TCP/IP协议-分层

超、凢脫俗 2022-05-12 17:10 208阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  1.概念性术语
     *   *  1.报文(message)
         *  2.分组(packet)
         *  3.数据包(data packet)
         *  4.数据报(datagram)
         *  5.帧(frame)
         *  6.共享介质
     *  2.TCP/IP的四层协议系统
     *   *  1.应用层
         *  2.运输层
         *  3.网络层
         *  4.链路层
     *  3.网络层和运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？
     *  4.令牌环网的定义
     *   *  令牌环网的现状
     *  5.网桥
     *  6.TCP/IP的分层

## 1.概念性术语 ##

### 1.报文(message) ###

>  *  报文是网络中交换与传输的数据单元，也是网络传输的单元。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短不需一致。报文在传输过程中会不断地封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些控制信息组成的首部，那些就是报文头。

### 2.分组(packet) ###

>  *  分组是在网络中传输的二进制格式的单元，为了提供通信性能和可靠性，每个用户发送的数据会被分成多个更小的部分。在每个部分的前面加上一些必要的控制信息组成的首部，有时也会加上尾部，就构成了一个分组。

### 3.数据包(data packet) ###

>  *  数据包是TCP/IP协议通信传输中的数据单元，也称为“包”。是指自包含的，带有足够寻址信息，可独立地从源主机传输到目的主机，而不需要依赖早期的源主机和目的主机之间交换信息以及传输网络的数据包。

### 4.数据报(datagram) ###

>  *  面向无连接的数据传输，其工作过程类似于报文交换。采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。

### 5.帧(frame) ###

>  *  帧是数据链路层的传输单元。它将上层传入的数据添加一个头部和尾部，组成了帧。

应用层——消息
    传输层——数据段(segment)
    网络层——分组、数据包（packet）
    链路层——帧（frame）
    物理层——P-PDU（bit）

### 6.共享介质 ###

> 共享介质就是同轴电缆，有线传输就是网线，可能是双绞线也可能是同轴电缆或者光纤，由于可以使用无线路由和无线网卡组建无线局域网，无线电波也可作为传输介质。连接多台计算机的同轴电缆被称为“共享“的”总线传输介质“，简称为共享介质。

## 2.TCP/IP的四层协议系统 ##

### 1.应用层 ###

>  *  负责处理特定的应用程序细节，常用的应用有：  
>     **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  
>     **…**

### 2.运输层 ###

>  *  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）  
>     **UDP**（用户数据报协议）  
>     **…**

### 3.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）  
>     **IGMP协议**（Internet组管理协议）  
>     **…**  
>     详情请参考 [ICMP 和 IGMP的介绍][ICMP _ IGMP]

### 4.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

![TCP/IP四层模型][TCP_IP]

**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**(*Internet Protocol Suite*)

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## 3.网络层和运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？ ##

构造互连网最简单的方法是把两个或多个网络通过路由器进行连接。它是一种特殊的用于网络互连的硬件盒。路由器的好处是为不同类型的物理网络提供连接：**以太网**、**令牌环网**、**点对点的链接**和**FDDI**（光纤分布式数据接口）等等。在很多**TCP/IP**文献中都把曾经把网络层使用的**路由器**（*Router*）称作**网关**（*gateway*）。在今天很多局域网采用都是路由来接入网络，因此通常指的网关就是**路由器的IP**，现在网关这个术语只用来表示应用层网关：一个连接两种不同协议族的进程（例如，**TCP/IP** 和 **IBM** 的 **SNA**），它为某个特定的应用程序服务（常常是电子邮件或文件传输）

> 网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同层 - - - 应用层。  
> 例如：从一个房间走到另一个房间，必然要经过一扇门。同样，从一个网络向另一个网络发送信息，也必须经过一道“关口”，这道关口就是网关。顾名思义，网关（Gateway）就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。也就是网络关卡。

![两个网络的互连网][70]

解析：两个网络的互连网：一个以太网和一个令牌环网，通过一个路由器互相连接。尽管这里是两台主机通过路由器进行通信，实际上以太网中的任何主机都可以与令牌环网中的任何主机进行通信。应用层和运输层使用端到端（ End - to - end）协议。在图中，只有端系统需要这两层协议。但是，网络层提供的却是逐跳（ Hop - by - hop）协议，两个端系统和每个中间系统都要使用它。  
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运输层。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，**运输层**和**网络层**分别负责不同的功能。

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## 4.令牌环网的定义 ##

> 令牌环网的媒体接入控制机制采用的是分布式控制模式的循环方法。在令牌环网中有一个令牌(Token)沿着环形总线在入网节点计算机间依次传递，令牌实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道。当环上节点都空闲时，令牌绕环行进。节点计算机只有取得令牌后才能发送数据帧，因此不会发生碰撞。由于令牌在网环上是按顺序依次传递的，因此对所有入网计算机而言，访问权是公平的。  
> 令牌在工作中有“闲”和“忙”两种状态。“闲”表示令牌没有被占用，即网中没有计算机在传送信息；“忙”表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。希望传送数据的计算机必须首先检测到“闲”令牌，将它置为“忙”的状态，然后在该令牌后面传送数据。当所传数据被目的节点计算机接收后，数据被从网中除去，令牌被重新置为“闲”。令牌环网的缺点是需要维护令牌，一旦失去令牌就无法工作，需要选择专门的节点监视和管理令牌。

### 令牌环网的现状 ###

> 令牌环网是IBM公司于70年代发展的，现在这种网络比较少见。在老式的令牌环网中，数据传输速度为**4Mbps**或**16Mbps**，新型的快速令牌环网速度可达**100Mbps**。令牌环网的传输方法在物理上采用了**星形拓扑结构**，但逻辑上仍是**环形拓扑结构**。结点间采用**多站访问部件**（*Multistation Access Unit，MAU*）连接在一起。**MAU**是一种专业化集线器，它是用来围绕工作站计算机的环路进行传输。由于数据包看起来像在环中传输，所以在**工作站**和**MAU**中没有终结器。  
> 在这种网络中，有一种专门的帧称为“**令牌**”，在环路上持续地传输来确定一个结点何时可以发送包。令牌为**24**位长，有3个**8位**的域，分别是**首定界符**（*Start delimiter，SD*）、**访问控制**（*Access Control，AC*）和**终定界符**（*End Delimiter，ED*）。首定界符是一种与众不同的信号模式，作为一种非数据信号表现出来，用途是防止它被解释成其它东西。这种独特的8位组合只能被识别为**帧首标识符**（*SOF*）。由于目前以太网技术发展迅速，令牌网存在固有缺点，令牌在整个计算机局域网已不多见，原来提供令牌网设备的厂商多数也退出了市场，所以在目前局域网市场中令牌网可以说是“昨日黄花”了。

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## 5.网桥 ##

![网桥示意图][70 1]  
连接网络的另一个途径就是使用网桥

>  *  网桥将两个相似的网络连接起来，并对网络数据的流通进行管理。它工作于数据链路层，不但能扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。网络1 和网络2 通过网桥连接后，网桥接收网络1 发送的数据包，检查数据包中的地址，如果地址属于网络1 ，它就将其放弃，相反，如果是网络2 的地址，它就继续发送给网络2.这样可利用网桥隔离信息，将同一个网络号划分成多个网段（属于同一个网络号），隔离出安全网段，防止其他网段内的用户非法访问。由于网络的分段，各网段相对独立（属于同一个网络号），一个网段的故障不会影响到另一个网段的运行。
>  *  网桥可以是专门硬件设备，也可以由计算机加装的网桥软件来实现，这时计算机上会安装多个网络适配器（网卡）。网桥的功能在延长网络跨度上类似于中继器，然而它能提供智能化连接服务，即根据帧的终点地址处于哪一网段来进行转发和滤除。网桥对站点所处网段的了解是靠“自学习”实现的，有透明网桥、转换网桥、封装网桥、源路由选择网桥。
>  *  当使用网桥连接两段LAN 时，网桥对来自网段1 的**MAC** 帧，首先要检查其终点地址。如果该帧是发往网段1 上某一站的，网桥则不将帧转发到网段2 ，而将其滤除；如果该帧是发往网段2 上某一站的，网桥则将它转发到网段2，这表明，如果LAN1和LAN2上各有一对用户在本网段上同时进行通信，显然是可以实现的。 因为网桥起到了隔离作用。可以看出，网桥在一定条件下具有增加网络带宽的作用。
>  *  网桥工作在数据链路层，将两个LAN连起来，根据MAC地址来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据IP地址进行转发）。远程网桥通过一个通常较慢的链路（如电话线）连接两个远程LAN，对本地网桥而言，性能比较重要，而对远程网桥而言，在长距离上可正常运行是更重要的。
>  *  网桥是在链路层上对网络进行互连，而路由器则是在网络层上对网络进行互连。网桥使得多个**局域网**（ *LAN*）组合在一起，这样对上层来说就好像是一个局域网。但是**TCP/IP**倾向于使用路由器而不是网桥来连接网络。

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## 6.TCP/IP的分层 ##

![TCP/IP的分层][TCP_IP 1]

>  *  **TCP**和**UDP**是两种最为著名的运输层协议，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运输层服务
>  *  **IP**是网络层上的主要协议，**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 - 4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。当然新的运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。
>  *  **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。

[ICMP _ IGMP]: https://blog.csdn.net/B_Nemo/article/details/80589114
[TCP_IP]: /images/20220504/7a3fa849392a4c13b9bdf882e0b93eba.png
[70]: /images/20220504/c0467999207a49d295db0720a238bf52.png
[70 1]: /images/20220504/ba9ed1340faa4c7a8de0bbf13ebd76a0.png
[TCP_IP 1]: /images/20220504/881db552a2ba4d56a402d7aa6f2896d0.png