資料通訊與網路技術之TCP/IP（上）
資料通訊與網路技術之TCP/IP
前言
為了使全球範圍內的計算機可以進行開放式通訊，國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)制定了實現網路互連的一個參考模型，即開放系統互連參考模型（Open System Internetwork Reference Model，OSI/RM）。該模型（體系結構標準）定義了網路互連的七層框架，即物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。
網路模型 是對於網路互聯及其功能的的一個抽象概況。
他有兩種網路模型：
1） OSI參考模型 七層
應用層 表示層 會話層 傳輸層 網路層 資料鏈路層 物理層
2）TCP/IP協議模型（協議棧 ，協議簇） 四層
應用層 傳輸層 網路層 網路介面層
網路體系結構：網路模型各分層結構及各層協議的集合。
本文目標：
- 理解計算機通訊為什麼需要協議。
- 瞭解協議需要明確的要素。
- 掌握TCP/IP協議分層和OSI參考模型。
- 能夠使用抓包工具分析計算機通訊協議工作過程。
- 掌握TCP/IP協議棧每一層實現功能。
- 瞭解TCP/IP協議棧每一層包含的協議。
一、通訊基礎
1.網路通訊基本概念
何為通訊？通訊是指人與人，人與物...之間通過某種媒介和行為進行的資訊傳遞與交流。
網路通訊：終端裝置通過計算機網路進行資料傳遞的過程。
2.資訊傳遞過程：
基於網路模型通訊的過程：
源-資料封裝-轉發-解封裝-接收
封裝：資料在傳遞中基於網路模型的各層對資料進行的處理，即加入了一些控制資訊的過程，即為封裝。（資料形式發生了變化，這種變化就是在網路模型各層協議的作用下完成的，從形式上是資料前面不斷加上了各層的控制資訊）
3.通訊系統模型
信源-資訊-編碼-訊號-通道-訊號-解碼-信宿
通訊系統是指通訊中所需要的一切技術裝置和傳輸介質構成的總體。資訊在進入通道時通過傳送變換器變換為適合通道傳輸的形式，在進入信宿時通過接收變換器變換為適合信宿接收的形式。
4.通訊方式(從通訊過程的不同角度來進行分類)
1．單工、半雙工、全雙工傳輸（資料通訊雙方是否能實現雙向通訊及如何實現雙向通訊）
2.非同步、同步（資料通訊中採用的同步技術不同）
注意：有兩個區別點：
1）是否採用統一的主控時鐘
2）傳輸間隔是否固定
非同步傳輸如何讓接收方來明確接收呢？採用起止標誌！（開始傳輸及傳輸結束的標誌）
3 序列、並行傳輸（資料通訊中資料位的傳輸模式）
4 基帶、頻帶傳輸（傳輸訊號是否調製）
注意：
基帶：數字裝置產生的資料直接傳輸不經過任何調製。（數字訊號）
頻帶：數字裝置產生的資料經過調製（DA轉換 digital-analog）成為寬頻模擬訊號來傳輸。（模擬傳輸）
4 單播、組播、廣播傳輸（根據接收範圍）
注意：
區別就在於接收端的地址（是確定獨立的目的地址、組播地址還是廣播地址）
計算機網路中主要採用全雙工通訊、序列通訊、非同步傳輸，區域網中採用基帶傳輸，遠距離傳輸一般採用頻帶傳輸。
5.通訊規則
通訊規則的主要元素：
- 標識出發送方和接收方
- 雙方一致同意的通訊方法（面對面、電話、信件、照片）
- 通用語言和語法
- 傳遞的速度和時間
- 證實或確認要求
二、協議概述
1.協議簡介
協議：通訊規則的集合，用於規範通訊過程。
協議三要素： 語法、語義、時序
例：IP首部（下圖是IP協議定義的需要填寫的表格也就是IPv4首部）
2.協議分層
1.
TCP/IPv4協議棧是目前結構最完整、使用最廣泛的通訊協議；以TCP/IP協議為例（四層結構），注意分層的協議（協議分層實現可以將複雜功能分解，每一層功能由相應層次協議完成）
2.
計算機通訊使用的協議按功能分層，分為：
應用層、傳輸層、網路層和資料鏈路層
-
應用層協議的甲方、乙方是伺服器端程式和客戶端程式，實現應用程式的功能。
-
傳輸層協議的甲方、乙方分別位於通訊的兩個計算機中，TCP為應用層協議實現可靠傳輸，UDP為應用層協議提供報文轉發服務。
-
網路層協議中的IP為資料包跨網段轉發選擇路徑，IP是多方協議，包括通訊的兩臺計算機和沿途經過的路由器。
-
資料鏈路層負責將網路層的資料包從鏈路的一端傳送到另一端，同一鏈路上的裝置是資料鏈路層協議的對等實體，資料鏈路層協議的作用範圍是一段鏈路，不同型別的鏈路有不同的資料鏈路層協議。
3.
協議分層優點：
（1）各層之間是獨立的。某一層並不需要知道它的下一層如何實現，而僅需知道該層通過層間介面所提供的服務。上層對下層來說就是要處理的資料。
（2）靈活性好。每一層有所改進和變化，不會影響其他層。
（3）各層都可以採用最合適的技術來實現。比如適合佈線的就使用雙絞線連線網路，有障礙物的就使用無線覆蓋。
（4）促進標準化工作。路由器實現網路層功能，交換機實現資料鏈路層功能，不同廠家的路由器和交換機能夠相互連線實現計算機通訊，就是因為有了網路層標準和資料鏈路層標準。
（5）分層後有助於將複雜的計算機通訊問題拆分成多個簡單的問題，有助於排除網路故障。
3.OSI七層模型與TCP/IP協議模型
a. OSI七層模型
--OSI參考模型（ISO提出的一種網路分層模型）
層次結構（七層）
應用層： 網路的服務（不同的服務由不同應用程式在具體應用協議下實現）
應用層協議用於實現應用程式的功能，將實現方法標準化就可以形成應用層協議。網際網路中的應用有很多，比如訪問網站、收發電子郵件、訪問檔案伺服器等，因此，應用層協議也很多。
應用層協議應該包含的內容有客戶端能夠向伺服器傳送哪些請求（命令）、伺服器能夠向客戶端返回哪些響應、用到的報文格式、命令的互動順序等。
表示層：實現資料的表示（比如字元、圖文資料的表示，以及資料的壓縮，加密）
為應用層傳送的資訊提供表示方法。如果應用層傳輸的是字元檔案，則要使用字符集將其轉換成資料。如果是圖片檔案或是應用程式的二進位制檔案，則要通過編碼將其轉換成資料。資料在傳輸前是否壓縮、是否加密處理都是表示層要解決的問題。
會話層 session ：實現通訊雙方會話的管理、跟蹤
會話層為通訊的客戶端和服務端程式建立會話、保持會話和斷開會話。
傳輸層transport： 實現通訊應用程序之間的通訊，及資料傳輸的可靠性等方面工作
傳輸層主要為主機之間通訊的程序提供端到端（End-to-End）服務，處理資料報錯誤、資料報次序錯誤等傳輸問題。
網路層 network：實現網路中源裝置與目的裝置之間的通訊，路徑選擇及分組轉發。
網路層負責資料包從源網路傳輸到目標網路過程中的路由選擇工作。
資料鏈路層 data link：實現每一段鏈路的資料傳輸，及傳輸的差錯及流量控制等工作。
資料鏈路層負責將資料從鏈路的一端傳到另一端，傳輸的基本單位為“幀”，併為網路層提供差錯控制和流量控制服務。
物理層 physical：實現底層的一些規範工作，包括電氣、機械、功能及規程（過程操作）等方面的規定，實現物理連線。
物理層是OSI參考模型中的最底層，主要定義了系統的電氣、機械、過程和功能標準，如電壓、頻寬、最大傳輸距離和其他的類似特性。
資訊傳遞
每一層有每一層的功能，每一層的功能由該層的協議來實現，協議完成功能之後每一層的協議資料單元發生了變化，形成了新的資料單元。
每一層收到上一層的協議資料單元作為其輸入資料，作為本層的資料荷載，在本層協議的封裝下，形成本層的協議資料單元，即輸出，又作為下一層的輸入資料。
網路通訊中，每一層處理的資料，成為PDU協議資料單元，每一層的PDU不同，不同的PDU是在每一層的協議作用下發生的變化，這個過程就是資料封裝；在接收時，接收方再對接收的資料按照模型的逆過程來提供解封裝。
OSI模型中：應用層，表示層、會話層的PDU：資料 data
- 傳輸層的PDU： 資料分段 segment
- 網路層的PDU： 資料包 packet
- 資料鏈路層PDU： 幀 frame
- 物理層的PDU： 位元流 bits
注意：物理層不是傳輸媒介，傳輸媒介是在物理層之下。
b. TCP/IP協議模型
層次結構（四層）
1） 每一層的功能
2） 資訊傳遞：封裝-解封裝
3） 每一層已經有具體的協議來支援，所以TCP/IP是目前的實際應用的通訊協議。
如：
應用層：
HTTP、FTP、DNS、Telnet（遠端登入）
SMTP（發郵件）、POP（收郵件） （用於電子郵件傳輸）
DHCP（用於動態分配IP地址及其他地址資源的協議）
傳輸層：
TCP（提供可靠傳輸）
UDP（實現快速的盡力傳輸）
網路層：
ARP（地址解析，實現IP地址與MAC地址之間的對映）
IP（網路分組轉發）
ICMP（網路控制報文協議，傳送訊息）
IGMP（網路組播管理，實現組播傳送）
網路介面層：
實現鏈路層傳輸及物理層規範。其中包括在不同鏈路段的具體技術如區域網中的CSMA/CD，廣域網中的PPP、HDLC、幀中繼
c.OSI參考模型與TCP/IP協議模型的對比：
相同點：
② OSI 參考模型與 TCP/IP 參考模型都採用了層次結構。
② 都能夠提供面向連線和無連線兩種通訊服務機制。
③ 都是對網路互聯的結構及網路通訊過程進行描述。
不同點：
① OSI 採用的七層模型； TCP/IP 是四層結構。
② TCP/IP 參考模型沒有對網路介面層進行細分，只是一些概念性的描述； OSI 參考模型對服務和協議做了明確的區分。
③ OSI 先有模型，後有協議規範（但沒有具體協議），適合於描述各種網路；TCP/IP 是先有協議集然後建立模型，不適用於非 TCP/IP 網路。
④ TCP/IP 一開始就提出面向連線和無連線服務，而 OSI 一開始只強調面向連線服務，直到很晚才開始制定無連線的服務標準。
⑤ OSI 參考模型雖然被看好，但將網路劃分為七層，實現起來較困難；相反，TCP/IP 參考模型作為一種簡化的分層結構且有實際協議的支援應用很成功。