TCP/IP 协议如何处理数据通信

当用户发出使用 TCP/IP 应用层协议的命令时，即会启动一系列事件。用户命令或消息通过本地系统上的 TCP/IP 协议栈进行传递，然后，通过网络介质传递到远程系统上的协议。发送主机的每一层上的协议都会向原始数据添加信息。

发送主机的每一层上的协议还会与接收主机上的对等协议进行交互。图 1-1 显示了这种交互。

数据封装和 TCP/IP 协议栈

包是指通过网络传输的基本信息单元。基本的包由头（包含发送系统和接收系统的地址）和正文或有效负荷（包含要传送的数据）组成。当包经由 TCP/IP 协议栈时，每一层上的协议都会在基本头中添加或删除字段。当发送系统上的协议向包头中添加数据时，此过程即被称为数据封装。此外，每一层对于已更改的包都有不同的称呼，如下图中所示。

图 1-1 包如何经由 TCP/IP 栈

本节概述了包的生命周期。发出命令或发送消息时，生命周期即会开始。接收系统上的相应应用程序收到包时，生命周期即会完成。

应用层：通信的起源

当一个系统上的用户发送消息或发出必须访问远程系统的命令时，即会开始包的历史记录。应用协议会设置包的格式，以便相应的传输层协议（TCP 或 UDP）可以对包进行处理。

假定用户发出 rlogin 命令以登录到远程系统，如图 1-1 中所示。rlogin 命令会使用 TCP 传输层协议。TCP 希望以包含命令信息的字节流的形式接收数据。因此，rlogin 可将此数据作为 TCP 流进行发送。

传输层：数据封装开始的位置

当数据到达传输层时，该层上的协议即会开始数据封装过程。传输层会将应用程序数据封装到传输协议数据单元中。

传输层协议可在发送应用程序和接收应用程序（以传输端口号区分）之间创建虚拟数据流。端口号可标识端口，端口是内存中接收或发送数据的专用位置。此外，传输协议层可能还会提供其他服务，如可靠的、按顺序的数据传送。最终结果取决于是 TCP、SCTP 还是 UDP 处理信息。

TCP 段

TCP 通常称为“面向连接的”协议，这是因为 TCP 可确保将数据成功传送到接收主机。图 1-1 说明了 TCP 协议如何接收来自 rlogin 命令的流。然后，TCP 将从应用层收到的数据分成多个段，再向每个段中附加一个头。

段头包含发送端口和接收端口、段排序信息以及称为校验和的一个数据字段。两台主机上的 TCP 协议都会使用校验和数据来确定数据传送是否出现错误。

建立 TCP 连接

TCP 使用段来确定接收系统是否准备好接收数据。当用于发送的 TCP 需要建立连接时，TCP 会将一个称为 SYN 的段发送到接收主机上的 TCP 协议。用于接收的 TCP 将返回一个称为 ACK 的段以确认是否成功收到段。用于发送的 TCP 会发送另一个 ACK 段，然后继续发送数据。这种控制信息的交换称为三次握手。

UDP 包

UDP 是一种“无连接”协议。与 TCP 不同，UDP 不会检查数据是否已到达接收主机。相反，UDP 会将从应用层收到的消息的格式设置为 UDP 包。UDP 会向每个包中附加一个头。此头包含发送端口和接收端口、包含包长度的字段以及校验和。

发送 UDP 进程会尝试将包发送到接收主机上的对等 UDP 进程。应用层将确定接收 UDP 进程是否会确认包的接收。UDP 不需要任何接收通知。UDP 不使用三次握手。

Internet 层：准备传送包的位置

传输协议 TCP、UDP 和 SCTP 会将其段和包向下传递到 Internet 层，IP 协议将在该位置处理这些段和包。IP 通过将这些段和包的格式设置为多个称为 IP 数据报的单元，准备对其进行传送。然后，IP 会确定数据报的 IP 地址，以便将其高效地传送到接收主机。

IP 数据报

IP 除了向段或包的头中附加由 TCP 或 UDP 添加的信息之外，还会附加 IP 数据包头。IP 数据包头中的信息包括发送主机和接收主机的 IP 地址、数据报长度以及数据报排序顺序。如果数据报超过网络包允许的字节大小而必须进行分段，则会提供此信息。

数据链路层：成帧位置

数据链路层协议（如 PPP）会将 IP 数据报的格式设置为帧。这些协议将附加第三个头和一个脚注，以便对数据报执行“成帧”操作。帧标题包括循环冗余码校验 (cyclic redundancy check, CRC) 字段，用于检查帧经由网络介质时是否出现错误。然后，数据链路层会将帧传递到物理层。

物理网络层：帧的发送和接收位置

发送主机上的物理网络层会接收帧，并且将 IP 地址转换为适合网络介质的硬件地址。然后，物理网络层会通过网络介质将帧向外发送。

接收主机如何处理包

包到达接收主机时，其经过 TCP/IP 协议栈的顺序与发送时相反。图 1-1 说明了此路径。此外，接收主机上的每种协议还会删除头信息，该信息通过发送主机上的对等协议附加到包中。

将会发生以下过程：

物理网络层接收帧格式的包。物理网络层会计算包的 CRC，然后将帧发送到数据链路层。
数据链路层检验帧的 CRC 是否正确，然后删除帧标题和 CRC。最后，数据链路层将帧发送到 Internet 层。
Internet 层读取头中的信息以识别传输。然后，Internet 层将确定包是否为分段包。如果分段进行传输，则 IP 会将分段重新汇编成原始数据报。然后，IP 将删除 IP 数据包头并将数据报传递到传输层协议。
传输层（TCP、SCTP 和 UDP）读取头以确定必须接收数据的应用层协议。然后，TCP、SCTP 或 UDP 将删除其相关的头。TCP、SCTP 或 UDP 将消息或流发送到接收应用程序。
应用层接收消息。然后，应用层将执行发送主机所请求的操作。

TCP/IP 内部跟踪支持

TCP/IP 通过在 RST 包终止连接时记录 TCP 通信来提供内部跟踪支持。传送或接收 RST 包时，所传送的 10 个包中的信息将与连接信息一起记录。

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