完全認識計算機網路之TCP/IP
原文的連結：非常感謝仁兄的作品，本文在此基礎上加上了一些參考
TCP/IP詳解學習筆記(1)-基本概念
在世界上各地，各種各樣的電腦執行著各自不同的作業系統為大家服務，這些電腦在表達同一種資訊的時候所使用的方法是千差萬別。就好像聖經中上帝打亂了各地人的口音，讓他們無法合作一樣。計算機使用者意識到，計算機只是單兵作戰並不會發揮太大的作用。只有把它們聯合起來，電腦才會發揮出它最大的潛力。於是人們就想方設法的用電線把電腦連線到了一起。
但是簡單的連到一起是遠遠不夠的，就好像語言不同的兩個人互相見了面，完全不能交流資訊。因而他們需要定義一些共通的東西來進行交流，TCP/IP就是為此而生。
提到協議分層，我們很容易聯想到ISO-OSI的七層協議經典架構（應用層HTTP/HTTPS，FTP，POP3,DNS；表示層主要是解釋通訊資料的意義，如程式碼轉換、格式變換等，使不同的終端可以表示。
還包括加密與解密、壓縮與解壓縮等；會話層主要內容是通過會話進行身份驗證、會話管理和確定通訊方式。一旦建立連線，會話層的任務就是管理會話；傳輸層
物理層協議有：美國電子工業協會(EIA)的RS232，RS422，RS423，RS485等；國際電報電話諮詢委員會(CCITT)的X.25、X.21等；物理層的資料單位是位(BIT)，典型裝置是集線器HUB。這層主要和硬體有關，與軟體關係不大），但是TCP/IP協議族的結構則稍有不同。如圖所示
TCP/IP協議族按照層次由上到下，層層包裝。最上面的就是應用層了，這裡面有http，ftp,等等我們熟悉的協議。而第二層則是傳輸層，著名的TCP和UDP協議就在這個層次（不要告訴我你沒用過udp玩星際）。第三層是網路層，IP協議就在這裡，它負責對資料加上IP地址和其他的資料（後面會講到）以確定傳輸的目標。第四層是叫資料鏈路層，這個層次為待傳送的資料加入一個乙太網協議頭，並進行CRC編碼，為最後的資料傳輸做準備。再往下則是硬體層次了，負責網路的傳輸，這個層次的定義包括網線的制式，網絡卡的定義等等（這些我們就不用關心了，我們也不做網絡卡），所以有些書並不把這個層次放在tcp/ip協議族裡面，因為它幾乎和tcp/ip協議的編寫者沒有任何的關係。傳送協議的主機從上自下將資料按照協議封裝，而接收資料的主機則按照協議從得到的資料包解開，最後拿到需要的資料。這種結構非常有棧的味道，所以某些文章也把tcp/ip協議族稱為tcp/ip協議棧。
在學習協議之前，我們應該具備一些基本知識。
·網際網路地址(ip地址)
網路上每一個節點都必須有一個獨立的Internet地址（也叫做IP地址）。現在，通常使用的IP地址是一個32bit的數字，也就是我們常說的IPv4標準，這32bit的數字分成四組，也就是常見的255.255.255.255的樣式。IPv4標準上，地址被分為五類，我們常用的是B類地址。需要注意的是IP地址是網路號+主機號的組合，這非常重要。
IP地址分為A,B,C,D,E五類。
網路號：用於識別主機所在的網路；
主機號：用於識別該網路中的主機。
其中A類分配給政府機關使用，B類地址給大中型企業使用，C類地址給個人使用。這三種是主要的。
IP地址分為五類，A類保留給政府機構，B類分配給中等規模的公司，C類分配給任何需要的人，D類用於組播，E類用於實驗，各類可容納的地址數目不同。
其中A類、B類、和C類這三類地址用於TCP/IP節點，其它兩類D類和E類被用於特殊用途。
A、B、C三類IP地址的特徵：當將IP地址寫成二進位制形式時，A類地址的第一位總是O，B類地址的前兩位總是10，C類地址的前三位總是110。
1. A類地址
⑴ A類地址第1位元組為網路地址，其它3個位元組為主機地址。
⑵ A類地址範圍：1.0.0.1—126.155.255.254
⑶ A類地址中的私有地址和保留地址：
① 10.X.X.X是私有地址（所謂的私有地址就是在網際網路上不使用，而被用在區域網絡中的地址）。
② 127.X.X.X是保留地址，用做迴圈測試用的。
2. B類地址
⑴ B類地址第1位元組和第2位元組為網路地址，其它2個位元組為主機地址。
⑵ B類地址範圍：128.0.0.1—191.255.255.254。
⑶ B類地址的私有地址和保留地址
① 172.16.0.0—172.31.255.255是私有地址
② 169.254.X.X是保留地址。如果你的IP地址是自動獲取IP地址，而你在網路上又沒有找到可用的DHCP伺服器。就會得到其中一個IP。
3. C類地址
⑴ C類地址第1位元組、第2位元組和第3個位元組為網路地址，第4個個位元組為主機地址。另外第1個位元組的前三位固定為110。
⑵ C類地址範圍：192.0.0.1—223.255.255.254。
⑶ C類地址中的私有地址：
192.168.X.X是私有地址。
4. D類地址
⑴ D類地址不分網路地址和主機地址，它的第1個位元組的前四位固定為1110。
⑵ D類地址範圍：224.0.0.1—239.255.255.254
5. E類地址
⑴ E類地址也不分網路地址和主機地址，它的第1個位元組的前五位固定為11110。
⑵ E類地址範圍：240.0.0.1—255.255.255.254
·域名系統
域名系統是一個分佈的資料庫，它提供將主機名（就是網址啦）轉換成IP地址的服務。
·RFC
RFC是什麼？RFC就是tcp/ip協議的標準文件，在這裡我們可以看到RFC那長長的定義列表，現在它一共有4000多個協議的定義，當然，我們所要學習的，也就是那麼十幾個協議而已。
·埠號(port)
注意，這個號碼是用在TCP，UDP上的一個邏輯號碼，並不是一個硬體埠，我們平時說把某某埠封掉了，也只是在IP層次把帶有這個號碼的IP包給過濾掉了而已。
·應用程式設計介面
現在常用的程式設計介面有socket和TLI。而前面的有時候也叫做“Berkeley socket”，可見Berkeley對於網路的發展有多大的貢獻。
·資料的封裝
當應用程式用TCP傳送資料時，資料被送入協議棧中，然後逐個通過每一層，直接到當作一串位元流送入網路。其中每一層對收到的資料都要加一些首部資訊（有時還要增加尾部資訊）
資料鏈路層有三個目的：
·為IP模組傳送和 接收IP資料報。
·為ARP模組傳送ARP請求和接收ARP應答。
·為RARP傳送RARP請 求和接收RARP應答
ip大家都聽說過。至於ARP和RARP，ARP叫做地址解析協議，是用IP地址換MAC地址的一種協議，而RARP則叫做逆地址解析協議，在tcp/ip協議的後面章節會介紹它們（在局域網裡面用ARP協議可以很容易的搞癱瘓網路哦）
資料鏈路層的協議還是很多的，有我們最常用的乙太網（就是平時我們用的網絡卡）協議，也有不太常見的令牌環，還有FDDI，當然，還有國內現在相當普及的PPP協議（就是adsl寬頻），以及一個loopback協議。
聯絡linux裡面的ifconfig -a命令，這個命令通常會得到如下的結果
eth0 Link encap:Ethernet HWaddr 00:01:4A:03:5B:ED
inet addr:192.168.11.2 Bcast:192.168.11.255 Mask:255.255.255.0
inet6 addr: fe80::201:4aff:fe03:5bed/64 Scope:Link
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:2819 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:76 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:1000
RX bytes:241609 (235.9 KiB) TX bytes:9596 (9.3 KiB)
lo Link encap:Local Loopback
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1
RX packets:2713 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:2713 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:3516032 (3.3 MiB) TX bytes:3516032 (3.3 MiB)
其中，eth0就是乙太網介面，而lo則是loopback介面。這也說明這個主機在網路鏈路層上至少支援loopback協議和乙太網協議。
乙太網（Ether-net）的定是指數字裝置公司（ Digital Equipment Corp.）、英特爾公司（Intel Corp.）和Xerox公司在1982年聯合公佈的一個標準，這個標準裡面使用了一種稱作CSMA/CD的接入方法。而IEEE802提供的標準集802.3(還有一部分定義到了802.2中)也提供了一個CSMA/CD的標準。這兩個標準稍有不同，TCP/IP協議對這種情況的處理方式如下:
·乙太網的IP資料報封裝在RFC894中定義，而IEEE802網路的IP資料報封裝在RFC1042中定義。
·一臺主機一定要能傳送和接收RFC894定義的資料報。
·一臺主機可以接收RFC894和RFC1042的封裝格式的混合資料報。
·一臺主機也許能夠傳送RFC1042資料報。。如果主機能同時傳送兩種型別的分組數 據，那麼傳送的分組必須是可以設定的，而且預設條件下必須是RFC 894分組。
可見，RFC1042在TCP/IP裡面處於一個配角的地位。這兩種不同的資料報格式請參考教材。
ppp(點對點協議)是從SLIP的替代品。他們都提供了一種低速接入的解決方案。而每一種資料鏈路層協議，都有一個MTU（最大傳輸單元）定義，在這個定義下面，如果IP資料報過大，則要進行分片(fragmentation)，使得每片都小於MTU，注意PPP的MTU並不是一個物理定義，而是指一個邏輯定義（個人認為就是用程式控制）。可以用netstat來打印出MTU的結果，比如鍵入netstat -in
Kernel Interface table
Iface MTU Met RX-OK RX-ERR RX-DRP RX-OVR TX-OK TX-ERR TX-DRP TX-OVR Flg
eth0 1500 0 1774 0 0 0 587 0 0 0 BMRU
lo 16436 0 2667 0 0 0 2667 0 0 0 LRU
就可以觀察到eth0的MTU是1500。而lo（環回介面）的MTU則是16436。
最後說說那個環回介面（loopback）。平時我們用127.0.0.1來嘗試自己的機器伺服器好使不好使。走的就是這個loopback介面。對於環回介面，有如下三點值得注意:
·傳給環回地址（一般是127.0.0.1）的任何資料均作為I P輸入。
·傳給廣播地址或多播地址的資料報復制一份傳給環回介面，然後送到乙太網上。這是 因為廣播傳送和多播傳送的定義包含主機本身。
·任何傳給該主機IP地址的資料均送到環回介面。
把這三個協議放到一起學習是因為這三個協議處於同一層，ARP協議用來找到目標主機的Ethernet網絡卡Mac地址，IP則承載要傳送的訊息。資料鏈路層可以從ARP得到資料的傳送資訊，而從IP得到要傳輸的資料資訊。
1.IP協議
IP協議是TCP/IP協議的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGCP的資料都以IP資料格式傳輸。要注意的是，IP不是可靠的協議，這是說，IP協議沒有提供一種資料未傳達以後的處理機制--這被認為是上層協議--TCP或UDP要做的事情。所以這也就出現了TCP是一個可靠的協議，而UDP就沒有那麼可靠的區別。這是後話，暫且不提
1.1.IP協議頭
如圖所示
挨個解釋它是教科書的活計，我感興趣的只是那八位的TTL欄位，還記得這個欄位是做什麼的麼?這個欄位規定該資料包在穿過多少個路由之後才會被拋棄(這裡就體現出來IP協議包的不可靠性，它不保證資料被送達)，某個ip資料包每穿過一個路由器，該資料包的TTL數值就會減少1，當該資料包的TTL成為零，它就會被自動拋棄。這個欄位的最大值也就是255，也就是說一個協議包也就在路由器裡面穿行255次就會被拋棄了，根據系統的不同，這個數字也不一樣，一般是32或者是64，Tracerouter這個工具就是用這個原理工作的，tranceroute的-m選項要求最大值是255，也就是因為這個TTL在IP協議裡面只有8bit。
現在的ip版本號是4，所以也稱作IPv4。現在還有IPv6，而且運用也越來越廣泛了。
1.2.IP路由選擇
當一個IP資料包準備好了的時候，IP資料包(或者說是路由器)是如何將資料包送到目的地的呢?它是怎麼選擇一個合適的路徑來"送貨"的呢?
最特殊的情況是目的主機和主機直連，那麼主機根本不用尋找路由，直接把資料傳遞過去就可以了。至於是怎麼直接傳遞的，這就要靠ARP協議了，後面會講到。
稍微一般一點的情況是，主機通過若干個路由器(router)和目的主機連線。那麼路由器就要通過ip包的資訊來為ip包尋找到一個合適的目標來進行傳遞，比如合適的主機，或者合適的路由。路由器或者主機將會用如下的方式來處理某一個IP資料包