1 TCP/IP概述
1.1 TCP/IP的定义与起源
TCP/IP 协议，全称为 Transmission Control Protocol/Internet Protocol，中文名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议。这是 Internet 最基本的协议，也是 Internet 国际互联网络的基础。它主要由网络层的 IP 协议和传输层的 TCP 协议组成，定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。
TCP/IP 协议的起源可以追溯到上世纪 60 年代末，当时美国政府资助的一个分组交换网络研究项目成为了其诞生的摇篮。这一项目旨在建立一个分散的、具有冗余性的网络架构，以保证网络的可靠性和稳定性。为了实现全球范围内的互联网络，需要一种通用的协议来连接不同类型的设备和网络，TCP/IP 协议应运而生，成为了互联网的基础通信协议。
具体来说，TCP/IP 起源于 1969 年美国国防部高级研究计划局（ARPA）发起的一个名为 ARPANET 的项目。ARPANET 最初是一个实验性的分组交换广域网，用于连接美国的几所大学和军事机构，进行计算机之间的数据通信。为了实现这一目标，科学家们开始探索一种新的通信协议，这就是 TCP/IP 协议的雏形。
最初，TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和 IP（Internet Protocol，因特网协议）是作为两个独立的协议开发的。TCP 负责数据的可靠传输，通过序列号、确认应答、超时重传等机制确保数据的完整性和顺序性。而 IP 则负责数据包的路由和分发，通过为每台联网设备分配一个唯一的 IP 地址，实现数据包的正确传输和目的地的定位。
随着时间的推移，TCP 和 IP 这两个协议相互依赖且紧密结合，形成了 TCP/IP 协议套件。这个套件不仅包含了网络层的 IP 协议和传输层的 TCP 协议，还涵盖了其他多个层次的协议，共同构成了一个完整的网络通信体系。
TCP/IP 协议的设计目标是实现一种分层的协议体系。这种体系使得每一层都负责特定的功能，并通过层与层之间的接口协同工作。其中，TCP 负责发现传输的问题，并在出现问题时发出信号，要求重新传输，直到所有数据都安全正确地传输到目的地。而 IP 则是为因特网的每一台联网设备规定一个地址。这种分工使得 TCP/IP 协议能够高效、稳定地处理网络中的数据传输。
TCP/IP 协议通常被认为是一个四层协议系统，包括链路层（也称为数据链路层或网络接口层）、网络层、传输层和应用层。每一层都有其特定的职责和功能，共同确保数据在网络中的正确传输。
1.2 TCP/IP 与 OSI 的关系
TCP/IP 与 OSI 的关系是一个涉及网络通信协议和模型设计的复杂话题。两者虽然都是用于描述和规范网络通信的体系，但它们在结构、设计理念以及应用上存在着显著的区别和联系。
首先，从模型结构的角度来看，TCP/IP 是一个协议簇，而 OSI 则是一个七层的参考模型。TCP/IP 模型将网络通信划分为四个层次：网络接口层、网络层、传输层和应用层。这种划分方式注重实际应用和效率，使得每一层都专注于特定的功能，降低了开发和维护的复杂性。而 OSI 模型则更加全面和细致，它将网络通信划分为七个层次：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。这种划分方式更加理论化，强调每一层之间的独立性和交互性，有助于理解网络通信的整个过程。
其次，从设计理念的角度来看，TCP/IP 和OSI有着不同的侧重点。TCP/IP 注重实用性和效率，它强调协议的简单性和可靠性，以满足互联网快速发展的需求。TCP/IP 协议簇中的许多协议都是针对特定问题而设计的，例如 TCP 协议用于提供可靠的、面向连接的传输服务，而 UDP 协议则用于提供无连接的、不可靠的传输服务。相比之下，OSI模型则更加注重标准化和通用性。它试图为所有类型的网络提供一个统一的框架，使得不同网络之间的互操作性成为可能。然而，由于OSI模型过于复杂和理论化，它在实际应用中并没有得到广泛采用。
再次，从应用和实践的角度来看，TCP/IP 模型在实际网络通信中占据主导地位。这是因为 TCP/IP 协议簇具有简单、高效、灵活等特点，能够适应各种复杂的网络环境和应用需求。例如，在互联网中，TCP/IP 协议簇被广泛应用于数据传输、远程控制、电子商务等领域。而OSI模型虽然为网络协议的设计和开发提供了理论框架和指导，但由于其复杂性和难以实现性，它在实际应用中并没有得到广泛推广。
此外，TCP/IP 与 OSI 之间还存在相互影响和借鉴的关系。一方面，TCP/IP 模型在设计过程中借鉴了OSI模型的一些概念和方法，例如分层思想、接口定义等。这使得 TCP/IP 模型在保持实用性的同时，也具有一定的理论性和通用性。另一方面，OSI 模型也在一定程度上影响了 TCP/IP 的发展。例如，OSI 模型对网络通信过程的细致划分和描述，有助于人们更深入地理解网络通信的原理和机制，从而为 TCP/IP 协议簇的设计和优化提供了有益的参考。
总的来说，TCP/IP 与 OSI 之间的关系可以概括为相互借鉴、相互影响但又各具特色的关系。两者在网络通信领域都发挥着重要的作用，但各有其优势和适用场景。TCP/IP 模型以其简单、高效、灵活的特点在实际应用中占据主导地位，而 OSI 模型则以其全面、细致的理论框架为网络协议的设计和开发提供了有益的指导。
2 TCP/IP 四层模型概述
2.1 TCP/IP 四层模型的基本构成
TCP/IP 四层模型的基本构成包括以下几个层次：
- 网络接口层（或称为数据链路层）：这是TCP/IP模型的最低层，主要负责处理物理网络上的数据传输。它负责接收从网络层传来的IP数据包，通过物理网络发送出去，或者从物理网络上接收数据帧，然后提取出 IP 数据包交给网络层。此外，它还管理实际的网络媒体，定义如何使用特定的网络（如 Ethernet、Serial Line 等）来传输数据。
- 网络层（或称为网络互连层）：该层负责处理数据包的选路和转发。它接收来自传输层的分组发送请求，处理输入的数据报和 ICMP 报文，确保数据包能够到达正确的目的地。网络层的核心协议是 IP 协议，它负责为数据包提供唯一的地址，使得数据包可以在不同的网络之间进行传输。
- 传输层：传输层的主要功能是为两台主机上的应用程序提供端到端的通信服务。它提供了节点间的数据传送和应用程序之间的通信服务，主要功能包括数据格式化、数据确认和丢失重传等。在这一层中，TCP 和 UDP 是两个主要的协议。TCP 提供可靠的、面向连接的传输服务，而 UDP 则提供无连接的、不可靠的传输服务。
- 应用层：应用层是TCP/IP模型的最高层，它主要负责处理应用程序的逻辑。应用层提供了多种网络应用程序的服务，如电子邮件、远程登录、文件传输等。这一层定义了应用程序间沟通的规则，包括SMTP（简单电子邮件传输）、FTP（文件传输协议）和Telnet（网络远程访问协议）等。
这四层模型通过逐层封装和解封装数据，实现了数据在网络中的传输和处理。每一层都完成特定的功能，并通过协议与其他层进行交互，共同确保数据的可靠传输和高效处理。
2.2 数据在 TCP/IP 四层模型中的传输过程
首先，在应用层，数据被封装成特定应用格式的数据段。不同的应用协议，如 SMTP（简单邮件传输协议）、FTP（文件传输协议）等，会对数据进行不同的封装处理，以满足不同应用的需求。
然后，这些数据段被传递给传输层。在传输层，数据段被进一步封装成数据包，并添加传输层头部信息。这个头部信息包含了源端口和目的端口号，以及用于数据校验和错误控制的字段。TCP和 UDP 是传输层的两个主要协议，它们负责提供可靠或不可靠的数据传输服务。
接下来，传输层的数据包被传递给网络层。在网络层，数据包被封装成数据报，并添加网络层头部信息。这个头部信息包含了源IP地址和目的IP地址，以及用于路由选择的字段。IP协议是网络层的核心，它负责将数据报从源主机发送到目的主机。
最后，网络层的数据报被传递给网络接口层（或数据链路层）。在这一层，数据报被封装成帧，并添加链路层头部和尾部信息。这个头部和尾部信息包含了用于物理网络传输的控制信息，如同步序列和帧校验序列。然后，帧通过物理网络介质传输到目标主机。
在目标主机上，这个过程是相反的。网络接口层首先接收到帧，然后逐层解封装，依次通过数据链路层、网络层、传输层，最终到达应用层。每一层在解封装过程中都会检查数据的完整性和正确性，如果发现错误，会采取相应的措施，如请求重传或丢弃数据包。
这样，数据就通过 TCP/IP 四层模型在源主机和目标主机之间进行了可靠的传输。这个过程中，每一层都完成了自己的功能，并与其他层协作，共同确保了数据的完整性和安全性。
如下是一个简化的 C++ 代码示例，展示如何使用套接字（sockets）API 来在 TCP/IP 协议栈上进行数据传输（使用的是 Linux socket 组件）。这个示例将主要关注应用层和传输层，因为这两层是应用程序开发者通常直接与之交互的层。
（1）服务器端代码示例
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int server_fd, new_socket;
struct sockaddr_in address;
int opt = 1;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[1024] = {0};
const char *hello = "Hello from server";
// 创建套接字文件描述符
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 强制性地把套接字绑定到本地地址和端口上
if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
perror("setsockopt");
exit(EXIT_FAILURE);
}
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(8080);
// 绑定
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 开始监听连接
if (listen(server_fd, 3) < 0) {
perror("listen");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 接受客户端连接
if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
perror("accept");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 发送欢迎消息给客户端
send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);
printf("Hello message sent\n");
// 读取客户端发送的消息
int valread = read(new_socket, buffer, 1024);
printf("%s\n", buffer);
return 0;
}
（2）客户端代码示例
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int main() {
struct sockaddr_in serv_addr;
int sock = 0, valread;
struct sockaddr_in serv_addr2;
socklen_t len;
char buffer[1024] = {0};
char *hello = "Hello from client";
// 创建套接字文件描述符
if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
printf("\n Socket creation error \n");
return -1;
}
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(8080);
// 将IPv4和IPv6地址从点分十进制转换为二进制形式
if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
printf("\nInvalid address/ Address not supported \n");
return -1;
}
// 连接到远程服务器
if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
printf("\nConnection Failed \n");
return -1;
}
// 发送一些数据到服务器
send(sock, hello, strlen(hello), 0);
printf("Hello message sent\n");
// 接收来自服务器的数据
valread = read(sock, buffer, 1024);
printf("%s\n", buffer);
return 0;
}
上面的代码示例展示了如何使用套接字 API 在应用层创建 TCP 连接，并通过传输层发送和接收数据。在服务器端，代码创建了一个套接字，绑定到本地地址和端口，然后开始监听连接。当客户端连接时，服务器接受连接，发送一条欢迎消息，并读取客户端发送的数据。在客户端，代码创建了一个套接字，连接到服务器的地址和端口，发送一条消息，然后读取服务器的响应。
为了更好的理解数据在 TCP/IP 四层模型中的传输过程，可以结合上面的代码示例和 TCP/IP 的工作原理来进行分析：
（1）应用层：
- 客户端和服务器都在应用层定义了要发送和接收的数据格式。在这个例子中，客户端发送一个字符串"Hello from client"，服务器发送一个字符串"Hello from server"。
- 应用程序通过调用套接字 API（如 send 和 recv）来发送和接收数据。这些 API 函数将数据从应用程序缓冲区传递到传输层。
（2）传输层：
- TCP/IP 栈在传输层为应用层提供可靠的数据传输服务。当应用程序调用 send 函数时，传输层将数据封装成TCP段，并添加 TCP 头部信息，包括源端口和目的端口号、序列号、确认号等。
- TCP 还负责数据的可靠性，通过确认机制、超时重传和流量控制等手段确保数据按序、无误地到达对端。
- 在服务器端，当传输层接收到客户端的数据时，它负责将数据从 TCP 段中提取出来，并传递给应用层。
（3）网络层：
- 网络层负责将数据从源主机路由到目的主机。当传输层将数据传递给网络层时，网络层将数据封装成 IP 数据报，并添加 IP 头部信息，包括源 IP 地址和目的 IP 地址。
- 网络层使用路由算法来选择最佳路径，将 IP 数据报从源主机发送到目的主机。这涉及到查找路由表、处理ICMP消息（如路由不可达）等操作。
- 在传输过程中，数据报可能经过多个路由器和网络设备，每个设备都根据 IP 头部信息来决定下一步的转发方向。
（4）数据链路层：
- 数据链路层负责将数据报封装成帧，并添加帧头部和尾部信息，以便在物理网络上传输。帧头部通常包含源 MAC 地址和目的 MAC 地址，用于在局域网内定位目标设备。
- 数据帧通过物理介质（如以太网、Wi-Fi 等）传输到目标主机。在传输过程中，可能涉及错误检测和纠正机制，如 CRC 校验。
- 在目标主机上，数据链路层负责接收帧，验证其完整性，并将数据报传递给网络层。
最终，当数据报到达目的主机的网络层后，它会逐层向上传递，依次通过传输层和应用层，最终到达目的应用程序。目的应用程序通过调用相应的套接字 API（如 recv）来接收数据。
需要注意的是，这个过程是双向的，即客户端和服务器都会执行类似的步骤来发送和接收数据。此外，TCP/I P协议栈还提供了许多其他功能，如连接管理、流量控制、拥塞控制等，以确保数据的可靠传输和高效利用网络资源。