Linux网络协议

【一】OSI 网络模型

OSI (开放系统互联)模型是国际标准化组织提出的一个概念框架，旨在为不同的计算机和网络在全球范围内的互联提供标准化指导。这个模型将计算机网络体系结构划分为七个层次，从上到下依次为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。每一层都提供了清晰的接口，有助于理解工业标准的TCP/IP协议。各层实际上是协议的集合，例如应用层不仅指应用程序，还包括大量应用层协议，确保应用程序在网络中有效运行。

以下是对OSI七层模型的详细说明：

（1）应用层

应用层是网络应用程序使用的层，与用户最近。它通过协议如FTP（文件传输协议）、HTTP/HTTPS（网页浏览协议）、SMTP（邮件传输协议）、Telnet（远程登录协议）提供服务。网络应用指那些利用互联网的计算机应用程序来执行用户操作。

（2）表示层
表示层是OSI模型的第六层，从应用层接收数据，这些数据以字符和数字形式出现。表示层将这些字符和数据转换成机器可理解的二进制格式，即“翻译”功能，将人类语言转换成机器语言。在数据传输之前，表示层会对原始数据进行压缩，减少所需比特数。这对于实时视频和音频传输尤为重要，以保持数据传输的完整性。

（3）会话层
会话层是OSI模型的第五层，作为用户应用程序和网络之间的接口。其主要职责是为两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法。会话层负责组织和协调两个会话进程之间的通信，并管理数据交换。用户可以按照半双工、单工和全双工的方式建立会话，使用专门设计的、更易记的地址进行连接。

（4）传输层
传输层是OSI模型的第四层，是网络体系结构中的关键层之一，负责在两个主机进程间提供通信服务。传输层具有复用和分用功能，保证数据传输的可靠性。它通过流量控制、分段/重组和差错控制确保数据在终端用户之间透明传输。传输层的一些协议是面向连接的，能追踪和重传失败的分段。

（5）网络层
网络层是OSI模型的第三层，是最复杂的一层，也是通信子网的最高层。其主要任务是通过路由选择算法，为报文或分组在通信子网中选择最佳路径。它负责在数据链路层与传输层之间转发信息，建立、维持和终止网络连接。具体来说，网络层将数据链路层的数据转换为数据包，通过路径选择、分段组合和路由控制，将信息从一个网络设备传送到另一个。

（6）数据链路层
数据链路层是OSI模型的第二层，负责建立和管理节点间的链路。其主要功能是通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、可靠传输数据帧的数据链路。在计算机网络中，物理链路由于各种干扰是不可靠的。因此，数据链路层通过差错控制和流量控制方法，将物理层提供的比特流转换为可靠的数据链路。

（7）物理层
物理层是OSI模型的第一层，涉及电气、机械、功能和规程特性的统一标准。这四个方面的高度统一是实现全球范围内网络互通的基础。

【二】 TCP/IP 协议

当前我们使用的互联网起源于ARPANET。ARPANET最初使用的是一种名为NCP的网络协议。然而，随着网络的扩展和节点数量的增加，以及用户对网络需求的提升，NCP协议逐渐不能满足ARPANET的发展要求。更重要的是，NCP只能在相同操作系统环境下工作，导致Windows用户无法与MacOS和Android用户通信。因此，ARPANET迫切需要一种新的协议来替代NCP。这个任务交由两位著名的计算机科学家罗伯特·卡恩和温顿·瑟夫来完成，许多人称他们为互联网之父。1974年，他们在IEEE期刊上发表了题为《关于分组交换的网络通信协议》的论文，正式提出了TCP/IP协议，实现了计算机网络间的互联。

TCP/IP并不是单一的协议，而是一个协议簇，由多个不同层次的协议组成。下图展示了OSI模型和TCP/IP模型的对比，以及TCP/IP不同层次的协议。

严格来说，分层模型的目的是将每一层的功能尽可能独立，使其对其他层透明，仅对通信的另一端负责，从而为编程和诊断提供良好的层次隔离。然而，实际情况并非如此。首先，完全按照分层模型进行软件编程会降低效率，分层不如按功能实现模块化。其次，许多功能实现需要跨层交互，这违背了分层模型的初衷。例如，链路层在成帧时需要接收端的物理地址，而该地址必须由网络层通过ARP地址解析来处理，将ARP简单归于某一层并不合适。

（1）网络接口层
网络接口层，也称为数据链路层或链路层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中的网络接口卡，主要处理与电缆物理接口的细节。在TCP/IP协议簇中，链路层协议种类繁多，网络接口层决定了网络形态，但很多协议并非专为TCP/IP设计。

（2）网络层
网络层负责处理分组在网络中的活动，完成路由和寻径功能，提供主机到主机的连接。IP是一个尽力传送、不可靠的协议。

（3）传输层
传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议簇中，有两个主要传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议），它们分别承载不同的应用。TCP协议提供可靠但高效的服务，而UDP协议则不可靠但高效。

（4）应用层
应用层负责具体的应用，如HTTP访问、FTP文件传输、SMTP/POP3邮件处理。几乎所有的TCP/IP实现都会提供以下通用应用程序：远程登录（Telnet）、文件传输协议（FTP）、域名管理（DNS）、简单网络管理协议（SNMP），如图所示：

IP协议是TCP/IP协议族中最核心的协议。它提供不可靠、无连接的服务，依赖其他层的协议进行差错控制。在局域网环境中，IP协议通常封装在以太网帧中传输。所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都被封装在IP数据报中传送，如图所示：

在IP网络中传输的单位称为IP数据包，IP数据包包括IP报头和更高层协议的相关数据。IP数据包的报头至少为20个字节，其中包括版本、报头长度、服务类型、总长度、标识、标志、段偏移量、生存期、协议、头部校验和、源地址、目标地址、可选项和数据。引入IP报头字段是为了为网络实体提供互联机制，IP报头不仅包含大量IP数据包信息，如源和目标IP地址、数据包内容等，还为网络实体提供了从源到目标地址之间传送数据包的处理方法。

如图所示为IP数据报头字段结构：

如表所示为IP数据报头字段说明：