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TCP/IP協議分層

網路分層參考模型  網路協議設計者不應當設計一個單一、巨大的協議來為所有形式的通訊規定完整的細節,而應把通訊問題劃分成多個小問題,然後為每一個小問題設計一個單獨的協議。這樣做使得每個協議的設計、分析、時限和測試比較容易。協議劃分的一個主要原則是確保目標系統有效且效率高。為了提高效率,每個協議只應該注意沒有被其他協議處理過的那部分通訊問題;為了主協議的實現更加有效,協議之間應該能夠共享特定的資料結構;同時這些協議的組合應該能處理所有可能的硬體錯誤以及其它異常情況。為了保證這些協議工作的協同性,應當將協議設計和開發成完整的、協作的協議系列(即協議族),而不是孤立地開發每個協議。  在網路歷史的早期,國際標準化組織(ISO)
和國際電報電話諮詢委員會(CCITT)共同出版了開放系統互聯的七層參考模型。一臺計算機作業系統中的網路過程包括從應用請求(在協議棧的頂部)到網路介質(底部) OSI參考模型把功能分成七個分立的層次。圖2.1表示了OSI分層模型。  ┌─────┐
   應用層 │←第七層  ├─────┤
   表示層 
  ├─────┤
   會話層 
  ├─────┤
   傳輸層 
  ├─────┤
   網路層 
  ├─────┤
  資料鏈路層
  ├─────┤
   物理層 │←第一層  └─────┘
  OSI七層參考模型  OSI模型的七層分別進行以下的操作:  第一層:物理層  負責最後將資訊編碼成電流脈衝或其它訊號用於網上傳輸。它由計算機和網路介質之間的實際介面組成,可定義電氣訊號、符號、線的狀態和時鐘要求、資料編碼和資料傳輸用的聯結器。如最常用的RS-232
規範、10BASE-T的曼徹斯特編碼以及RJ-45就屬於第一層。所有比物理層高的層都通過事先定義好的介面而與它通話。如乙太網的附屬單元介面(AUI),一個DB-15聯結器可被用來連線層一和層二。  第二層:資料鏈路層  通過物理網路鏈路提供可靠的資料傳輸。不同的資料鏈路層定義了不同的網路和協議特徵,其中包括物理編址、網路拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流控。物理編址(相對應的是網路編址)定義了裝置在資料鏈路層的編址方式;網路拓撲結構定義了裝置的物理連線方式,如匯流排拓撲結構和環拓撲結構;錯誤校驗向發生傳輸錯誤的上層協議告警;資料幀序列重新整理並傳輸除序列以外的幀;流控可能延緩資料的傳輸,以使接收裝置不會因為在某一時刻接收到超過其處理能力的資訊流而崩潰。資料鏈路層實際上由兩個獨立的部分組成,介質存取控制(Media Access Control,MAC
)和邏輯鏈路控制層(Logical Link Control,LLC)。MAC描述在共享介質環境中如何進行站的排程、發生和接收資料。MAC確保資訊跨鏈路的可靠傳輸,對資料傳輸進行同步,識別錯誤和控制資料的流向。一般地講,MAC只在共享介質環境中才是重要的,只有在共享介質環境中多個節點才能連線到同一傳輸介質上。IEEE MAC規則定義了地址,以標識資料鏈路層中的多個裝置。邏輯鏈路控制子層管理單一網路鏈路上的裝置間的通訊,IEEE 802.2標準定義了LLCLLC支援無連線服務和麵向連線的服務。在資料鏈路層的資訊幀中定義了許多域。這些域使得多種高層協議可以共享一個物理資料鏈路。  第三層:網路層  負責在源和終點之間建立連線。它一般包括網路尋徑,還可能包括流量控制、錯誤檢查等。相同MAC標準的不同網段之間的資料傳輸一般只涉及到資料鏈路層,而不同的MAC標準之間的資料傳輸都涉及到網路層。例如IP路由器工作在網路層,因而可以實現多種網路間的互聯。  第四層:傳輸層  向高層提供可靠的端到端的網路資料流服務。傳輸層的功能一般包括流控、多路傳輸、虛電路管理及差錯校驗和恢復。流控管理裝置之間的資料傳輸,確保傳輸裝置不傳送比接收裝置處理能力大的資料;多路傳輸使得多個應用程式的資料可以傳輸到一個物理鏈路上;虛電路由傳輸層建立、維護和終止;差錯校驗包括為檢測傳輸錯誤而建立的各種不同結構;而差錯恢復包括所採取的行動(如請求資料重發),以便解決發生的任何錯誤。傳輸控制協議(TCP)是提供可靠資料傳輸的TCP/IP協議族中的傳輸層協議。  第五層:會話層  建立、管理和終止表示層與實體之間的通訊會話。通訊會話包括髮生在不同網路應用層之間的服務請求和服務應答,這些請求與應答通過會話層的協議實現。它還包括建立檢查點,使通訊發生中斷的時候可以返回到以前的一個狀態。  第六層:表示層  提供多種功能用於應用層資料編碼和轉化,以確保以一個系統應用層傳送的資訊可以被另一個系統應用層識別。表示層的編碼和轉化模式包括公用資料表示格式、效能轉化表示格式、公用資料壓縮模式和公用資料加密模式。  公用資料表示格式就是標準的影象、聲音和視訊格式。通過使用這些標準格式,不同型別的計算機系統可以相互交換資料;轉化模式通過使用不同的文字和資料表示,在系統間交換資訊,例如ASCII(American Standard Code for Information Interchange,美國標準資訊交換碼);標準資料壓縮模式確保原始裝置上被壓縮的資料可以在目標裝置上正確的解壓;加密模式確保原始裝置上加密的資料可以在目標裝置上正確地解密。  表示層協議一般不與特殊的協議棧關聯,如QuickTimeApplet計算機的視訊和音訊的標準,MPEGISO的視訊壓縮與編碼標準。常見的圖形影象格式PCXGIFJPEG是不同的靜態影象壓縮和編碼標準。  第七層:應用層  最接近終端使用者的OSI層,這就意味著OSI應用層與使用者之間是通過應用軟體直接相互作用的。注意,應用層並非由計算機上執行的實際應用軟體組成,而是由嚮應用程式提供訪問網路資源的APIApplication Program Interface,應用程式介面)組成,這類應用軟體程式超出了OSI模型的範疇。應用層的功能一般包括標識通訊夥伴、定義資源的可用性和同步通訊。因為可能丟失通訊夥伴,應用層必須為傳輸資料的應用子程式定義通訊夥伴的標識和可用性。定義資源可用性時,應用層為了請求通訊而必須判定是否有足夠的網路資源。在同步通訊中,所有應用程式之間的通訊都需要應用層的協同操作。  OSI的應用層協議包括檔案的傳輸、訪問及管理協議(FTAM) ,以及檔案虛擬終端協議(VIP)和公用管理系統資訊(CMIP)等。

2. TCP/IP
分層模型  TCP/IP分層模型(TCP/IP Layening Model)被稱作因特網分層模型(Internet Layering Model)、因特網參考模型(Internet Reference Model)。  ┌────────┐┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
          ││ 
          ││
  第四層,應用層 ││ 
          ││    
          ││     
          ││       
  └────────┘└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
  ┌────────┐┌─────────┬───────────┐
  第三層,傳輸層 ││   TCP       UDP    
  └────────┘└─────────┴───────────┘
  ┌────────┐┌─────┬────┬──────────┐
          ││     ICMP          
  第二層,網間層 ││     └────┘          
          ││       IP            
  └────────┘└─────────────────────┘
  ┌────────┐┌─────────┬───────────┐
  第一層,網路介面││ARP/RARP     其它     
  └────────┘└─────────┴───────────┘
       TCP/IP四層參考模型  TCP/IP協議被組織成四個概念層,其中有三層對應於ISO參考模型中的相應層。ICP/IP協議族並不包含物理層和資料鏈路層,因此它不能獨立完成整個計算機網路系統的功能,必須與許多其他的協議協同工作。  TCP/IP分層模型的四個協議層分別完成以下的功能:  第一層:網路介面層  包括用於協作IP資料在已有網路介質上傳輸的協議。實際上TCP/IP標準並不定義與ISO資料鏈路層和物理層相對應的功能。相反,它定義像地址解析協議(Address Resolution Protocol,ARP)這樣的協議,提供TCP/IP協議的資料結構和實際物理硬體之間的介面。  第二層:網間層  對應於OSI七層參考模型的網路層。本層包含IP協議、RIP協議(Routing Information Protocol,路由資訊協議),負責資料的包裝、定址和路由。同時還包含網間控制報文協議(Internet Control Message Protocol,ICMP)用來提供網路診斷資訊。  第三層:傳輸層  對應於OSI七層參考模型的傳輸層,它提供兩種端到端的通訊服務。其中TCP協議(Transmission Control Protocol)提供可靠的資料流運輸服務,UDP協議(Use Datagram Protocol)提供不可靠的使用者資料報服務。  第四層:應用層  對應於OSI七層參考模型的應用層和表達層。因特網的應用層協議包括FingerWhoisFTP(檔案傳輸協議)GopherHTTP(超文字傳輸協議)Telent(遠端終端協議)SMTP(簡單郵件傳送協議)IRC(因特網中繼會話)NNTP(網路新聞傳輸協議)等,這也是本書將要討論的重點。