TCPIP模型及OSI参考模型.docx

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1、一、TCP/IP 协议与 OSI 参考模型图 1TCP/IP 协议与OSI 参考模型与 OSI 参考模型一样，TCPTransfer Control Protocol/IPInternet Protocol协议传输掌握协议/网际协议也分为不同的层次开发，每一层负责不同的通信功能。但是，TCP/IP 协议简化了层次设计，只有五层：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。从图 1 可以看出，TCP/IP 协议栈与 OSI 参考模型有清楚的对应关系， 掩盖了 OSI 参考模型的全部层次。应用层包含了OSI 参考模型全部高层协议。图 2 所示为 TCP/IP 协议栈。图 2 TCP/IP 协议栈物

2、理层和数据链路层涉及到在通信信道上传输的原始比特流，它实现传输数据所需要的机械、电气、功能性及过程等手段，供给检错、纠错、同步等措施，使之对网络层显现一条无错线路；并且进展流量调控。网络层检查网络拓扑，以打算传输报文的最正确路由，执行数据转发。其关键问题 是确定数据包从源端到目的端如何选择路由。网络层的主要协议有IP、ICMPInternet Control Message Protocol，互联网掌握报文协议、IGMPInternet Group Management Protocol，互联网组治理协议、ARPAddress Resolution Protocol，地址解析协议 和 RARP

3、Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议等。传输层的根本功能是为两台主机间的应用程序供给端到端的通信。传输层从应用 层接收数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达 对方的各段信息正确无误。传输层的主要协议有 TCP、UDPUser Datagraph Protocol，用户数据报协议。应用层负责处理特定的应用程序细节。应用层显示接收到的信息，把用户的数据发送到低层，为应用软件供给网络接口。应用层包含大量常用的应用程序，例如 Hyper Text Transfer Protocol 超文本传输协议、Telnet远程登录、F

4、TPFile Transfer Protocol等。二、TCP/IP 协议数据封装图 3 TCP/IP 协议数据封装同 OSI 参考模型数据封装过程一样，TCP/IP 协议在报文转发过程中，封装和去封装也发生在各层之间。发送方，加封装的操作是逐层进展的：各个应用程序将要发送的数据送给传输层；传输层TCP/UDP把数据分段为大小肯定的数据段，加上本层的报文头，发送给网络层。在传输层报文头中，包含接 收它所携带的数据的上层协议或应用程序的端口号，例如，Telnet 的端口号是 23。传输层协议利用端口号来调用和区分应用层各种应用程序。网络层对来自传输层的数据段进展肯定的处理利用协议号区分传输层协议

5、、查找下一跳地址、解析数据链路层物理地址等，加上本层的IP 报文头后，转换为数据包，再发送给链路层以太网、帧中继、PPP、HDLC 等。链路层依据不同的数据链路层协议加上本层的帧头，发送给物理层以比特流的形式将报文发送出去。在接收方，这种去封装的操作也是逐层进展的。从物理层到数据链路层，逐层去掉各层的报文头部，将数据传递给应用程序执行。三、传输层协议TCP 和 UDP传输层位于应用层和网络层之间，为终端主机供给端到端的连接，以及流量掌握由窗口机制实现、牢靠性由序列号和确认技术实现、支持全双工传输等等。传输层协议有两种：TCP 和 UDP。虽然 TCP 和 UDP 都使用一样的网络层协议IP，

6、但是 TCP 和 UDP 却为应用层供给完全不同的效劳。传输掌握协议TCP：为应用程序供给牢靠的面对连接的通信效劳，适用于要求得到响应的应用程序。目前，很多流行的应用程序都使用TCP。用户数据报协议 UDP：供给了无连接通信，且不对传送数据包进展牢靠的保证。适合于一次传输小量数据，牢靠性则由应用层来负责。TCP 协议通过以下过程来保证端到端数据通信的牢靠性：1. TCP 实体把应用程序划分为适宜的数据块，加上TCP 报文头，生成数据段；2. 当TCP 实体发出数据段后，马上启动计时器，假设源设备在计时器清零后仍旧没有收到目的设备确实认报文，重发数据段；3. 当对端TCP 实体收到数据，发回一个

7、确认。4. TCP 包含一个端到端的校验和字段，检测数据传输过程的任何变化。假设目的设备收到的数据校验和计算结果有误，TCP 将丢弃数据段，源设备在前面所述的计时器清零后重发数据段。5. 由于TCP 数据承载在IP 数据包内，而 IP 供给了无连接的、不行靠的效劳， 数据包有可能会失序。TCP 供给了重排序机制，目的设备将收到的数据重排序， 交给应用程序。6. TCP 供给流量掌握。TCP 连接的每一端都有缓冲窗口。目的设备只允许源设备发送自己可以接收的数据，防止缓冲区溢出。7. TCP 支持全双工数据传输。TCP 协议为终端设备供给了面对连接的、牢靠的网络效劳，UDP 协议为终端设备供给了无

8、连接的、不行靠的数据报效劳。TCP 协议为了保证数据传输的牢靠性，相对于 UDP 报文，TCP 报文头部有更多的字段选项。我们来看一下TCP 的报文头部主要字段：每个 TCP 报文头部都包含源端口号source port和目的端口号destination port， 用于标识和区分源端设备和目的端设备的应用进程。在 TCP/IP 协议栈中，源端口号和目的端口号分别与源IP 地址和目的 IP 地址组成套接字socket，唯一确实定一条 TCP 连接。序列号Sequence number字段用来标识 TCP 源端设备向目的端设备发送的字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。假设将字节流看作在

9、两个应用程序间的单向流淌，则TCP 用序列号对每个字节进展计数。序列号是一个 32bits 的数。既然每个传输的字节都被计数，确认序号Acknowledgement number，32bits包含发送确认的一端所期望接收到的下一个序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到的数据字节序列号加 1。TCP 的流量掌握由连接的每一端通过声明的窗口大小windows size来供给。窗口大小用数据包来表示，例如Windows size=3, 表示一次可以发送三个数据包。窗口大小起始于确认字段指明的值，是一个 16bits 字段。窗口大小可以调整。校验和checksum字段用于校验TCP 报头局部和数据局

10、部的正确性。最常见的可选字段是MSSMaximum Segment Size，最大报文大小。MSS 指明本端所能够接收的最大长度的报文段。当一个TCP 连接建立时，连接的双方都要通告各自的 MSS 协商可以传输的最大报文长度。我们常见的MSS 有 1024以太网可达 1460 字节字节。相对于 TCP 报文，UDP 报文只有少量的字段：源端口号、目的端口号、长度、校验和等，各个字段功能和TCP 报文相应字段一样。UDP 报文没有牢靠性保证和挨次保证字段，流量掌握字段等，牢靠性较差。固然， 使用传输层 UDP 效劳的应用程序也有优势。正由于UDP 协议较少的掌握选项，在数据传输过程中，延迟较小，

11、数据传输效率较高，适合于对牢靠性要求并不高的应 用程序，或者可以保障牢靠性的应用程序像DNS、TFTP、SNMP 等；UDP 协议也可以用于传输链路牢靠的网络。TCP 协议和 UDP 协议使用 16bits 端口号或者socket来表示和区分网络中的不同应用程序，网络层协议IP 使用特定的协议号TCP 6，UDP 17来表示和区分传输层协议。任何 TCP/IP 实现所供给的效劳都是 11023 之间的端口号，这些端口号由IANAInternet Assigned Numbers Authority，Internet 号码安排机构安排治理。其中，低于 255 的端口号保存用于公共应用；255 到

12、 1023 的端口号安排给各个公司，用于特别应用；对于高于 1023 的端口号，称为临时端口号，IANA 未做规定。常用的 TCP 端口号有： 80，FTP 20/21，Telnet 23，SMTP 25，DNS 53 等； 常用的保存 UDP 端口号有：DNS 53，BootP 67server/ 68client，TFTP 69， SNMP 161 等。套接字socket分为源套接字和目的套接字： 源套接字：源端口号+源 IP 地址；目的套接字：目的端口号+目的 IP 地址；源套接字和目的套接字用于唯一确实定一条TCP 连接。TCP 滑动窗口技术通过动态转变窗口大小来调整两台主机间数据传输

13、。每个TCP/IP 主机支持全双工数据传输，因此TCP 有两个滑动窗口：一个用于接收数据， 另一个用于发送数据。TCP 使用确定确认技术，其确认号指的是下一个所期盼的字节。下面我们以数据单方向发送为例，介绍滑动窗口如何实现流量掌握。假定发送方设备以每一次三个数据包的方式发送数据，也就是说，窗口大小为3。发送方发送序列号为 1、2、3 的三个数据包，接收方设备成功接收数据包，用序列号 4 确认。发送方设备收到确认，连续以窗口大小 3 发送数据。当接收方设备要求降低或者增大网络流量时，可以对窗口大小进展减小或者增加，本例降低窗口大小为 2，每一次发送两个数据包。当接收方设备要求窗口大小为 0，说明

14、接收方已经接收了全部数据，或者接收方应用程序没有时间读取数据，要求暂停发送。发送方接收到携带窗口号为 0 确实认，停顿这一方向的数据传输。滑动窗口机制为端到端设备间的数据传输供给了牢靠的流量掌握机制。然而，它只能在源端设备和目的端设备起作用，当网络中间设备例如路由器等发生拥塞时，滑动窗口机制将不起作用。我们可以利用ICMP 的源抑制机制进展拥塞治理。四、网络层协议图 4 网络层协议1. IPInternet Protocol协议：IP 协议和路由协议协同工作, 查找能够将数据包传送到目的端的最优路径。IP 协议不关心数据报文的内容，供给无连接的、不行靠的效劳。2. ARP 协议Address

15、Resolution Protocol，地址解析协议：把的IP 地址解析为 MAC 地址。图 5 ARP 协议示意图假定主机 A 需要知道主机B 的 MAC 地址，主机A 发送称为 ARP 恳求的以太网数据帧给网段上的每一台主机，这个过程称为播送。发送的ARP 恳求报文中，带有自己的 IP 地址到 MAC 地址的映射，同时还带有需要解析的目的主机的 IP 地址。目的主机 B 收到恳求报文后，将其中的主机 A 的 IP 地址与 MAC 地址的映射存到自己的 ARP 高速缓存中，并把自己的IP 地址到 MAC 地址的映射作为响应发回主机A。主机 A 收到 ARP 应答，就得到了主机B 的 MAC

16、地址，同时，主机 A 缓存主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址映射。3. RARPReverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议：用于数据链路层地址时，解析IP 地址。图 6 RARP 协议示意RARP 常用于无盘工作站等，这些设备知道自己MAC 地址，需要获得IP 地址。以图 6 为例，无盘工作站需要获得自己的IP 地址，向网络中播送RARP 恳求，RARP 效劳器接收播送恳求，发送应答报文，无盘工作站获得IP 地址。对应于 ARP、RARP 恳求以播送方式发送，ARP、RARP 应答一般以单播方式发送，以节约网络资源。4. ICMPIntern

17、et Control Message Protocol，网际掌握消息协议定义了网络层掌握和传递消息的功能。ICMP 包含很多种不同类型的消息，其中 ping 和 tracert 命令就是使用不同类型的ICMP 消息来对网络的连通性作一些检测。执行 ping 命令的一方也就是源节点向目的节点发送echo request 消息，假设两个节点是连通的，目的节点就会向源节点发送回来 Echo Reply 消息，那么源节点也就知道目的节点是可达的。tracert 命令和 ping 命令类似，但是tracert 命令可以显示数据包经过的每一台网络设备信息。比方，在A 上执行ping 命令去 ping B，

18、从源A 发向目的 B。当B 收到后，会返回消息，此时就是从B 发向 A。在这个例子中，就是有两个数据流来完成一次ping 操作：先是从 A 向 B 的echo request，然后是从B 向 A 的 echo reply。同样的一个网络，假设我们是在B 上执行ping 命令去 ping A，也是有两个数据流，先是从 B 到 A 的echo request，然后是从 A 到 B 的 echo reply。了解了数据流的走向之后，就可以使用一些过滤工具对数据流进展过滤，从而实现对网络中各种应用的掌握。如借助一些数据过滤工具，在 A 和B 之间进展数据过滤，只允许从 B 到A 的 echo reply，但是不允许从 B 到 A 的 echo request，而从 A 到 B 的全部流量都是允许的，这样的结果就是可以从A 能 ping 通 B，但是从 B 不能 ping 通 A。这也是我们在日常的网络维护过程中常用的一些简洁有效的应用掌握方法。