TCP/IP协议(一)

风尘

文章目录

  1. 1. 分层
  2. 2. IP地址
  3. 3. 端口
  4. 4. 封装
  5. 5. 网络数据交换
    1. 5.1. 分组交换
    2. 5.2. 电路交换
  6. 6. ISP
  7. 7. 物理媒体
    1. 7.1. 双绞铜线
    2. 7.2. 同轴电缆
    3. 7.3. 光纤
    4. 7.4. 路地无线电信道
    5. 7.5. 卫星无线通道

[TOC]

分层

TCP/IP 分层TCP/IP 分层
  • 应用层 负责处理特定的应用程序细节。

  • 运输层 为两台主机提供端到端的通信。主要协议有TCPUDP。二者都使用IP作为网络层协议。

    • TCP,为两台主机提供高可靠性的数据通信。它的工作是将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,并确认收到的分组。

    • UDP,为应用层提供一种简单的服务,为数据报分组从一台主机发送到另一台主机,但不能保证数据报能够到达,因此它是不可靠的。

      数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元。

  • 网络层 处理分组在网络中的活动。主要协议有IPICMP以及IGMP

    • IP,网络层上主要协议,同时被TCPUDP使用。一般情况下直接访问IP的应用程序很少见,但也是有可能存在的。

    • ICMP,IP协议的附属协议,IP层用它与其他主机或路由器交换错误报文和其它重要信息。

    • IGMP,Internet组管理协议,用来把一个UDP数据报多播到多个主机。

      从表面上看,网络层和运输层之间的区别不那么明显。为什么要把它们划分成两个不同的层次呢?

      TCP/IP协议族中,网络层 IP提供的是一种不可靠的服务。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。TCP在不可靠的IP层,采用超时重传、发送/接收端到端的确认分组等机制,提供一种可靠的运输层。

  • 链路层 也叫做数据链路层或网络接口层,包括系统设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡,用于处理电缆(或其他传输媒介)的物理接口细节。主要协议有ARP(地址解析协议)RARP(逆地址解析协议),是某些网络接口使用的特殊协议,用来转换 I P层和网络接口层使用的地址。

IP地址

互联网上每个接口必须有一个唯一的IP地址,长度为32bit。总共分为五类:

IP地址分类IP地址分类

这些IP地址通常写成四个十进制的数,每个整数对应一个字节,叫做点分十进制法。可以通过第一个十进制整数的区间来区分地址种类。

种类 范围
A类 0.0.0.0 到 127.255.255.255
B类 128.0.0.0 到 191.255.255.255
C类 192.0.0.0 到 223.255.255.255
D类 224.0.0.0 到 239.255.255.255
E类 240.0.0.0 到 247.255.255.255

多接口主机具有多个 I P地址,其中每个接口都对应一个 I P地址。

端口

Unix系统将 1~1023 之间的端口号设置为保留端口,只有具有超级用户特权的进程才能使用。大多数TCP/IP实现临时端口分配为 1024~5000 之间的端口号,大于 5000 为其他服务器预留的。

服务器一般都通过知名端口号来识别,例如:FTP是21,SSH是22,Telnet是23等等。

大多数Unix系统文件ect/services中都包含了熟知的端口号。

封装

当应用程序用 TCP传送数据时,发送端将数据分段并送入协议栈中,然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息(有时还要增加尾部信息),由此形成的信息被称为分组,分组通过网络发送到目的端系统,再被装配成初始数据。

端系统通过通信链路分组交换机连接到一起,分组交换机从它 一条入通信链路接收到达的分组并从它一条出通信链路转发分组。

最常见的分组交换机就是路由器链路层交换机

数据封装数据封装

由于TCPUDPICMPIGMP都要向IP传送数据,因此IP必须在生成的IP首部中加入某种标识,以表明数据属于哪一层。因此,IP在首部存入一个长度为8bit的数值,叫作协议域。

1表示ICMP协议

2表示IGMP协议

6表示TCP协议

17表示UDP协议

同样的,应用程序都可以使用TCPUDP来传送数据,通过都用一个16bit的端口号来表示不同的应用程序,运输层协议在生成报文首部时将应用程序的的源端口和目标端口分别存入,作为应用程序标识符。

网络接口同样要发送和接收IPARPRARP数据,因此也必须在以太网的帧首部加入相应标识(也是16bit),以指明生成数据的网络层协议。

当主机收到一个以太网数据帧时,数据就开始由从协议栈中由底向上升,执行封装相反的操作,去掉各个协议的首部,并检查首部中的协议标识,以确定数据的上层协议,这个过程叫作分用

网络数据交换

分组交换

为了从源端系统向目标端系统发送报文,源将长报文划分为较小的数据块,称之为分组。通过通信链路和分组交换机进行传送。

  • 存储转发

    多数分组交换机在链路输入端使用存储转发传输机制,即在交换机在传输该分组的第一个比特之前,必须先接收到整个分组,否则就要先缓存该分组的比特,直到接收完该分组全部比特后,才能向链路输出该分组。

  • 排队

    每台分组交换机有多条链路与之相连,对于每条链路,该分组交换机具有一个输出队列,它用于存储路由器准备发往那条链路的分组。当分组需要传输到某条链路,此时该链路正忙于传输其他分组,该到达分组就会进入队列等待。因此会产生一定延时。

    网络延时除了排队延时外,还包括传输过程中的所消耗的时间。

  • 丢包

    输出队列的缓存空间大小有限,当一个到达的分组发现队列已满时,到达的分组或排除的分组将被丢弃,这种现象称为丢包

  • 吞吐量

    单位时间内处理网络请求的数量或速率。

电路交换

在端系统通信会话期间,预留了端系统沿路径通信所需要的资源(缓存、链路传输速率)。与不预留的分组交换相比,不需要排队等待。传统的电话网络就是电路交换的典型应用。

电路交换网络中的复用:

  • 频分复用(FDM)

    将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道),每个子信道传输一路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和,同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰,应在各子信道之间设立隔离带,保证了各路信号互不干扰。这样所有子信道传输的信号以并行的方式工作,每一路信号传输时可不考虑传输时延。

  • 时分复用(TDM)

    对一条链路,时间被划分为固定期间的帧,每个帧又被划为固定数量的时隙。当网络跨越一条链路创建一条链接时,网络在每个帧中为该链接指定一个时隙,单独为传输数据使用。

电路交换网络复用电路交换网络复用

分组交换与电路交换相比,分组交换端到端的时延是不可预测的,因此在实时服务方面有待商榷。但是它提供了比电路交换更好的带宽共享,比电路交换更简单、有效且经济。

ISP

端系统通过 因特网服务提供商(Internet Service Provider, ISP) 接入因特网,ISP包括本地电缆或电话公司住宅ISP、公司ISP、大学ISP、wifi接入的ISP、蜂窝数据ISP等。

每个ISP自身就是一个由多台分组交换机和多段通信链路组成的网络。因特网就是将端系统彼此互联,因此为端系统提供接入的ISP之间也也必须互联起来。

较低层的ISP通过国家、国际较高层ISP互联起来。较高层ISP是通过高速光纤链路互联的高速路由器组成。

每个ISP都是独立管理,通过IP协议,遵从相应的命名和地址规则。

物理媒体

一个比特从一个端系统开始传输,通过一系列路由器和链路,到达另一个端系统。这个比特当从源到目的地传输时,通过一系列“发射器—接收器”对,通过跨越一种物理媒体传播电磁波或光脉冲来发送该比特。

分类

  • 导引型媒体 电波沿着固体媒体前行。如:光缆、双绞铜线、同轴电缆
  • 非导引型媒体 电波在空气或外层空间传播。如:无线局域网、数字卫星频道。

双绞铜线

由两根绝缘的铜线组成,每根大约1mm粗,以规则螺旋状绞合起来以减少临近的双绞线的电气干扰。通常许多双绞线捆扎在一起形成一根电缆,并在这这些双绞线外面涂上防护层。它是最便宜且最常用的导引型传输媒体,一般用于电话网、局域网中。目前局域网中的双绞线数据速率从10Mbps10Gbps,所能达到的速率取决于线的粗细以及传输方和接收方的距离。

双绞线也常用于住宅网络接入,家庭的 DSL 调制解调器得到数字后,将其转换为高频音,以通过电话线传输给本地中心局。因此,家庭电话同时承载了数据和传统的电话信号,它们用不同的频率进行编码。

同轴电缆

与双绞线类似,同轴电缆由两个铜导体组成,但这两个铜导体是同心的而不是并行的。借助这种结构及特殊的绝缘体和保护层,同轴电缆能够到达较高的的数据传输速率。通常用于电视线路中。与电缆调制解调器(光猫)结合起来,形成电缆接入网能够达到数十Mbps的因特网速率。

光纤

一种细而柔软的、能够引导光脉冲的媒体。每个脉冲表示一个比特,一根光纤能够支持高达,数十甚至数百Gbps的速率。它们不受电磁干扰,100km的光缆信号衰减极低,并且很难窃听。这些特性使光纤成为跨海链路等长途导引型媒体。

路地无线电信道

无线电信道中承载电磁频谱中的信号,它不需要物理线路,并具有穿透墙壁、提供与移动用户长距离承载信号的能力。

分类

  • 一类运行在12米的很短距离。
  • 第二类运行在局域,通常在十到几百米。
  • 第三类运行在广域,跨越数万米。

卫星无线通道

一颗通信卫星连接地球上的两个或多个微波发射器/接收器,它们被称为地面站。该卫星在一个频段上接收传输,使用一个转发器再生信号,并在另一个频率上发射信号。

分类

  • 同步卫星 永久停留在地球上方的相同点,从地面站到卫星再回到地面站的巨大距离的信号传播,延时仅为280ms,传输速率确能达到数百Mbps。常用于无法使用DSL或电缆因特网接入的区域。
  • 近地轨道卫星 放置的非常靠近地球,并且不是永久停留在地球上面的一个点的卫星。它们围绕地球旋转,彼此之间可进行通信。