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嵌入式Linux网络编程之TCP/IP协议简述
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2017-10-18
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10.1 TCP/IP协议概述
10.1.1 OSI参考模型及TCP/IP参考模型
读者一定都听说过著名的OSI协议参考模型，它是基于国际标准化组织（ISO）的建议发展起来的，从上到下共分为7层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层及物理层。这个7层的协议模型虽然规定得非常细致和完善，但在实际中却得不到广泛的应用，其重要的原因之一就在于它过于复杂。但它仍是此后很多协议模型的基础，这种分层架构的思想在很多领域都得到了广泛的应用。
与此相区别的TCP/IP协议模型从一开始就遵循简单明确的设计思路，它将TCP/IP的7层协议模型简化为4层，从而更有利于实现和使用。TCP/IP的协议参考模型和OSI协议参考模型的对应关系如图10.1所示。
图10.1 OSI模型和TCP/IP参考模型对应关系
下面分别对TCP/IP的4层模型进行简要介绍。
n 网络接口层：负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接收。要注意的是数据帧是独立的网络信息传输单元。
n 网络层：负责将数据帧封装成IP数据包，并运行必要的路由算法。
n 传输层：负责端对端之间的通信会话连接与建立。传输协议的选择根据数据传输方式而定。
n 应用层：负责应用程序的网络访问，这里通过端口号来识别各个不同的进程。
10.1.2 TCP/IP协议族
虽然TCP/IP名称只包含了两个协议，但实际上，TCP/IP是一个庞大的协议族，它包括了各个层次上的众多协议，图10.2列举了各层中一些重要的协议，并给出了各个协议在不同层次中所处的位置，如下所示。
n ARP：用于获得同一物理网络中的硬件主机地址。
n MPLS：多协议标签协议，是很有发展前景的下一代网络协议。
n IP：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。
n ICMP：用于发送有关数据包的传送错误的协议。
n IGMP：被IP主机用来向本地多路广播路由器报告主机组成员的协议。
n TCP：为应用程序提供可靠的通信连接。适合于一次传输大批数据的情况。并适用于要求得到响应的应用程序。
n UDP：提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠性保证。适合于一次传输少量数据，可靠性则由应用层来负责。
10.1.3 TCP和UDP
在此主要介绍在网络编程中涉及的传输层TCP和UDP协议。
1．TCP
（1）概述。
同其他任何协议栈一样，TCP向相邻的高层提供服务。因为TCP的上一层就是应用层，因此，TCP数据传输实现了从一个应用程序到另一个应用程序的数据传递。应用程序通过编程调用TCP并使用TCP服务，提供需要准备发送的数据，用来区分接收数据应用的目的地址和端口号。
通常应用程序通过打开一个socket来使用TCP服务，TCP管理到其他socket的数据传递。可以说，通过IP的源/目的可以惟一地区分网络中两个设备的连接，通过socket的源/目的可以惟一地区分网络中两个应用程序的连接。
10.1.1 OSI参考模型及TCP/IP参考模型
读者一定都听说过著名的OSI协议参考模型，它是基于国际标准化组织（ISO）的建议发展起来的，从上到下共分为7层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层及物理层。这个7层的协议模型虽然规定得非常细致和完善，但在实际中却得不到广泛的应用，其重要的原因之一就在于它过于复杂。但它仍是此后很多协议模型的基础，这种分层架构的思想在很多领域都得到了广泛的应用。
与此相区别的TCP/IP协议模型从一开始就遵循简单明确的设计思路，它将TCP/IP的7层协议模型简化为4层，从而更有利于实现和使用。TCP/IP的协议参考模型和OSI协议参考模型的对应关系如图10.1所示。
图10.1 OSI模型和TCP/IP参考模型对应关系
下面分别对TCP/IP的4层模型进行简要介绍。
n 网络接口层：负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接收。要注意的是数据帧是独立的网络信息传输单元。
n 网络层：负责将数据帧封装成IP数据包，并运行必要的路由算法。
n 传输层：负责端对端之间的通信会话连接与建立。传输协议的选择根据数据传输方式而定。
n 应用层：负责应用程序的网络访问，这里通过端口号来识别各个不同的进程。
10.1.2 TCP/IP协议族
虽然TCP/IP名称只包含了两个协议，但实际上，TCP/IP是一个庞大的协议族，它包括了各个层次上的众多协议，图10.2列举了各层中一些重要的协议，并给出了各个协议在不同层次中所处的位置，如下所示。
n ARP：用于获得同一物理网络中的硬件主机地址。
n MPLS：多协议标签协议，是很有发展前景的下一代网络协议。
n IP：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。
n ICMP：用于发送有关数据包的传送错误的协议。
n IGMP：被IP主机用来向本地多路广播路由器报告主机组成员的协议。
n TCP：为应用程序提供可靠的通信连接。适合于一次传输大批数据的情况。并适用于要求得到响应的应用程序。
n UDP：提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠性保证。适合于一次传输少量数据，可靠性则由应用层来负责。
10.1.3 TCP和UDP
在此主要介绍在网络编程中涉及的传输层TCP和UDP协议。
1．TCP
（1）概述。
同其他任何协议栈一样，TCP向相邻的高层提供服务。因为TCP的上一层就是应用层，因此，TCP数据传输实现了从一个应用程序到另一个应用程序的数据传递。应用程序通过编程调用TCP并使用TCP服务，提供需要准备发送的数据，用来区分接收数据应用的目的地址和端口号。
通常应用程序通过打开一个socket来使用TCP服务，TCP管理到其他socket的数据传递。可以说，通过IP的源/目的可以惟一地区分网络中两个设备的连接，通过socket的源/目的可以惟一地区分网络中两个应用程序的连接。
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