TCP/IP概述（网络互联与TCP/IP）

Posted 2021-10-29 纸箱丶战机

TCP/IP概述（网络互联与TCP/IP）

用IP实现异构网络互联

从用户角度如何实现异构网络互联：

      从用户角度看，实现异构网络互联的关键点就是使各种网络类型之间的差异对自己透明。在TCP/IP协议中，能够屏蔽底层物理网络的差异，向上提供一致性的协议就是IP——互联网协议

IP如何解决异构网络互联问题：

       IP位于底层物理网络和高层应用之间，它定义了标准的IP数据格式以标准的IP地址格式。对于应用而言，它直接看到的是统一的数据形式和地址格式，而不是各不相同的底层物理网络。

各类应用

IP

以太网 令牌环网 无线网 帧中继

 

技术层面的问题和解决方法：

       虽然上层应用看到的都是IP数据报，但是数据必须要通过底层物理网络才能发送出去。

路由器如何解决技术问题：

       IP数据报  ---> 某种帧  ---> 路由器  ---> 另一种帧  ---> IP数据报

       综上，从协议层次看IP解决了网络互联问题；从实现层面看，路由器是实现网络互联的核心设备，这个Internet就是由无数个路由器互联起来的物理网络构成的。从IP的角度看，Internet中的每个网络无论规模大小，作用如何，其地位都是同等             的，类似以太网的局域网、用作主干网的广域网或者两台计算机直接的点到点链路，都可以视为一个网络。

       除实现异构网络互联外，路由器的另一个重要功能就是在其所连接的多个网络之间转发IP数据报。每当收到一个目的地址不是自己的数据报时，路由器必须选择一条合适的路径将其转发出去，以便其能够到达目的端。

       从用户的角度看，Internet是一个单独的虚拟网络，它就是“Network of Networks”中的“Network”，因为用户能够与任意一台连接在Internet上的主机通信，而不管中间间隔了多少路由器和多少个物理网络。

TCP/IP协议族的引入

为什么要引入TCP/IP协议族：

IP的引入解决了异构网络互联问题，但确保一个庞大的、由异构网络组成的系统正确高效地运转却并不是一件容易的事，要考虑诸多问题.

首先，当通信端主机和目的主机跨越多个物理网络时，必须寻找一条能够将数据报由源端投递到母的端的路径。路由器是IP数据报转发的核心设备，想要实现数据报的正确转发，它必须对整个系统有准确的认识。而所有路由器对这个复杂系统的认识必须是一致的。

其次，网络通信存在不可靠性。物理线路信号可能出现噪声，而且路由设备处理能力有限。当一个路由器的处理能力到达极限时，经过其转发的数据报会被丢弃。此外，整个系统是一个分组交换系统，而且是一个图形结构，两个通信端点之间的IP数据报可能会经过不同的路径投递并出现乱序现象。

再次，面对这个复杂的系统，必须有适当的控制机制。

上述问题如果都用IP这一个协议来解决，会使IP过于庞大。事实上，面对这样一个复杂的系统，TCP/IP协议族的设计者采用了一种“简化问题，分而治之”的策略。对于每个问题，都引入专门的协议来解决。这些协议与IP一起构成了TCP/IP协议族。

TCP/IP是一个被广泛采用的网际互联协议标准，它是一个协议族或协议套件，TCP和IP是其中两个最重要且必不可少的协议，故用它们作为代表名。

TCP/IP --概述

分层

网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别
负责不同的通信功能。一个协议族，比如T C P / I P，是
一组不同层次上的多个协议的组合。T C P / I P通常被认
为是一个四层协议系统。，如图1 - 1所示。

每一层负责不同的功能：

1) 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，
通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机
中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。

2) 网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在
T C P / I P协议族中，网络层协议包括I P协议（网际协议），I C M P协议（I n t e r n e t互联网控
制报文协议），以及I G M P协议（I n t e r n e t组管理协议）。

3 ) 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在T C P / I P协议族中，有两个
互不相同的传输协议： T C P（传输控制协议）和U D P（用户数据报协议）。
T C P为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分
成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟
等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。
而另一方面， U D P则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组
从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠
性必须由应用层来提供。
这两种运输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途，这一点将在后面看到。

4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的T C P / I P实现都会提供下面这些
通用的应用程序：

• Telnet 远程登录。
• FTP 文件传输协议。
• SMTP 简单邮件传送协议。
• SNMP 简单网络管理协议。
另外还有许多其他应用，在后面章节中将介绍其中的一部分。

假设在一个局域网（ L A N）如以太网中有两台主机，二者都运行F T P协议，图1 - 2列出了
该过程所涉及到的所有协议。

在图1 - 2的右边，我们注意到应用程序通常是一个用户进程，而下三层则一般在（操作系
统）内核中执行。尽管这不是必需的，但通常都是这样处理的，例如U N I X操作系统。

在图1 - 2中，顶层与下三层之间还有另一个关键的不同之处。应用层关心的是应用程序的
细节，而不是数据在网络中的传输活动。下三层对应用程序一无所知，但它们要处理所有的
通信细节。

在图1 - 2中列举了四种不同层次上的协议。F T P是一种应用层协议， T C P是一种运输层协
议，I P是一种网络层协议，而以太网协议则应用于链路层上。T C P / I P协议族是一组不同的协
议组合在一起构成的协议族。尽管通常称该协议族为T C P / I P，但T C P和I P只是其中的两种协
议而已（该协议族的另一个名字是I n t e r n e t协议族(Internet Protocol Suite)）。

网络接口层和应用层的目的是很显然的—前者处理有关通信媒介的细节（以太网、令牌
环网等），而后者处理某个特定的用户应用程序（ F T P、Te l n e t等）

 

图1 - 3是一个包含两个网络的互连网：一个以太网和一个令牌环网，通过一个路由器互相
连接。尽管这里是两台主机通过路由器进行通信，实际上以太网中的任何主机都可以与令牌
环网中的任何主机进行通信。
在图1 - 3中，我们可以划分出端系统（ End system ）（两边的两台主机）和中间系统
（Intermediate system）（中间的路由器）。应用层和运输层使用端到端（ En d - t o - e n d）协议。在
图中，只有端系统需要这两层协议。但是，网络层提供的却是逐跳（ Ho p - b y - h o p）协议，两
个端系统和每个中间系统都要使用它。

在T C P / I P协议族中，网络层I P提供的是一种不可靠的服务。也就是说，它只是尽可能快
地把分组从源结点送到目的结点，但是并不提供任何可靠性保证。而另一方面， T C P在不可
靠的I P层上提供了一个可靠的运输层。为了提供这种可靠的服务， T C P采用了超时重传、发
送和接收端到端的确认分组等机制。由此可见，运输层和网络层分别负责不同的功能。

从定义上看，一个路由器具有两个或多个网络接口层（因为它连接了两个或多个网络）。
任何具有多个接口的系统，英文都称作是多接口的( m u l t i h o m e d )。一个主机也可以有多个接口，
但一般不称作路由器, 除非它的功能只是单纯地把分组从一个接口传送到另一个接口。同样，
路由器并不一定指那种在互联网中用来转发分组的特殊硬件盒。大多数的T C P / I P实现也允许
一个多接口主机来担当路由器的功能，但是主机为此必须进行特殊的配置。在这种情况下，
我们既可以称该系统为主机（当它运行某一应用程序时，如F T P或Te l n e t），也可以称之为路
由器（当它把分组从一个网络转发到另一个网络时）。在不同的场合下使用不同的术语。

互联网的目的之一是在应用程序中隐藏所有的物理细节。随着增加不同类型的物理网络，可

能会有2 0个路由器，但应用层仍然是一样的。物理细节的隐藏使得互联网功能非常强大，也
非常有用。

连接网络的另一个途径是使用网桥。网桥是在链路层上对网络进行互连，而路由器则是
在网络层上对网络进行互连。网桥使得多个局域网（ L A N）组合在一起，这样对上层来说就
好像是一个局域网。
TCP /IP倾向于使用路由器而不是网桥来连接网络，因此我们将着重介绍路由器。文献
[Perlman 1992]的第1 2章对路由器和网桥进行了比较。