時間回放到1983年1月1日，在這天，網際網路的前身Arpanet中，TCP/IP協議取代了舊的網路核心協議NCP(Network Core Protocol)，從而成為今天的網際網路的基石。最早的的TCP/IP由Vinton Cerf和Robert Kahn兩位開發，慢慢地通過競爭戰勝了其它一些網路協議的方案，比如國際標準化組織ISO的OSI模型。TCP/IP的蓬勃發展發生在上世紀的90年代中期。當時一些重要而可靠的工具的出世，例如頁面描述語言HTML和瀏覽器Mosaic，導致了網際網路應用的飛束髮展。

隨著網際網路的發展，目前流行的IPv4協議(IP Version 4，IP版本四)已經接近它的功能上限。IPv4最致命的兩個缺陷在與:

•地址只有32位，IP地址空間有限; 
•不支援服務等級(Quality of Service, Qos)的想法，無法管理頻寬和優先順序，故而不能很好的支援現今越來越多的實時的語音和視訊應用。因此IPv6 (IP Version 6, IP版本六) 浮出海面，用以取代IPv4。 
    TCP/IP成功的另一個因素在與對為數眾多的低層協議的支援。這些低層協議對應與OSI模型中的第一層(物理層)和第二層(資料鏈路層)。每層的所有協議幾乎都有一半數量的支援TCP/IP，例如: 乙太網(Ethernet)，令牌環(Token Ring)，光纖資料分佈介面(FDDI)，端對端協議( PPP)，X.25，幀中繼(Frame Relay)，ATM，Sonet, SDH等。

TCP/IP協議棧組成
整個通訊網路的任務，可以劃分成不同的功能塊，即抽象成所謂的 ” 層” 。用於網際網路的協議可以比照TCP/IP參考模型進行分類。TCP/IP協議棧起始於第三層協議IP(網際網路協議) 。所有這些協議都在相應的RFC文件中討論及標準 化。重要的協議在相應的RFC文件中均標記了狀態: “必須“ (required) ，“推薦“ (recommended) ，“可選“ (elective) 。其它的協議還可能有“ 試驗“(experimental) 或“ 歷史“(historic) 的狀態。

必須協議
所有的TCP/IP應用都必須實現IP和ICMP。對於一個路由器(router)而言，有這兩個協議就可以運作了，雖然從應用的角度來看，這樣一個路由器意義不大。實際的路由器一般還需要執行許多“推薦“使用的協議，以及一些其它的協議。

推薦協議
每一個應用層(TCP/IP參考模型 的最高層) 一般都會使用到兩個傳輸層協議之一: 面向連線的TCP傳輸控制協議和無連線的包傳輸的UDP使用者資料報文協議 。 其它的一些推薦協議有:

•TELNET (Teletype over the Network, 網路電傳) ，通過一個終端(terminal)登陸到網路(執行在TCP協議上)。 
•FTP (File Transfer Protocol, 檔案傳輸協議) ，由名知義(執行在TCP協議上) 。 
•SMTP (Simple Mail Transfer Protocol，簡單郵件傳輸協議) ，用來發送電子郵件(執行在TCP協議上) 。 
•DNS (Domain Name Service，域名服務) ，用於完成地址查詢，郵件轉發等工作(執行在TCP和UDP協議上) 。 
•ECHO (Echo Protocol, 迴繞協議) ，用於查錯及測量應答時間(執行在TCP和UDP協議上) 。 
•NTP (Network Time Protocol，網路時間協議) ，用於網路同步(執行在UDP協議上) 。 
•SNMP (Simple Network Management Protocol, 簡單網路管理協議) ，用於網路資訊的收集和網路管理。 
•BOOTP (Boot Protocol，啟動協議) ，應用於無盤裝置(執行在UDP協議上)。 
可選協議
最常用的一些有

•支撐全球資訊網WWW的超文字傳輸協議HTTP， 
•動態配置IP地址的DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol,動態主機配置協議)， 
•收郵件用的POP3 (Post Office Protocol, version 3, 郵局協議) ， 
•用於加密安全登陸用的SSH (Secure Shell，用於替代安全性差的TELNET) ， 
•用於動態解析乙太網硬體地址的ARP (Address Resolution Protocol，地址解析協議) 。 
    範例: 不同計算機執行的不同協議
•一個簡單的路由器上可能會實現ARP, IP, ICMP, UDP, SNMP, RIP。 
•WWW使用者端使用ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DNS, HTTP, FTP。 
•一臺使用者電腦上還會執行如TELNET, SMTP, POP3, SNMP, ECHO, DHCP, SSH, NTP。 
•無盤裝置可能會在韌體比如ROM中實現了ARP, IP, ICMP, UDP, BOOT, TFTP (均為面向資料報的協議，實現起來相對簡單)。

讀過關於網路的課程的，都知道ISO-OSI 7層協議這個名詞，許多書籍都會具體的畫出那幅圖，然後標註上物理層，資料鏈路層，網路層等等。背的大家要死，但是卻又不知道具體這些層次幹嗎用的？

其實在網際網路中，由於實際使用的是TCP/IP模型，也就是DOD模型(現在不知道沒關係，後面會說).所以7層模型在現實網路環境中只是一個理論上，學究派的東西.這個模型中，我們真正關心的是下面的3層.

1.物理層

網絡卡還有那些網線構成了這一層，那些在網線中傳播的二進位制資料流是這層的具體表象。也就是說，這一層上面沒有什麼協議(不是很精確的說法，但是你可以這麼理解)。有的都是電流而已，我們把兩臺機器用網線連起來，或者用HUB把機器都連起來，這些工作就是物理層的工作。

    有2個裝置屬於物理層的，一個是中繼器，一個是HUB。大家知道，物理上面的連線距離一長就會產生電訊號的衰減，為了重新加強這個訊號，我們就需要在一定距離之後加上一個訊號放大器，這就是中繼器(repeater)恩...這個比較容易理解。repeater就是連線在2根網線之間的麼，沒有做任何處理，所以只是一個物理裝置，屬於1層的。

    HUB的本質其實只是一個多口中繼器(MULTI PORT REPEATER)。啊...這樣大家能夠理解了，HUB不叫多口中繼器其實只是為了銷售上面的策略。他的本質就是連線多根網線的一個物理裝置，也是不對經過的電訊號做任何邏輯處理的。

2.資料鏈路層

這個層面上面的東西不再是電訊號了，而是DATA了。對，既然是DATA就有了邏輯關係了，這個層面上面的基本單位是幀(Frame)。這層和物理層的接觸是最緊密的，他是把從網線上面傳輸的電流轉換成0和1的組合。

    物理層只是網絡卡對網線發出或者接受各種電平訊號，那就是說物理層是無法判別電流的來源和目標的。那麼把電流打成0和1的幀之後，裡面就有邏輯資料了，有了資料，就可以判別資料從何而來，到何處去，所以也就可以真正的形成LINK。

    既然可以判別地址，那麼地址是按照什麼來判別的呢？

    那就是最重要的概念之一:MAC地址

    大家肯定都聽說過我們的網絡卡都有MAC地址

    有些人可能也知道MAC地址都是唯一的。

    對，MAC地址是全球唯一的，也就是說你的網絡卡雖然便宜，但是他也是世界上獨一無二的。

    有些人說他可以改MAC，那就不是唯一了，對，雖然可以更改，那只是欺騙上層對封包裡面的MAC地址進行改寫。你網絡卡真正的MAC地址是固化的，無法修改的。

    我們有了MAC地址了，這樣就可以有針對性對所有連線在一起的計算機進行通訊了，是的，我們終於可以在一個區域網內通訊了。

    但是有個問題我們前面沒有提到，就是既然物理層傳輸的是電訊號，那麼如果我有2臺機器一起發電訊號，訊號豈不是混亂了麼？

    非常正確，這個問題在網路裡面成為"碰撞"，所以協議裡面規定了如果你需要往外發資料，一定需要先看看電纜裡面有沒有別的訊號，如果沒有，那就可以發，如果2者同時傳送，檢測到碰撞之後2者分別等待一個隨機時間，然後重發。這個就是重要的"碰撞檢測 "。

    哈，看來問題解決了，不是麼，現在整個網路可以正常運行了。

    確實如此，但是如果連線在網路上的計算機越來越多，那麼碰撞的現象會越來越頻繁。這樣效率一定很低了，恩，這裡還有一個重要概念"衝突域 "。在同一個物理上連線的網路上的所有裝置是屬於同一個衝突域的。

    接著就需要引入我們的2層裝置來分割衝突域了。

    網橋(Bridge)就是連線2個不同的物理網路的，主要功能是在2個網路之間轉發Frame，因為從實際中我們可以知道，其實很多時候並非整個網路都在相互通訊，最多相互通訊的一組計算機我們可以分在一個小的衝突域內，這樣分割以後可以減少衝突域，也就相對的減少了衝突的機會。而之間使用網橋來橋接，由於網橋兩邊的通訊不是非常頻繁，所以使用網橋來為2邊作為"代言人"，這樣任意一個小網路裡面產生衝突的機會就少了。

    交換機(Switch)是我們最熟悉的裝置了，交換機的本質其實就是一個多口網橋(Multi port Bridge)。同理可得，交換機的每個口後面都是一個衝突域，我們都說交換機比HUB快，就是因為交換機分割了所有的衝突域。

    由於現在交換機非常便宜，所以一般我們都是直接在交換機的口上接計算機，這樣每臺計算機都是一個獨立的衝突域，這樣碰撞的問題就沒有了，所以速度是比HUB快。

    而前面說過，2層裝置主要是個轉發的功能，交換機的主要功能就是轉發包，而不是讓所有的衝突域直接物理連線，所以交換機有CPU，有記憶體，可以對frame進行處理等等。這些也是交換機和HUB的區別。

集線器與交換機的區別在於:

集線器是一種物理層裝置，本身不能識別MAC地址和IP地址，當集線器下連線的主機裝置間傳輸資料時，資料包是以廣播的方式進行傳輸，由每一臺主機自己眼中MAC地址來確定是否接收。（只能傳輸一個）

這種情況下，同一時刻由集線器連線的網路中只能傳輸一組資料，如果發生衝突則需要重傳。集線器下連線的所有埠共享整個頻寬，即所有埠為一個衝突域。

交換機則是工作在資料鏈路層的裝置，在接收到資料後，通過查詢自身系統MAC地址表中的MAC地址與埠對應關係，將資料傳送到目的埠。（可以傳輸多個）

交換機在同一時刻可進行多個埠之間的資料傳輸，每一埠都是獨立的物理網段，連線在埠上的網路裝置獨自享有全部的頻寬。因此，交換機起到了分割衝突域的作用，每一個埠為一個衝突域。

3.網路層

我們前面的一些技術就可以構建出區域網了，有了網路層以後，資料才能夠真正的在整個世界間傳送。

    由於倫納德?博薩卡(Leonard Bosack)和姍蒂?雷納(Sandy Lerner)為了解決他們之間的通訊問題(關於路由器發明的版本有很多，你聽到的別的說法可能比這個說法更準確，但是誰知道呢。)，路由器被髮明用來解決"資訊孤島"問題，而且如果是由SWITCH來構建整個網路，那麼整個網路將會有"中心節點"，這樣也不符合ARPANET的初衷，所以我們有了這一層。(這樣說可能會感覺本末倒置，但是先這麼理解吧。)

    這一層的基本單元是包(Packet) ，所有的包都有一個IP頭，啊，聽起來很熟悉不是麼，IP就是用來在這層上面標識包的來源和目的地址的。

    這層的一個主要概念就是"路由 "，也就是和switch一樣，把包轉發到其他的地方。不過有個不同的地方，switch只有知道具體的MAC在哪裡的情況下才能夠傳送給指定的計算機，而路由則不需要知道最終IP所在的計算機在哪個位置，只要知道那個途徑可以過去就可以工作。

    這3層構建了整個網路的基礎，由於TCP/IP模型將最下面2層合併成為一層，所以在TCP/IP裡面總共這2層也是整個構架最基礎的內容，而網路方面要做的工作也都是針對於這2層做的。

4 TCP/IP真實世界的模型

    上一講裡面我們說過OSI 7層模型只是一個理論模型，而實際中只需要保證7層的功能能夠實現，實際分層無需按照7層來分。而且如果真的分7層，那麼資料處理的速度便要慢許多。

    在實際應用中，使用最多的便是DoD模型，也成為TCP/IP協議簇。

    DoD模型(Department Of Defanse Model 美國國防部模型) 顧名思義，是美國國防部設計的一個網路模型。最早用於ARPANET，這些話可能在許多教材的第一章就會講了。但是一般教材對於DoD模型與OSI模型對應關係都沒有講到，或者很多是模糊或者錯誤的。

    在這裡我就要描述一下2者對應關係，OSI模型有7層我們已經知道了。而DoD模型則只有4層，下面是對應關係

    OSI                                  DoD

    7.Application     ┐     

    6.Presentation   |->       4. Application/Process

    5.Session         ┘     

    4.Transport       --->       3. Host to Host

    3.Network        --->       2. Internet

    2.Data Link      ┬->       1. Network Access

    1.Physical        ┘

    由於我不會製表符，所以圖有些難看，其實就是OSI的1.2層對應DoD的第1層。OSI的5.6.7對應DoD的第4層

    其實這個還是比較容易記憶的。

    由於物理層和資料鏈路層非常密切，所以分為一個，然後上面依次對應，最上面的一大塊成為應用層(處理層)。

現在我們有了一個可用的實際模型了，不過一般我們在描述某個裝置或者協議的時候。還是會使用OSI的模型，比如我們在討論SWITCH的時候，就會說他是一個2層的裝置，而路由器是一個3層的裝置。還會有一些特殊的裝置，比如3層交換機，4層交換機，這些都是使用OSI模型進行分類的，這點大家不要搞混淆了。

    我們一直聽說TCP或者UDP，還有什麼SMTP、POP3，這些協議到底是在哪一層定義的那?接下來的一張圖會給大家一個非常清晰的概念了。

5. APPLICATION

    HTTP,FTP,telnet,SNMP,SMTP,POP3,DNS 等等

首先是最下層的，包括了乙太網，快速乙太網，還有現在的千M乙太網等等的協議，這些協議規定了線纜的絞數、連線方式等等物理層的東西。還有底層使用MAC通訊的方式等等。

接下來是IP、ARP這些，IP在OSI模型的時候也說過，通過IP地址，我們在轉發包的時候無需知道具體目標機的位置，而路由器自然會根據路由表來轉發，最後一站一站的慢慢傳遞，達到最終目標。而ARP協議就是在IP和MAC之間轉換用的。

    由於有了路由器、IP、整個網路才真正能夠覆蓋全球。所以這一層叫做internet大家也應該容易記憶了。

TCP、UDP是我們聽說最多的了，他是屬於控制網路連線的。在OSI稱為Transport，傳輸層。在DoD內是Host to Host 端對端。意思其實是一樣的，就是在在2臺計算機之間構建出一個虛擬的通訊通道來。

最上面一層就無窮無盡了，所有的最終應用層的東西都在這裡，你甚至可以定義你自己的協議型別。這些都是完全可以的。因為本身這一層就是提供給開發人員自行發揮的，只是上面列舉的都經過標準化了。

因為UDP是非可靠連線，設計初衷就是儘可能快的將資料包傳送出去，所以UDP協議顯得非常精簡。

    有一個問題，似乎這些頭裡面怎麼沒有IP地址啊，沒有IP地址這些包往哪裡傳送那?

    對，你觀察的很仔細。TCP和UDP的頭裡面確實沒有任何IP資訊，我們回頭想一下TCP和UDP是屬於DoD的哪一層的? 是第3層，而IP則位於模型的第二層，也就是他們兩者雖然有聯絡，但是不屬於同一層。

模型的一個重要規則就是，當傳送端傳送一個數據，上一層將資料傳往下一層的時候，上一層的包就成為了下一層包的資料部分。而到接受端接受到資料，下一層將本層的頭部資訊去掉後交給上一層去處理。

那麼我們來看看實際例子:

    假使我們通過SMTP協議傳送資料AAA到另外一段，那麼資料先會被加上SMTP的頭，成為[SMTP]AAA。往下發送到TCP層，成為[TCP][SMTP]AAA，再往下送到internet層[IP][TCP][SMTP]AAA，然後成為[MAC][IP][TCP][SMTP]AAA，這樣通過enternet或者FastEnternet傳送到路由器，路由器得到後替換自己的MAC地址上去，傳到下一級的路由器，這樣經過長途跋涉最終這個資料流到達目標機。

    目標機先從下面一層開始，去掉MAC，成為[IP][TCP][SMTP]AAA往上到IP層，恩，比對後是傳送給我這個IP的，去掉，成為[TCP][SMTP]AAA。TCP接到了檢視校驗和，沒錯，往上[SMTP]AAA。最後SMTP協議去解釋，得到了AAA。

    萬里長征終於結束，我們也將AAA傳送到了目標機。大家也應該明白了為何TCP包頭和UDP包頭裡面沒有IP地址那?因為IP位於他們下面一層，TCP和UDP的包頭資訊是作為IP包的資料段來傳送的。

    IP層可不管那許多，他只管他那層的協議，也就是管把從上面層來的資料加上自己的頭，傳到下面一層，把從下面一層來的資料去掉頭，傳到上面一層。

    每層都是這麼幹的，完美的契合完成了資料包的最終旅程。

TCP/IP的通訊協議

　　這部分簡要介紹一下TCP/IP的內部結構。TCP/IP協議組之所以流行，部分原因是因為它可以用在各種各樣的通道和底層協議（例如T1和X.25、乙太網以及RS-232序列介面）之上。確切地說，TCP/IP協議是一組包括TCP協議和IP協議，UDP（User Datagram Protocol）協議、ICMP（Internet Control Message Protocol）協議和其他一些協議的協議組。

TCP/IP整體構架概述

　　TCP/IP協議並不完全符合OSI的七層參考模型。傳統的開放式系統互連參考模型，是一種通訊協議的7層抽象的參考模型,其中每一層執行某一特定任務。該模型的目的是使各種硬體在相同的層次上相互通訊。這7層是:物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、話路層、表示層和應用層。而TCP/IP通訊協議採用了4層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網路來完成自己的需求。這4層分別為：

　　應用層：應用程式間溝通的層，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、檔案傳輸協議（FTP）、網路遠端訪問協議（Telnet）等。

　　傳輸層：在此層中，它提供了節點間的資料傳送服務，如傳輸控制協議（TCP）、使用者資料報協議（UDP）等，TCP和UDP給資料包加入傳輸資料並把它傳輸到下一層中，這一層負責傳送資料，並且確定資料已被送達並接收。

　　互連網路層：負責提供基本的資料封包傳送功能，讓每一塊資料包都能夠到達目的主機（但不檢查是否被正確接收），如網際協議（IP）。

　　網路介面層：對實際的網路媒體的管理，定義如何使用實際網路（如Ethernet、Serial Line等）來傳送資料。

TCP/IP中的協議

　　以下簡單介紹TCP/IP中的協議都具備什麼樣的功能，都是如何工作的：

1． IP

　　網際協議IP是TCP/IP的心臟，也是網路層中最重要的協議。

　　IP層接收由更低層（網路介面層例如乙太網裝置驅動程式）發來的資料包，並把該資料包傳送到更高層---TCP或UDP層；相反，IP層也把從TCP或UDP層接收來的資料包傳送到更低層。IP資料包是不可靠的，因為IP並沒有做任何事情來確認資料包是按順序傳送的或者沒有被破壞。IP資料包中含有傳送它的主機的地址（源地址）和接收它的主機的地址（目的地址）。

　　高層的TCP和UDP服務在接收資料包時，通常假設包中的源地址是有效的。也可以這樣說，IP地址形成了許多服務的認證基礎，這些服務相信資料包是從一個有效的主機發送來的。IP確認包含一個選項，叫作IP source routing，可以用來指定一條源地址和目的地址之間的直接路徑。對於一些TCP和UDP的服務來說，使用了該選項的IP包好象是從路徑上的最後一個系統傳遞過來的，而不是來自於它的真實地點。這個選項是為了測試而存在的，說明了它可以被用來欺騙系統來進行平常是被禁止的連線。那麼，許多依靠IP源地址做確認的服務將產生問題並且會被非法入侵。

2. TCP

　　如果IP資料包中有已經封好的TCP資料包，那麼IP將把它們向‘上’傳送到TCP層。TCP將包排序並進行錯誤檢查，同時實現虛電路間的連線。TCP資料包中包括序號和確認，所以未按照順序收到的包可以被排序，而損壞的包可以被重傳。

　　TCP將它的資訊送到更高層的應用程式，例如Telnet的服務程式和客戶程式。應用程式輪流將資訊送回TCP層，TCP層便將它們向下傳送到IP層，裝置驅動程式和物理介質，最後到接收方。

　　面向連線的服務（例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它們使用了TCP。DNS在某些情況下使用TCP（傳送和接收域名資料庫），但使用UDP傳送有關單個主機的資訊。

3.UDP

　　UDP與TCP位於同一層，但對於資料包的順序錯誤或重發。因此，UDP不被應用於那些使用虛電路的面向連線的服務，UDP主要用於那些面向查詢---應答的服務，例如NFS。相對於FTP或Telnet，這些服務需要交換的資訊量較小。使用UDP的服務包括NTP（網落時間協議）和DNS（DNS也使用TCP）。

　　欺騙UDP包比欺騙TCP包更容易，因為UDP沒有建立初始化連線（也可以稱為握手）（因為在兩個系統間沒有虛電路），也就是說，與UDP相關的服務面臨著更大的危險。

4.ICMP

　　ICMP與IP位於同一層，它被用來傳送IP的的控制資訊。它主要是用來提供有關通向目的地址的路徑資訊。ICMP的‘Redirect’資訊通知主機通向其他系統的更準確的路徑，而‘Unreachable’資訊則指出路徑有問題。另外，如果路徑不可用了，ICMP可以使TCP連線‘體面地’終止。PING是最常用的基於ICMP的服務。

5. TCP和UDP的埠結構

　　TCP和UDP服務通常有一個客戶/伺服器的關係，例如，一個Telnet服務程序開始在系統上處於空閒狀態，等待著連線。使用者使用Telnet客戶程式與服務程序建立一個連線。客戶程式向服務程序寫入資訊，服務程序讀出資訊併發出響應，客戶程式讀出響應並向用戶報告。因而，這個連線是雙工的，可以用來進行讀寫。

　　兩個系統間的多重Telnet連線是如何相互確認並協調一致呢？TCP或UDP連線唯一地使用每個資訊中的如下四項進行確認：

　　源IP地址　　傳送包的IP地址。

　　目的IP地址　接收包的IP地址。

　　源埠　　　源系統上的連線的埠。

　　目的埠　　目的系統上的連線的埠。

　　埠是一個軟體結構，被客戶程式或服務程序用來發送和接收資訊。一個埠對應一個16位元的數。服務程序通常使用一個固定的埠，例如，SMTP使用25、Xwindows使用6000。這些埠號是‘廣為人知’的，因為在建立與特定的主機或服務的連線時，需要這些地址和目的地址進行通訊。