TCP/IP协议（一）

概述

1.1 分层

TCP/IP分层（由下到上）：

• 链路层 设备驱动程序及接口卡
• 网络层 IP（网际协议）、ICMP（Internet互联网控制报文协议）和IGMP（Internet组管理协议）
• 运输层 TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）
• 应用层 Telnet（远程登录）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）和email等
  

TCP/IP的基本工作原理

TCP/IP模型有四层，每层分别具有不同的协议和功能，TCP/IP协议族是一组在不同层上的多个协议的组合。各层在实现自身的功能时，使用它的直接下层提供的服务，同时也为它的直接上层提供服务。下面说明这些协议进行协调工作的基本原理。

1.TCP/IP协议族中各协议之间的关系

TCP/IP协议族中有很多协议，这些协议处于不同的层，它们之间的关系如下图所示。

　　

每个应用层协议都是为了解决某一类应用问题而定义的，各种应用进程就是通过不同的应用层协议来使用网络所提供的服务。图1-4中的应用进程代表实现不同应用层协议功能的进程。例如，实现文件传输协议的FTP应用进程可以为用户提供计算机之间的文件传输服务，实现超文本传输协议的HTTP应用进程可以为用户提供浏览Web网页的功能等。

TCP和UDP是两个传输层协议。一般地，应用进程可以选择使用TCP或者UDP协议。如果应用层协议要求传输层提供可靠的服务，则应该选择TCP协议；否则，如果应用层协议要求较高的数据传输速率，但是可以容忍一定的数据丢失，则可以选择UDP协议。TCP协议的数据单元称为TCP报文段或简称TCP段(TCPsegment)，UDP协议的数据单元称为UDP数据报(UDPdatagram)。

IP协议是网际层上的一个主要协议。TCP和UDP协议都可以直接使用IP协议所提供的服务。IP协议的数据传送单位称为IP数据报或IP分组。TCP报文段或UDP数据报都可以封装在IP数据报中，以便在互联网上传输。除IP协议外，网际层还有其他协议，例如ICMP协议用于报告差错和其他重要信息；IGMP是多播组管理协议，是一个与多播有关的协议；ARP(地址解析协议)和RARP(逆向地址解析协议)用于提供ⅡP地址与物理地址的映射功能。IP数据报可以在不同的物理网络上进行传送。通过以太网传送的数据单元称为以太网帧，或简称为帧(frame)。

2．封装和拆封

在发送方(也称为源主机)，当应用程序使用TCP或UDP传送用户数据时，将用户数据送人TCP/IP协议栈，然后自上而下地逐个通过每一层，直到被当做一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都需要增加一些首部信息，有时还需要增加尾部信息。这些操作过程称为封装，如图所示。

　　

TCP、UDP、ICMP和IGMP等协议都要使用IP数据报传送数据，所以必须在IP数据报的首部加入某种标识，以说明是哪个协议的数据封装到了IP数据报中。IP数据报首部定义的一个8位的“协议”宇段就是为此目的而设置的。协议宇段的值为1表示ICMP，为2表示IGMP，为6表示TCP，为17表示UDP。

类似地，许多应用进程使用TCP或UDP传送数据，则需要在TCP段或UDP数据报首部定义一个应用程序标识符。TCP和UDP都使用 一个16位的端口号来标识不同的应用程序，TCP和UDP把“源端口号”和“目的端口号”分别存人TCP段首部和UDP数据报首部。网络接口分别发送和接收IP、ARP、RARP的数据，同理，也必须在以太网(假定物理网络是一个以太网)的首部加入一个字段，用来说明是哪个协议的数据。为此，以太网帧首部定义了一个16位的“类型”字段。当接收方(也称目的主机)收到一个以太网帧时，数据就开始在协议栈中自下而上传送。各层协议利用报文首部所携带的协议控制信息做相应的处理，然后去掉各层协议数据单元的首部，将封装的数据交给上层协议。每层协议都要检查协议首部中的协议标识，以确定让哪一个协议接收数据，这个过程称为拆封。下图说明了以太网数据帧的拆封过程。

　　

总而言之，发送数据时需要自上而下，层层封装。接收数据时需要自下而上，层层拆封。

3．两个端系统的TCP/IP通信

两个端系统的通信会涉及不同层的协议。如下图所示，主机A和主机B在同一个局域网(以太网)上，两台主机都运行实现FTP协议的应用进程，它们的通信过程所涉及到的主要协议都标识在下图中。

　　

主机A主机B大多数网络应用程序都设计成客户—服务器方式，客户是服务请求方，服务器是服务提供方，服务器为客户提供某种服务。例如，FTP服务器允许客户访问FTP服务器所在主机上的文件，WWW服务器允许客户(浏览器)访问WWW服务器所在主机上的网页，等等。在两个端系统的同一层上，双方都有对应的一个或多个协议进行通信。例如传输层利用TCP或UDP等进行通信，网际层利用IP进行通信。

上图局域网上运行FTP的两台主机从前面的讲述可知，应用进程的数据要经过主机A(源主机)自上而下的封装，然后在网络中传输，最后在主机B(目的主机)经过自下而上的 拆封这样复杂的处理过程，才能到达目的主机的应用进程。但是，对用户来说，这些复杂的处理过程都屏蔽掉了，好像是主机A的应用进程直接把数据交给了主机B 的应用进程。同理，我们可以认为，任何两个对等层(peerlayer)，例如传输层、网际层、网络接口层之间的通信，如同上图中标识的一样，好像是将数 据通过水平虚线直接传递给对方，这就是所谓的对等层之间的通信。实际上，协议就是在两个对等层之间传递数据时的各种规定。由此可以这样认为：实际通信是按 垂直方向进行的，层与层之间经过封装和拆封这样的操作实现物理通信。但是逻辑上，却是在水平方向上利用协议进行的对等层通信。在协议的控制下，对等层的通信使得本层能够向上层提供服务。为了实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。如果两个端系统不在同一个网络上，例如它们分别是在路由器连接起来的两个不同的网络上，主机A在以太网上，主机B在令牌环网上，通过一个路由器使这两个网络连接起来。以太网上的任何主机都可以与令牌环网上的任何主机进行通信，如下图所示。

　　

应用层和运输层使用端到端(end- to-end)协议，路由器中没有这两层协议，只有端系统才有这两层协议。网际层是逐跳(hop-by-hop)协议，端系统和路由器都有网际层协议。一 个路由器具有两个或多个网络接口，这样才能连接两个或多个网络。互联网的目的之一是在应用程序中屏蔽所有的物理网络细节。在上图中，应用层不需要关心一个 端系统是在以太网上还是在令牌环网上，它们通过路由器进行通信。随着不同类型物理网络的增加，互联网的规模变得越来越大，也需要增加路由器，但是应用层仍然是一样的。物理网络细节的屏蔽使得互联网功能非常强大，也非常有用。

1.2 互联网地址

IP地址长32bit。Internet地址并不采用平面形式的地址空间，如1、2、3等。IP地址具有一定的结构，以下是五类不同的互联网地址格式。

这些32位的地址通常鞋厂四个十进制的书，其中每个整数对应一个字节。称为“点分十进制表示法”。有三类IP地址：单播地址（目的端为单个主机）、广播地址（目的端为给定网络上的所有主机），以及多播地址（目的端为同一组内的所有主机）。

1.3域名系统

在TCP/IP领域中，域名系统（DNS）是一个分布式的数据库，由它来提供IP地址和主机名之间的映射信息。

1.4应用编程接口

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用两种应用编程接口（API）：socket和TLI（运输层接口）：transport layer interface。