1. 概述
在本篇文章中，我们将介绍一组最常用且广受欢迎的网络协议。这些协议构成了现代网络通信的基石，广泛应用于互联网、企业网络、物联网等多个领域。
2. 网络协议简介
通信与信息交换是当今世界最重要的能力之一。计算机网络通过电缆、卫星等方式连接多个设备，使它们能够跨地域共享信息、资源和数据库。
为了确保网络中通信的高效与安全，设计了多种协议。协议是一组定义网络通信规则的规范。它使得不同架构、不同内部机制的设备能够相互通信，是现代数字通信不可或缺的一部分。
3. 以太网协议（Ethernet）
以太网（Ethernet）最初于1983年被标准化为 IEEE 802.3，最初使用粗同轴电缆（10BASE-5）实现局域网（LAN）通信。
IEEE 802.3 标准定义了有线网络模型中的物理层（Physical Layer）和数据链路层中的介质访问控制子层（MAC Sublayer）。
不同版本的 IEEE 802.3（如 802.3a、802.3i、802.3j）支持不同类型的传输介质。
另一个广泛应用的标准是 IEEE 802.11，它定义了无线局域网（WLAN）的物理层和 MAC 层协议，是实现无线通信的核心标准，被广泛用于笔记本电脑和智能手机之间的无线连接。
下面是 802.3 和 802.11 帧格式对比图：
主要区别在于帧大小、字段数量和传输数据量。802.11 比 802.3 多两个地址字段，且其帧体最大为 2312 字节（802.3 为 1500 字节）。
4. 网际协议（IP）
IP 协议于 1974 年由 IEEE 标准化，负责在数字网络中对数据包进行寻址和分片，确保数据包从源端成功传输到目标端。
IP 的第一个主要版本是 IPv4，1982 年首次部署于 SATNET，使用 32 位地址空间。最新的 IPv6 使用 128 位地址空间，提供更大的地址容量。
IPv4 和 IPv6 报文头格式如下：
IPv6 在 IPv4 的基础上进行了优化，减少了头部字段数量，提升了效率和可扩展性。
5. ICMP 协议（Internet Control Message Protocol）
ICMP 协议用于在网络中发送错误消息，通常与 IP 协议配合使用，用于诊断网络通信问题，如判断数据是否成功到达目标。
ICMP 是无连接协议，不需要建立连接即可发送消息。其头部结构如下：
ICMP 通过类型（Type）和代码（Code）标识错误类型，使用校验和（Checksum）确保消息准确性。
✅ 常见用途：ping、traceroute
❌ 缺点：常被用于 DDoS 攻击（如 ICMP Flood）
6. 地址解析协议（ARP）
应用程序使用逻辑地址（IP 地址）进行通信，但实际通信需要物理地址（MAC 地址）。ARP 协议负责将 IP 地址解析为 MAC 地址，是网络通信的基础。
ARP 在 OSI 模型中负责网络层与数据链路层之间的地址映射。
ARP 请求示意图如下：
7. 传输控制协议（TCP）
TCP 是一种面向连接、可靠的传输协议，建立在 IP 之上，提供数据包的可靠传输。
TCP 通信前需建立连接（三次握手），通信过程中通过确认机制（ACK/NACK）保证数据完整性，若发送方收到 NACK，则重传数据。
TCP 连接建立过程如下：
TCP 报文头包含源端口和目标端口，用于区分不同应用程序的通信：
✅ 常见用途：HTTP、HTTPS、FTP、SSH
✅ 优点：可靠、有序、流量控制
❌ 缺点：建立连接开销大，延迟较高
8. 用户数据报协议（UDP）
UDP 是一种无连接、不可靠的传输协议，适用于对延迟敏感的实时通信，如音视频传输、在线游戏等。
UDP 不建立连接，也不提供确认机制或重传机制，因此效率高但可靠性低。
UDP 通信示意图如下：
UDP 报文头结构如下：
✅ 常见用途：VoIP、直播、DNS 查询
✅ 优点：低延迟、高效
❌ 缺点：不可靠、无序
9. 超文本传输协议（HTTP）
HTTP 是万维网（WWW）的基础协议，属于应用层协议，用于客户端与服务器之间交换超文本信息。
HTTP 是无连接、无状态协议，客户端与服务器只在通信期间保持联系，通信结束后互不保留状态。
HTTP 请求与响应流程如下：
✅ 常见用途：网页浏览、RESTful API
✅ 优点：通用性强、支持多种数据格式
❌ 缺点：无状态、需配合 Cookie/Session 使用
10. 动态主机配置协议（DHCP）
DHCP 协议用于在 IP 网络中自动分配 IP 地址及其他网络参数（如子网掩码、默认网关、DNS 地址等），简化网络设备配置。
DHCP 工作流程如下：
- 客户端广播 DHCP Discover
- 服务器响应 DHCP Offer
- 客户端发送 DHCP Request
- 服务器确认 DHCP Acknowledge
DHCP 协议交互过程如下图：
DHCP 报文头结构如下：
✅ 常见用途：家庭路由器、企业网络
✅ 优点：自动分配、减少配置工作量
❌ 缺点：安全性较弱，需配合 DHCP Snooping 等防护机制
11. 生成树协议（STP）
STP（Spanning Tree Protocol）由 IEEE 802.1d 定义，用于防止局域网中出现环路，避免广播风暴。
STP 通过运行生成树算法（STA）构建网络拓扑，自动阻断冗余链路，当主链路故障时自动启用备用链路。
STP 协议使用配置消息（BPDU）进行通信，其报文结构如下：
✅ 常见用途：交换机网络、数据中心
✅ 优点：自动防止环路、提高网络可靠性
❌ 缺点：收敛速度慢，RSTP 为改进版本
12. 文件传输协议（FTP）
FTP 是基于 TCP/IP 的标准网络协议，用于在服务器之间可靠高效地传输文件。
FTP 在传输过程中建立两个连接：
- 控制连接：用于命令传输
- 数据连接：用于文件传输
FTP 连接示意图如下：
✅ 常见用途：网站部署、文件备份
✅ 优点：支持断点续传、权限控制
❌ 缺点：文件大小限制（通常 2GB）、安全性差（明文传输）
13. 安全外壳协议（SSH）
SSH（Secure Shell）是一种加密网络协议，用于在不安全网络上安全地执行远程命令和访问远程系统。
SSH 提供了加密通信、用户认证、数据完整性等安全机制，是远程登录、远程命令执行的首选协议。
✅ 常见用途：服务器管理、自动化脚本
✅ 优点：加密传输、支持密钥认证
❌ 缺点：配置复杂、性能略低于 Telnet（但更安全）
14. SSH 文件传输协议（SFTP）
SFTP（SSH File Transfer Protocol）是基于 SSH 的文件传输协议，用于安全地在系统之间传输文件。
SFTP 使用公钥加密保障通信安全，支持密码认证和密钥认证两种方式。
SFTP 与 FTP 不同，仅需一个连接即可完成命令和数据传输，简化了管理：
✅ 常见用途：安全文件同步、远程备份
✅ 优点：加密传输、支持二进制模式
❌ 缺点：依赖 SSH 服务、部分功能受限
15. 总结
本文介绍了 12 种常见网络协议，涵盖从物理层到应用层的多个层面，包括：
| 协议 | 层级 | 特点 |
|---|---|---|
| Ethernet | 物理层/数据链路层 | 局域网通信基础 |
| IP | 网络层 | 数据寻址与路由 |
| ICMP | 网络层 | 网络诊断 |
| ARP | 网络层 | IP 到 MAC 映射 |
| TCP | 传输层 | 可靠、面向连接 |
| UDP | 传输层 | 快速、无连接 |
| HTTP | 应用层 | 网页通信基础 |
| DHCP | 应用层 | 自动分配 IP |
| STP | 数据链路层 | 防止网络环路 |
| FTP | 应用层 | 文件传输 |
| SSH | 应用层 | 安全远程访问 |
| SFTP | 应用层 | 安全文件传输 |
这些协议虽各有优劣，但共同构建了现代网络通信的基础设施，支撑着互联网的运行与发展。掌握它们的工作原理，有助于我们在开发、运维、网络安全等工作中做出更合理的决策。