第三节　TCP/IP体系结构

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网际协议，它是20世纪70年代中期，美国国防部为其ARPANET网开发的网络体系结构，在20世纪80年代被确定为因特网的通信协议。由于TCP/IP协议使用的时间较长，加之它以简洁、实用而得到普遍的响应，所以世界上一般认为TCP/IP是事实上的工业标准，而真正实际系统中采用OSI模型的并不多。如图3.3.1所示为OSI模型与TCP/IP模型的对照。

下面简单介绍TCP/IP参考模型的各层功能及其协议集。

一、TCP/IP模型的各层功能

TCP/IP模型共有4个层次，分别为网络接口层、网际层、传输层和应用层。

图3.3.1　OSI模型与TCP/IP模型的对照

1．网络接口层

网络接口层是TCP/IP模型的最低层，对应着OSI模型的物理层和数据链路层，TCP/IP标准并没有定义该层协议，旨在提供灵活性，以适应各种网络类型。

2．网际层

网际层对应于OSI模型的网络层，在功能上类似于OSI体系结构中的网络层，主要负责处理来自传输层的分组，将分组形成数据包并为数据包进行路由选择、阻塞控制，最终将数据包传送到目的主机。这一层上的协议称为IP协议。

3．传输层

传输层相当于OSI结构中的传输层，负责在源主机和目的主机的应用程序间提供端到端的数据传输服务，该层主要定义了两个传输协议，一个是面向连接的传输控制协议TCP；另一个是不可靠的无连接协议，称为用户数据报协议UDP。

4．应用层

应用层是TCP/IP模型中的最高层，它可以完成OSI模型中的高3层作业。应用层上包含了所有的高层协议，如文件传输协议、远程登录协议、网络管理协议等。

二、TCP/IP协议集

在TCP/IP结构中包含有许多协议，如图3.3.2所示，下面简单介绍TCP/IP的协议集。

图3.3.2　TCP/IP协议集

1．网际层协议

网际层包含5个协议：IP协议、ICMP协议、IGMP协议、ARP协议和RARP协议，其中IP协议是TCP/IP协议族的核心。

（1）IP协议：IP协议是TCP/IP协议族的核心，它实现的是不可靠、无连接的数据报服务。下面从以下3个方面来介绍IP协议的基本内容。

1）IP地址。在网络体系中，为了与其他主机区分，每一台主机都有唯一的一个主机号码，它由32位二进制数组成，这个二进制数组成的主机号码就是主机的IP地址。

在Internet中，IP地址分成4个字节，每个字节8位，字节与字节之间用“.”来分隔，且每组数字范围在0～255之间。例如：

二进制：11001010011000110110000010001100

十进制：202.99.96.140

IP地址共有5类，分别为A，B，C，D，E，其中常用的是A，B，C三种类型，分别对应于大、中、小型网络。A类地址的第一组数在0～127之间；B类地址的第一组数在128～191之间；C类地址的第一组数在192～223之间；D类地址用于组选业务；E类地址作为保留。IP地址的基本结构如图3.3.3所示。

由于IP地址对于普通用户来说较难记忆，因此，为了方便用户，Internet使用域名系统来解决这个问题，所谓域名就是给主机命名一个通俗易懂的名字。例如，www.haier.com就是海尔公司网络主机的名字。

图3.3.3　IP地址的基本结构

域名的基本结构如图3.3.4所示，它是由代表不同层次的子域名和圆点组成的。

图3.3.4　域名的基本结构

其中一级域名也叫最高层域名，一般是国家或地区的代码，这部分的写法是有规定的，必须按照国际标准规范书写，如“cn”代表中国，其他常见地理区域的域名如表3.2所示。

表3.2　常用的国家域名表

二级域名通常是组织机构类型，常用的组织机构类型的域名含义如表3.3所示。(www.daowen.com)

表3.3　常用的组织机构类型域名含义

主机的IP地址和主机的域名是等价的，它们都是唯一的。通常情况下，主机的IP地址和域名的对应关系被保存在Internet的域名服务器中。一个单位或组织要想在Internet上注册，就需要进行域名登记，此项工作由经过授权的注册中心完成，其中国际域名的申请由InterNIC（美国因特网信息中心）以及它设在世界各地的分支机构审批。国内二级子域名的注册申请工作由中国互联网络信息中心负责。

2）数据报的分割与重新组装。为了能使较大的数据报在适当大小的网络中传输，IP协议必须先对由上层协议所提交的数据报进行长度检查，并将其分为物理网络允许发送的最大长度之后再进行发送，这项工作就叫做数据报的分割。

当数据报被分段后，各个不同的报文分段在网络中独立地传输。由于其选择的路由不同，因此，到达目的主机的IP数据报的顺序与发送的顺序就不一定保持一致，而这时就需要IP协议将其重新组装成一个完整的原始IP数据报。最后将组装好的IP数据报按照用户协议号提交给上层协议，如图3.3.5所示。

3）路由选择。IP协议的路由选择主要包括两方面的内容，即发送数据报时的路由处理和接收数据报时的路由处理。

图3.3.5　报文的分割与组装

对于上层协议发送来的数据报，有指定发送路由和未指定路由两种。对于前者，IP协议按照上层协议指定的路由发送数据报；对于后者，IP协议就根据IP地址来搜索路由选择表中的路由。如果找不到路由，则向上层协议报告错误信息，反之就按照找到的地址来发送IP数据报。当接收到数据报时，对于主机节点，则根据IP数据报中的目标IP地址与本机IP地址进行比较，当地址匹配时，将其递交给对应的上层协议，否则就丢弃该数据报；对于路由器节点，则发送该数据报，如图3.3.6所示。

（2）ICMP（Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议）：ICMP协议通过调用ICMP消息来传送一些控制信息，以此为IP协议提供差错报告。它可以报告的一些普通错误类型有：目标无法到达、阻塞、回波请求、回波应答等。如果某台设备不能将一个IP数据包转发到另一个网络时，它就向发送数据包的源主机发送一个ICMP消息。

图3.3.6　路由选择

（3）IGMP（Internet Group Management Protocol，网际主机组管理协议）：由于IP协议主要用于点到点的数据包传输，而点到多点的数据包传输就要通过IGMP来完成了，它主要负责报告主机组之间的关系，以实现点到多点的数据包传输。

（4）ARP和RARP：ARP（Address Resoloution Protocol，地址解析协议）主要负责将IP地址映射到物理地址。因为IP数据报在物理网络上传输时，通常采用与IP地址不同的编址方案，必须通过ARP协议来进行IP地址即逻辑地址和物理地址的转换，如图3.3.7所示为ARP的地址映射过程。

RARP（Reverse Address Resoloution Protocol，反向地址解析协议）是用来将系统的硬件地址映射为逻辑地址。如将一无盘工作站的硬件地址转换为它的IP地址，其过程和ARP的地址映射过程刚好相反，如图3.3.8所示。

图3.3.7　ARP的地址映射过程

图3.3.8　RARP的地址映射过程

2．传输层协议

传输层上有两个主要的协议：UDP协议和TCP协议。

（1）UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）：UDP协议是一种面向数据报的无连接的协议，它实现的是不可靠、无连接的数据报服务，它不进行差错检验，必须由应用层的应用程序来实现可靠性机制和差错控制，以保证端到端数据传输的正确性。但UDP协议增加和扩充了IP协议的接口能力，具有高效传输、协议格式简单等特点，如广播就需要使用UDP协议。

（2）TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）协议：TCP协议用来在一个不可靠的互联网络中为应用程序提供可靠的数据传送，它是一种面向连接的通信协议。TCP协议采取了确认、超时重发、流量控制等各种保证可靠性的技术和措施。TCP和IP协议结合起来，共同实现可靠的数据传输。

TCP协议交换数据的基本单元是“段”，它将源主机应用层的数据分成多个分段，然后将每个段传送到网际层，网际层将数据封装为IP数据包后发送到目的主机。

3．应用层协议

应用层上包含有许多使用广泛的协议，而且总是不断有许多新的协议加入。

（1）TELNET协议：TELNET是一个提供远程登录的协议，用户在本地的某个终端上注册之后，只要在远程机器上拥有账户，就可以登录到远程机器上去工作，其工作流程如图3.3.9所示。

图3.3.9　TELNET协议工作流程

（2）FTP协议：FTP协议即文件传输协议，它是网上最常用的协议之一，用来实现两个基本点主机之间的文件传送。它允许在不同主机和不同的操作系统间同时传输文件，且文件的结构和字符集可以不同，FTP连接如图3.3.10所示。

图3.3.10　FTP连接

（3）SMTP协议：SMTP协议即简单邮件传输协议，它主要用来实现主机之间电子邮件的传送。SMTP只支持ASCII方式，不支持二进制方式。

（4）DHCP协议：DHCP协议即动态主机配置协议，用于实现对主机的地址分配和配置工作。

（5）HTTP协议：用于Internet中的客户机和WWW服务器之间的数据传输。

（6）SNMP协议：SNMP协议即简单网络管理协议，用于实现网络的管理。

与OSI模型的应用层相同，TCP/IP应用层中的各种协议都是为网络用户或应用程序提供特定的网络服务功能。