因特網(wǎng)的游戲規(guī)則TCP/IP協(xié)議[2]

  TCP / IP的參考模型

  TCP/IP是建立在“無連接”技術(shù)上的網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議，信息（包括報文和數(shù)據(jù)流）以數(shù)據(jù)報的形式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，從而實現(xiàn)用戶間的通信。TCP/IP協(xié)議遵守一個四層的模型概念：應(yīng)用層（Application Layer）、傳輸層（Transport Layer）、網(wǎng)絡(luò)層（Internet Layer）和網(wǎng)絡(luò)接口層（Network Interface Layer）。

  一、網(wǎng)絡(luò)接口層

  模型的基層是網(wǎng)絡(luò)接口層。負責數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，幀是獨立的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸單元。網(wǎng)絡(luò)接口層將幀放在網(wǎng)上，或從網(wǎng)上把幀取下來。

  二、網(wǎng)絡(luò)層

  互聯(lián)協(xié)議將數(shù)據(jù)包封裝成Internet數(shù)據(jù)報，并運行必要的路由算法。 這里有四個互聯(lián)協(xié)議：

  網(wǎng)際協(xié)議IP：負責在主機和網(wǎng)絡(luò)之間尋址和路由數(shù)據(jù)包。

  地址解析協(xié)議ARP：獲得同一物理網(wǎng)絡(luò)中的硬件主機地址。

  網(wǎng)際控制消息協(xié)議ICMP：發(fā)送消息，并報告有關(guān)數(shù)據(jù)包的傳送錯誤。

  互聯(lián)組管理協(xié)議IGMP：被IP主機拿來向本地多路廣播路由器報告主機組成員。

  三、傳輸層

  傳輸協(xié)議在計算機之間提供通信會話。傳輸協(xié)議的選擇根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式而定。 這里有兩個傳輸協(xié)議：

  傳輸控制協(xié)議TCP：為應(yīng)用程序提供可靠的通信連接。適合于一次傳輸大批數(shù)據(jù)的情況。并適用于要求得到響應(yīng)的應(yīng)用程序。

  用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP：提供了無連接通信，且不對傳送包進行可靠的保證。適合于一次傳輸小量數(shù)據(jù)，可靠性則由應(yīng)用層來負責。

  四、應(yīng)用層

  應(yīng)用程序通過這一層訪問網(wǎng)絡(luò)。

  網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者在解決網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時經(jīng)常使用ISO/OSI（ 國際標準化組織/開放系統(tǒng)互連）七層模型，該模型每一層代表一定層次的網(wǎng)絡(luò)功能。最下面是物理層，它代表著進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)，換句話說，即網(wǎng)絡(luò)電纜。其上是數(shù)據(jù)鏈路層，它通過網(wǎng)卡提供服務(wù)。最上層是應(yīng)用層，這里運行著使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng) 用程序。

  TCP/IP模型是同ISO/OSI模型等價的。當一個數(shù)據(jù)單元從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序向下送到網(wǎng)卡，它通過了一列的TCP/IP 模塊。這其中的每一步，數(shù)據(jù)單元都會同網(wǎng)絡(luò)另一端對等TCP/IP模塊所需的信息一起打成包。在數(shù)據(jù)傳送中，可以形象地理解為有兩個信封，TCP和IP就像是信封，要傳遞的信息被劃分成若干段，每一段塞入一個TCP信封，并在該信封封面上記錄有分段號的信息，再將TCP信封塞入IP大信封，發(fā)送上網(wǎng)。在接受端，一個TCP軟件包收集信封，抽出數(shù)據(jù)，按發(fā)送前的順序還原，并加以校驗，若發(fā)現(xiàn)差錯，TCP將會要求重發(fā)。因此，TCP/IP在INTERNET中幾乎可以無差錯地傳送數(shù)據(jù)。

  為了勾勒TCP/IP在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)世界中所扮演的角色，請考慮當使用HTTP（超文本傳輸協(xié)議）的Web瀏覽器（如IE）從連接在Internet上的Web服務(wù)器上獲取一頁HTML數(shù)據(jù)時所發(fā)生的情況。為形成同Web服務(wù)器的虛鏈路，瀏覽器使用一種被抽象地稱為套接口（socket）的高層軟件。為了獲 取Web頁，它通過向套接口寫入HTTPGET命令來向Web 服務(wù)器發(fā)出該指令。接下來套接口軟件使用TCP協(xié)議向Web服務(wù)器發(fā)出包含GET命令的字節(jié)流和位流，TCP將數(shù)據(jù)分段并將各獨立段傳到IP模塊，該模塊將數(shù)據(jù)段轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)報并發(fā)送給Web服務(wù)器。

  其實在這一過程中，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)已經(jīng)被分成一個或多個數(shù)據(jù)包（packet），每個數(shù)據(jù)包包括：要傳送的數(shù)據(jù)；控制信息，即告訴網(wǎng)絡(luò)怎樣處理數(shù)據(jù)包。TCP/IP決定了每個數(shù)據(jù)包的格式。如果事先不告訴你，你可能不會知道信息被分成用于傳輸和再重新組合起來的許多小塊。

  當有應(yīng)用程序（如例子中的瀏覽器）創(chuàng)建它時，這個數(shù)據(jù)包的生命就開始了。每個包都會穿過發(fā)送主機的各層，再通過網(wǎng)絡(luò)電纜進入目標主機的各層后，進入適當?shù)膽?yīng)用程序（如例子中的Web服務(wù)器）。當包穿過發(fā)送主機各層時，其控制信息和格式信息被加在包上。在它到達目標主機后，隨著這個包向上穿過各個層，這些信息分別被讀取并剝?nèi)?。一旦這個包被送到線路上去時，它的重量已經(jīng)增大，因為包中增加了許多網(wǎng)絡(luò)信息。當這個滾雪球式增大的包到達目的主機時，又開始逐漸減輕，當它最后到達頂層時，又變得十分苗條了。

  對瀏覽器和服務(wù)器來說，數(shù)據(jù)在這一端寫入套接口而在另一端出現(xiàn)如同魔術(shù)一般，但這只是網(wǎng)絡(luò)底層發(fā)生的各種復(fù)雜行為的表象，它創(chuàng)造了數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)無縫傳輸?shù)募傧蟆?/P>

  IP協(xié)議――天地本寬

  IP是英文 Internet Protocol的縮寫，意思是“網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議”，也就是為計算機網(wǎng)絡(luò)相互連接進行通信而設(shè)計的協(xié)議。在因特網(wǎng)中，它是能使連接到網(wǎng)上的所有計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則。任何廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)，只要遵守IP協(xié)議就可以與因特網(wǎng)互連互通。正是因為有了IP協(xié)議，因特網(wǎng)才得以迅速發(fā)展成為世界上最大的、開放的計算機通信網(wǎng)絡(luò)。因此，IP協(xié)議也可以叫做“因特網(wǎng)協(xié)議”。

  IP是怎樣實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連的？各個廠家生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和設(shè)備，如以太網(wǎng)、分組交換網(wǎng)等，它們相互之間不能互通，不能互通的主要原因是因為它們所傳送數(shù)據(jù)的基本單元（技術(shù)上稱之為“幀”）的格式不同。IP協(xié)議實際上是一套由軟件程序組成的協(xié)議軟件，它把各種不同“幀”統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成“IP數(shù)據(jù)報”格式，這種轉(zhuǎn)換是因特網(wǎng)的一個最重要的特點，使所有各種計算機都能在因特網(wǎng)上實現(xiàn)互通，即具有“開放性”的特點。

  IP協(xié)議用來在網(wǎng)絡(luò)間交換數(shù)據(jù)并且執(zhí)行一項重要的功能：路由選擇--選擇數(shù)據(jù)報從A主機到B主機將要經(jīng)過的路徑以及利用合適的路由器完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的跨越（hop）。

  那么，“數(shù)據(jù)報” 是什么？它又有什么特點呢？數(shù)據(jù)報也是分組交換的一種形式，就是把所傳送的數(shù)據(jù)分段打成 “包”，再傳送出去。但是，與傳統(tǒng)的“連接型”分組交換不同，它屬于“無連接型”，是把打成的每個“包”（分組）都作為一個“獨立的報文”傳送出去，所以叫做“數(shù)據(jù)報”。這樣，在開始通信之前就不需要先連接好一條電路，各個數(shù)據(jù)報不一定都通過同一條路徑傳輸，所以叫做“無連接型”。這一特點非常重要，它大大提高了網(wǎng)絡(luò)的堅固性和安全性。

  每個數(shù)據(jù)報都有報頭和報文這兩個部分，報頭中有目的地址等必要內(nèi)容，使每個數(shù)據(jù)報不經(jīng)過同樣的路徑都能準確地到達目的地。在目的地還需要重新組合還原成原來發(fā)送的數(shù)據(jù)，這就要IP具有分組打包和集合組裝的功能。

  在實際傳送過程中，數(shù)據(jù)報還要能根據(jù)所經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的分組大小來改變數(shù)據(jù)報的長度，IP數(shù)據(jù)報的最大長度可達65535個字節(jié)。

  IP協(xié)議中還有一個非常重要的內(nèi)容，那就是給因特網(wǎng)上的每臺計算機和其它設(shè)備都規(guī)定了一個地址，叫做“IP 地址”。由于有這種地址，才保證了用戶在連網(wǎng)的計算機上操作時，能夠高效而且方便地從千千萬萬臺計算機中選出自己所需的對象來。

  現(xiàn)在電信網(wǎng)正在與IP網(wǎng)走向融合，以IP為基礎(chǔ)的新技術(shù)是熱門的技術(shù)，如用IP網(wǎng)絡(luò)傳送話音的技術(shù)（即VoIP）就很熱門，其它如IP over ATM、IP over SDH、IP over WDM等等，都是IP技術(shù)的研究重點。

  IP分組格式的奧妙

  IPv4數(shù)據(jù)包的報頭包含如下內(nèi)容：版本、頭標長、服務(wù)類型、總長、標識、標志、片偏移、生存時間、協(xié)議、頭標校驗和、源IP地址、宿IP地址、選項。

  為便于按照相應(yīng)規(guī)定對報頭進行分析，首先路由器要確定報頭的格式，查看IP協(xié)議的“版本”（IPv4的“版本”是4）；次之，路由器必須知道報頭的長度和正確性，按照“頭標長”截獲報頭，用“頭校驗和”加以校驗。為避免數(shù)據(jù)包因?qū)藉e誤而在互聯(lián)網(wǎng)中無休止地流動、占用寶貴的網(wǎng)絡(luò)資源，有必要限制數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。路由器檢查“生存時間”，目的在于此。路由器還需要根據(jù)“宿IP地址”或“選項”中的源路徑查找路由轉(zhuǎn)發(fā)表，如果“宿IP地址”正好與自己吻合，需參考“源IP地址”和“協(xié)議”，決定該數(shù)據(jù)包是否有權(quán)限訪問路由器。如果有，就要根據(jù)“協(xié)議”在本地作進一步的高層處理，不過在此之前有必要根據(jù)“標識”、“標志”和“片偏移”來重組數(shù)據(jù)包?！皡f(xié)議”標明了數(shù)據(jù)區(qū)的協(xié)議類型，如89代表OSPF等，路由器根據(jù)“協(xié)議”規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)格式分析數(shù)據(jù)，從而可以進一步處理其中相應(yīng)的協(xié)議消息。

  如果“宿IP地址”尚未到達，須參考“源IP地址”和“協(xié)議”，決定該數(shù)據(jù)包是否被允許轉(zhuǎn)發(fā)，如果允許，路由器根據(jù)“宿IP地址”或“選項”中的源路徑、“服務(wù)類型”在路由轉(zhuǎn)發(fā)表中查找相應(yīng)的輸出端口，并把數(shù)據(jù)包交換到該輸出端口的某隊列中，解析下一跳IP地址對應(yīng)的物理地址（比如以太網(wǎng)的MAC地址），把數(shù)據(jù)包封裝在物理幀中傳輸。不過，如果一個物理幀裝不下完整的數(shù)據(jù)包，還須把數(shù)據(jù)包分片，在“標識”、“標志”和“片偏移”中加以指示?！胺?wù)類型”包含優(yōu)先級、時延、吞吐率和可靠性，目的是要映射到相應(yīng)的路由選擇、排隊優(yōu)先級、帶寬分配上。不過，映射不是強制性的，即使映射也并非所有的要求都能被滿足。在不久的將來，“服務(wù)類型”有可能被“區(qū)分服務(wù)”替代。

  上述任何一個環(huán)節(jié)沒通過，IP數(shù)據(jù)包就要被丟棄，與此同時，路由器可能產(chǎn)生ICMP數(shù)據(jù)包，報告相應(yīng)的差錯。

[1]  [2]