tcp ip封装过程(tcp/ip数据封装过程)

OSI和TCP/IP在封装过程中如何实现实时性在了解封装和解封装之前，你必须要知道什么是协议数据单元(PDU)！在OSI七层模型或者TCP/IP协议栈的每一层都有一个PDU，各层的PDU负责属于所在层的功能。因为所有的网络设备都是基于OSI和TCP/IP标准开发的，所以这些PDU在数据传递的过程中，各个厂家的网络设备都可以识别。如下面两张图，分别是OSI参考模型和TCP/IP协议栈在各层加上PDU后的封装格式：OSI的各层的PDU封装如下：TCP/IP各层的PDU封装如下：数据封装：数据的封装，就是在用户发出的原始数据上，从最上层应用层开始，每层在把数据递交给下层之前，先添加上该层的PDU。使这个用户的原始数据包具有所有层次的功能属性，用来帮助该数据完成传递。例如：现有一个项目，需要由销售部、技术部、财务部、工程部来协同完成。首先，该项目由老板提出，由技术部在这个想法的基础上给出解决方案，再由财务部在解决方案的基础上进行项目经费预算，工程部在经费预算的基础上选择合适的零部件来完成产品的加工，然后由销售部门将产品销往各地。在这个项目的整个完成过程中，各个部门各兼所职，但是缺一不可，而且整个项目的流程都是固定的，依次要经过老板à技术部à财务部à工程部à销售部，才能完成。这些部门就好比OSI或者TCP/IP的层次，每个层次各兼所职，缺一不可，且流程固定。数据解封装：将收到的数据，逐层来解读该层的PDU，看看与本台电脑上的每层所负责的信息或者服务是否匹配，如果匹配，则会将数据的PDU在每层解开，最终剩下里面的原始数据。OSI的封装过程如下：用户准备好要传出去的原始数据加上应用层PDU表加上示层PDU加上会话层PDU加上传输层PDU加上网络层PDU加上数据链路层PDU将数据帧转成bit流从物理层传出OSI的解封装过程如下：从物理层收到bit流，转成数据帧交给数据链路层去掉数据链路层PDU去掉网络层的PDU去掉传输层的PDU去掉应用层的PDU得到原始数据TCP/IP的封装过程如下：用户准备好要传出去的原始数据加上应用层PDU加上传输层PDU加上网络层PDU加上数据链路层PDU转成bit流从物理层传出TCP/IP的解封装过程如下：从物理层收到bit流，转成数据帧交给数据链路层去掉数据链路层PDU去掉网络层的PDU去掉传输层的PDU去掉应用层的PDU 得到原始数据

UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议:进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。这与面向流字符的协议不同，如TCP，应用程序产生的全体数据与真正发送的单个IP数据报可能没有什么联系。 UDP数据报封装成一份IP数据报的格式如下图:UTP不提供可靠性:它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。应用程序必须注意IP数据报的长度。如果它超过网络MTU(最大传输单元)，那么就要对IP数据报进行分片。如果需要源端到目的端的每个网络都要进行分片，并不只是发送端主机连接第一个网络才这样做。首部结构如下图:端口号表示发送进程和接受进程，由于IP层已经把IP数据报分配给TCP或UDP（根据IP首部中协议字段值），因此TCP端口号由TCP来查看，而UDP端口号由UDP来查看。TCP端口号与UDP端口号是相互独立的。UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为8字节(发送一份0字节的UDP数据报是OK的)。这个UDP长度是有冗余的，IP数据报长度指的是数据报全长，因此UDP数据报长度等于IP数据报长度减去IP首部的长度。UDP校验和覆盖UDP首部和UDP数据。回想IP首部的校验和，它只覆盖IP的首部----并不覆盖IP数据报的任何数据。UDP和TCP在首部都有覆盖它们首部和数据的校验和。UDP校验和是可选的，而TCP的校验和是必需的。尽管U D P检验和的基本计算方法与我们之前第三节中描述的IP首部检验和计算方法相类似（16bit字的二进制反码和），但是它们之间存在不同的地方。首先，UDP数据报的长度可以为奇数字节，但是检验和算法是把若干个16bit字相加。解决方法是必要时在最后增加填充字节0，这只是为了检验和的计算（也就是说，可能增加的填充字节不被传送）。如果发送端没有计算检验和而接收端检测到检验和有差错，那么UDP数据报就要被悄悄地丢弃。不产生任何差错报文（当IP层检测到IP首部检验和有差错时也这样做）。UDP检验和是一个端到端的检验和。它由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现UDP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动。物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据(选路)，并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。把一份IP数据报进行分片以后，只有到达目的地才进行重新组装(这里的重新组装与其他网络协议不同，它们要求在下一站就进行重新组装，而不是在最终目的地)。重新组装由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对传输层(TCP和UDP)是透明的。已经分片过得数据报可能会再次进行分片，IP首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。对于发送端发送的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值。该值在数据报分片时被复制到每个片中。标志字段其中一个比特来表示"更多的片"。除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把比特置1。片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。最后，标志字段中有一个比特称作“不分片”位。如果将这一比特置1，IP将不对数据报进行分片。相反把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报（“需要进行分片但设置了不分片比特”）给起始端。当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。IP分片有一个问题:丢失掉一片数据也要重新传输整个数据报。原因:IP层没有超时重传机制---由更高层负责超时和重传。当来自TCP报文段的某一片丢失后，TCP超时会重发整个TCP报文段，该报文段对应于一份IP数据报。没有办法重传数据报中的一个数据报片。使用UDP很容易导致IP分片。下图是UDP分片示例:发现ICMP不可达差错的另一种情况是，当路由器收到一份需要分片的数据报，而在IP首部又设置了不分片(DF)的标志比特。如果某个程序需要判断到达目的端的路途中最小MTU是多少----称作路径MTU发现机制，那么这个差错就可以被该程序使用。这个情况下ICMP不可达差错报文格式如下图：如果路由器没有提供这种新的ICMP差错报文格式，那么下一站的MTU就为0。理论上，IP数据报的最大长度是65535字节，这是由IP首部16比特总长度字段所限制的。去除20字节的IP首部和8个字节的UDP首部，UDP数据报中用户数据的最长长度为65507字节。但是，大多数实现所提供的长度比这个最大值小。其中有两个限制因素:1.应用程序可能会受到其程序接口的限制。socket API提供了一个可供应用程序调用的函数，以设置接收和发送缓存的长度。对于UDP socket，这个长度与应用程序可以读写的最大UDP数据报的长度直接相关。2.第二个限制来自于TCP/IP的内核实现。可能存在一些实现特性(或差错)，是IP数据报长度小于65535字节。我们同样可以使用UDP缠上ICMP"源站抑制"差错。当一个系统(路由器或主机)接受数据报的速度比其处理速度快时，可能产生这个差错。当在以太网传播的数据需要经过SLIP链路时，可能产生该差错报文。因为SLIP链路的速度大约只有以太网的千分之一，所以，很容易使其缓存用完。在本例中，应用程序要么没有接收到源站抑制差错信号，要么接收到却将其忽略了。结果是如果采用UDP协议，那么BSD实现通常忽略其接收到的源站抑制报文。其部分原因在于，在接收到源站抑制差错报文时，导致源站抑制的进程可能已经中止了。不处理ICMP源站抑制差错，说明了UDP是一个非可靠的协议，它只控制端到端的流量控制。除非在应用程序中建立一些应答机制，否则发送端并不知道接收端是否收到了这些数据。来自客户的是UDP数据报。IP首部包含源端和目的端IP地址，UDP首部包含了源端和目的端的UDP端口号。当一个应用程序接收到UDP数据报时，操作系统必须告诉它是谁发送了这份消息，即源IP地址和端口号。这个特性允许一个交互UDP服务器对多个客户进行处理。给每个发送请求的客户发回应答。一些应用程序需要知道数据报是发给谁的，即目的地址。这要求操作系统从接收到的UDP数据报中将目的IP地址交给应用程序。大多数UDP服务器是交互服务器，单个服务器进程对单个UDP端口上的所有客户请求进行处理。通常程序所使用的每个UDP端口都与一个有限大小的输入队列向联系。这意味着，来自不同客户的差不多同时到达的请求将有UDP自动排队。接收到UDP数据报以其接收顺序交给应用程序。因此，由于队列溢出导致的UDP数据报的丢失不可避免。应用程序不知道其输入队列什么时候会溢出，只能有UDP对超出数据报进行丢弃处理。同时，不会发挥任何消息告诉客户其数据报被丢弃。大多数UDP服务器在创建UDP端点时都使其本地IP地址具有通配符的特点。这表明进入的UFP数据报如果其目的地为服务端端口，那么任何本地接口均可接收到它。大多数系统允许UDP端点对远端地址进行限制。下面是UDP服务器本身可以创建的三类地址绑定:在所有情况下，lport指的是服务器有名端口号，localIP必须是本地接口的IP地址。表中这三行的排序是UDP模块在判断用哪个端点接收数据报时所采用的顺序。最为确定的地址（第一行）首先被匹配，最不确定的地址（最后一行IP地址带有两个星号）最后进行匹配。当UDP数据报到达的目的IP地址为广播地址或多播地址，而且在目的IP地址和端口号处有多个端点时，就向每个端点传送一份数据报的复制（端点的本地IP地址可以含有星号，它可匹配任何目的IP地址）。但是，如果UDP数据报到达的是一个单播地址，那么只向其中一个端点传送一份数据报的复制。选择哪个端点传送数据取决于各个不同的系统实现。UDP是一个简单协议。它想用户进程提供的服务位于IP层之上，包括端口号和可选的校验和，我们用UDP老检查校验和并观察分片是如何进行的。 当系统接收IP数据报的速率超过这些数据报被处理的速率时，系统可能发送ICMP源站抑制差错报文。使用UDP时很容易产生这样的ICMP差错。

电脑或者设备发送数据的时候封装，接收数据的时候解封装。其中封装是指依据tcp/ip参考模型从上向下，也就是从应用层到数据链路层依次打上一个相应的头部字段，完成封装的过程发送出去。接收的时候过程正好相反。其中每一层的作用就是靠相应层次的头部字段来完成的。

以下内容整理自 Introduction to TCP/IP 路由用来连接一个网络到另一个网络，它创建本地网络，通过NAT实现本地网络和公网的通讯，同时通过防火墙限制外网对本地网络的访问。路由只和IP地址打交道，所以只在网络层工作。为了同时和局域网、公网交互，它有两个MAC地址。在TCP/IP网络协议下，IP地址用来唯一标示每台主机，它是由路由分配的虚拟地址，一般来说IP地址由运行在路由中的DHCP服务管理和分配，常见的表现形式是点分十进制的IPv4。当一个主机连接到路由创建的内网时，他会主动的从路由获取IP地址，这样才能确定其身份并和内网的其它设备通讯。我们来一步一步看下过程。在分配之前主机的IP地址为0.0.0.0，此时主机和路由通过网线连接着 。网线或WIFI天线的终端都和物理层PHY相连 ，PHY是个收发器，一方面负责生成信号通过网线传输出去，另一方面也接受其它网络发来的信号并解码。在这里先忽略MAC地址的作用，注意目标IP地址是255.255.255.255，表明是广播。当路由收到这个数据包(Packet),发现是群发，所以它得看看，发现是需要分配IP地址，正好是路由负责的活，准确的说是运行在路由中的DHCP负责的活，它会为此分配一个新IP地址。如上所说，这个请求其它主机也能收到，但它们没有提供IP地址的功能，就直接把数据包丢弃，对上层来说好像从来没收到过。因为此时请求方还不知道自己的新IP地址，所以目标IP就不能写路由刚提供的，主机每时每刻都会收到很多数据包，如果目标IP地址不是自己，根本没必要处理，所以除了广播，那些非自己IP的数据包都会被过滤掉，所以路由只能同样以广播的形式返回数据包，即目的IP地址是255.255.255.255，其中MAC地址发挥的作用我们到交换机再说。主机在收到这个广播后，发现内容就是对请求IP地址的回复，正是自己等待的。主机用消息中的IP地址来配置自己的网络接口，现在有了身份，可以和网络的其它成员通讯了在谈交换机之前先介绍一下MAC（Media Access Controller）。MAC负责生成发送或接受网络帧(Frame)，如果收到的网络帧没有MAC地址或不是MAC广播地址，是不会传给上层处理的。交换机有个MAC（Media Access Controller），但交换机自己并没有MAC地址，因为它并不是数据通讯的终点，所以不需要MAC地址，而路由有两个MAC地址，一个在内网使用，一个在外网使用。大部分家庭和小型办公网络可以使用内置交换机的路由，与路由使用IP地址来寻找主机不一样，交换机根据主机的MAC地址来过滤和转发帧。需要强调的是，IP地址是虚拟的、可重复的，易变的；但设备的MAC地址是真实的、全球唯一的、固定的。MAC地址是可以作为设备的唯一标识的。交换机在实际工作中使用路由表来关联MAC地址和物理端口，在上面主机获取IP地址的过程，我们只关注路由的工作，忽略了底层交换机是如何工作的，现在来具体看看路由层我们使用的是含IP地址的数据包（Packet），但交换机只处理MAC地址，要在交换机工作的这层使用，需要添加MAC地址封装成帧（Frame），与目的IP地址一样，此次添加的MAC地址也是个广播地址 (FF:FF:FF:FF:FF:FF)。当交换机接收到主机发送的帧，会在路由表记录MAC地址和物理端口的关系交换机看到这是个广播帧，就会向网内所有连接的主机发一份，路由因此收到此帧，通过DHCP服务处理，生成IP地址以广播形式回复，参考上面。当交换机收到路由回复的帧，先将路由的MAC地址和物理接口关联交换机发现此帧目标MAC地址已在表中，就仅转发到此MAC地址对应端口，其它连接的端口不会看到此帧，也就是处理此帧的主机就是发送请求IP地址的那台设备。至此在内网中，主机请求IP地址过程中，路由和交换机的工作流程算是介绍完了，下面有一个简单的示例，很好的演示了内网中两台设备的通讯过程假设内网中有一个嵌入式开发板和一台PC，它们都已连上网，有了IP地址，交换机的路由表也有了记录，如下图。根据从路由和交换机学到的内容，我们来看一下内网中TCP/IP的通讯过程因为是微软提供的培训教程，所以使用的是IE浏览器，输入开发板的IP地址下图非常形象的说明了数据封装的过程，首先消息加上源和目标IP地址封装成数据包(Packet)，然后加上源和目标MAC地址封装成帧(Frame)，当然这是由不同层完成的操作，而且为了简化过程在此忽略了TCP协议和ARP协议。生成的帧通过PHY被传送到交换机交换机只处理MAC地址，所以它取出此帧的MAC地址，在路由表上查目标MAC地址所对应的端口，然后转发过去即可当开发板收到帧(Frame)，首先检查此帧目的MAC地址和自己是否匹配，如果匹配打开此帧再检查数据包(Packet)中的目的IP地址和自己的是否匹配，如果也匹配就打开数据包查看其中消息，主要是看端口，发现是给Web Sever的，于是将其会发给Web Sever应用处理。Web Server的回应与PC的请求类似，都是将消息一层一层封装发送，填好目的和源IP地址、MAC地址，通过PHY传送到交换机。 后面的过程与前面类似，找到对应的主机，检查MAC地址、IP地址，然后将数据送达PC的浏览器显示在屏幕上。

这部分简要介绍一下TCP/IP的内部结构，为讨论与互联网有关的安全问题打下基础。TCP/IP协议组之所以流行，部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底层协议（例如T1和X.25、以太网以及RS-232串行接口）之上。确切地说，TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议，UDP（User Datagram Protocol）协议、ICMP（Internet Control Message Protocol）协议和其他一些协议的协议组。CP/IP协议的组成TCP/IP协议在一定程度上参考了OSI的体系结构。OSI模型共有七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。（1）应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大，所以在TCP/IP协议中，它们被合并为应用层一个层次。（2）由于运输层和网络层在网络协议中的地位十分重要，所以在TCP/IP协议中它们被作为独立的两个层次。以上内容参考：百度百科-TCP/IP协议
TCP/IP协议工作原理： 中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。 通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。
(1) 在源主机上应用层将一串字节流传给传输层； (2) 传输层将字节流分成TCP段，加上TCP包头交给互联网络(IP)层；(3) IP层生成一个包，将TCP段放人其数据域，并加上源和目的主机的IPIP包交给数据链路层；(4) 数据链路层在其帧的数据部分装IP包，发往日的主机或IP路由器；(5) 在目的主机，数据链路层将数据链路层帧头去掉，将IP包交给互联网层；(6) IP层检查IP包头，如果包头中的校验和与计算出来的不一致，则丢弃该包；(7) 如果校验和一致，IP层去掉IP头，将TCP段交给TCP层，TCP层检查顺序号来判断是否为正确的TCP段；(8) TCP层为TCP包头计算TCP头和数据。如果不对，TCP层丢弃这个包，若对，则向源主机发送确认；(9) 在目的主机，TCP层去掉TCP头，将字节流传给应用程序；(10) 于是目的主机收到了源主机发来的字节流，就像直接从源主机发来的一样。 实际上每往下一层，便多加了一个报头，而这个头对上层来说是透明的，上层根本感觉不到下面报头的存在。如下图3-10所示，假设物理网络是以太网，上述基于TCP/IP的文件传输(FTP)应用打包过程便是一个逐层封装的过程，当到达目的主机时，则从下而上去掉包头。
TCP/IP 的工作原理 下面以采用TCP/IP协议传送文件为例，说明TCP/IP的工作原理，其中应用层传输文件采用文件传输协议（FTP）。TCP/IP协议的工作流程如下：●在源主机上，应用层将一串应用数据流传送给传输层。●传输层将应用层的数据流截成分组，并加上TCP报头形成TCP段，送交网络层。●在网络层给TCP段加上包括源、目的主机IP地址的IP报头，生成一个IP数据包，并将IP数据包送交链路层。●链路层在其MAC帧的数据部分装上IP数据包，再加上源、目的主机的MAC地址和帧头，并根据其目的MAC地址，将MAC帧发往目的主机或IP路由器。●在目的主机，链路层将MAC帧的帧头去掉，并将IP数据包送交网络层。●网络层检查IP报头，如果报头中校验和与计算结果不一致，则丢弃该IP数据包；若校验和与计算结果一致，则去掉IP报头，将TCP段送交传输层。●传输层检查顺序号，判断是否是正确的TCP分组，然后检查TCP报头数据。若正确，则向源主机发确认信息；若不正确或丢包，则向源主机要求重发信息。 ●在目的主机，传输层去掉TCP报头，将排好顺序的分组组成应用数据流送给应用程序。这样目的主机接收到的来自源主机的字节流，就像是直接接收来自源主机的字节流一样。