TCP/IP協議——TCP/IP協議棧及框架

TCP/IP協議同ISO/OSI模型同樣，也能夠安排成棧形式。但這個棧不一樣於ISO/OSI版本，比ISO/OSI棧少，因此又稱之爲短棧。另外，須要知道的是：TCP/IP協議棧只是許多支持ISO/OSI分層模型協議棧的一種，是一個具體的協議棧。

      對於TCP/IP協議棧劃分爲幾層更合適，多年來專家們一直未達成共識，大部分對TCP/IP協議棧的描述都假定它佔據了協議結構的4到5個功能層。下面咱們對這兩種主流的分層方法分別進行描述。

1  基於4層的TCP/IP協議棧基本描述

     基於4層的TCP/IP協議棧最具說服力的是：這一觀點是由TCP/IP原始標準的創立者——美國國防部提出的，它與ISO/OSI參考模型的對應關係以下圖：

 

          圖1  TCP/IP協議棧層次結構與ISO/OSI參考模型的對應關係

 

    如圖1所示，TCP/IP協議棧從低層開始，依次爲網絡存取層、網絡互連層、傳輸層和應用層，具體描述以下：

1.1  網絡存取層（Network Access Layer）

     網絡存取層（又稱網絡層），位於TCP/IP協議棧的最低層,該層中的協議提供了數據傳送的方法，使得系統能夠經過鏈接的網絡將數據傳送到其它設備，並定義瞭如何利用網絡來傳送IP數據報。它基本上包括了ISO/OSI模型中的數據鏈路層和物理層的全部功能。TCP/IP網絡存取層定義了網絡傳送IP數據報的方式（即流與分組），使得系統可以把數據傳送給與網絡直接相連的設備。

     網絡存取層的協議與較高層協議不同，它必須知道物理網絡的各類細節，以便準確地格式化傳輸的數據，使其遵照網絡規定。所以，網絡存取層的協議種類繁多，每個協議都對應一種物理網絡標準。這些協議經常由設備驅動程序和相關的程序結合而成，其內含的API除將IP數據封裝成能在網絡中傳送的單元——幀外，還能將IP地址轉換成爲網絡使用的物理地址。典型的協議實例有RFC 826（地址轉換協議 ARP）、RFC 894（以太網上IP數據報傳輸標準）等。

1.2  網絡互連層 （Internet Layer）

      網絡互連層（又稱網際層）位於網絡存取層之上，由互連網協議（IP）、互連網控制報文協議（ICMP）和互連網組管理協議（IGMP）等協議組成。IP是TCP/IP的核心，也是網絡互連層中最重要的協議，它提供基本的分組傳送服務，是構建TCP/IP網絡的基礎。由於，不管是IP上層仍是IP下層的協議，也無論數據是輸入仍是輸出，目的地在何方，它們都使用IP來傳遞數據。歸納起來，IP主要完成如下任務：

• 定義數據報，數據報是Internet中傳輸的基本單元。
• 定義Internet地址系統。
• 把數據報分解或重組成易於在網絡中傳輸的結構。
• 在網絡存取層和傳輸層之間傳遞數據。
• 給遠端主機的數據報指定路由。
• 完成數據報的擁擠控制和信息控制。

  IP是一個「無鏈接協議」，它在傳輸數據以前不交換控制信息來創建端到端的鏈接，並且還要依靠其它層的協議提供錯誤檢測和錯誤恢復。但這並不能說明IP協議是不可信賴的，事實上，它能夠正確的將數據傳送到已鏈接的網絡，只是它並不能檢驗數據是否被正確地接收。

1.3  傳輸層（ Transport Layer）

   傳輸層也稱主機到主機的傳輸層，位於TCP/IP棧的第3層，它爲應用層提供可靠的或不可靠的端到端服務。TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）是傳輸層中兩個最重要的協議。它們都爲應用層和網絡互連層傳送數據，兩者的區別在於：TCP是一種可靠的、面向鏈接的、字節流協議，它利用端到端錯誤檢測與糾正功能提供可靠的數據傳輸服務，由於它能驗證數據在網絡上是否以合適的序列正確地傳輸；而UDP是一個不可靠的無鏈接數據報協議，就像IP同樣，它能爲應用程序提供低開銷的無鏈接數據報傳輸服務。

     總之，TCP的優點在於可靠，但開銷大；而UDP比較適合於傳輸的數據量少及使用「查詢——響應」方式的應用程序的服務。

1.4  應用層（Application Layer）

    應用層位於TCP/IP協議棧的頂層，它爲用戶提供各類網絡服務，如文件傳輸、遠程登陸、電子郵件等。同時，應用層包含與具體應用程序相關的全部細節。

      對於網絡軟件工程師而言，你在應用層的工做是將信息傳到協議棧的下一合適層。協議棧的每一層要完成各自的功能。也就是說，TCP/IP協議將共同工做，完成地址轉換、尋址和數據傳輸工做。爲了和協議棧上的協議通訊，必須知道有哪些協議可用，並知道它們在協議棧中的位置和功能。正常狀況下應用程序將和傳輸協議的某一個協議（TCP或UDP）進行通訊，或不使用傳輸層服務，直接與網絡互連層的IP打交道（如外部網關協議 EGP）。

2  基於5層的TCP/IP協議棧基本描述

      相對於ISO/OSI模型，基於5層的TCP/IP協議比基於4層的TCP/IP協議更容易理解，具體的分層方案以下圖2：

圖2   TCP/IP協議棧層次結構與ISO/OSI參考模型的對應關係

 

      比較圖2和圖1能夠看出，從頂層向下三層（應用層、傳輸層和網絡互連層）對於基於5層的TCP/IP和基於4層的TCP/IP其功能都是同樣的，這裏不在贅述。除此以外，基於5層的TCP/IP在低層比基於4層的TCP/IP分層更詳細，即用物理層和鏈路層兩層來表示上面講到的網絡存取層。

2.1  物理層

       TCP/IP協議棧的物理層與ISO/OSI模型的物理層相同——它包括攜帶網絡數據的傳輸媒體介質，這種介質一般是雙絞線、同軸電纜或標準串口線等，網絡設計人員必須知道網絡介質的傳輸特性。

2.2  鏈路層

       鏈路層包括一個硬件接口和兩個協議模塊：地址解析協議（ARP）和反向地址解析協議（RARP）。鏈路層處理物理層和網絡互連層的數據交換，並向網絡互連層隱藏物理層的執行細節。當鏈路層完成其工做時，網絡互連層的協議不關心網絡是使用以太網技術仍是令牌環技術，網絡互連層只是簡單地將數據傳給鏈路層，而後由鏈路層處理全部進一步的數據傳輸。

 

      綜上所述，不論採用哪一種分層方式，其核心和功能是同樣的，特別是在應用層。應用層的初級網絡用戶對分層幾乎不感興趣，但要進行網絡編程的人必須清楚這一點：當用戶啓動了某個應用層服務以後，該應用要首先創建一個到某特定機器的鏈接，隨後告訴目的機器本次鏈接的操做意圖，並控制整個操做過程。在源計算機系統中，應用層將要發送的信息交給服務層的TCP（或UDP），TCP經過增長TCP協議所規定的報頭來確保信息正確地傳輸到目的地。而後，TCP把包括目的地址在內的報頭和用戶數據交給網絡互連層的IP，IP負責爲信息選擇路由。因爲 TCP和IP處理與網絡有關的細節，因此應用層協議能夠將一個網絡鏈接當作一個簡單的字節流，而沒必要描述與通訊有關的任何細節。

     對網絡通訊軟件設計者而言，一個網絡鏈接可由兩對元素徹底刻畫：源主機的IP地址和應用程序端口號；目的主機的IP地址和應用程序端口號。爲了保證使用TCP/IP 協議的網絡中兩臺主機的正常鏈接，應禁止使用相同的IP地址和端口號，特別是IP地址。