（二）TCP/IP四層模型

1、基本介紹

TCP/IP協(xié)議，也稱TCP/IP協(xié)議族或TCP/IP協(xié)議棧，其中：

TCP：Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議
IP： Internet Protocol 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

該協(xié)議是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的協(xié)議，是以TCP和IP為基礎(chǔ)的不同層次上多個協(xié)議的集合，兩臺主機要實現(xiàn)通訊，都必須遵守TCP/IP協(xié)議。
　　
　　以下是ISO/OSI七層模型與TCP/IP四層模型對比：

相同點：

  1. ISO/OSI參考模型和TCP/IP參考模型都采用了層次結(jié)構(gòu)的概念；
  2. 都能夠提供面向連接(TCP協(xié)議)和無連接(UDP協(xié)議)兩種通信服務(wù)機制。

不同點：

  1. 前者是七層模型結(jié)構(gòu)，后者是四層模型結(jié)構(gòu)；
  2. 對可靠性要求不同，TCP/IP參考模型的要求更高；
  3. ISO/OSI參考模型是在協(xié)議開發(fā)之前設(shè)計的，具有通用性；TCP/IP參考模型則是在協(xié)議集已有的情況下建立的，不適用非TCP/IP網(wǎng)絡(luò)；
  4. 實際市場應(yīng)用不同， ISO/OSI參考模型只是理論上的模型，并沒有成熟的產(chǎn)品支持；而TCP/IP參考模型已經(jīng)成為“實際上的國際標準”。

2、網(wǎng)絡(luò)接口層

網(wǎng)絡(luò)接口層與OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相對應(yīng)，它負責(zé)監(jiān)視數(shù)據(jù)在主機和網(wǎng)絡(luò)之間的交換。實際上TCP/IP本身并未定義該層的協(xié)議，而由參與互聯(lián)的各個網(wǎng)絡(luò)使用其自己的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，然后與TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口層進行連接。
　　地址解析協(xié)議(ARP)工作在此層，即OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，負責(zé)將IP地址轉(zhuǎn)譯成MAC地址，可在系統(tǒng)的命令提示符中輸入“arp -a”來查看：

3、網(wǎng)際互聯(lián)層

網(wǎng)際互聯(lián)層對應(yīng)OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，主要解決主機到主機的通信問題。
　　該層有3個主要協(xié)議：網(wǎng)際協(xié)議(IP)、互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議(IGMP)、互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議(ICMP)。其中互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議(ICMP)可以用來查看當(dāng)前計算機是否與某指定IP的計算機實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通，利用該協(xié)議可以給指定IP發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，當(dāng)收到回復(fù)后，證明網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)互相連通，可在系統(tǒng)的命令提示符中輸入“ping 192.168.XXX.X(某IP地址)”來查看：

4、傳輸層

傳輸層對應(yīng)OSI參考模型的傳輸層，為應(yīng)用層實體提供端到端的通信功能，保證了數(shù)據(jù)包的順序傳送及數(shù)據(jù)的完整性。該層有兩個最主要的功能，第一定義了兩個主要的協(xié)議：傳輸控制協(xié)議(TCP)、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)，其中TCP協(xié)議是可靠的、面向連接的協(xié)議；UDP協(xié)議是不可靠的，面向無連接的協(xié)議；第二，確定接收端的端口號即發(fā)送端的端口號。
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1.端口

當(dāng)我們發(fā)送或接受數(shù)據(jù)時，通過IP地址可以確定目標計算機，但該主機可以提供許多服務(wù)，比如Web服務(wù)、FTP服務(wù)、SMTP服務(wù)等，主機如何區(qū)分并確定應(yīng)該使用哪項服務(wù)來處理數(shù)據(jù)就是通過端口號。
　　端口號分為源端口和目的端口，各占16位，因此，總共可用的端口號總數(shù)為2^16，即從0開始至65535，共計65536個。端口分為以下三類：

  • 周知端口
    周知端口是眾所周知的端口號，范圍從0到1023，例如80端口分配給WWW服務(wù)，21端口分配給FTP服務(wù)等，其他常用端口號詳見本篇第五部分“應(yīng)用層”。
  • 注冊端口
    端口1024到49151，分配給用戶進程或應(yīng)用程序；這些進程主要是用戶選擇安裝的一些應(yīng)用程序，而不是已經(jīng)分配好了公認端口的常用程序；這些端口在沒有被服務(wù)器資源占用的時候，可以用用戶端動態(tài)選用為源端口。
  • 動態(tài)端口
    動態(tài)端口的范圍是從49152到65535。之所以稱為動態(tài)端口，是因為它 一般不固定分配某種服務(wù)，而是動態(tài)分配。

可在系統(tǒng)的命令提示符中輸入“netstat -an”來查看，其中：

“-a”是查看所有連接和監(jiān)聽接口
“-n”是顯示IP地址和端口號，而不顯示域名和服務(wù)名



注意：
1.最下方紅色方框圈起的表示本機的隨機端口連接到對方的80端口，說明本機開啟了網(wǎng)頁服務(wù)；
2.關(guān)于常見的幾種“狀態(tài)”：LISTENING代表正在被監(jiān)聽，表明開啟了一些本機服務(wù)，ESTABLISHED代表已連接，并且在持續(xù)連接的狀態(tài)，CLOSE_WAIT、TIME_WAIT表示連接超時；
3.UDP協(xié)議不像TCP協(xié)議那樣需要首先經(jīng)過“三次握手”確認對方是否存在，而是直接傳送數(shù)據(jù)，因此不需要監(jiān)聽，也就不會有狀態(tài)；
4.此方法也可用于判斷并確定對方的IP地址。

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2.TCP協(xié)議

下面著重講解TCP協(xié)議的“三次握手”，在此之前先來了解TCP報文及格式：當(dāng)應(yīng)用層向TCP層發(fā)送用于網(wǎng)間傳輸?shù)?、?位字節(jié)表示的數(shù)據(jù)流時，TCP會把數(shù)據(jù)流分割成適當(dāng)長度的報文段，之后TCP把數(shù)據(jù)包傳給IP層，由它來通過網(wǎng)絡(luò)將包傳送給接收端實體的TCP層，TCP的報文格式如下：

上圖中有幾個字段需要重點介紹下：

  1. 序號：seq序號，占32位，用來標識從TCP源端向目的端發(fā)送的字節(jié)流，發(fā)起方發(fā)送數(shù)據(jù)時對此進行標記。
  2. 確認序號：ack序號，占32位，只有ACK標志位為1時，確認序號字段才有效，ack=seq+1。
  3. 標志位：共6個，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具體含義如下：
    URG：緊急指針有效。
    ACK：確認序號有效。
    PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個報文交給應(yīng)用層。
    RST：重置連接。
    SYN：發(fā)起一個新連接。
    FIN：釋放一個連接。

再來看三次握手（Three-Way Handshake），即建立TCP連接，指建立一個TCP連接時，需要連接雙方總共發(fā)送3個包以確認連接的建立。TCP為了保證報文傳輸?shù)目煽?，就給每個包一個序號，同時序號也保證了傳送到接收端實體的包的按序接收。然后接收端實體對已成功收到的字節(jié)發(fā)回一個相應(yīng)的確認(ACK)；如果發(fā)送端實體在合理的往返時延(RTT)內(nèi)未收到確認，那么對應(yīng)的數(shù)據(jù)（假設(shè)丟失了）將會被重傳，整個流程如下圖所示：

  1. 第一次握手：主機A將標志位SYN置為1，隨機產(chǎn)生一個值seq=J，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給主機B，主機A進入SYN_SENT狀態(tài)，等待主機B確認。
  2. 第二次握手：主機B收到數(shù)據(jù)包后由標志位SYN=1得知主機A請求建立連接，主機B將標志位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產(chǎn)生一個值seq=K，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給主機A以確認連接請求，主機B進入SYN_RCVD狀態(tài)。
  3. 第三次握手：主機A收到確認后，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標志位ACK置為1，ack=K+1，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給主機B，主機B檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，主機A和主機B進入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手，隨后就可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

關(guān)于“三次握手”的由來，可以參考這個經(jīng)典的兩軍問題。

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3.UDP協(xié)議

最后簡單介紹一下UDP協(xié)議，報文格式如下：



　　跟之前的TCP協(xié)議報文格式相比，明顯更加精簡，這也意味著解析UDP包頭所需要的資源更少，因此UDP協(xié)議傳輸?shù)母臁?/p>

5、應(yīng)用層

應(yīng)用層對應(yīng)OSI參考模型的高層，為用戶提供所需要的各種服務(wù)，常用協(xié)議如下：

  1. DNS:域名系統(tǒng)
    端口號53
    DNS是因特網(wǎng)使用的命名系統(tǒng)，用來把便于人們使用的機器名字轉(zhuǎn)換為IP地址。

  2. FTP:文件傳輸協(xié)議
    端口號21用于FTP的登陸認證，端口號20用于實際的數(shù)據(jù)傳輸
    FTP是因特網(wǎng)上使用得最廣泛的文件傳送協(xié)議。FTP提供交互式的訪問，允許客戶指明文件類型與格式，并允許文件具有存取權(quán)限。

  3. Telnet:遠程登錄協(xié)議
    端口號23
    Telnet是一個簡單的遠程登錄協(xié)議，它也是因特網(wǎng)的正式標準。
    但是需要注意，現(xiàn)在默認不開啟23端口，因為Telnet協(xié)議在后臺使用明文傳遞，只要被截獲就可以讀取傳遞的數(shù)據(jù)，甚至不需要破解，因此要盡可能的不使用23端口而使用其他服務(wù)代替。

  4. HTTP:超文本傳輸協(xié)議
    端口號80
    HTTP是面向?qū)ο蟮膽?yīng)用層協(xié)議，它是萬維網(wǎng)上能夠可靠地交換文件的重要基礎(chǔ)。HTTP使用面向連接的TCP作為運輸層協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

  5. SMTP:簡單郵件傳送協(xié)議
    端口號25
    SMTP規(guī)定了在兩個相互通信的SMTP進程之間應(yīng)如何交換信息。SMTP通信的三個階段：建立連接、郵件傳送、連接釋放。

  6. POP3：郵件讀取協(xié)議
    端口號110
    POP3(Post Office Protocol 3)協(xié)議通常被用來接收電子郵件。

6、數(shù)據(jù)的封裝與街封裝

通過示例可以更直觀的了解數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程，同時為了便于閱讀文字，動畫切換間隔設(shè)置的比較長。

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