TCP/IP模型

ID:108615 · 發表于 2016-3-13 17:17

1　OSI參考模型
　　談到網絡不能不談OSI參考模型，雖然OSI參考模型的實際應用意義不是很大，但其的確對于理解網絡協議內部的運作很有幫助，也為我們學習網絡協議提供了一個很好的參考。在現實網絡世界里，TCP/IP協議棧獲得了更為廣泛的應用。
　　1.1　OSI參考模型的分層結構
　　OSI參考模型（OSI/RM）的全稱是開放系統互連參考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM），它是由國際標準化組織（International Standard Organization，ISO）提出的一個網絡系統互連模型。
　　OSI參考模型采用分層結構，如圖1-1所示。
　

圖1-1　 OSI參考模型　　在這個OSI七層模型中，每一層都為其上一層提供服務、并為其上一層提供一個訪問接口或界面。
　　不同主機之間的相同層次稱為對等層。如主機A中的表示層和主機B中的表示層互為對等層、主機A中的會話層和主機B中的會話層互為對等層等。
　　對等層之間互相通信需要遵守一定的規則，如通信的內容、通信的方式，我們將其稱為協議（Protocol）。
　　我們將某個主機上運行的某種協議的集合稱為協議棧。主機正是利用這個協議棧來接收和發送數據的。
　　OSI參考模型通過將協議棧劃分為不同的層次，可以簡化問題的分析、處理過程以及網絡系統設計的復雜性。
　　OSI參考模型的提出是為了解決不同廠商、不同結構的網絡產品之間互連時遇到的不兼容性問題。但是該模型的復雜性阻礙了其在計算機網絡領域的實際應用。與此對照，后面我們將要學習的TCP/IP參考模型，獲得了非常廣泛的應用。實際上，也是目前因特網范圍內運行的唯一一種協議。
　　
　　1.2　OSI參考模型中各層的作用
　　在OSI參考模型中，從下至上，每一層完成不同的、目標明確的功能。
　　1、物理層（Physical Layer）
　　物理層規定了激活、維持、關閉通信端點之間的機械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。該層為上層協議提供了一個傳輸數據的物理媒體。
　　在這一層，數據的單位稱為比特（bit）。
　　屬于物理層定義的典型規范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等。
　　2、數據鏈路層（Data Link Layer）
　數據鏈路層在不可靠的物理介質上提供可靠的傳輸。該層的作用包括：物理地址尋址、數據的成幀、流量控制、數據的檢錯、重發等。
　　在這一層，數據的單位稱為幀（frame）。
　　數據鏈路層協議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。
　　3、網絡層（Network Layer）
　　網絡層負責對子網間的數據包進行路由選擇。此外，網絡層還可以實現擁塞控制、網際互連等功能。
　　在這一層，數據的單位稱為數據包（packet）。
　　網絡層協議的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等。
　　4、傳輸層（Transport Layer）
　　傳輸層是第一個端到端，即主機到主機的層次。傳輸層負責將上層數據分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。此外，傳輸層還要處理端到端的差錯控制和流量控制問題。
　　在這一層，數據的單位稱為數據段（segment）。
　　傳輸層協議的代表包括：TCP、UDP、SPX等。
　　5、會話層（Session Layer）
　　會話層管理主機之間的會話進程，即負責建立、管理、終止進程之間的會話。會話層還利用在數據中插入校驗點來實現數據的同步。
　　會話層協議的代表包括：NetBIOS、ZIP（AppleTalk區域信息協議）等。
　　6、表示層（Presentation Layer）
　　表示層對上層數據或信息進行變換以保證一個主機應用層信息可以被另一個主機的應用程序理解。表示層的數據轉換包括數據的加密、壓縮、格式轉換等。
　　表示層協議的代表包括：ASCII、ASN.1、JPEG、MPEG等。
　　7、應用層（Application Layer）
　　應用層為操作系統或網絡應用程序提供訪問網絡服務的接口。
　　應用層協議的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。
　　1.3　OSI參考模型中的數據封裝過程
　　　

圖1-2　 OSI參考模型中的數據封裝過程　　如圖1-2所示，在OSI參考模型中，當一臺主機需要傳送用戶的數據（DATA）時，數據首先通過應用層的接口進入應用層。在應用層，用戶的數據被加上應用層的報頭（Application Header，AH），形成應用層協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU），然后被遞交到下一層-表示層。
　　表示層并不"關心"上層-應用層的數據格式而是把整個應用層遞交的數據包看成是一個整體進行封裝，即加上表示層的報頭（Presentation Header，PH）。然后，遞交到下層-會話層。
　　同樣，會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層也都要分別給上層遞交下來的數據加上自己的報頭。它們是：會話層報頭（Session Header，SH）、傳輸層報頭（Transport Header，TH）、網絡層報頭（Network Header，NH）和數據鏈路層報頭（Data link Header，DH）。其中，數據鏈路層還要給網絡層遞交的數據加上數據鏈路層報尾（Data link Termination，DT）形成最終的一幀數據。
　　當一幀數據通過物理層傳送到目標主機的物理層時，該主機的物理層把它遞交到上層-數據鏈路層。數據鏈路層負責去掉數據幀的幀頭部DH和尾部DT（同時還進行數據校驗）。如果數據沒有出錯，則遞交到上層-網絡層。
　　同樣，網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層也要做類似的工作。最終，原始數據被遞交到目標主機的具體應用程序中。
　　
　　2　TCP/IP參考模型
　　ISO制定的OSI參考模型的過于龐大、復雜招致了許多批評。與此對照，由技術人員自己開發的TCP/IP協議棧獲得了更為廣泛的應用。如圖2-1所示，是TCP/IP參考模型和OSI參考模型的對比示意圖。
　

圖2-1　 TCP/IP參考模型　　2.1　TCP/IP參考模型的層次結構
　　TCP/IP協議棧是美國國防部高級研究計劃局計算機網（Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET）和其后繼因特網使用的參考模型。ARPANET是由美國國防部（U.S．Department of Defense，DoD）贊助的研究網絡。最初，它只連接了美國境內的四所大學。隨后的幾年中，它通過租用的電話線連接了數百所大學和政府部門。最終ARPANET發展成為全球規模最大的互連網絡-因特網。最初的ARPANET于1990年永久性地關閉。
　　TCP/IP參考模型分為四個層次：應用層、傳輸層、網絡互連層和主機到網絡層。如圖2-2所示。
　　

圖2-2　 TCP/IP參考模型的層次結　　在TCP/IP參考模型中，去掉了OSI參考模型中的會話層和表示層（這兩層的功能被合并到應用層實現）。同時將OSI參考模型中的數據鏈路層和物理層合并為主機到網絡層。下面，分別介紹各層的主要功能。
　　
　　1、主機到網絡層
　　
　　實際上TCP/IP參考模型沒有真正描述這一層的實現，只是要求能夠提供給其上層-網絡互連層一個訪問接口，以便在其上傳遞IP分組。由于這一層次未被定義，所以其具體的實現方法將隨著網絡類型的不同而不同。
　　
　　2、網絡互連層
　　網絡互連層是整個TCP/IP協議棧的核心。它的功能是把分組發往目標網絡或主機。同時，為了盡快地發送分組，可能需要沿不同的路徑同時進行分組傳遞。因此，分組到達的順序和發送的順序可能不同，這就需要上層必須對分組進行排序。
　　網絡互連層定義了分組格式和協議，即IP協議（Internet Protocol）。
　　網絡互連層除了需要完成路由的功能外，也可以完成將不同類型的網絡（異構網）互連的任務。除此之外，網絡互連層還需要完成擁塞控制的功能。
　　
　　3、傳輸層
　　
　　在TCP/IP模型中，傳輸層的功能是使源端主機和目標端主機上的對等實體可以進行會話。在傳輸層定義了兩種服務質量不同的協議。即：傳輸控制協議TCP（transmission control protocol）和用戶數據報協議UDP（user datagram protocol）。
　　
　　TCP協議是一個面向連接的、可靠的協議。它將一臺主機發出的字節流無差錯地發往互聯網上的其他主機。在發送端，它負責把上層傳送下來的字節流分成報文段并傳遞給下層。在接收端，它負責把收到的報文進行重組后遞交給上層。TCP協議還要處理端到端的流量控制，以避免緩慢接收的接收方沒有足夠的緩沖區接收發送方發送的大量數據。
UDP協議是一個不可靠的、無連接協議，主要適用于不需要對報文進行排序和流量控制的場合。
　　
　　4、應用層
　　TCP/IP模型將OSI參考模型中的會話層和表示層的功能合并到應用層實現。
　　應用層面向不同的網絡應用引入了不同的應用層協議。其中，有基于TCP協議的，如文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP）、虛擬終端協議（TELNET）、超文本鏈接協議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP），也有基于UDP協議的。

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TCP/IP模型