第1章 TCP/IP协议族
现在Internet（因特网）使用的主流协议族是TCP/IP协议族，它是一个分层、多协议的通信体系。本章简要讨论TCP/IP协议族各层包含的主要协议，以及它们之间是如何协作完成网络通信的。
TCP/IP协议族包含众多协议，我们无法一一讨论。本书将在后续章节详细讨论IP协议和TCP协议，因为它们对编写网络应用程序具有最直接的影响。本章则简单介绍其中几个相关协议：ICMP协议、ARP协议和DNS协议，学习它们对于理解网络通信很有帮助。读者如果想要系统地学习网络协议，那么RFC（Request For Comments，评论请求）文档无疑是首选资料。
1.1 TCP/IP协议族体系结构以及主要协议
TCP/IP协议族是一个四层协议系统，自底而上分别是数据链路层、网络层、传输层和应用层。每一层完成不同的功能，且通过若干协议来实现，上层协议使用下层协议提供的服务，如图1-1所示。
1.1.1 数据链路层
数据链路层实现了网卡接口的网络驱动程序，以处理数据在物理媒介（比如以太网、令牌环等）上的传输。不同的物理网络具有不同的电气特性，网络驱动程序隐藏了这些细节，为上层协议提供一个统一的接口。
数据链路层两个常用的协议是ARP协议（Address Resolve Protocol，地址解析协议）和RARP协议（Reverse Address Resolve Protocol，逆地址解析协议）。它们实现了IP地址和机器物理地址（通常是MAC地址，以太网、令牌环和802.11无线网络都使用MAC地址）之间的相互转换。
网络层使用IP地址寻址一台机器，而数据链路层使用物理地址寻址一台机器，因此网络层必须先将目标机器的IP地址转化成其物理地址，才能使用数据链路层提供的服务，这就是ARP协议的用途。RARP协议仅用于网络上的某些无盘工作站。因为缺乏存储设备，无盘工作站无法记住自己的IP地址，但它们可以利用网卡上的物理地址来向网络管理者（服务器或网络管理软件）查询自身的IP地址。运行RARP服务的网络管理者通常存有该网络上所有机器的物理地址到IP地址的映射。
由于ARP协议很重要，所以我们将在后面章节专门讨论它。
1.1.2 网络层
网络层实现数据包的选路和转发。WAN（Wide Area Network，广域网）通常使用众多分级的路由器来连接分散的主机或LAN（Local Area Network，局域网），因此，通信的两台主机一般不是直接相连的，而是通过多个中间节点（路由器）连接的。网络层的任务就是选择这些中间节点，以确定两台主机之间的通信路径。同时，网络层对上层协议隐藏了网络拓扑连接的细节，使得在传输层和网络应用程序看来，通信的双方是直接相连的。
网络层最核心的协议是IP协议（Internet Protocol，因特网协议）。IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议就为它寻找一个合适的下一跳（next hop）路由器，并将数据包交付给该路由器来转发。多次重复这一过程，数据包最终到达目标主机，或者由于发送失败而被丢弃。可见，IP协议使用逐跳（hop by hop）的方式确定通信路径。我们将在第2章详细讨论IP协议。
网络层另外一个重要的协议是ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）。它是IP协议的重要补充，主要用于检测网络连接。ICMP协议使用的报文格式如图1-2所示。
图1-2中，8位类型字段用于区分报文类型。它将ICMP报文分为两大类：一类是差错报文，这类报文主要用来回应网络错误，比如目标不可到达（类型值为3）和重定向（类型值为5）；另一类是查询报文，这类报文用来查询网络信息，比如ping程序就是使用ICMP报文查看目标是否可到达（类型值为8）的。有的ICMP报文还使用8位代码字段来进一步细分不同的条件。比如重定向报文使用代码值0表示对网络重定向，代码值1表示对主机重定向。ICMP报文使用16位校验和字段对整个报文（包括头部和内容部分）进行循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC），以检验报文在传输过程中是否损坏。不同的ICMP报文类型具有不同的正文内容。我们将在第2章详细讨论主机重定向报文，其他ICMP报文格式请参考ICMP协议的标准文档RFC 792。
需要指出的是，ICMP协议并非严格意义上的网络层协议，因为它使用处于同一层的IP协议提供的服务（一般来说，上层协议使用下层协议提供的服务）。
1.1.3 传输层
传输层为两台主机上的应用程序提供端到端（end to end）的通信。与网络层使用的逐跳通信方式不同，传输层只关心通信的起始端和目的端，而不在乎数据包的中转过程。图1-3展示了传输层和网络层的这种区别。
图1-3中，垂直的实线箭头表示TCP/IP协议族各层之间的实体通信（数据包确实是沿着这些线路传递的），而水平的虚线箭头表示逻辑通信线路。该图中还附带描述了不同物理网络的连接方法。可见，数据链路层（驱动程序）封装了物理网络的电气细节；网络层封装了网络连接的细节；传输层则为应用程序封装了一条端到端的逻辑通信链路，它负责数据的收发、链路的超时重连等。
传输层协议主要有三个：TCP协议、UDP协议和SCTP协议。
TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）为应用层提供可靠的、面向连接的和基于流（stream）的服务。TCP协议使用超时重传、数据确认等方式来确保数据包被正确地发送至目的端，因此TCP服务是可靠的。使用TCP协议通信的双方必须先建立TCP连接，并在内核中为该连接维持一些必要的数据结构，比如连接的状态、读写缓冲区，以及诸多定时器等。当通信结束时，双方必须关闭连接以释放这些内核数据。TCP服务是基于流的。基于流的数据没有边界（长度）限制，它源源不断地从通信的一端流入另一端。发送端可以逐个字节地向数据流中写入数据，接收端也可以逐个字节地将它们读出。
UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）则与TCP协议完全相反，它为应用层提供不可靠、无连接和基于数据报的服务。“不可靠”意味着UDP协议无法保证数据从发送端正确地传送到目的端。如果数据在中途丢失，或者目的端通过数据校验发现数据错误而将其丢弃，则UDP协议只是简单地通知应用程序发送失败。因此，使用UDP协议的应用程序通常要自己处理数据确认、超时重传等逻辑。UDP协议是无连接的，即通信双方不保持一个长久的联系，因此应用程序每次发送数据都要明确指定接收端的地址（IP地址等信息）。基于数据报的服务，是相对基于流的服务而言的。每个UDP数据报都有一个长度，接收端必须以该长度为最小单位将其所有内容一次性读出，否则数据将被截断。
SCTP协议（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）是一种相对较新的传输层协议，它是为了在因特网上传输电话信号而设计的。本书不讨论SCTP协议，感兴趣的读者可参考其标准文档RFC 2960。
我们将在第3章详细讨论TCP协议，并附带介绍UDP协议。
1.1.4 应用层
应用层负责处理应用程序的逻辑。数据链路层、网络层和传输层负责处理网络通信细节，这部分必须既稳定又高效，因此它们都在内核空间中实现，如图1-1所示。而应用层则在用户空间实现，因为它负责处理众多逻辑，比如文件传输、名称查询和网络管理等。如果应用层也在内核中实现，则会使内核变得非常庞大。当然，也有少数服务器程序是在内核中实现的，这样代码就无须在用户空间和内核空间来回切换（主要是数据的复制），极大地提高了工作效率。不过这种代码实现起来较复杂，不够灵活，且不便于移植。本书只讨论用户空间的网络编程。
应用层协议很多，图1-1仅列举了其中的几个：
ping是应用程序，而不是协议，前面说过它利用ICMP报文检测网络连接，是调试网络环境的必备工具。
telnet协议是一种远程登录协议，它使我们能在本地完成远程任务，本书后续章节将会多次使用telnet客户端登录到其他服务上。
OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）协议是一种动态路由更新协议，用于路由器之间的通信，以告知对方各自的路由信息。
DNS（Domain Name Service，域名服务）协议提供机器域名到IP地址的转换，我们将在后面简要介绍DNS协议。
应用层协议（或程序）可能跳过传输层直接使用网络层提供的服务，比如ping程序和OSPF协议。应用层协议（或程序）通常既可以使用TCP服务，又可以使用UDP服务，比如DNS协议。我们可以通过/etc/services文件查看所有知名的应用层协议，以及它们都能使用哪些传输层服务。
