网络协议与网络通信的基础知识优化方案

(一) 网络协议层次模型

由于计算机网络中各台主机的类型和规格可能不同，每台主机的操作系统也不一样，为了保证计算机网络能够正常运行，就必须有一套网络中各个节点共同遵守的规程，这就是网络协议。它是一组关于数据传输、输入、输出格式和控制的规约，通过这些规约可以在物理线路的基础上构成逻辑上的链接，实现在网络中计算机、终端以及其他设备之间直接进行数据交换。

鉴于网络节点的功能有多层，网络协议也采用对应的层次结构。1978年，国际标准化组织(ISO)提出了著名的开放系统互联参考模型OSI，将网络中的通信管理程序和其他程序分开，并按照数据在网络中传输的过程将通信管理程序分成七个层次的模块，自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层(见图2-2)。其中，每个层都有相对独立的明确功能，而每一层的功能都依赖于它的下一层提供的服务，并为上一层提供必要的服务，相邻两层之间通过界面接口进行通信。模型的一到四层是面向数据传输的，而五到七层则是面向应用的。最下面的物理层直接负责物理线路的传输，最上面的应用层直接面向用户。

图2-2 参考模型的分层协议及通信模型

(二) TCP/IP协议

TCP/IP协议常简称为TCP/IP。TCP/IP并非国际标准，由于在因特网中采用这一协议，其在计算机网络体系结构中占有非常重要的地位。这是因为OSI体系结构虽然在理论上讲比较完整，但它还远远没有商品化，而随着因特网的迅速发展，支持TCP/IP的网络产品则越来越多地流入市场，因此，人们称TCP/IP为事实上的工业标准。

如图2-3所示，TCP/IP模型包含了一族网络协议，其中TCP和IP是其中最重要的两个协议。虽然它们都不是OSI标准协议，但却是被公认的事实上的标准，是因特网的标准协议。

图2-3 TCP/IP模型示意图

1. 网络接口层

网络接口层(host-to-network layer)也叫主机-网络层，在TCP/IP模型中并没有详细定义这一层的功能，只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并且能够传输网络数据分组，具体使用哪一种协议，在本层中并没有规定。实际上根据主机与网络拓扑结构的不同，局域网基本上采用了ISO8802系列的协议，如ISO8802.3以太网协议、ISO8802.5令牌网协议;广域网较常采用的协议有帧中继X.25等。

2. 互联层

互联层(Internet layer)的主要功能是负责在因特网上传输数据分组。互联层与OSI参考模型的网络层相对应，相当于OSI参考模型中网络层的无连接网络服务。互联层是TCP/IP模型中最重要的一层，它是通信的枢纽，从底层来数据包由它选择，继续传给其他网络节点或是直接交给传输层，对传输层来的数据包，要负责按照数据分组的格式填充报头，选择发送路径，并交由相应的线路发送出去。

在互联层，主要定义了互联协议(Internet protocol，简称IP)以及数据分组的格式，它的主要功能是路由选择和拥塞控制，另外，本层还定义了地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP，以及因特网控制报文协议ICMP。

3. 传输层

传输层(transport layer)的主要功能是负责在端到端的对等实体之间进行通信。它与OSI参考型的传输层功能类似，也对高层屏蔽了底层网络的实现细节，同时它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信。TCP/IP模型的传输层完全建立在包交换通信子网基础上。传输层定义了两个协议:传输控制协议TCP(transport control protocol)和用户数据包协议UDP(user datagram protocol)。TCP协议是一种可靠的、面向包交换的计算机通信网络、互联系统以及类似的网络上，保证通信主机之间有可靠的字节流传输。UDP协议是一种不可靠的、无连接协议，它的最大优点是协议简单，额外开销小，效率较高;缺点是不保证正确传输，也不排除重复信息的发生。需要可靠数据传输的应选择TCP协议，对数据精度要求不是太高的可选用UDP协议，如声音、视频的传输。

4. 应用层

应用层(application layer)是TCP/IP协议族的最高层，它包含了OSI模型中会话层、表示层和应用层的功能。因特网上应用层的协议有很多，如以下七种。

(1) 超文本传输协议(HTTP)，提供WWW服务。

(2) 简单电子邮件协议(SMTP)，负责因特网上电子邮件的传递。

(3) 远程登录协议(TELNET)，实现远程登录功能。

(4) 文件传输协议(FTP)，用于交互式文件传输，软件下载。

(5) 域名服务系统(DNS)，负责域名到IP的转换。

(6) 简单网络管理协议(SNMP)，负责网络管理。

(7) 开放最短路径优先协议(OSPF)，负责路由信息的交换。

随着网络技术的发展，将会不断有新的协议加入。

(三) IP地址与域名系统(www.xing528.com)

1. IP地址

根据TCP/IP协议，规范了网络上的所有通信设备尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式。为了使连入因特网的计算机主机在通信时能够相互识别，因特网中的每一台主机都分配有一个唯一的32位地址，称为IP地址。IP地址由4个数组成，每个数可以取值为0—255，各数间用“.”分开，如mmm.ddd.ddd.ddd的形式，其中mmm用来表示网络类别，取值范围为1—126时，表示主机所在网络为大型网，即A类网;mmm取值范围为127—191时，表示主机所在网络为中型网，即B类网，这时，前两个数字合在一起就是该网络的网号。第三个数字代表子网号，第四个数字则是主机号。mmm取值范围为192—223时，表示主机所在网络为小型网，即C类网。在这种情况下，前三个数字合在一起为该网络的网号，第四个数字是主机号。如101.25.112.2就是一个典型的IP地址格式，其中101表示该主机所在网络为大型骨干网。

IP地址由三家非盈利机构分配，美国因特网号码注册中心(ARIN)负责北美、南美、加勒比地区和非洲撒哈拉地区;欧洲IP注册中心(RIPE)负责欧洲、中东和非洲其他地区;亚太地区网络信息中心(APNIC)负责亚太地区。目前IP地址使用的协议为第四版即IPv4，大约可以表达40多亿个地址(232=4294967296)，但是由于早期的IP地址分配中的不合理，有大约一半不是被占用就是不可用。IP地址已经无法适应未来IT事业的发展需求，1997年又提出了IPv6，使用128位地址，地址量达到2128，应该可以应付发展需求了。

2. URL

因特网上的每一个站点都有一个地址，叫做统一资源定位符(uniform resource locator，简称URL)，也称作站点。个人或单位的Web页或Web页的集合通常被称为Web站点;可以下载文件的地方叫做FTP站点。典型的URL如http://slide.book.sina. com.cn/slide_14_651_24297.htmlp=25。因特网的所有站点都遵循相同结构，具体包括以下三个部分。

(1) 协议部分。URL格式的第一部分(://之前的部分)，指的是协议，或者表示信息类型以及信息是如何传输的。前缀http是最常见的协议，还有ftp是指文件传输协议(file transfer protocol)，news是指Usenet等。

(2) 主机名。URL的第二部分，完全限定的地址可以只包括根级域名，如ibm.com或msn.com，或者可以包括处于主机域的计算机名。机器名放置在根级主机名前。www是当前最常用的机器名，其词法的书写格式如同www.boc.cn。机器名可包括多个词，每个词之间用圆点隔开，如justforfun.offhours是在myschool.edu域中的一个服务器的机器名，表示为www.justforfun.offhours.myschool.edu。

(3) 路径或路径名。路径名与主机名用一个斜杠分开，可以包括斜杠，用来表示目录的等级结构，利用它来找到请求资源。当未指定路径名时，通常将显示所连接服务器的顶级目录。路径名有时与实际的计算机磁盘驱动器有关。

3. 域名系统

由于IP地址由数字构成，不便于用户记忆和使用，网络管理机构在1984年采用了域名管理系统(domain name system，简称DNS)。入网的主机域名结构为:主机号.机构名.网络名.最高层域名。域名的表达比URL要通俗、简单得多，如雅虎的域名为www. yahoo.com，微软的域名是www.microsoft.com等。目前，最高层域名又称顶级域名(TLD)，一般是以加入国际电信组织的国家或地区的英文名称的缩写，如中国为CN，日本为JP，英国为UK，中国香港为HK，中国台湾是TW。1998年起，域名由因特网域名与地址分配中心(ICANN)负责并同IP注册机构进行协调。2000年，鉴于原来的顶级域名资源日趋匮乏，又新增多个，但褒贬不一，大部分至今尚未普及(见表2-1)。

表2-1 顶级域名的类型

标准名称的命名规则与IP地址相反，自右向左越来越小，如csc.wsu.edu域名，最右边的edu是最高层次的域名，表示该域名是教育部门;wsu是下一层次的域名，表示该机属于华盛顿州立大学;csc是最低层次的域名，表示该机位于华盛顿州立大计算机服务中心。

(四) 网络通信

数据通信系统中传输的数据可以是模拟数据和数字数据，数据在传输前必须变成适宜的信号，模拟信号取随时间连续变化的电磁波，用幅度、频率、相位等表示要传输的信息。数字信号是一系列的电脉冲，用不同的电平表示0和1。传输信号的介质称为信道。模拟信号只能在模拟信道上传送，数字信号只能在数字信道上传送;数字信号可以通过数模变换在模拟信道上传输，模拟信号可通过模数变换在数字信道上传输。于是，数据表示成信号通过信道传输的数据通信过程就有了多种组合方式。如果信源发出的数据转变成模拟信号在模拟信道中传输，我们称这种通信方式为模拟通信;如果信源发出的数据以数字信号在数字信道中传输，这种通信方式称为数字通信。如传统的电话使用模拟通信技术，而“一线通”电话则采用数字通信技术。

1. 数据传输方式

数据传输可以按多种方式分类。

(1) 按通信时一次传送数据流的位数可分为串行与并行方式，串行通信数据流一位位传输，而并行方式一次传送一个字节，数据传输快。

(2) 按传输方向分为单工、半双工和全双工方式，单工方式下信息只能在一个方向上传送，如无线电广播与电视广播;半双工方式下通信双方可以交替发送或接收数据，即某一时刻信道的全带宽只能用于一个方向;全双工方式是一种可以同时进行双方信息传送的通信方式。

(3) 按同步方式分为同步传输和异步传输。在同步传输中发送方在发送数据前先发送一串同步字符，接收方只要检测到连续两个以上同步字符就确认进入同步状态，双方在同一频率进行通信，直至数据结束的控制字符为止。同步传输效率高，适合短距离的大数据块的发送。异步传输将要通信的数据中各个字符分开传输，并为每一个字符加入起始位、终止位和校验位，这种方式传输效率和速率都不高。

(4) 按传输信号种类分为基带和宽带传输。基带是指数字信号所故有的基本频带，基带传输就是用数据传输系统直接传输数据信号，不经过频率搬移，传输距离可达数公里，传输介质常用双绞线或同轴电缆。宽带是比音频更宽的频带，可以实现声音、文字和图像的一体化传输，用于模拟信号的传输。

2. 数据交换技术

通信网络按拓朴结构一般可分为广播通信和交换通信两种类型。广播通信网中通信信号是广播式的，由发送结点直接传送到接收结点，无需其他结点进行中间交换，如无线电通信网和卫星通信网。交换通信网则由若干交换结点按任意方式相互连接而成，通信网必须能为所有进网的数据流提供从源节点到宿结点的通路，实现这种通路的技术就是数据交换技术。目前广泛采用的数据交换技术有电路交换和存储转发交换两大类。

(1) 电路交换。电路交换就是通信双方在通信时，使用一条实际的通信线路，并且在通信过程中自始至终占用该条线路，不允许其他通信共享该线路，直到通信中断，如目前的公用电话网采用的就是路交换。

(2) 存储转发交换。与电路交换不同，在存储转发交换中，一个报文首先被分在许多固定长度的数据块(包)，而且每个数据包都有接收地址和发送地址的标识。具有存储转发功能的节点在接收到这些数据包后将其存储起来，再根据线路的情况选择适当的路由进行转发。这种方式极大地提高了通信线路的利用效率，虽然不是实时通信，但较小的数据包可以使传输时延不会太长，因而在数据通信中被广泛使用。存储转发交换分为报文(message)交换和分组(packet)交换等，其中分组交换是当前数据通信中应用最广泛的一种交换技术。