Linux高性能编程学习-TCP/IP协议族

一、TCP/IP协议族结构与主要协议

分层：数据链路层、网络层、传输层、应用层

1. 数据链路层

功能：实现网卡驱动程序，处理数据在不同物理介质的传输

协议：

• ARP：将目标机器的IP地址转成MAC地址
• RARP：将MAC地址转成目标的IP

2. 网络层

2.1 概述

功能：数据包的选路与转发。网络层对上层协议屏蔽了网络拓扑连接细节，确定两个主机之间的通讯

协议：

• IP协议，根据数据包的目的IP地址决定如何转发数据；若数据包不能直接转发到目的主机，则选择合适的下一跳
• ICMP协议：用于检测网络连接

2.2 ICMP协议

分类：

• 差错报文：回应网络错误（网络不可达或重定向）
• 查询报文：查询网络信息（ping）

报文格式：

3. 传输层

作用：为两台主机上的应用程序提供端到端的通讯

网络层和传输层的区别：传输层只关心通讯的起始和目的端，不在于中转过程

传输层协议：

• TCP协议：为应用层提供可靠、面向连接和基于流的服务。TCP协议使用超时重传、数据ACK等方式确保数据正确发送到目的端；通信双发需先建立连接，并在内核维护连接的状态、读写缓冲区、定时器等数据结构。TCP协议基于流，发送端可以逐个字节向数据流写入数据；接收端逐个字节解析
• UDP协议：不可靠、无连接、给予数据报的传输协议。使用UDP协议的应用程序需要自己做数据确认、超时重传等逻辑。
• SCTP协议：流控制传输协议

4. 应用层

作用：在用户空间实现，负责众多逻辑（文件传输、名称查询、网络管理）

协议：telnet、DNS、OSPF

二、封装

封装的目的：上层协议使用下层协议服务的方式，发送数据时，应用程序按协议栈从上到下传递数据

名词定义：

• TCP报文段：经过TCP封装后的数据，包含TCP头部信息与TCP内核缓冲区（接收/发送缓冲区）

• UDP数据报：经过UDP封装后的数据。UDP无需为应用层数据保存副本。若应用程序需要实现丢失重传，需要将丢失的数据从用户空间拷贝到UDP内核发送缓冲区
• IP数据报：经过IP层封装后的数据。包含头部信息和数据部分；数据部分为TCP报文段/UDP数据报/ICMP报文
• 帧：经过数据链路层封装后的数据。传输介质不同，帧的类型也不同。
• MTU：帧最大传输单元，帧最多能携带多少上层协议数据。MTU受网络类型的限制，当IP数据报过大时，需要分片传输

过程：

1. 发送端调用send/write函数，向TCP链接写入数据
2. 内核TCP模块将数据复制到连接对应的TCP内核发送缓冲区
3. TCP模块将TCP报文段作为参数，调用IP模块提供的函数，产出IP数据报
4. IP数据报继续经过数据链路层封装，形成帧
5. 帧为在网络中传输的字节序列，至此封装完成

三、分用

四、测试网络

五、ARP协议工作原理

六、DNS查询和应答报文

七、socket和TCP/IP协议族的关系