TCP/IP 协议族

发表于 2025/11/01

作者 Jasonbourne 26 分钟阅读

前言

在计算机网络中，操作系统之间的通信最终都要落到一套具体的协议之上，这套协议就是我们常说的 TCP/IP 协议族。
网上关于 TCP/IP 的资料很多，但如果缺少体系化的视角，很容易变成「记一堆名词，却不知道它们如何协同工作」。

本文尝试以「学习归纳」的方式，从整体到细节梳理 TCP/IP 协议族的核心概念和运行机制，帮助你建立起一个可反复回顾的知识框架，而不是零散记忆点。

一、TCP/IP 协议族概览

1.1 TCP/IP 是什么？

不是单一协议，而是一整套协议的集合
- IP：负责寻址和路由转发，是整个协议族的核心。
- TCP / UDP：负责端到端的传输。
- HTTP、DNS、SMTP、FTP 等：建立在 TCP 或 UDP 之上，面向应用。
- ARP、ICMP、DHCP、路由协议 等：为网络运行提供各种辅助功能。
设计目标
- 异构互联：不同厂商、不同操作系统、不同硬件架构，都可以通过统一协议互相通信。
- 可扩展性：从小型局域网扩展到互联网级别。
- 鲁棒性：在不可靠的底层物理网络上，构建尽量可靠的数据传输能力。

1.2 TCP/IP 与 OSI 模型

在学习网络时，常会遇到两个模型：

OSI 七层模型（概念模型）
- 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
TCP/IP 四层模型（工程实现中常用）
- 网络接口层、网络层、传输层、应用层。

两者的对应关系可以概括为：

TCP/IP 的应用层 ≈ OSI 的应用层 + 表示层 + 会话层。
TCP/IP 的传输层 ≈ OSI 的传输层。
TCP/IP 的网络层 ≈ OSI 的网络层。
TCP/IP 的网络接口层 ≈ OSI 的数据链路层 + 物理层。

学习时可以用 OSI 帮助理解概念，但在具体协议和实现上，基本都以 TCP/IP 为主。

二、TCP/IP 四层模型总览

从上到下，TCP/IP 通常被划分为四层，每一层解决不同层次的问题：

2.1 应用层

作用：为具体应用提供网络功能接口，使应用程序不用直接处理底层细节。
常见协议
- HTTP / HTTPS：Web 浏览。
- FTP / SFTP：文件传输。
- SMTP / POP3 / IMAP：电子邮件。
- DNS：域名解析。
- SSH：安全远程登录。

程序员通常直接与这一层打交道，如浏览器、Web 服务、数据库客户端等。

2.2 传输层

作用：为应用层提供「端到端」的数据传输服务。
核心协议
- TCP（Transmission Control Protocol）
  - 面向连接、可靠、有序、带流量控制和拥塞控制。
  - 适用于对可靠性要求高的场景，如 Web、数据库、文件传输等。
- UDP（User Datagram Protocol）
  - 无连接、不保证可靠、不保证顺序。
  - 适用于实时性强、允许一定丢包的场景，如语音通话、视频直播、游戏等。

2.3 网络层

作用：在不同网络之间转发数据，实现「端到端」的逻辑寻址和路由选择。
核心协议
- IP（Internet Protocol）：IPv4、IPv6。
- ICMP：网络测试与错误报告（如 ping）。
- ARP / NDP：地址解析（IP ↔ MAC）。
- 各种 路由协议：RIP、OSPF、BGP 等。

2.4 网络接口层（数据链路 + 物理）

作用：与具体的物理网络打交道，将 IP 数据报封装为帧进行传输。
典型技术
- 以太网（Ethernet）、Wi-Fi、PPP 等。
- 交换机工作在数据链路层，以 MAC 地址为依据转发帧。

可以把这一层理解为：如何在「一跳之内」把比特送到下一台设备。

三、从应用到物理：数据如何在网络中传输？

理解「一条 HTTP 请求是如何在网络中完成一次来回」是学习 TCP/IP 的关键。

3.1 发送方向：一层层封装

以浏览器访问某个网站为例（简化流程）：

应用层（HTTP）
- 浏览器构造 HTTP 请求报文（请求行、请求头、请求体）。
- 把这个报文交给传输层。
传输层（TCP）
- 为 HTTP 报文加上 TCP 头部，形成一个 TCP 段。
  - 包含：源端口、目的端口、序列号、确认号、窗口大小等。
- 交给网络层。
网络层（IP）
- 为 TCP 段加上 IP 头部，形成 IP 数据报。
  - 包含：源 IP、目的 IP、TTL、协议号等。
- 根据路由表确定下一跳。
网络接口层（以太网等）
- 在 IP 数据报外面加上 MAC 头部和尾部，形成 以太网帧。
  - 包含：源 MAC、目的 MAC、类型、FCS 校验等。
- 通过网线或无线信号发送出去。

可以用一个简化的封装示意：

[ 以太网头 ][  IP 头  ][ TCP 头 ][ HTTP 数据 ][ 以太网尾 ]

3.2 接收方向：一层层解封装

对端接收到帧后，方向完全相反：

网卡收帧 → 网络接口层检查并去掉以太网头尾，交给 IP。
IP 检查 IP 头，确认目的 IP、协议类型等。
如果是 TCP，交给 TCP 处理。
TCP 根据端口号找到对应的应用进程，把 HTTP 数据交给应用层。
Web 服务器解析 HTTP 请求，生成响应，再沿着同样的路径反方向送回。

关键理解：

每一层只关心自己的头部信息，对上层的内容一律视为「数据负载」。
整个过程可以抽象为：封装（往下走） / 解封装（往上走）。

四、地址与标识：IP、MAC、端口

在 TCP/IP 协议栈里，主机和应用的身份由不同层次的标识共同确定。

4.1 MAC 地址：链路层标识

位置：网卡上烧录的物理地址，通常写成 AA:BB:CC:DD:EE:FF。
作用：在同一个局域网中，识别具体的网络接口。
设备：交换机就是通过学习 MAC 地址表来转发帧的。

4.2 IP 地址：网络层标识

位置：由操作系统配置，可以通过 DHCP 自动获取，也可以手动配置。
作用：在跨网络的范围内，标识一台主机（或一个接口）的地址。
结构（IPv4）
- 32 位二进制，一般用点分十进制表示，例如 192.168.1.10。
- 配合子网掩码划分为「网络号 + 主机号」。

同一网段判断（简化）：

对两台主机的 IP 分别与子网掩码做 AND 运算，得到各自的网络号。
如果网络号相同，则认为在同一子网，可以直接通信；否则需要通过路由器。

4.3 端口：传输层标识

作用：区分同一台主机上的不同应用进程。
范围：0–65535，其中 0–1023 为「知名端口」（如 80、443、22 等）。
TCP/UDP 四元组
- 一条 TCP 连接可以用源 IP、源端口、目的 IP、目的端口唯一标识。
- 这也是网络抓包和排查问题时常用的定位方式。

4.4 ARP 与 DNS：两个重要的解析服务

ARP（Address Resolution Protocol）
- 作用：在同一局域网中，已知对方 IP 时，解析出对方的 MAC 地址。
- 机制：广播 ARP 请求，然后目标主机单播 ARP 响应。
DNS（Domain Name System）
- 作用：把人类易记的域名（例如 example.com）解析为 IP 地址。
- 常用 UDP 53 端口，也可以在某些情况下使用 TCP。

五、IP 协议与路由基础

5.1 IP 协议的核心特性

无连接：发送前不需要建立专门的「连接」，每个 IP 数据报独立发送。
尽力而为，不保证可靠
不保证一定送达，也不保证顺序。
不负责重传、流量控制等高级功能，这些由上层（如 TCP）完成。

5.2 子网与子网掩码

子网掩码的作用是确定 IP 地址中哪一部分是「网络号」，哪一部分是「主机号」。
例如：
- IP：192.168.1.10
- 子网掩码：255.255.255.0
- 网络号：192.168.1.0，主机号：10。

掌握「IP + 子网掩码 → 网络号」的计算，对理解路由行为非常重要。

5.3 路由与默认网关

路由表：记录「目标网段 → 下一跳」的映射关系。
默认网关（Default Gateway）：当目标不在本地子网时，本机会把 IP 数据报发给默认网关，由它继续转发。

一个简化的发送决策流程：

判断目标 IP 是否在本机子网内：
- 是：使用 ARP 获取对方 MAC，直接发送帧。
- 否：以默认网关为目标，发送帧给网关，由网关继续路由转发。

六、传输层：TCP 的可靠传输机制

TCP 是最常被详细考察的协议之一，但从学习角度看，有几个核心点要牢牢掌握：连接建立/释放、可靠性、流量控制和拥塞控制。

6.1 TCP 的主要特点

面向连接：通信前必须先建立连接（三次握手）。
可靠传输：
- 使用序列号（Sequence Number）和确认号（Acknowledgment Number）。
- 用超时重传机制处理丢包。
- 有序传输：接收方可以根据序列号对数据重新排序。
面向字节流：应用数据在 TCP 看起来是一条连续的字节流，而不是一个个独立报文。
流量控制和拥塞控制：通过窗口机制和相关算法控制发送速度。

6.2 三次握手：连接建立

简化过程如下（只看关键标志位）：

SYN：客户端 → 服务器
- 客户端发送一个 SYN 报文，表示希望建立连接，并携带初始序列号 seq = x。
SYN + ACK：服务器 → 客户端
- 服务器收到后，如果同意连接，发送 SYN + ACK 报文，
- 自己的初始序列号 seq = y，同时确认号 ack = x + 1。
ACK：客户端 → 服务器
- 客户端收到后，发送一个 ACK 报文，ack = y + 1。
- 至此，双方都确认了对方的收、发能力，连接建立完成。

从学习角度，关键是理解「为什么需要三次」：需要在不可靠网络上，让双方都确认对方具备收发能力，并完成初始序列号的同步。

6.3 四次挥手：连接释放

连接释放比建立要复杂一些，因为数据的发送和接收是双向的，每个方向都需要单独关闭。

简化流程如下：

第一次挥手：主动关闭方发送 FIN，表示「我这边的数据发完了」。
第二次挥手：被动关闭方回复 ACK，进入 CLOSE_WAIT 状态，此时可能还有数据要发送。
第三次挥手：被动关闭方发送自己的 FIN，表示「我也发完了」。
第四次挥手：主动关闭方回复 ACK，进入 TIME_WAIT 状态，等待一段时间（一般为 2 倍 MSL）后彻底关闭。

TIME_WAIT 的存在是为了解决「延迟的旧报文」和「对方最后 ACK 丢失」等问题，保证连接关闭的可靠性。

6.4 可靠性：确认和重传

确认机制：接收方通过 ACK 告诉发送方「哪些数据已经收到」。
超时重传：发送方在一定时间内没有收到 ACK，就认为报文丢失，会重传该报文。
序列号：确保数据在接收端可以按顺序重组。

在编程调试中，如果抓包工具中看到大量重传和乱序，很可能说明网络质量较差。

6.5 流量控制与拥塞控制（概念层面）

流量控制（Flow Control）
- 目标：避免发送方过快，导致接收方缓存被填满。
- 手段：利用 TCP 头部中的窗口大小（Window Size）字段，接收方根据自身缓冲能力动态调整。
拥塞控制（Congestion Control）
- 目标：防止过多数据注入到网络，使整个网络发生拥塞。
- 常见算法（只需在概念层面理解）：
  - 慢开始：一开始拥塞窗口很小，指数增长。
  - 拥塞避免：达到一定阈值后改为线性增长。
  - 快重传 / 快恢复：通过重复 ACK 快速发现丢包并适当减小窗口。

初学阶段不必死记算法细节，更重要的是理解：TCP 会根据网络反馈动态调整发送速度。

七、传输层：UDP 的简单与高效

7.1 UDP 的特点

无连接：发送数据前不需要建立连接，发送方直接把数据扔出去。
尽最大努力交付：不保证送达、不保证顺序、不做重传。
报文边界清晰：一发一收对应一个报文，应用层容易区分消息。
头部开销小：相比 TCP 更轻量，适合对实时性敏感、对丢包较为容忍的场景。

7.2 典型应用场景

实时音视频：如语音通话、直播、在线会议。
网络游戏：丢掉几个位置更新一般问题不大，延迟反而更加关键。
DNS 查询：单次查询短小，重试成本低。

7.3 与 TCP 的对比（学习视角）

可靠性：TCP 有，UDP 没有。
建立连接：TCP 有握手，UDP 没有。
传输方式：TCP 面向字节流，UDP 面向报文。
应用层复杂度：
- 使用 TCP 时，可靠性由协议栈保证。
- 使用 UDP 时，如需可靠性，需要在应用层自己实现确认和重传逻辑。

理解这一点有助于在系统设计时选择合适的传输协议。

八、典型应用层协议与 TCP/IP 的关系

8.1 HTTP / HTTPS

HTTP
- 构建在 TCP 之上（默认端口 80）。
- 无状态协议，结合 Cookie、Session 等实现会话管理。
HTTPS
- 在 HTTP 与 TCP 之间加入了 TLS/SSL 安全层。
- 提供加密、完整性校验和身份认证（默认端口 443）。

8.2 DNS

多数情况下使用 UDP 53 端口。
当响应数据过大或进行区域传送时，会使用 TCP。
是访问互联网几乎所有服务的前置步骤。

8.3 其他常见协议

SMTP / POP3 / IMAP：电子邮件传输与收取（基于 TCP）。
FTP / SFTP：文件传输协议。
SSH：安全远程登录，基于 TCP。

这些协议都建立在 TCP/IP 提供的基础通信能力之上，展现出「分层设计」的优势：上层专注业务语义，下层负责可靠传输。

Go代码示例

服务端 server.go

  
package main

import (
    "bufio"
    "fmt"
    "net"
)

func main() {
    // 1. 监听指定地址和端口
    listener, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:8080")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer listener.Close()

    fmt.Println("TCP 服务器启动，监听 127.0.0.1:8080 ...")

    for {
        // 2. 等待客户端连接
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            // 一般可以选择继续 Accept
            fmt.Println("接受连接错误:", err)
            continue
        }

        // 3. 为每个连接启动一个 goroutine 进行处理
        go handleConn(conn)
    }
}

// 处理单个客户端连接
func handleConn(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()

    addr := conn.RemoteAddr().String()
    fmt.Println("新连接:", addr)

    reader := bufio.NewReader(conn)

    for {
        // 4. 按行读取客户端数据（以 '\n' 结尾）
        line, err := reader.ReadString('\n')
        if err != nil {
            // 这里简单打印错误并退出
            fmt.Println("连接关闭:", addr, "错误:", err)
            return
        }

        fmt.Printf("收到来自 %s 的数据: %s", addr, line)

        // 5. 将收到的数据原样回写给客户端（简单 Echo）
        _, err = conn.Write([]byte("服务器收到: " + line))
        if err != nil {
            fmt.Println("发送数据给客户端失败:", err)
            return
        }
    }
}

客户端

  
package main

import (
    "bufio"
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "strings"
)

func main() {
    // 1. 连接到 TCP 服务器
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8080")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer conn.Close()

    fmt.Println("已连接到服务器 127.0.0.1:8080")
    fmt.Println("请输入内容并回车，输入 exit 退出。")

    // 从标准输入读取
    stdinReader := bufio.NewReader(os.Stdin)
    // 从连接读取
    connReader := bufio.NewReader(conn)

    for {
        fmt.Print(">> ")
        text, err := stdinReader.ReadString('\n')
        if err != nil {
            fmt.Println("读取输入失败:", err)
            return
        }

        text = strings.TrimSpace(text)
        if text == "exit" {
            fmt.Println("退出客户端。")
            return
        }

        // 2. 发送到服务器（加上换行符以便服务端按行读取）
        _, err = conn.Write([]byte(text + "\n"))
        if err != nil {
            fmt.Println("发送数据失败:", err)
            return
        }

        // 3. 读取服务器响应
        reply, err := connReader.ReadString('\n')
        if err != nil {
            fmt.Println("读取服务器响应失败:", err)
            return
        }

        fmt.Printf("服务器响应: %s", reply)
    }
}

小结

TCP/IP 协议族为互联网提供了一个分层、可扩展、健壮的通信架构。

从上到下，它把复杂问题拆解为应用、传输、网络、链路多个层次，每一层关注不同的职责：

应用层关心业务语义，传输层负责端到端可靠或高效的传输，网络层解决跨网络的寻址与转发，网络接口层对接具体物理网络。

在学习时，一方面要掌握各层的关键协议和概念，另一方面更要通过抓包、命令行等方式观察真实网络行为，把「抽象的协议」变成「眼前可见的报文」。当你能顺畅地从一条 HTTP 请求一路追踪到以太网帧，并反推回来时，你对 TCP/IP 的理解就已经迈入了一个扎实的台阶。

计算机网络

TCP IP 计算机网络协议栈

本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权