TCP/IP协议学习-1.概述

本文主要摘抄自书籍《TCP/IP详解卷一：协议》与TCP协议相关内容的学习笔记。

TCP/IP协议概述

很多不同的厂家生产各种型号的计算机，它们运行完全不同的操作系统，但TCP/IP协议族允许它们互相进行通信。TCP/IP起源于60年代末美国政府资助的一个分组交换网络研究项目，到90年代已发展成为计算机之间最常应用的组网形式。它成为被称作“全球互联网”或“因特网（Internet）”的基础。

下面内容主要对TCP/IP协议族进行概述。

分层

网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族，比如TCP/IP，是一组不同层次上的多个协议的组合。 TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统，如图1-1所示。

每一层负责不同的功能:

1）链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。

2）网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。

3）传输层（传输层）主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。

TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于传输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。

而另一方面，UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。

任何必需的可靠性必须由应用层来提供。这两种传输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途。

4）应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用程序：

• Telnet 远程登录。
• FTP 文件传输协议。
• SMTP 简单邮件传送协议。
• SNMP 简单网络管理协议。

另外还有许多其他应用。

延伸知识

OSI七层模型：OSI（Open System Interconnection）是一种理论下的模型，其引进了服务、接口、协议、分层的概念。TCP/IP是协议族而OSI则是模型。先有TCP/IP协议、后出现的OSI模型，而后才建立的TCP/IP模型。

OSI七层模型	TCP/IP概念模型	对应网络协议
应用层	应用层	HTTP，TFTP， FTP，NFS，WAIS，SMTP
表示层	Telnet，Rlogin，SNMP，Gopher
会话层	SMTP，DNS
传输层	传输层	TCP，UDP
网络层	网络层	IP，ICMP，ARP，RARP，AKP，UUCP
数据链路层	数据链路层	FDDI，Ethernet，Arpanet，PDN，SLIP，PPP
物理层	IEEE 802.1A，IEEE 802.2到IEEE 802.11

FTP例子

假设在一个局域网（LAN）如以太网中有两台主机，二者都运行FTP协议，图1-2列出了该过程所涉及到的所有协议。

图中FTP客户程序和另一个FTP服务器程序。大多数的网络应用程序都被设计成客户<-->服务器模式。

在同一层上，双方都有对应的一个或多个协议进行通信。例如，某个协议允许TCP层进行通信，而另一个协议则允许两个IP层进行通信。

我们注意到应用程序通常是一个用户进程，而下三层则一般在（操作系统）内核中执行。尽管这不是必需的，但通常都是这样处理的，例如UNIX操作系统。

顶层与下三层之间还有另一个关键的不同之处。应用层关心的是应用程序的细节，而不是数据在网络中的传输活动。下三层对应用程序一无所知，但它们要处理所有的通信细节。

在图1-2中列举了四种不同层次上的协议。FTP是一种应用层协议，TCP是一种传输层协议，IP是一种网络层协议，而以太网协议则应用于链路层上。TCP/IP协议族是一组不同的协议组合在一起构成的协议族。尽管通常称该协议族为TCP/IP，但TCP和IP只是其中的两种协议而已（该协议族的另一个名字是Internet协议族（InternetProtocolSuite））。

为什么需要网络层和传输层

网络接口层和应用层的目的是很显然的----前者处理有关通信媒介的细节（以太网、令牌环网等），而后者处理某个特定的用户应用程序（FTP、Telnet等）。但是，从表面上看，网络层和传输层之间的区别不那么明显。为什么要把它们划分成两个不同的层次呢？

在TCP/IP协议族中，网络层IP提供的是一种不可靠的服务。也就是说，它只是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点，但是并不提供任何可靠性保证。而另一方面，TCP在不可靠的IP层上提供了一个可靠的传输层。为了提供这种可靠的服务，TCP采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。由此可见，传输层和网络层分别负责不同的功能。

在TCP/IP中，网络层和传输层之间的区别是最为关键的:网络层（IP）提供点到点的服务，而传输层（TCP和UDP）提供端到端的服务。

TCP/IP的分层

在TCP/IP协议族中，有很多种协议。图1-3给出了将要讨论的其他协议。

TCP和UDP是两种最为著名的传输层协议，二者都使用IP作为网络层协议。

虽然TCP使用不可靠的IP服务，但它却提供一种可靠的传输层服务。

UDP为应用程序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元（例如，发送方指定的一定字节数的信息）。但是与TCP不同的是，UDP是不可靠的，它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的。

IP是网络层上的主要协议，同时被TCP和UDP使用。TCP和UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互联网中进行传输。在图1-3中，我们给出了一个直接访问IP的应用程序。这是很少见的，但也是可能的(一些较老的选路协议就是以这种方式来实现的。当然新的传输层协议也有可能使用这种方式）。

ICMP是IP协议的附属协议。IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。尽管ICMP主要被IP使用，但应用程序也有可能访问它，Ping和Traceroute，它们都使用了ICMP。

IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。

ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议）是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议，用来转换IP层和网络接口层使用的地址。

封装

当应用程序用TCP传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息（有时还要增加尾部信息），该过程如图1-4所示。TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段（TCPsegment）。IP传给网络接口层的数据单元称作IP数据报（IPdatagram）。通过以太网传输的比特流称作帧（Frame）。

图1-4中帧头和帧尾下面所标注的数字是典型以太网帧首部的字节长度。

以太网数据帧的物理特性是其长度必须在46~1500字节之间。

更准确地说，图1-4中IP和网络接口层之间传送的数据单元应该是分组（packet）。分组既可以是一个IP数据报，也可以是IP数据报的一个片（fragment）。

UDP数据与TCP数据基本一致。唯一的不同是UDP传给IP的信息单元称作UDP数据报（UDPdatagram），而且UDP的首部长为8字节。

由于TCP、UDP、ICMP和IGMP都要向IP传送数据，因此IP必须在生成的IP首部中加入某种标识，以表明数据属于哪一层。为此，IP在首部中存入一个长度为8bit的数值，称作协议域。1表示为ICMP协议，2表示为IGMP协议，6表示为TCP协议，17表示为UDP协议。

类似地，许多应用程序都可以使用TCP或UDP来传送数据。传输层协议在生成报文首部时要存入一个应用程序的标识符。TCP和UDP都用一个16bit的端口号来表示不同的应用程序。TCP和UDP把源端口号和目的端口号分别存入报文首部中。

网络接口分别要发送和接收IP、ARP和RARP数据，因此也必须在以太网的帧首部中加入某种形式的标识，以指明生成数据的网络层协议。为此，以太网的帧首部也有一个16bit的帧类型域。

分用

当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用（Demultiplexing）

当进一步描述TCP的细节时，我们将看到协议确实是通过目的端口号、源IP地址和源端口号进行解包的。

总结

• TCP/IP协议族分几层

  四层，分别为链路层、网络层、传输层、应用层。

• FTP协议属于TCP/IP模型的哪一层

  应用层。

• 在TCP/IP模型中，IP协议属于哪一层

  网络层。

• IP首部的协议域长度多少，其数值分别代表什么协议

  IP首部协议域8bit；1代表ICMP，2代表IGMP，6代表TCP，17代表UDP。

• 小结

  通过以上内容了解到TCP/IP的基本理论信息，对IP协议以及TCP基本概述内容有了更深地认知。了解到数据在网络上传输务必会经过封装、分用，以及其过程中进行的处理。