掌握TCP/IP模型-网络技术

任务描述

本任务介绍TCP/IP模型的相关内容，主要包括TCP/IP模型的特点和结构。

任务实施

1.TCP/IP模型基本知识介绍

TCP/IP（transmission control protocol/Internet protocol）是指传输控制协议/网际协议，是针对Internet开发的一种体系结构和协议标准，其目的在于解决异种计算机网络间的通信问题，使网络在互联时把技术细节隐藏起来，为用户提供一种通用、一致的通信服务。TCP/IP起源于美国ARPANET，由它的两个主要协议TCP协议和IP协议而得名。通常所说的TCP/IP协议实际上包含大量的协议和应用，并且由多个独立定义的协议组合在一起，因此更确切地说，TCP/IP是一个协议族而不是一种协议。

由于Internet在全世界的飞速发展，TCP/IP协议得到了广泛的应用，虽然TCP/IP不是ISO标准，但广泛的应用使TCP/IP成为一种“事实上的标准”，并形成了TCP/IP模型。

TCP/IP协议具有以下特点。

1）TCP/IP是开放的协议标准，任何厂商和个人都可以直接使用，而不用征得谁的许可。

2）TCP/IP独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网等各种网络环境。

3）TCP/IP使用统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网络中具有唯一的地址。

4）TCP/IP是标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

2.认识TCP/IP协议的结构

TCP/IP协议和OSI模型一样，也采用分层体系结构。协议的分层使各层的任务和目的十分明确，这样有利于软件编写和通信控制。TCP/IP协议分为4层，由下至上分别是网络接口层、网络层、传输层和应用层，如图2.3所示。

图2.3　TCP/IP模型分层结构

（1）网络接口层

TCP/IP模型的最底层是网络接口层，它包括能使TCP/IP与物理网络进行通信的协议，对应OSI参考模型的物理层和数据链路层。其功能是接收和发送IP数据包，负责与网络中的传输媒介打交道。TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议，目的是能够适应各类型的网络，如以太网、令牌网、帧中继、ATM等，这也说明了TCP/IP协议可以运行在各种网络之上。

（2）网络层

网络层又称网际层，负责相邻计算机之间的通信，它主要包括3个方面的功能。

1）处理来自传输层的请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往目标网络的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。

2）处理输入的数据报，首先检查其合法性，然后进行路由选择。假如该数据报已经到达信宿本地机，则去掉报头，将剩下部分（TCP分组）交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，即转发该数据报。

3）处理路径、流量控制、拥塞等问题。另外，网络层还提供差错报告功能。

（3）传输层

TCP/IP的传输层与OSI的传输类似，它的根本任务是提供端到端的通信。传输层对信息流具有调节作用，提供可靠性传输，确保数据能够正确到达。为此，在接收方安排了下一种发“确定”和要求重发丢失报文分组的机制。传输层软件把要发送的数据流分成若干报文分组，在每个报文分组上加一些辅助信息，包括用来标识是哪个应用程序发送这个报文分组的标识符（即源端口）、哪个应用程序应接收这个报文分组的标识（即目标端口）及给每个报文分组附带校验码，接收方即可使用这个校验码验证收到的报文分组的正确性。在一台计算机中，同时可以有多个应用程序访问网络。传输层同时从几个用户接收数据，然后把数据发送给下一个较低的层。

（4）应用层

在TCP/IP模型中，应用层是最高层，它对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层。它使用户的程序访问网络，并获得各种网络服务，如Web浏览、电子邮件等。严格来说，应用程序不属于TCP/IP，但就上面提到的几个常用应用程序而言，TCP/IP制定了相应的协议标准。所以，把它们也作为TCP/IP的内容。当然，用户完全可以根据自己的需要在传输层之上建立自己的专用程序。这些专用程序要用到TCP/IP，但不属于TCP/IP。在应用层，用户访问网络的应用程序，该应用程序与传输层协议相配合，发送或接收数据。每个应用程序都应选用自己的数据形式，它可以是一系列报文或字节符，无论采用哪种形式，都要将数据传送给传输层以便交换信息。

应用层的协议很多，依赖关系相当复杂，这种现象与具体应用的种类繁多现象密切相关。应当指出，在应用层中，有些协议不能直接为一般用户所使用，那些能直接被用户所使用的应用层协议往往是一些通用的、容易标准化的东西，如FTP、Telnet等。在应用层中还包含很多用户的应用程序，它们是建立在TCP/IP协议族基础上的专用程序，无法标准化。

3.认识TCP/IP各层的协议

（1）网络层(www.xing528.com)

网络层的协议主要有IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP等几种协议。

1）IP（Internet protocol）协议。IP协议是Internet上最重要的协议，也是TCP/IP协议中两个重要的核心协议之一，它的主要任务是提供无连接的数据报传输及路由选择的功能。

如前所述，TCP/IP协议是为了包容各种物理网络技术而设计的，而这种包容性主要体现在IP层。IP协议是无连接的。无连接是指双方在进行数据通信之前，不需要先建立好连接即可通信。IP协议向传输层提供统一的IP数据报，这是TCP/IP协议可应用于异种网络互联的最重要的一步。

在网络中传输的基本数据单元是帧，因物理网络的不同，帧的格式和地址格式各异。IP协议不但把不同格式的物理地址转换为IP地址，而且把各种不同的帧统一为IP数据报。这样，帧的差异性对上层协议便不复存在。这种转换意义非常重要，通过这一转换，实现了在互联网中达到屏蔽底层细节，提供一致的数据包传输。

2）ICMP（Internet control message protocol）协议。ICMP协议即网际控制报文协议，它为IP协议提供差错报告。数据在Internet中传输时，发生错误的机会是比较多的。例如，通信线路的故障、主机系统或路由器出错、网络出现拥塞等。IP协议无法检测错误。为了能够处理这些错误，专门设计了ICMP协议。在IP数据报的传输过程中，如果某个路由器发现了传输错误，则立即向各源主机发送ICMP报文，报告出错情况，以便源主机采取措施加以纠正。

3）IGMP（Internet group management protocol）协议。IP协议只是负责网络中点到点的数据报传输，而单点到多点的数据报传输要依靠IGMP协议来完成。它主要负责报告主机组之间的关系，以便相关的设备（路由器）可支持多播发送。

4）ARP（address resolution protocol）和RARP协议在互联的网络中，任何一次从IP层（即网络层）及上层次发出的数据传输都是用IP地址进行标识的。由于物理网络本身不认识地址，因此必须将IP地址映射成物理地址，才能把数据发往目的地。ARP协议和RARP协议，它们的作用就是将源主机和目的主机的IP地址转化为物理地址，或将物理地址转化为IP地址。

（2）传输层协议

I）TCP（transmission control protocol）协议。尽管IP协议提供了一种使计算机能够发送数据和接收数据的方法，也就是将分组从源地址传送目的地址。但是，IP协议并没有解决诸如数据报丢失或顺序传递等问题。TCP协议位于传输层，解决了IP协议不能解决的这个问题。TCP协议是面向连接的，面向连接即在进行数据通信之前，通信双方必须先建立连接，然后才能进行通信。显然，面向连接的服务具有高可靠性，这正是TCP协议的特点。因此，IP协议与TCP协议结合在一起，提供了一种在Internet上传输数据的可靠方法。

2）UDP（user datagram protocol）协议。UDP协议是一个无法连接的协议，但是，它增加了提供协议端口的能力，以实现对应用层的服务。由于UDP协议是无连接的，因此它不可靠，也没有错误恢复能力。但是，UDP协议的特点是效率高，并且比TCP协议要简单得多，在实际应用中，在一些特定的环境中还是非常有优势的。例如，要发送的信息较短，不值得在主机之间建立一次连接，另外，面向连接的通信通常只能在两个主机之间进行。如果需要实现多个主机之间的一对多或多对多的数据传输，即广播或多播，就需要使用UDP协议。

（3）应用层协议

1）Telnet（远程终端协议）：Telnet允许本地主机为仿真终端登录到远程主机并运行应用程序。

2）FTP（文件传输协议）：用于实现主机之间的文件传输。

3）SMTP（简单邮件传输协议）：实现主机之间电子邮件的传送。

4）DNS（域名系统）：实现主机名与IP地址之间的转换。

5）DHCP（动态主机配置协议）：实现IP地址的自动分配。

6）HTTP（超文本传输协议）：用于Internet中客户机与www服务器之间的数据传输。

7）NFS（网络文件系统）：实现主机之间的文件系统的共享。

8）ANMP（简单网络管理协议）：实现网络的远程监控和管理。

4.两种模型的比较

OSI参考模型和TCP/IP体系结构对网络体系的形成和发展都起到了非常重要的作用。OSI/RM的提出对推进网络协议标准化起到了重要的作用；TCP/IP体系结构随着Internet的广泛使用，经受了市场和用户的检验，它已经成为事实上的国际标准。

OSI参考模型的体系结构概念清晰，理论比较完整，但是复杂不实用。TCP/IP体系结构虽然简单，但是却得到了非常广泛的应用。OSI参考模型与TCP/IP的比较如表2.1所示。

表2.1　OSI参考模型和TCP/IP模型的比较

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