TCP/IP 协议基础入门

1. 什么是 TCP/IP？

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是互联网的核心协议族。就像人与人交流需要语言一样，计算机之间的网络通信也需要协议，TCP/IP 就是计算机世界的"通用语言"。

TCP/IP 不是单个协议，而是一组协议的总称，包括：

• HTTP/HTTPS：网页访问
• DNS：域名解析
• FTP：文件传输
• SMTP：邮件发送
• TCP：可靠传输
• UDP：快速传输
• IP：地址路由

2. 五层模型

网络协议分为五层，从上到下分别是：

TCP/IP 五层模型

flowchart TB
    subgraph L5["应用层 Application"]
        A["HTTP / DNS / SMTP / FTP"]
    end
    subgraph L4["传输层 Transport"]
        T["TCP / UDP"]
    end
    subgraph L3["网络层 Internet"]
        N["IP / ICMP / ARP"]
    end
    L5 --> L4 --> L3

2.1 生活中的类比

想象你寄一封信：

• 应用层：写信的内容
• 传输层：信封（写上发件人、收件人地址）
• 网络层：邮局分拣和路由
• 数据链路层：运输工具（汽车、飞机）
• 物理层：道路、天空

3. IP 地址

IPv4 地址分类

flowchart LR
    A1["A类 0-127.x.x.x
1677万主机"]
    A2["B类 128-191.x.x.x
65534主机"]
    A3["C类 192-223.x.x.x
254主机"]
    A4["D类 224-239.x.x.x
多播地址"]
    A5["E类 240-255.x.x.x
实验用途"]

3.1 什么是 IP 地址？

IP 地址就像家庭的门牌号，每个接入网络的设备都有唯一的 IP 地址。当前主要使用的是 IPv4，由 4 个 0-255 的数字组成：

示例 IP 地址：
192.168.1.100
61.135.169.121
127.0.0.1（本地回环地址，即"我自己的电脑"）

3.2 IP 地址分类

3.3 私有 IP 地址

私有 IP 不能直接访问互联网，需要通过 NAT 转换：

• 10.0.0.0 - 10.255.255.255：A 类私有（约 1677 万个）
• 172.16.0.0 - 172.31.255.255：B 类私有（约 65 万个）
• 192.168.0.0 - 192.168.255.255：C 类私有（约 6.5 万个）

4. 子网掩码

子网划分示例

flowchart LR
    N1["网络地址 192.168.1.0/24"]
    N2["/24 = 255.255.255.0"]
    N1 --> N2

4.1 什么是子网掩码？

子网掩码用来区分 IP 地址中的"网络部分"和"主机部分"。常见的子网掩码：

255.255.255.0  等于  /24  （常见于家庭网络）
255.255.0.0    等于  /16
255.0.0.0      等于  /8

4.2 如何计算

IP 地址：192.168.1.100
子网掩码：255.255.255.0

计算网络地址（IP 与子网掩码按位 AND）：
192.168.1.100
AND 255.255.255.0
------------------
= 192.168.1.0  （这就是网络地址）

可用主机数：2^8 - 2 = 254 台
（减去网络地址和广播地址）

5. 端口号

5.1 为什么需要端口号？

IP 地址用于定位到某台电脑，但一台电脑可能运行多个程序（浏览器、邮箱、游戏），端口号用来区分电脑上的不同程序。

5.2 常见端口号

5.3 端口范围

• 0-1023：系统端口（需要管理员权限）
• 1024-49151：注册端口（已登记的软件使用）
• 49152-65535：动态端口（客户端随机使用）

6. 数据封装与解封装

6.1 发送数据时的封装

当你在浏览器输入网址时，数据经过层层封装：

应用层：    HTTP 请求（我要访问某个网页）
    ↓ 加上应用层头
传输层：    TCP 头 + 数据（源端口 52345，目标端口 80）
    ↓ 加上传输层头
网络层：    IP 头 + TCP 数据（源 IP 192.168.1.100，目标 IP 61.135.169.121）
    ↓ 加上网络层头
数据链路层： Ethernet 头 + IP 数据（源 MAC XX:XX:XX:XX:XX:XX，目标 MAC 路由器）
    ↓ 加上链路层尾
物理层：    转换为电信号/光信号，在网线/光纤中传输

6.2 接收数据时的解封装

目标电脑收到数据后，层层解封装：

物理层：    接收电信号/光信号
    ↓ 去掉物理层头
数据链路层： 解析 Ethernet 头，检查 MAC 地址
    ↓ 去掉数据链路层头
网络层：    解析 IP 头，检查目标 IP 地址
    ↓ 去掉网络层头
传输层：    解析 TCP 头，检查目标端口，交付给对应应用
    ↓ 去掉传输层头
应用层：    HTTP 请求，浏览器显示网页