3.5.2 互联网通信协议

采用共同遵守标准化协议的互联网络称为Internet（因特网），又称国际互联网。它是全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络。

因特网有五种类型的网络互联：①相同类型的局域网互联；②不同类型的局域网互联；③通过主干网将局域网互联；④通过广域网（WAN）将局域网互联；⑤局域网上的计算机访问外部网上的计算机系统。

不同地域的诸多计算机互联在一起的网络要进行通信，会遇到许多需要解决的问题。连接不同类型的网络时，会遇到更多复杂问题。例如：不同的网络结构；不同的传输规则；不同的寻址方案；不同的最大分组长度；不同的网络接入机制；不同的超时控制；不同的纠错方法；不同的路由选择；不同的用户接入控制；不同的管理和网络安全问题；等等。

要确保通信数据能顺利地传送到目的地，通信各方需要建立共同遵循的规则和约定，这些规则和约定称为通信协议（Communications Protocol）。

通信协议制定法则：把复杂的通信协调问题进行分解和分层处理，每一层实现相对独立的功能，上下层之间互相提供服务；使复杂问题简单化，便于对网络功能的理解和标准化。

1.互联网体系的七层协议

1979年国际标准化组织（ISO）成立了一个专门研究机构，提出了解决计算机在世界范围内互连互通的标准框架，即7层架构的“开放系统互连基本参考模型OSI/RMl”，简称OSI。通信双方（系统A主机和系统B主机）的每层都有自上而下和自下而上两种服务功能，如图3-24所示。

（1）物理层（Physical Layer）。物理层的作用是实现计算机间比特流的透明传送。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流不会发生变化。

（2）数据链路层（Data Link Layer）。数据链路层的任务是：解决同一网络内节点之间的通信问题，建立和管理节点间的链路，提供可靠的传输数据的方法。

具体工作是：

1）（自下往上传送时）装帧：接收来自物理层的比特数据流，并封装成MAC帧，并传送到上一层（网络层）或本层（局域网）寻址自用。

2）（自上往下传送时）拆帧：将来自上层的MAC数据帧，拆装为比特流数据并转发到物理层，以便提供可靠的数据传输。

（3）网络层（Network Layer）。网络层的主要任务是解决不同网络间的通信问题，通过路由选择算法，为报文或分组选择最适当的路径。

网络层把数据链路层的数据转换为IP（网络互联协议）数据包，然后通过路径选择、分段组合、顺序控制、进/出路由等控制，将信息从一个网络传送到另一个目的网络。

（4）传输层（Transport Layer）。传输层是OSI模型的第4层。主要任务是：为上、下两层提供可靠的数据传送，提供可靠的端到端的无差错和流量控制，保证报文的正确传输，监控服务质量。

自下往上传送时：向高层（会话层和应用层）透明地传送报文。TCP（传输控制协议，是一种面向连接的通信协议）和UDP（用户数据报协议），用来支持需要在计算机之间传输数据的网络。

自上往下传送时：从会话层获得数据，向网络层提供传输服务，这种服务在必要时，对数据进行分割，并确保数据能正确无误地传送到网络层。

（5）会话层（Session Layer）。会话层的任务就是组织和协调两个主机之间的会话进程通信，并对数据交换进行管理。当建立会话时，用户必须提供他们想要连接的远程地址。而这些地址与MAC地址或网络层的逻辑地址不同，它们是为用户专门设计的，更便于用户记忆。

（6）表示层（Presentation Layer）。表示层的主要功能是“处理用户信息的表示问题，对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传送给会话层。

（7）应用层（Application Layer）。负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。

2.什么是TCP/IP

在Internet没有形成之前，早在1969年各个地方就已经建立了很多小型的网络。但是各式各样的小型网络却存在不同的网络结构和数据传输规则，将这些小网连接起来后各网之间要通过什么样的规则来传输数据呢？就像世界上有很多个国家，各个国家的人说的是各自的语言，怎样才能互相沟通呢？如果全世界的人都能够说同一种语言（即世界语），这个问题不就解决了吗？TCP/IP就是Internet上的“世界语”，中文译名为传输控制协议/互联网络协议。

Internet实际上就是将全球各地的局域网连接起来而形成的一个“网际网”，简单地说，Internet就是由底层的IP和TCP组成的。

OSI 7层协议体系结构虽然概念清楚、理论完整、分工明确、各司其职，但实现起来太复杂，运行效率很低。要理解Internet不是一件容易的事。

TCP/IP的开发研制人员将互联网体系7层协议简化为便于理解的TCP/IP 5层体系结构，称为互联网分层模型或互联网分层参考模型。图3-25是OSI体系结构与TCP/IP体系结构的关系。

实际上TCP/IP 5层体系结构是OSI 7层协议体系模型的一个浓缩版本。现今已成为实际应用的互联网体系结构。

5层体系结构中，由于每层的数据交换方式不同，因此各层的数据交换单元格式也不一样。图3-25所示的TCP/IP体系结构图中，把物理层和数据链路层合并在一起，并统称为网络接入层。

第1层：物理层——比特流传输；

第2层：数据链路层——MAC帧（Frame）交换；

第3层：互连网络层（IP层）——IP数据包（Datagram）交换；

第4层：传输层（TCP层）——分组（Packet）交换；

第5层：应用层——报文（Message）交换。

几个专有名词说明：

1）报文（Message）。一段完整的数据信息称为报文，其长短不需一致。在应用层实现报文交付。

2）分组（Packet）。分组是传输层信息交换的数据单元。它是用户把发送的报文分成多个更小的数据段。在每个数据段的前面加上必要的控制信息组成首部，有时也会加上尾部，构成一个分组。

3）数据包（Datagram）。IP数据包是网络层信息交换的数据单元。包含一个包头（Header）和数据本身，其中包头描述了数据的目的地以及和其他数据之间的关系，如图3-10所示。

4）MAC帧（Frame）。MAC（媒体访问控制）帧是数据帧的一种，它包括三部分：帧头、数据部分、帧尾。其中，帧头和帧尾包含一些必要的控制信息，比如同步信息、地址信息、差错控制信息等，数据部分包含网络层传下来的数据。

3.TCP/IP体系的功能

（1）物理层。提供端到端的比特流传输。

（2）数据链路层。数据链路层的任务是：解决同一网络内（局域网）节点之间的通信问题。建立和管理节点间的链路，提供可靠的传输数据方法。

数据链路层的数据传输单元包括逻辑链路控制（LLC）和媒体访问控制（MAC）两个子层，如图3-26所示。

数据链路服务通过LLC子层为上面的网络层提供统一的接口。在LLC子层的下面是MAC子层，它将上层传入的数据添加一个头部和尾部，组成MAC帧。

1）如果通信双方在同一个局域网内，数据链路层通过MAC地址寻址。找到目的主机后，双方便可直接进行通信。

2）如果通信双方不在同一网络内，网络间的寻址通过IP地址（网络地址）首先寻找目的网位置，然后在目的网中根据MAC地址（目的主机地址）寻找目的主机。

因此，在跨网通信时，数据链路层的MAC帧还要添加IP地址，重新封装为新的“数据包”后再送到上面的网络层进行信息交换。

（3）网络层（又称IP层、网际层）。网络层的主要任务是：解决不同网络间的通信问题，IP寻址和路由选择、拥塞控制和网际互联等。网络层的数据传输单元是分组（Packet）。

送到网络层的数据包是经过数据链路层协议重新封装后的数据包。网络层数据包的包头包含源节点地址、目的节点的IP地址和控制数据。

网络层只是尽可能快地把分组（Packet）从源节点送到目的节点，提供网际互联、拥塞控制等，但是不提供可靠性保证，数据包在传输过程中可能会丢失。

（4）传输层（又称TCP层）。传输层的主要任务是通过TCP（传输控制协议）或UDP（用户数据报协议）向上层（应用层）提供可靠的端到端服务，确保“报文”无差错、有序、不丢失、无重复地传输，为端到端报文传递提供可靠传递和差错恢复。

1）TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）。TCP提供可靠的、面向连接的运输服务，在传输数据之前必须先建立连接，数据传输结束后要释放连接。因此增加了许多开销，如确认、流量控制、差错重传和连接管理等，使协议数据单元的首部增大很多，要占用许多处理器资源，此外，TCP不提供广播或多播服务。为避免TCP协议占用很多的处理器资源，网络层还可采用UDP用户数据报协议。

2）UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。UDP提供的是无连接的尽最大努力服务，在传输数据之前不需要先建立连接，但不保证可靠性交付。虽然UDP不提供可靠的交付，但在某些情况下，UDP是一种最有效的工作方式。

例如：DNS（Domain Name System，域名系统）和NFS（Network File System，网络文件系统）使用的就是UDP这种传输方式。此外，UDP还能在主机上识别多个目的地址，允许多个应用程序在同一台主机上工作，并能独立地进行数据包的发送和接收。图3-27是两种传输协议提供的逻辑通信信道。

（5）应用层。应用层的任务是向用户提供应用程序，包括：SMTP（电子邮件协议）、FTP（文件传输访问协议）、TELNET（远程登录协议）、HTTP（超文本传输协议，“超文本”是指页面内可以链接包含图片，甚至音乐、程序等非文字的元素）、SIP（会话初始协议）、RTP（实时传输协议）和RTCP（实时传输控制协议）等。表3-1是OSI 7层网络模型与TCP/IP 5层网络模型功能特性比较。