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TCP/IP协议的通信过程

 舞觅泪眸 2018-07-27

TCP/IP协议的通信过程

一、 TCP/IP协议分层模型简介

TCP/IP中把OSI一些层次进行了抽象整合,整个TCP/IP分为硬件、数据链路层、网络层、传输层和应用层。在这里大致介绍一下各个分层的作用:

1)硬件层:指的是电信号的传递方式,比如早期以太网采用的的同轴电缆、现在以太网通用的网线(双绞线)、光纤等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器(Hub)是工作在物理层的网络设备,用于双绞线的连接和信号中继(将已衰减的信号再次放大使之传得更远)。

2)数据链路层:利用以太网中的数据链路层进行通信,可以理解为NIC的“驱动程序”。数据链路层有以太网、令牌环网等标准,链路层负责网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。交换机是工作在链路层的网络设备,可以在不同的链路层网络之间转发数据帧(比如十兆以太网和百兆以太网之间、以太网和令牌环网之间),由于不同链路层的帧格式不同,交换机要将进来的数据包拆掉链路层首部重新封装之后再转发。

3)网络层:IP协议是构成Internet的基础。Internet上的主机通过IP地址来标识,Internet上有大量路由器负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包,数据包从Internet上的源主机到目的主机往往要经过十多个路由器。路由器是工作在第三层的网络设备,同时兼有交换机的功能,可以在不同的链路层接口之间转发数据包,因此路由器需要将进来的数据包拆掉网络层和链路层两层首部并重新封装。IP协议不保证传输的可靠性,数据包在传输过程中可能丢失,可靠性可以在上层协议或应用程序中提供支持。

4)传输层:让应用程序之间实现通信,主要有TCPUDP两种协议。

5)应用层:类似OSI中的会话层、表示层及应用层。包括HTTP(应用层)、HTML(表示层)、E-MailFTPSSH等等。

TCP/IP分层模型与OSI分层模型的比对可参考下图:

1-1  TCP/IP分层模型


二、 TCP/IP通信过程


2.1TCP/IP协议栈与数据包封装

传输层及其以下的机制由内核提供,应用层由用户进程提供,应用程序对通讯数据的含义进行解释,而传输层及其以下处理通讯的细节,将数据从一台计算机通过一定的路径发送到另一台计算机。应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装(Encapsulation),其中不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在网络层叫做数据报(datagram),在链路层叫做帧(frame)。如下图所示。

2-1  TCP/IP数据包的封装(纵向示意图)

 

2-2  TCP/IP数据包的封装(横向示意图)

数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部,最后将应用层数据交给应用程序处理。


2.2、通信完整过程示例

2.2.1 发送

以发送邮件为例。点击“发送”时开始进行TCP/IP通信。首先程序进行编码,然后确定通信的建立连接、发送数据的时间。下面建立TCP连接。TCP根据应用指示负责建立连接、发送数据及断开连接。TCP首部包括源端口号和目标端口号、序号及校验和,通过首部信息传递TCP层的信息。加完首部后数据包往下传递到IP层,IP层加上IP首部包括地址等信息用于寻址操作,之后将数据继续往下传递附加数据链路层首部。最后发送时的分组数据包会加上以太网包尾(用于循环冗余校验)。

2.2.2 接受

主机收到数据包后会在以太网包首部找到MAC地址判断是否为自己的包,如果不是则丢弃,如果是则传递给上一层IP层处理,以此类推,不断往上传递至TCP层。在TCP层会计算校验和以判断数据是否破坏,然后检查是否按序号接收数据,最后检查端口号。处理完成之后数据包继续往上层发送,即到了应用层。如果这时出现主机无邮件信箱、硬盘空间满等情况,主机B则会发送“处理异常”通知发送端。

 
 

  2-3  TCP/IP通信流程图

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