第1章 TCPIP协议概述

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第1章 TCP/IP协议概述
今天的TCP/IP具有下列主要的特点：
开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件 与操作系统。 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用 于互联网上。 统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯 一的地址。 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。
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1.1 TCP/IP协议体系结构
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。
图1-2是一个包含两个网络的互连网：一个以太网和一个令牌环 网，通过一个路由器互相连接，应用层运行FTP协议，传输层使用TCP 协议。
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FTP 协议 FTP 客户 FTP 服务器
TCP 协议 TCP 路由器 IP 协议 IP IP IP 协议 IP TCP
IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers ，电气电子工程师学会）
EIA（Electronic Industries Association ，电子工业协会）
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协议分层的基本原则
协议分层应考虑的问题：
分层应考虑层次的清晰程度与运行效率间的折中、层次数量的折中
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1.1 TCP/IP协议体系结构
1.1.1 TCP/IP协议分层 TCP/IP协议实际是指的一个四层协议系统，往往也称为TCP/IP 协议族。 计算机网络基础课程中学习过的OSI/RM（Open System Interconnection/References Model，开放系统互联/参考模型）是 七层结构，其与TCP/IP协议族分层情况的对应关系见图1-1所示。
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1.1 TCP/IP协议体系结构
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图 1-1 OSI/RM 与 TCP/IP 分层对应关系 传输层 网络层 网络接口层 应用层
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1.1 TCP/IP协议体系结构
计算机网络中实际应用的网络协议是TCP/IP协议族
TCP/IP的应用层大体上对应着OSI参考模型的应用层、表示层和会 话层，TCP/IP的网络接口层对应着OSI的数据链路层和物理层，而 传输层和网络层则在两个模型里都对应得很好。
OSI的分层模型
面向用户
封装，根据寄 信方式处理 分类规则 邮编、地址 路径选择 海陆空？ 运输方式 客车？货车？ 物理介质
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第1章 TCP/IP协议概述 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) TCP/IP起源于二十世纪60年代末美国的分组交换网络项目，随着 二十世纪八十年代Internet的诞生而盛行，是今天计算机网络特别是 Internet的基础，也是计算机网络的事实工业标准。
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编址
1.1.2 物理地址、IP地址和端口 物理地址：标识通信节点，由节点所属LAN或WAN指定，在LAN或WAN 中唯一，也叫链路地址或硬件地址，例如00:05:5D:06:14:18 互联网上参与通信的每一个节点可能有不止一个网络接口，因此每 一个接口都有一个唯一的IP地址。例如202.115.12.34 同时，每一个节点上都可能运行着多个通信进程，因此通过端口号 来标识参与通信的进程。在计算机内部唯一。例如21，23，80 实际上，通信的主体总是进程，在互联网上唯一地标识出通信的实 体的方法就是：用IP地址来区分不同节点的不同接口，用端口号来 区分同一个节点上的不同进程。 要注意的是：一个节点可以有多个网络接口，因此就有多个IP地址。 所以IP地址标识的是接口。
网络协议的基本要素
（1）语法（what） 规定用户信息与控制信息的结构、格式和编码等，即怎么做。 （2）语义（how） 说明通信双方需要发出的是何种信息、完成的是何种动作及 做出的应答等，即做什么。 （3）时序（同步time） 详细说明事件实现的先后顺序、速度匹配和排序等。
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第1章 TCP/IP协议概述
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1.1 TCP/IP协议体系结构
在这里端到端和逐跳的概念对协议的学习理解有特别的意义。 这个概念意味着: 应用层和传输层的协议主要关心的是通信的信源和信宿，也就是端 系统如何通信的问题 网络层和链路层的协议主要关心的是下一跳，也就是相邻的节点间 如何通信的问题。
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1.1 TCP/IP协议体系结构
实体、协议、接口与服务
（5）网络体系结构的数据传递
计算机网络中，两个通信实体在通信过程中，数据在上下各层传递
会发生变化，各对等层之间须遵循该对等层网络协议。
数据传递的单位称为数据单元，主要有以下三种：协议数据单元（
PDU）、服务数据单元（SDU）和接口数据单元（IDU）。
PDU和SDU
PDU：指某层对等实体之间通信时，该层协议所操纵的数据单元。
实体、协议、接口与服务
（1）实体 指在计算机网络的分层结构中，每一层中的活动元素，可以是硬件 、软件或进程。 （2）协议 指通信双方实现相同功能的相应层之间的交往规则，通常称为对等 层协议，协议是水平的。 （3）接口 指同一系统内部两个相邻层次之间的交往规则。 它是相邻两层之间的边界，是一个系统内部的规定。
标准创建委员会 →行动缓慢，照章办事
ISO（International Organization for Standardization ，国际标准化组织）
ITU-T（ International Telecommunication Union -Telecommunication Standardization Sector，国际电联-电信标准部 ） ANSI（ American National Standards Institute ，美国国家标准学会）
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传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）和 UDP（用户数据报协议）。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信 。UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。 应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现 都会提供下面这些通用的应用程序： Telnet远程登录，SMTP（简 单邮件传输协议)，FTP（文件传输协议)，HTTP（超文本传输协议 ）等。
第n层PDU记为(n)-PDU，组成：用户数据信息(n)-UDI和
协议控制信息(n)-PCI。
SDU：指相邻层实体间传递的数据单元。它是一个供接口使用的用 户数据。
第n层与第n-1层传递的SDU记为(n)-SDU，在层间接口
处也可称为n-1层接口数据单元(n-1)-IDU。
接口数据单元IDU
实体、协议、接口与服务
（4）服务 服务是指某层实体实现的功能，在形式上由一组原语描述，供用户 和其他实体访问该服务时调用。 N层实体通过接口为N+1层提供服务，通过接口获取N-1层的服务 。 服务访问点（SAP）指下层对相邻上层提供服务的接口。
实体与服务访问点（SAP）关系示意图
服务及服务访问点关系示意图
IDU：指在同一系统的相邻两层实体的一次交互中，经过层间接口 的数据单元。
第n层向第n-1层传递的IDU记为(n-1)-IDU。 PDU在通过层间接口时需要添加必要的接口控制信息（
ICI），如说明通过接口的总字节数、是否需要加速传递 等。 一个PDU加上适当的ICI后就形成IDU，当IDU通过层间 接口后，去掉添加的ICI。
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第1章 TCP/IP协议概述
TCP/IP协议是一组开放式协议，可以进行任何组合间的通信， 能够满足长距离互联系统的要求，同时分组交换的方式使得网络中 只要存在有效路由，网络通信就是可以可靠进行的。 TCP/IP的开放是指对异构的系统是开放的，不同的厂家生产的 不同型号的各种计算机，它们运行完全不同的操作系统，使用不同 的网络硬件，TCP/IP协议族也能够允许它们互相进行通信。
以太网 驱动程序
以太网协议
以太网 驱动程序
令牌环网 驱动程序
令牌环协议
令牌环网 驱动程序
以太网 图 1-2 TCP/IP 协议的通信模型
令牌环
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1.1 TCP/IP协议体系结构
在图1-2中，可以划分出端系统（End system）（两边的两台主机 ）和中间系统（Intermediate system）（中间的路由器）。 应用层和运输层使用端到端（End -to-end）协议。 在图1-2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。
OSI的分层模型
1．制定OSI的目的
制定OSI的目的是为了解决不同体系结构的网络互联问题，使两 个不同的系统能够较容易地通信，而不需要改变底层的硬件或软件的 逻辑。 OSI模型并不是协议，它是一个灵活的、稳健的和可互操作的模 型，是体系结构、框架。 在OSI中，采用了三级抽象，即体系结构、服务定义、协议规格 说明。
。
层次越多，每层的定义就可能越清晰，其实现就可能越容易，但其
总体运行效率可能就越低。
网络协议分层的基本原则
（1）各层之间接口要清晰自然、易于理解，相互交 流尽可能少。 （2）各层功能的定义独立于具体实现的方法。 （3）保持下层对上层的独立性，单向使用下层提供 的服务。 （4）合理选择层数，使层次数足够多，每一层都易 于管理；同时，层数又不能过多，避免综合开销太 大。
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1.1 TCP/IP协议体系结构
理解分层的概念对掌握计算机网络的工作原理和指导工程实践都 十分重要。 在学习网络协议工作原理时，要理解各层的划分、相应的功能及 各层之间的关系，特别要注意通过了解各层协议报文关键数据结构的 构成及其作用来掌握各层的工作原理和工作过程，进而真正掌握计算 机网络的工作原理，才能进一步在工程实践中利用协议工作机制去解 决实际问题。 例如：设置路由是网络层IP协议的任务，而查找MAC地址是链路层ARP 的工作，因而在网络层的广播和链路层的广播就具有不同的特点，网 络上结点对应的处理方法也就不同。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
在计算机网络基础课程里已经学习过TCP/IP各层的具体功能。 链路层：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。把链路层地址和网络层 地址联系起来的协议有ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析 协议）。 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（网际控制报文协议）以及IGMP协议（网际组管理协 议）。
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Internet结构
多个路由器互连物理网络 计算机与其中的物理网络相连
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Internet结构
用户角度
单一的虚拟网络 无需了解网络内部结构
互联网角度
直接通过传输介质连接起来，虽然没 所有网络都是平等的 有连接任何的主机，但是这仍是一个 路由器每个接口连接的 物理网络，这种结构比较特殊，是一 都是网络 种点到点的网络结构
TCP/IP协议分析与实验
第1章 TCP/IP协议概述
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第1章 TCP/IP协议概述
网络协议的定义
网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则 、标准或约定的集合。 在计算机网络中，要使通信双方有条不紊地交换数据， 就必须遵守双方事先约定好的规划或标准，即网络协议。
网络协议的地位如何？
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第1章 TCP/IP协议概述
互联网的目的之一是在应用程序中隐藏所有的物理细节。 如：图1-2中的一台主机是在以太网上，而另一台主机是在令牌环网 上，它们通过路由器进行互连。随着不同类型的物理网络的增加，会 不断地增加运行着各种链路层协议的多个路由器，各个路由器只解决 相邻的下一跳节点间的通信问题。不论中间有多少个路由器，都不涉 及应用层，所以应用层仍然是一样的。 实际的系统中，应用层由用户进程实现，而传输层及以下的各层 都在操作系统内核中实现。从这个意义上看，网络通信的物理细节对 用户进程隐藏的特点和操作系统中讲述的设备无关性原理是一致的。
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OSI的分层模型
应用支持层 软件
｛
｛
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网络支持层 软/硬件
OSI的分层模型
中间互连设备
对等实体
对等层
服务
接口
对等层协议
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OSI的分层模型
每一层可以同时存在多个实体 每一层可以同时存在多个协议
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OSI的分层模型
PDU
数据Data 数据段 Segment 分组Packet
帧Frame
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