TCP/IP協議-分層
文章目錄
1.概念性術語
1.報文(message)
- 報文是網路中交換與傳輸的資料單元，也是網路傳輸的單元。報文包含了將要傳送的完整的資料資訊，其長短不需一致。報文在傳輸過程中會不斷地封裝成分組、包、幀來傳輸，封裝的方式就是新增一些控制資訊組成的首部，那些就是報文頭。
2.分組(packet)
- 分組是在網路中傳輸的二進位制格式的單元，為了提供通訊效能和可靠性，每個使用者傳送的資料會被分成多個更小的部分。在每個部分的前面加上一些必要的控制資訊組成的首部，有時也會加上尾部，就構成了一個分組。
3.資料包(data packet)
- 資料包是TCP/IP協議通訊傳輸中的資料單元，也稱為“包”。是指自包含的，帶有足夠定址資訊，可獨立地從源主機傳輸到目的主機，而不需要依賴早期的源主機和目的主機之間交換資訊以及傳輸網路的資料包。
4.資料報(datagram)
- 面向無連線的資料傳輸，其工作過程類似於報文交換。採用資料報方式傳輸時，被傳輸的分組稱為資料報。
5.幀(frame)
- 幀是資料鏈路層的傳輸單元。它將上層傳入的資料新增一個頭部和尾部，組成了幀。
應用層——訊息
傳輸層——資料段(segment)
網路層——分組、資料包（packet）
鏈路層——幀（frame）
物理層——P-PDU（bit）
2.TCP/IP的四層協議系統
1.應用層
- 負責處理特定的應用程式細節，常用的應用有：
Telnet ：遠端登入
FTP ：檔案傳輸協議
SMTP ：簡單郵件傳送協議
SNMP ：簡單網路管理協議
…
2.運輸層
- 主要為兩臺主機上的應用程式提供 ‘端’ 到’端’ 的通訊，在TCP/IP協議族中，有兩個互不相同的傳輸協議：
TCP（傳輸控制協議）
UDP（使用者資料報協議）
…
3.網路層
- 有時也稱作網際網路層，處理分組在網路中的活動，例如分組的選路。在TCP/IP協議族中，網路層協議包括：
IP協議（網際協議）
ICMP協議（Internet網際網路控制報文協議）
IGMP協議（Internet組管理協議）
…
詳情請參考 ICMP 和 IGMP的介紹
4.鏈路層
- 有時也稱作資料鏈路層或網路介面層，通常包括作業系統中的裝置驅動程式和計算機中對應的網路介面卡。它們一起處理與電纜（或其他任何傳輸媒介）的物理介面細節
TCP/IP協議族是一組不同的協議組合在一起構成的協議族。儘管通常稱該協議族為TCP/IP，但TCP和IP只是其中的兩種協議而已，該協議族的另一個名字是Internet協議族(Internet Protocol Suite)
3.網路層和運輸層之間的區別不那麼明顯。為什麼要把它們劃分成兩個不同的層次呢？
構造互連網最簡單的方法是把兩個或多個網路通過路由器進行連線。它是一種特殊的用於網路互連的硬體盒。路由器的好處是為不同型別的物理網路提供連線：乙太網、令牌環網、點對點的連結和FDDI（光纖分散式資料介面）等等。在很多TCP/IP文獻中都把曾經把網路層使用的路由器（Router）稱作閘道器（gateway）。在今天很多區域網採用都是路由來接入網路，因此通常指的閘道器就是路由器的IP，現在閘道器這個術語只用來表示應用層閘道器：一個連線兩種不同協議族的程序（例如，TCP/IP 和 IBM 的 SNA），它為某個特定的應用程式服務（常常是電子郵件或檔案傳輸）
閘道器(Gateway)又稱網間聯結器、協議轉換器。閘道器在網路層以上實現網路互連，是最複雜的網路互連裝置，僅用於兩個高層協議不同的網路互連。閘道器既可以用於廣域網互連，也可以用於區域網互連。 閘道器是一種充當轉換重任的計算機系統或裝置。使用在不同的通訊協議、資料格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統之間，閘道器是一個翻譯器。與網橋只是簡單地傳達資訊不同，閘道器對收到的資訊要重新打包，以適應目的系統的需求。同層 - - - 應用層。
例如：從一個房間走到另一個房間，必然要經過一扇門。同樣，從一個網路向另一個網路傳送資訊，也必須經過一道“關口”，這道關口就是閘道器。顧名思義，閘道器（Gateway）就是一個網路連線到另一個網路的“關口”。也就是網路關卡。
解析：兩個網路的互連網：一個乙太網和一個令牌環網，通過一個路由器互相連線。儘管這裡是兩臺主機通過路由器進行通訊，實際上乙太網中的任何主機都可以與令牌環網中的任何主機進行通訊。應用層和運輸層使用端到端（ End - to - end）協議。在圖中，只有端系統需要這兩層協議。但是，網路層提供的卻是逐跳（ Hop - by - hop）協議，兩個端系統和每個中間系統都要使用它。
在TCP/IP協議族中，網路層 IP提供的是一種不可靠的服務。也就是說，它只是儘可能快地把分組從源結點送到目的結點，但是並不提供任何可靠性保證。而另一方面， TCP在不可靠的IP層上提供了一個可靠的運輸層。為了提供這種可靠的服務， TCP採用了超時重傳、傳送和接收端到端的確認分組等機制。由此可見，運輸層和網路層分別負責不同的功能。
4.令牌環網的定義
令牌環網的媒體接入控制機制採用的是分散式控制模式的迴圈方法。在令牌環網中有一個令牌(Token)沿著環形匯流排在入網節點計算機間依次傳遞，令牌實際上是一個特殊格式的幀，本身並不包含資訊，僅控制通道的使用，確保在同一時刻只有一個節點能夠獨佔通道。當環上節點都空閒時，令牌繞環行進。節點計算機只有取得令牌後才能傳送資料幀，因此不會發生碰撞。由於令牌在網環上是按順序依次傳遞的，因此對所有入網計算機而言，訪問權是公平的。
令牌在工作中有“閒”和“忙”兩種狀態。“閒”表示令牌沒有被佔用，即網中沒有計算機在傳送資訊；“忙”表示令牌已被佔用，即網中有資訊正在傳送。希望傳送資料的計算機必須首先檢測到“閒”令牌，將它置為“忙”的狀態，然後在該令牌後面傳送資料。當所傳資料被目的節點計算機接收後，資料被從網中除去，令牌被重新置為“閒”。令牌環網的缺點是需要維護令牌，一旦失去令牌就無法工作，需要選擇專門的節點監視和管理令牌。
令牌環網的現狀
令牌環網是IBM公司於70年代發展的，現在這種網路比較少見。在老式的令牌環網中，資料傳輸速度為4Mbps或16Mbps，新型的快速令牌環網速度可達100Mbps。令牌環網的傳輸方法在物理上採用了星形拓撲結構，但邏輯上仍是環形拓撲結構。結點間採用多站訪問部件（Multistation Access Unit，MAU）連線在一起。MAU是一種專業化集線器，它是用來圍繞工作站計算機的環路進行傳輸。由於資料包看起來像在環中傳輸，所以在工作站和MAU中沒有終結器。
在這種網路中，有一種專門的幀稱為“令牌”，在環路上持續地傳輸來確定一個結點何時可以傳送包。令牌為24位長，有3個8位的域，分別是首定界符（Start delimiter，SD）、訪問控制（Access Control，AC）和終定界符（End Delimiter，ED）。首定界符是一種與眾不同的訊號模式，作為一種非資料訊號表現出來，用途是防止它被解釋成其它東西。這種獨特的8位組合只能被識別為幀首識別符號（SOF）。由於目前乙太網技術發展迅速，令牌網存在固有缺點，令牌在整個計算機區域網已不多見，原來提供令牌網裝置的廠商多數也退出了市場，所以在目前區域網市場中令牌網可以說是“昨日黃花”了。
5.網橋
連線網路的另一個途徑就是使用網橋
- 網橋將兩個相似的網路連線起來，並對網路資料的流通進行管理。它工作於資料鏈路層，不但能擴充套件網路的距離或範圍，而且可提高網路的效能、可靠性和安全性。網路1 和網路2 通過網橋連線後，網橋接收網路1 傳送的資料包，檢查資料包中的地址，如果地址屬於網路1 ，它就將其放棄，相反，如果是網路2 的地址，它就繼續傳送給網路2.這樣可利用網橋隔離資訊，將同一個網路號劃分成多個網段（屬於同一個網路號），隔離出安全網段，防止其他網段內的使用者非法訪問。由於網路的分段，各網段相對獨立（屬於同一個網路號），一個網段的故障不會影響到另一個網段的執行。
- 網橋可以是專門硬體裝置，也可以由計算機加裝的網橋軟體來實現，這時計算機上會安裝多個網路介面卡（網絡卡）。網橋的功能在延長網路跨度上類似於中繼器，然而它能提供智慧化連線服務，即根據幀的終點地址處於哪一網段來進行轉發和濾除。網橋對站點所處網段的瞭解是靠“自學習”實現的，有透明網橋、轉換網橋、封裝網橋、源路由選擇網橋。
- 當使用網橋連線兩段LAN 時，網橋對來自網段1 的MAC 幀，首先要檢查其終點地址。如果該幀是發往網段1 上某一站的，網橋則不將幀轉發到網段2 ，而將其濾除；如果該幀是發往網段2 上某一站的，網橋則將它轉發到網段2，這表明，如果LAN1和LAN2上各有一對使用者在本網段上同時進行通訊，顯然是可以實現的。 因為網橋起到了隔離作用。可以看出，網橋在一定條件下具有增加網路頻寬的作用。
- 網橋工作在資料鏈路層，將兩個LAN連起來，根據MAC地址來轉發幀，可以看作一個“低層的路由器”（路由器工作在網路層，根據IP地址進行轉發）。遠端網橋通過一個通常較慢的鏈路（如電話線）連線兩個遠端LAN，對本地網橋而言，效能比較重要，而對遠端網橋而言，在長距離上可正常執行是更重要的。
- 網橋是在鏈路層上對網路進行互連，而路由器則是在網路層上對網路進行互連。網橋使得多個區域網（ LAN）組合在一起，這樣對上層來說就好像是一個區域網。但是TCP/IP傾向於使用路由器而不是網橋來連線網路。
6.TCP/IP的分層
- TCP和UDP是兩種最為著名的運輸層協議，二者都使用 IP作為網路層協議。雖然TCP使用不可靠的IP服務，但它卻提供一種可靠的運輸層服務
- IP是網路層上的主要協議，TCP和UDP的每組資料都通過端系統和每個中間路由器中的IP層在網際網路中進行傳輸。在圖1 - 4中，我們給出了一個直接訪問IP的應用程式。這是很少見的，但也是可能的（一些較老的選路協議就是以這種方式來實現的。當然新的運輸層協議也有可能使用這種方式）。
- ICMP是IP協議的附屬協議。IP層用它來與其他主機或路由器交換錯誤報文和其他重要資訊。儘管ICMP主要被IP使用，但應用程式也有可能訪問它。
- IGMP是Internet組管理協議。它用來把一個UDP資料報多播到多個主機。
- ARP（地址解析協議）和RARP（逆地址解析協議）是某些網路介面（如乙太網和令牌環網）使用的特殊協議，用來轉換 IP層和網路介面層使用的地址。