TCP/IP协议详解与分层模型

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"TCP/IP协议篇" TCP/IP协议是网络通信的核心，它允许不同操作系统和硬件平台的计算机相互间进行通信。TCP/IP起源于美国政府资助的60年代末的分组交换网络研究项目，如今已成为全球互联网即Internet的基础，连接了全球超过100万台计算机。 TCP/IP协议族是基于分层架构的，通常分为四层，每层负责不同的通信任务： 1. 链路层（数据链路层/网络接口层）：这一层包括操作系统中的设备驱动程序和网络接口卡，负责处理与物理传输媒介（如电缆）的交互，确保数据正确传输到网络上。 2. 网络层（互联网层）：主要任务是处理网络中分组的路由选择。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议，用于在不同网络间传输数据；ICMP协议，用于网络诊断和错误报告；以及IGMP协议，用于多播管理。 3. 运输层：提供主机间的端到端通信。TCP（传输控制协议）是这一层的关键协议，它确保数据的可靠性，通过分段、确认、重传和流量控制等功能，为应用层提供高保障的服务。UDP（用户数据报协议）则是一种无连接的协议，它不保证数据的顺序和可靠性，但具有更低的延迟和更高的效率，适合实时应用或不需要复杂错误恢复的场景。 4. 应用层：直接与用户应用程序交互，如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）等。这一层的应用协议规定了特定应用如何利用网络进行数据交换。 TCP/IP的四层模型使得网络通信可以模块化，各层协议独立实现，方便了开发和维护。这种开放系统设计使得任何遵循标准的设备都能加入到网络中，从而促进了互联网的全球化和快速发展。理解TCP/IP协议的工作原理对于网络编程和网络问题的排查至关重要。通过深入学习TCP/IP，开发者可以更好地优化网络应用性能，解决网络通信中的各种问题。

它后续数据的字节长度，但不包括 C R C检验码。以太网的类型字段定义了后续数据的类型。

在8 0 2 标准定义的帧格式中，类型字段则由后续的子网接入协议（ Sub-network Access

P r o t o c o l ，S N A P）的首部给出。幸运的是， 8 0 2定义的有效长度值与以太网的有效类型值无一

相同，这样，就可以对两种帧格式进行区分。

在以太网帧格式中，类型字段之后就是数据；而在 8 0 2 帧格式中，跟随在后面的是 3字节

的802.2 LLC和5字节的802.2 SNAP。目的服务访问点（ Destination Service Access Point,

D S A P ）和源服务访问点（Source Service Access Point, SSAP）的值都设为0 x a a 。Ct r l 字段的

值设为3。随后的3个字节o rg code都置为0。再接下来的2个字节类型字段和以太网帧格式一样

（其他类型字段值可以参见 RFC 1340 [Reynolds and Postel 1992]）。

C R C 字段用于帧内后续字节差错的循环冗余码检验（检验和）（它也被称为F C S 或帧检验

序列）。

8 0 2 . 3 标准定义的帧和以太网的帧都有最小长度要求。 8 0 2 . 3规定数据部分必须至少为 3 8字

节，而对于以太网，则要求最少要有 4 6字节。为了保证这一点，必须在不足的空间插入填充

（p a d）字节。在开始观察线路上的分组时将遇到这种最小长度的情况。

在本书中，我们在需要的时候将给出以太网的封装格式，因为这是最为常见的封装格式。

16使用TCP/IP详解，卷1：协议

目的地址源地址

长度

类型

数据

数据报

38~1492

46~1500

38~1492

请求/应答

46~1500字节

数据

数据报

请求/应答

类型

0800

类型

0806

类型

8035

类型

0800

类型

0806

类型

8035

类型

源地址

目的地址

以太网封装

图2-1 IEEE 802.2/802.3（RFC 1042）和以太网的封装格式（RFC 894）

2.3 尾部封装

RFC 893[Leffler and Karels 1984]描述了另一种用于以太网的封装格式，称作尾部封装

（trailer encapsulation）。这是一个早期B S D 系统在DEC VA X 机上运行时的试验格式，它通过

调整I P 数据报中字段的次序来提高性能。在以太网数据帧中，开始的那部分是变长的字段

（I P 首部和T C P 首部）。把它们移到尾部（在 C R C之前），这样当把数据复制到内核时，就可以

把数据帧中的数据部分映射到一个硬件页面，节省内存到内存的复制过程。 T C P 数据报的长

度是5 1 2字节的整数倍，正好可以用内核中的页表来处理。两台主机通过协商使用 A R P 扩展协

议对数据帧进行尾部封装。这些数据帧需定义不同的以太网帧类型值。

现在，尾部封装已遭到反对，因此我们不对它举任何例子。有兴趣的读者请参阅 RFC 893

以及文献[ L e ffler et al. 1989]的11 . 8节。

2.4 SLIP：串行线路IP

S L I P 的全称是Serial Line IP。它是一种在串行线路上对 I P数据报进行封装的简单形式，在

RFC 1055[Romkey 1988]中有详细描述。S L I P 适用于家庭中每台计算机几乎都有的 R S - 2 3 2串

行端口和高速调制解调器接入 I n t e r n e t。

下面的规则描述了S L I P 协议定义的帧格式：

1) IP数据报以一个称作 E N D （0 x c 0 ）的特殊字符结束。同时，为了防止数据报到来之前

的线路噪声被当成数据报内容，大多数实现在数据报的开始处也传一个 E N D 字符（如果有线

路噪声，那么E N D字符将结束这份错误的报文。这样当前的报文得以正确地传输，而前一个

错误报文交给上层后，会发现其内容毫无意义而被丢弃）。

2) 如果 I P 报文中某个字符为 E N D ，那么就要连续传输两个字节 0 x d b 和0 x d c 来取代它。

0 x d b这个特殊字符被称作S L I P 的E S C字符，但是它的值与A S C I I码的E S C字符（0 x 1 b）不同。

3) 如果I P报文中某个字符为 S L I P 的E S C 字符，那么就要连续传输两个字节 0 x d b 和0 x d d 来

取代它。

图2 - 2中的例子就是含有一个 E N D 字符和一个E S C 字符的I P 报文。在这个例子中，在串行

线路上传输的总字节数是原 I P 报文长度再加4个字节。

图2-2 SLIP报文的封装

S L I P 是一种简单的帧封装方法，还有一些值得一提的缺陷：

1) 每一端必须知道对方的I P 地址。没有办法把本端的I P 地址通知给另一端。

2) 数据帧中没有类型字段（类似于以太网中的类型字段）。如果一条串行线路用于 S L I P ，

那么它不能同时使用其他协议。

第2章链路层使用17

IP数据报

3 ) S L I P没有在数据帧中加上检验和（类似于以太网中的 C R C 字段）。如果S L I P 传输的报

文被线路噪声影响而发生错误，只能通过上层协议来发现（另一种方法是，新型的调制解调

器可以检测并纠正错误报文）。这样，上层协议提供某种形式的 C R C 就显得很重要。在第 3章

和第1 7章中，我们将看到 I P 首部和 T C P 首部及其数据始终都有检验和。在第 11章中，将看到

U D P 首部及其数据的检验和却是可选的。

尽管存在这些缺点，S L I P仍然是一种广泛使用的协议。

S L I P的历史要追溯到1 9 8 4年，Rick Adams第一次在4 . 2 B S D系统中实现。尽管它本

身的描述是一种非标准的协议，但是随着调制解调器的速率和可靠性的提高， S L I P 越

来越流行。现在，它的许多产品可以公开获得，而且很多厂家都支持这种协议。

2.5 压缩的SLIP

由于串行线路的速率通常较低（ 19200 b/s或更低），而且通信经常是交互式的（如 Te l n e t

和R l o g i n，二者都使用T C P ），因此在S L I P线路上有许多小的T C P分组进行交换。为了传送 1个

字节的数据需要2 0 个字节的I P首部和2 0 个字节的T C P 首部，总数超过4 0个字节（1 9 . 2节描述了

R l o g i n会话过程中，当敲入一个简单命令时这些小报文传输的详细情况）。

既然承认这些性能上的缺陷，于是人们提出一个被称作 C S L I P （即压缩 S L I P）的新协议，

它在RFC 1144[Jacobson 1990a]中被详细描述。C S L I P 一般能把上面的4 0个字节压缩到3或5个

字节。它能在C S L I P的每一端维持多达1 6 个T C P连接，并且知道其中每个连接的首部中的某些

字段一般不会发生变化。对于那些发生变化的字段，大多数只是一些小的数字和的改变。这

些被压缩的首部大大地缩短了交互响应时间。

现在大多数的S L I P 产品都支持C S L I P。作者所在的子网（参见封面内页）中有两条

SLIP链路，它们均是CSLIP链路。

2.6 PPP：点对点协议

P P P，点对点协议修改了S L I P 协议中的所有缺陷。P P P包括以下三个部分：

1) 在串行链路上封装 I P 数据报的方法。 P P P 既支持数据为 8位和无奇偶检验的异步模式

（如大多数计算机上都普遍存在的串行接口），还支持面向比特的同步链接。

2) 建立、配置及测试数据链路的链路控制协议（ L C P ：Link Control Protocol）。它允许通

信双方进行协商，以确定不同的选项。

3) 针对不同网络层协议的网络控制协议（ N C P：Network Control Protocol）体系。当前

R F C 定义的网络层有I P 、O S I 网络层、D E C n e t 以及A p p l e Ta l k 。例如，IP NCP允许双方商定是

否对报文首部进行压缩，类似于 C S L I P （缩写词N C P 也可用在T C P 的前面）。

RFC 1548[Simpson 1993]描述了报文封装的方法和链路控制协议。 RFC 1332[McGregor

1 9 9 2 ]描述了针对I P的网络控制协议。

P P P 数据帧的格式看上去很像 I S O的H D L C（高层数据链路控制）标准。图 2 - 3 是P P P数据

帧的格式。

每一帧都以标志字符0 x 7 e 开始和结束。紧接着是一个地址字节，值始终是 0 x ff ，然后是一

个值为0 x 0 3 的控制字节。

18使用TCP/IP详解，卷1：协议

图2-3 PPP数据帧的格式

接下来是协议字段，类似于以太网中类型字段的功能。当它的值为 0 x 0 0 2 1 时，表示信息

字段是一个I P 数据报；值为 0 x c 0 2 1时，表示信息字段是链路控制数据；值为 0 x 8 0 2 1 时，表示

信息字段是网络控制数据。

C R C字段（或F C S，帧检验序列）是一个循环冗余检验码，以检测数据帧中的错误。

由于标志字符的值是 0 x 7 e，因此当该字符出现在信息字段中时， P P P 需要对它进行转义。

在同步链路中，该过程是通过一种称作比特填充 (bit stuff i n g ) 的硬件技术来完成的[ Ta n e n b a u m

1 9 8 9 ] 。在异步链路中，特殊字符 0 x 7 d用作转义字符。当它出现在 P P P数据帧中时，那么紧接

着的字符的第6个比特要取其补码，具体实现过程如下：

1) 当遇到字符0 x 7 e 时，需连续传送两个字符： 0 x 7 d 和0 x 5 e ，以实现标志字符的转义。

2) 当遇到转义字符0 x 7 d 时，需连续传送两个字符： 0 x 7 d 和0 x 5 d ，以实现转义字符的转义。

3 ) 默认情况下，如果字符的值小于 0 x 2 0（比如，一个A S C I I 控制字符），一般都要进行转

义。例如，遇到字符0 x 0 1 时需连续传送0 x 7 d 和0 x 2 1 两个字符（这时，第 6个比特取补码后变为

1，而前面两种情况均把它变为 0）。

这样做的原因是防止它们出现在双方主机的串行接口驱动程序或调制解调器中，因为有

时它们会把这些控制字符解释成特殊的含义。另一种可能是用链路控制协议来指定是否需要

对这3 2个字符中的某一些值进行转义。默认情况下是对所有的 3 2 个字符都进行转义。

与S L I P 类似，由于P P P经常用于低速的串行链路，因此减少每一帧的字节数可以降低应用

程序的交互时延。利用链路控制协议，大多数的产品通过协商可以省略标志符和地址字段，

并且把协议字段由 2个字节减少到 1个字节。如果我们把 P P P的帧格式与前面的 S L I P的帧格式

（图2 - 2 ）进行比较会发现， P P P 只增加了 3个额外的字节： 1个字节留给协议字段，另 2个给

C R C字段使用。另外，使用 I P网络控制协议，大多数的产品可以通过协商采用 Van Jacobson报

文首部压缩方法（对应于C S L I P 压缩），减小I P和T C P 首部长度。

总的来说，P P P比S L I P具有下面这些优点： (1) PPP支持在单根串行线路上运行多种协议，

不只是I P协议；(2) 每一帧都有循环冗余检验； (3) 通信双方可以进行 I P地址的动态协商(使用

I P 网络控制协议)； (4) 与C S L I P 类似，对T C P 和I P报文首部进行压缩； (5) 链路控制协议可以

对多个数据链路选项进行设置。为这些优点付出的代价是在每一帧的首部增加 3个字节，当建

立链路时要发送几帧协商数据，以及更为复杂的实现。

尽管P P P比S L I P有更多的优点，但是现在的S L I P用户仍然比P P P用户多。随着产品

越来越多，产家也开始逐渐支持PPP，因此最终PPP应该取代SLIP。

第2章链路层使用19

标志

地址

控制

协议

网络控制数据

链路控制数据

IP数据报

最多1500字节

信息

标志

2.7 环回接口

大多数的产品都支持环回接口（ Loopback Interface），以允许运行在同一台主机上的客户

程序和服务器程序通过 T C P / I P进行通信。 A类网络号1 2 7 就是为环回接口预留的。根据惯例，

大多数系统把I P 地址1 2 7 . 0 . 0 . 1分配给这个接口，并命名为 l o c a l h o s t。一个传给环回接口的 I P数

据报不能在任何网络上出现。

我们想象，一旦传输层检测到目的端地址是环回地址时，应该可以省略部分传输层和所

有网络层的逻辑操作。但是大多数的产品还是照样完成传输层和网络层的所有过程，只是当

I P数据报离开网络层时把它返回给自己。

图2 - 4是环回接口处理I P 数据报的简单过程。

图2-4 环回接口处理IP数据报的过程

图中需要指出的关键点是：

1) 传给环回地址（一般是1 2 7 . 0 . 0 . 1 ）的任何数据均作为I P 输入。

2) 传给广播地址或多播地址的数据报复制一份传给环回接口，然后送到以太网上。这是

因为广播传送和多播传送的定义（第 1 2 章）包含主机本身。

3 ) 任何传给该主机I P地址的数据均送到环回接口。

看上去用传输层和 I P 层的方法来处理环回数据似乎效率不高，但它简化了设计，因为环

回接口可以被看作是网络层下面的另一个链路层。网络层把一份数据报传送给环回接口，就

像传给其他链路层一样，只不过环回接口把它返回到 I P的输入队列中。

在图2 - 4 中，另一个隐含的意思是送给主机本身 I P 地址的I P数据报一般不出现在相应的网

络上。例如，在一个以太网上，分组一般不被传出去然后读回来。某些 B S D 以太网的设备驱

动程序的注释说明，许多以太网接口卡不能读回它们自己发送出去的数据。由于一台主机必

20使用TCP/IP详解，卷1：协议

IP输出

函数

IP输入

函数

放入IP输入

队列中

放入IP输入

队列中

是

否

是

目的IP地址是否与接

口IP地址相同？

否，用ARP获

取目的主机的

以太网地址

环回驱动程序

目的I P 地址是否与广播

地址或多播地址相同？

发送

以太网

接收

以太网驱

动程序

基于以太网帧

类型进行分用

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