CC BY 4.0 （除特别声明或转载文章外）
写在最前
大约在两年前，我曾经在网易云课堂上简单复习过一次 TPC/IP 协议簇，当时并没有特别深入，只是大概记录了一些皮毛知识，在后续两年时间至今，虽然也多多少少更深层次去了解过一些 TCP/IP 的相关细节知识，但是还是感觉并没有系统化的深入理解过，遂决定在今年精读《TCP/IP 详解卷1》（第二版），预估会花费 3 个月左右的时间（因此会持续更新），希望通过这一次精读，能对 TCP 协议有一个更上一层的理解。
ISO vs TCP/IP协议簇
我们在学习计算机网络的时候，基本都会知道 ISO 七层模型，但是在真正实现时，并没有完全遵循七层模型，它只是国际标准化组织 ISO 提供的一个标准，因为如果完全按照七层模型来实现计算机网络将过于复杂，因此各家厂商实现只是参考该标准，最终形成了我们常见的 TCP/IP 四层协议簇。
下图是 ISO 七层模型和 TCP/IP 四层协议簇的对应关系： 
关于 TCP/IP 协议簇的四层划分，也有一些看法认为要划分五层，也就是 TCP/IP 协议簇下四层与 OSI 七层模型的下四层一一对应，而把 OSI 七层模型中的上三层合并成一层，统称应用层。即： 物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
下面简单介绍一下 TCP/IP 四层每一层的做用：
- 数据链路层：处理与传输介质（网线、光纤等）的物理接口的细节，负责从网络层向物理层发送数据帧；
- 网络层：处理分组在网络中的活动，例如：寻址、建立连接等；
- 传输层：为两台主机上的应用程序提供端到端的通讯，是整个模型中“承上启下”的一层；
- 应用层：处理特定的应用程序细节，它是应用程序访问网络服务的窗口，直接面向应用程序；
从一个例子出发
从上面我们已经知道了 TCP/IP 模型的分层结构以及每一层的作用，但是这些晦涩的描述你真的能理解透彻吗？为了帮助我们对 TCP/IP 模型有一个具象化的认识，让我们从一个现实场景出发，进入到 TCP/IP 四层模型中。
假设你是公司的领导，你的办公室在整个公司大厦 X 的 1024 号房间，现在你需要寄一份文件给你的客户，客户地址是他们公司大厦 Y 的 21 号房间，根据文件的重要程度，客户对于丢件有不同的容忍度，例如：合同不允许丢件（TCP），普通文件则允许丢件（UDP），而文件类寄件都是由公司前台负责，选择的是邮政 EMS 快递，且邮政 EMS 有一个限制，即它的文件袋最大只能装下一张 A4 大小的纸张。
以上就是模拟出来的一个寄件场景，现在你需要寄一份三页 A4 纸的合同给客户，你把整理好的合同给前台，叮嘱前台不要丢件，前台小姐姐也是很负责认真，为了保证合同安全，不仅按照邮局的规定用三个文件袋一一封装好每一页合同，还把每一页合同的内容都复制了一份，防止寄件过程中丢失，然后前台小姐姐在每一个封装好的文件袋上填上客户的房间号 21 号，并交给了快递员，快递员收件时补充上对方的地址：“双击省老铁市666区没毛病大厦Y”，最后快递小哥把这三个快件带回到集散中心，通过陆运或者空运等方式寄送出去。
下图为 TCP/IP 模型示意图： 
为什么要分层
网络上或者一些书上对于为什么网络要分层，劈里啪啦写了一大堆，其实总结成一句话就是：为了解耦。
这就像我们写代码，随着需求复杂度的提升，你必须要把项目模块化来减少各个模块的耦合度，方便维护和升级。网络更是这样，而且网络是一个非常之复杂的体系结构，分层让每一层只关心自己负责的功能，各层有清晰的界限，灵活性好，易于实现和标准化，正所谓“无规矩不成方圆”。层次划分后，各层通过封装与分解来与其上下层来沟通、传递。
各层的传输单元
要对 TCP/IP 簇的各层所传输的数据单元的名词有一个了解，不仅是简单知道中文名称，更要知道其对应的英文名词，我个人感觉这是很重要的，如果概念都做不到清晰，就谈不上深入理解了。
下表是 TCP/IP 协议簇各层以及其对应的传输单元名称：
| 层 | 名称 |
|---|---|
| 应用层 | 数据或者消息(Data/Message) |
| 传输层 | UDP: 数据报(Datagram) TCP: 数据段(Segment) |
| 网络层 | 分组/包(packet) |
| 数据链路层 | 帧(frame) |
| 物理层 | PDU(bit) |
封装
在分层体系结构中，相邻的层不可避免会有数据通讯，此时封装与分解就产生了。我们把自顶向下的传递称为“封装”，把自底向上的传递称为“分解”，就像快递，寄件是一个逐层包装的过程，收件是一个逐层拆包的过程。
这些通讯的数据必须要遵从每一层的特有的消息对象格式，称之为 PDU(Protocol Data Unit)，当某层获得了它上层的 PDU，它不关心这个 PDU 内具体有什么信息，只是将来自上层的数据看成一个不透明的信息（类似一个黑盒数据），它只会按照它所在层的规则，在头部(也可能在尾部)附加上自己的头部，然后传递给下一层，这就是封装所做的事。例如：TCP 数据段传递给 IP 层时，IP 层再对它处理，比如 IP分片、添加 IP 头部等，由此有产生了另一个 PDU 对象，传递给链路层。
下图是一个 TCP 应用程序的封装过程： 
分解
下面思考一个问题：当网卡驱动收到一个数据帧，它如何知道该把数据帧内的有效载荷(即payload，是指除去了以太网数据帧的头部和尾部 CRC 校验码的数据)交给上层(即网络层)的哪个协议处理，是 IPv4 协议还是 ARP 协议呢？
解决办法其实很简单粗暴，每一层 PDU 的头部都会一个字段来记录其有效载荷的协议类型，例如：以太网数据帧的头部用一个 2个字节来标识有效荷载是 IP 包(0800)还是 ARP 包(0806)等；IP 头部用一个字节来标识有效载荷是 TCP(6) 还是 UDP(17)，最后由传输层通过端口分解，最终把应用数据传递给应用程序。
下图描述了一个分解过程： 
总结
现代网络采用分层体系，从最底层的物理传输介质开始一直到主机上运行的应用程序，逐一分层，以此降低耦合性，使得网络框架易于开发、灵活扩展以及标准化。相邻的层之间通过封装和分解的方式向下和向上传递。
本文对 TCP/IP 协议簇体系做一个概述，在接下来的博文我会逐层进行详细的论述。