【计算机网络】TCP/IP体系结构及工作原理

【计算机网络】TCP/IP体系结构及工作原理

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一、计算机网络体系结构

TCP/IP是一个四层的体系结构，包含网络接口层、网际层、运输层、应用层。学习计算机网络原理时往往采用一种结合OSI与TCP/IP优点的五层模型，这个五层模型包含物理层、数据链路层、网络层、运输层以及应用层。

1.1 应用层

应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。应用层交互的数据单元称为报文（message）。不同的网络应用需要有不同的应用层协议，如域名系统DNS、支持万维网应用的HTTP协议、支持电子邮件的SMTP协议等。——负责通过应用进程间的交互来完成特定网络应用的任务。

1.2 运输层

运输层的任务是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。应用层利用该服务传送应用层报文。“通用”指不针对某个特定的网络应用而是对多种应用使用同一个运输层服务，因此运输层有复用和分用的概念。复用指多个应用层进程可以同时使用下面运输层的服务，分用指运输层收到的信息分别交付给上层应用层的相应进程。运输层主要使用TCP与UDP两种协议：

• 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)——提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其传输数据单位是报文段（segment）
• 用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)——提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据的可靠性），其传输单位是用户数据报

1.3 网络层

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，解决分组在多个网络上传输（路由）的问题。发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或数据包封装成分组或包进行传送。TCP/IP体系中，网络层使用IP协议，因此分组也称为IP数据报或简称数据报。互连网是由大量异构网络通过路由器相互连接起来，互连网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP(Internet Protocol)和多种路由选择协议，因此互连网的网络层也称为网际层或IP层。

1.4 数据链路层

两台主机之间的数据传输总是在一段一段的链路上进行的，这就需要专门的链路层协议。链路层解决的是分组在一个网络（或一个链路）上传输的问题。链路层间网络层交付的IP数据报组装成帧（framing），在两个相邻节点间的链路上传输帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。

1.5 物理层

物理层上传输的单位时比特。物理层需要确定使用怎样的信号传输比特流、使用怎样的物理接口等问题。——解决怎样传输比特流的问题。

二、实体、协议、服务和服务访问点

实体：任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。对等实体是收发双方相同层次中的实体。
协议：控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。为进行网络中数据交换而建立的标准或约定称为网络协议（network protocol），简称协议。协议主要有三要素组成：

• 语法——即数据与控制信息的结构或格式
• 语义——即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
• 同步——即事件实现顺序的详细说明

服务：在协议的控制下，两个对等实体之间的通信使得本层能向上一层提供服务，要实现本层协议还需要使用下面一层所提供的服务。
使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，协议是水平的（控制对等实体之间通信的规则），服务是垂直的（服务是由下层向上层通过层间接口提供的）。
服务访问点SAP(Service Access Point)：在同一系统中相邻两层进行交互（交换信息）的地方，用于区分不同的服务类型。
服务原语：上层使用下层提供的服务必须通过与下层交换一些命令
协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元
服务数据单元SDU：同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元

三、举例——应用进程间基于网络通信

主机属于网络N1，web服务器属于网络N2。N1、N2通过路由器相连。使用主机中浏览器访问web服务器，输入网址后主机向web服务器发送请求，web服务器收到请求后会发回相应响应，主机收到响应后将其解析为具体的网页内容。

主机向web服务器发送请求
主机：

1. 应用层：按HTTP协议构建一个HTTP请求报文，交付给运输层
2. 运输层：给HTTP请求报文添加TCP首部使其成为TCP报文段（作用：区分应用进程、实现可靠传输），交付给网络层
3. 网络层：给TCP报文段添加IP首部使其成为IP数据报（作用：使得IP数据报可以在互连网上传输即被路由器转发），交付数据链路层
4. 数据链路层：给IP数据报添加一个首部一个尾部使其成为帧（作用：首部让帧能在一段链路或网络上传输，被相应主机接收，尾部让目的主机检查帧是否有误码），交付给物理层
5. 物理层：把帧看作比特流，在比特流前增加前导码（作用：让目的主机做好接收帧准备），将整个比特流变换成相应信号发送到传输媒介

路由器：

1. 物理层：将信号变为比特流，去除前导码后（帧）交付给数据链路层
2. 数据链路层：去除帧首部、尾部，将其（IP数据报）交付给网络层
3. 网络层：解析IP数据报首部提取目的网络地址，查找自身路由表确定转发端口以便进行转发，将IP数据报交付给数据链路层
4. 数据链路层：给IP数据报添加首部、尾部使其成为帧，将帧交付给物理层
5. 物理层：将帧看为比特流，增加前导码，将比特流变化为相应信号传给传输媒介

web服务器：

1. 物理层：将信号变为比特流，去除前导码后（帧）交付给数据链路层
2. 数据链路层：去除帧首部、尾部，将其（IP数据报）交付给网络层
3. 网络层：将IP数据报首部去除，将其（TCP报文段）交付给运输层
4. 运输层：将TCP报文段首部去除，将其（HTTP请求报文）交付给应用层
5. 应用层：对HTTP请求报文进行解析，给主机发回HTTP响应报文

web服务器收到请求进行响应过程类似。

总结

本文整理了TCP/IP协议四层结构与五层协议结构。分别阐述了物理层、链路层、网络层、运输层、应用层相关作用。物理层解决怎样传输比特流的问题；链路层解决的是分组在一个网络（或一个链路）上传输的问题；网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，解决分组在多个网络上传输（路由）的问题；运输层的任务是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务；应用层负责通过应用进程间的交互来完成特定网络应用的任务。实体是任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体之间的通信使得本层能向上一层提供服务，要实现本层协议还需要使用下面一层所提供的服务。

参考资料

计算机网络（第七版）——谢希仁编著
湖南科技大学计算机网络