Android网络编程(二):TCP/IP协议详解

定义

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,传输控制协议/网际协议)是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议,而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇, 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性,所以被称为TCP/IP协议。

简介

TCP/IP传输协议,即传输控制/网络协议,也叫作网络通讯协议。它是在网络的使用中的最基本的通信协议。TCP/IP传输协议对互联网中各部分进行通信的标准和方法进行了规定。并且,TCP/IP传输协议是保证网络数据信息及时、完整传输的两个重要的协议。TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构,应用层传输层网络层数据链路层都包含其中。

TCP/IP协议是Internet最基本的协议,其中应用层的主要协议有Telnet、FTP、SMTP等,是用来接收来自传输层的数据或者按不同应用要求与方式将数据传输至传输层;传输层的主要协议有UDP、TCP,是使用者使用平台和计算机信息网内部数据结合的通道,可以实现数据传输与数据共享;网络层的主要协议有ICMP、IP、IGMP,主要负责网络中数据包的传送等;而网络访问层,也叫网路接口层或数据链路层,主要协议有ARP、RARP,主要功能是提供链路管理错误检测、对不同通信媒介有关信息细节问题进行有效处理等。

TCP/IP模型与OSI模型各层的对照关系:
TCP/IP模型与OSI模型各层的对照关系
OSI七层模型
关于OSI模型可以参考Android网络编程:网络基础知识

数据封装

TCP/IP协议族按照层次由上到下,层层包装。最上面的是应用层,这里面有http,ftp,等等我们熟悉的协议。而第二层则是传输层,著名的TCP和UDP协议就在这个层次。第三层是网络层,IP协议就在这里,它负责对数据加上IP地址和其他的数据以确定传输的目标。第四层是数据链路层,这个层次为待传送的数据加入一个以太网协议头,并进行CRC编码,为最后的数据传输做准备。
在这里插入图片描述

数据链路层

物理层负责0、1比特流与物理设备电压高低、光的闪灭之间的互换。 数据链路层负责将0、1序列划分为数据帧从一个节点传输到临近的另一个节点,这些节点是通过MAC来唯一标识的(MAC,物理地址,一个主机会有一个MAC地址)。

  • 封装成帧: 把网络层数据包加头和尾,封装成帧,帧头中包括源MAC地址和目的MAC地址。

  • 透明传输:零比特填充、转义字符。

  • 可靠传输: 在出错率很低的链路上很少用,但是无线链路WLAN会保证可靠传输。

  • 差错检测(CRC):接收者检测错误,如果发现差错,丢弃该帧。

网络层

1、IP协议

IP协议是TCP/IP协议的核心,所有的TCP,UDP,IMCP,IGMP的数据都以IP数据格式传输。要注意的是,IP不是可靠的协议,这是说,IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制,这被认为是上层协议:TCP或UDP要做的事情。

IP所提供的服务大致可归纳为两类:

  • IP信息包的传送。
  • IP信息包的分割与重组。
1.1、IP信息包传送

IP是网络之间信息传送的协议,可将IP信息包从源设备(例如用户的计算机)传送到目的设备(例如某部门的www服务器)。为了达到这样的目的,IP必须依赖IP地址IP路由器两种机制来实现。

1.1.1、IP地址

IP规定网络上所有的设备都必须有一个独一无二的IP地址,就好比是邮件上都必须注明收件人地址,邮递员才能将邮件送到。同理,每个IP信息包都必须包含有目的设备的IP地址,信息包才可以正确地送到目的地。同一设备不可以拥有多个IP地址,所有使用IP的网络设备至少有一个唯一的IP地址。

1.1.2、IP路由

互联网是由许多个网络连接所形成的大型网络。如果要在互联网中传送IP信息包,除了确保网络上每个设备都有一个唯一的IP地址之外,网络之间还必须有传送的机制,才能将IP信息包通过一个个的网络传送到目的地。此种传送机制称为IP路由。 [2]
各个网络通过路由器相互连接。路由器的功能是为IP信息包选择传送的路径。换言之,必须依靠沿途各路由器的通力合作,才能将IP信息包送到目的地。在IP路由的过程中,由路由器负责选择路径,IP信息包则是被传送的对象。

1.2、IP信息包的分割与重组

为了能把一个IP报文放在不同的物理帧中,最大IP报文的长度就只能等于这条路径上所有物理网络的MTU的最小值。当数据报通过一个可以传输长度更大的帧的网络时,把数据报的大小限制在互联网上最小的MTU之下不经济;如果数据报的长度超过互联网中最小的MTU值的话,则当该数据报在穿越该子网时,就无法被封装在一个帧中。

IP协议在发送IP报文时,一般选择一个合适的初始长度。如果这个报文要经历的中间物理网络的MTU值比IP报文长度要小,则IP协议把这个报文的数据部分分割成若干个较小的数据片,组成较小的报文,然后放到物理帧中去发送。每个小的报文称为一个分段。分段的动作一般在路由器上进行。如果路由器从某个网络接口收到了一个IP报文,要向另外一个网络转发,而该网络的MTU比IP报文长度要小,那么就要把该IP报文分成多个小IP分段后再分别发送。

重组是分段的逆过程,把若干个IP分段重新组合后还原为原来的IP报文。在目的端收到一个IP报文时,可以根据其分段偏移和MF标志位来判断它是否是一个分段。如果MF位是0,并且分段偏移为0,则表明这是一个完整的IP数据报。否则,如果分段偏移不为0,或者MF标志位为1,则表明它是一个分段。这时目的地端需要实行分段重组。IP协议根据IP报文头中的标识符字段的值来确定哪些分段属于同一个原始报文,根据分段偏移来确定分段在原始报文中的位置。如果一个IP数据报的所有分段都正确地到达目的地,则把它重新组织成一个完整的报文后交给上层协议去处理。

1、ARP及RARP协议

ARP 是根据IP地址获取MAC地址的一种协议。

ARP(地址解析)协议是一种解析协议,本来主机是完全不知道这个IP对应的是哪个主机的哪个接口,当主机要发送一个IP包的时候,会首先查一下自己的ARP高速缓存(就是一个IP-MAC地址对应表缓存)。

如果查询的IP-MAC值对不存在,那么主机就向网络发送一个ARP协议广播包,这个广播包里面就有待查询的IP地址,而直接收到这份广播的包的所有主机都会查询自己的IP地址,如果收到广播包的某一个主机发现自己符合条件,那么就准备好一个包含自己的MAC地址的ARP包传送给发送ARP广播的主机。

而广播主机拿到ARP包后会更新自己的ARP缓存(就是存放IP-MAC对应表的地方)。发送广播的主机就会用新的ARP缓存数据准备好数据链路层的的数据包发送工作。

RARP协议的工作与此相反,不做赘述。

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