網(wǎng)地址范圍從0 1 : 0 0 : 5 e : 0 0 : 0 0 : 0 0到01: 00: 5e: 7f: ff: ff。通過將其低位23 bit映射到相應以太網(wǎng)地址中便可實現(xiàn)多播組地址到以太網(wǎng)地址的轉換。由于地址映射是不唯一的，因此要其他的協(xié)議實現(xiàn)額外的數(shù)據(jù)報過濾。

子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)掩碼用來確定多少bit用于網(wǎng)絡號和多少bit用于主機號。

給定IP地址和子網(wǎng)掩碼以后，主機就可以確定IP數(shù)據(jù)報的目的是： (1)本子網(wǎng)上的主機； (2)本網(wǎng)絡中其他子網(wǎng)中的主機； (3)其他網(wǎng)絡上的主機。

如果知道本機的IP地址，那么就知道它是否為A類、B類或C類地址(從IP地址的高位可以得知)，也就知道網(wǎng)絡號和子網(wǎng)號之間的分界線。而根據(jù)子網(wǎng)掩碼就可知道子網(wǎng)號與主機號之間的分界線。

封裝

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的物理特性是其長度必須在46～1500字節(jié)之間，而數(shù)據(jù)幀在進入每一層協(xié)議棧的時候均會做一些封裝。

而更具體的以太網(wǎng)幀格式為

分用

當目的主機收到一個以太網(wǎng)幀時，就在協(xié)議棧中從底向上升，同時去掉各層協(xié)議加上的報文首部。每層協(xié)議盒都要去檢查報文首部的協(xié)議標識，以確定接收數(shù)據(jù)的上層協(xié)議。這個過程稱作分用。

分段 (fragmentation)

老的內(nèi)核通常在IP層處理IP分段，IP層可以接收0~64KB的數(shù)據(jù)。因此，當數(shù)據(jù)IP packet大于PMTU時，就必須把數(shù)據(jù)分成多個IP分段。 較新的內(nèi)核中，L4會嘗試進行分段：L4不會再把超過PMTU的緩沖區(qū)直接傳給IP層，而是傳遞一組和PMTU相匹配的緩沖區(qū)。這樣，IP層只需要給每個分段增加IP報頭。但是這并不意味著IP層就不做分段的工作了，一些情況下，IP層還會進行分段操作。

• 分段是指將一個IP包分成多個傳輸，在接收端 IP 層重新組裝
• 一個 IP 包能否分包，取決于它的 DF 標志位：DF bit (0 = "may fragment," 1 = "don't fragment")
• 分包后，每個分段有 MF 標志位：MF bit (0 = "last fragment," 1 = "more fragments")

第一個表格中：

• IP 包長度 5140，包括 5120 bytes 的 payload
• DF = 0， 允許分包
• MF = 0， 這是未分包

第二個表格中：

• 0-0 第一個分包: 長度 1500 = 1480 (payload) + 20 (IP Header). Offset(起始偏移量): 0
• 0-1 第二個分包: 長度 1500 = 1480 (payload) + 20 (IP Header). Offset: 185 = 1480 / 8
• 0-2 第三個分包: 長度 1500 = 1480 (payload) + 20 (IP Header). Offset: 370 = 185 + 1480/8
• 0-3 第四個分包: 長度 700 = 680 (payload, = (5140 - 20) - 1480 * 3) + 20 (IP Header) . Offset: 555 = 370 + 1480/8

需要注意的是，只有第一個包帶有原始包的完整 IPv4 + TCP/UDP 信息，后續(xù)的分包只有 IPv4 信息。

分包帶來的問題：

• sender overhead：需要消耗 CPU 去分包，包括計算和數(shù)據(jù)拷貝。
• receiver overhead：重新組裝多個分包。在路由器上組裝非常低效率，因此組裝往往在接收主機上進行。
• 重發(fā) overhead：一個分包丟失，則整個包需要重傳。
• 在多個分包出現(xiàn)順序錯開時，防火墻可能將分到當無效包處理而丟棄。

MTU

一個網(wǎng)絡接口的 MTU 是它一次所能傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)塊的大小。任何超過MTU的數(shù)據(jù)塊都會在傳輸前分成小的傳輸單元。MTU 有兩個測量層次：網(wǎng)絡層和鏈路層。比如，網(wǎng)絡層上標準的因特網(wǎng) MTU 是 1500 bytes，而在連接層上是 1518 字節(jié)。沒有特別說的時候，往往指的是網(wǎng)絡層的MTU。

要增加一個網(wǎng)絡接口 MTU 的常見原因是增加高速因特網(wǎng)的吞吐量。標準因特網(wǎng) MTU 使用 1500byte是為了和 10M 和 100M 網(wǎng)絡后向兼容，但是，在目前1G和 10G網(wǎng)絡中遠遠不夠。新式的網(wǎng)絡設備可以處理更大的MTU，但是，MTU需要顯式設置。這種更大MTU的幀叫做“巨幀”，通常 9000 byte 是比較普遍的。

相對地，一些可能得需要減少MTU的原因：

• 滿足另一個網(wǎng)絡的MTU的需要（為了消除UDP分包，以及需要TCP PMTU discover ）
• 滿足 ATM cell 的要求
• 在高出錯率線路上提高吞吐量

MTU 不能和目前任何 Internet 網(wǎng)絡協(xié)議混在一起，但是，可以使用一個路由器將不同 MTU 的網(wǎng)段連在一起。

TCP fragmentation

每個TCP數(shù)據(jù)包（segment）的大小受MSS（TCP_MAXSEG選項）限制。大報文段長度 ( MSS )表示 TCP 傳往另一端的大塊數(shù)據(jù)的長度。當一個連接建立時（SYN packet）, 連接的雙方都要通告各自的MSS。

一般說來,如果沒有分段發(fā)生, MSS還是越大越好。報文段越大允許每個報文段傳送的數(shù)據(jù)就越多,相對IP和TCP首部有更高的網(wǎng)絡利用率。當TCP發(fā)送一個SYN時,或者是因為一個本地應用進程想發(fā)起一個連接,或者是因為另一端的主機收到了一個連接請求,它能將MSS值設置為外出接口上的MTU長度減去固定的IP首部(20 bytes)和TCP首部長度(20 bytes)。對于一個以太網(wǎng)，MSS值可達1460字節(jié)（詳細參考tcp_sendmsg）。

TCP/SCTP會將數(shù)據(jù)按MTU進行切片，然后3層的工作只需要給傳遞下來的切片加上 ip頭就可以了(也就是說調(diào)用這個函數(shù)的時候,其實4層已經(jīng)切好片了)。

Segmentation offload

現(xiàn)在很多網(wǎng)卡本身支持數(shù)據(jù)分片，這樣，上層L4/L3就可以不用進行分片(大64KB)，而由NIC來完成，從而提高網(wǎng)絡性能。

• Large Segment Offload (LSO)：使得網(wǎng)絡協(xié)議棧能夠將超過PMTU的數(shù)據(jù)包推送至網(wǎng)卡，然后網(wǎng)卡執(zhí)行分片工作，這樣減輕了CPU的負荷
• TCP Segmentation Offload (TSO)：類似于LSO，針對TCP協(xié)議包
• UDP Fragmentation Offload (UFO): 類似于TSO，針對UDP包
• Large Receive Offload (LRO): 將接收到的包聚合成一個大的數(shù)據(jù)包，然后再發(fā)給協(xié)議棧處理
• Generic Segmentation Offload (GSO): TSO/LSO的增強，同時支持TCP和UDP協(xié)議，負責把超過MTU的包分片
• Generic Receive Offload (GRO)：LRO的增強，負責將接收到的多個包聚合成一個大的數(shù)據(jù)包，然后再發(fā)給協(xié)議棧處理

PMTU (Path Maximum Transmission Unit Discovery)

PMTU 的用途是動態(tài)的確定從發(fā)送端到接收端整個路徑上的最小 MTU，從而避免分包。注意，PMTU 只支持 TCP，對其他協(xié)議比如 UDP 無效。而且，如果發(fā)送方已經(jīng)開啟了 PMTU，那么它發(fā)送的所有 TCP/IP 包的 DF 標志都被設置為 1 即不再允許分包。當網(wǎng)絡路徑上某個路由器發(fā)現(xiàn)發(fā)送者的包因為超過前面轉發(fā)路徑的 MTU 而無法發(fā)送時，它向發(fā)送者返回一個 ICMP "Destination Unreachable" 消息，其中包含了那個 MTU，然后發(fā)送者就會在它的路由表中將該mtu值保存下來，再使用較小的 MTU 重新發(fā)出新的較小的包。

例子1：超過 MTU，DF = 0 => 路由器分包、發(fā)送，接收主機組裝

例子2：超過，DF = 1 => PMTU，發(fā)送者重新以小包發(fā)送

網(wǎng)頁題目：什么是TCP/IP網(wǎng)絡模型詳解
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