TCP/IP协议简要分析

【摘要】 人们在日常生活交流中要按一定的规则进行交流，同样在Internet互联网上计算机进行相互通信时，也必须要按一定的事先约定好的规则进行，因此：TCP/IP协议是针对Internet互联网上不同计算机之间通信的协议标准，也是互联网络数据传输中不可或缺的一部分。本文着重介绍网络通信TCP/IP协议的定义和组成，详细阐述了TCP/IP协议工作原理和工作方式，从而对于互联网络不同通信层的数据通信协议进行探讨和分析。

【关键词】 TCP/IP协议 Internet 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络

TCP/IP协议是Internet各种协议中最基本的协议，也是最重要和最著名的两个协议，即传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）和网际协议IP（InternetProtocol），简单的说，就是主要由底层的lP协议和TCP协议组成。因此，我们经常提到的TCP/IP并不一定是指TCP和lP这两个协议，而往往是指Internet所使用的体系结构或是指整个的TCP/IP协议族。

一、TCP/IP参考模型

TCP/IP协议将Internet分为五个层次，也称为互联分层网模型或互联网分层参考模型。这五个层次分别是应用层（第五层）、传输层（第四层）、网络层（第三层）、数据链路层（第二层）、物理层（第一层）。模型如下图所示：

由于TCP/IP协议在设计时考虑到要与具体的物理传输媒体无关，因此在TCP/IP的标准中并没有对数据链路层和物理层做出规定，而只是将最低的一层取名为网络接口层。这样，如果不考虑没有多少内容的网络接口层，那么TCP/IP体系实际上就只有三个层次：应用层、传输层和网络层。

1、物理层：对应于网络的基本硬件，是Internet的物理构成，例如，PC机、互联网服务器、网络设备等。物理层的任务就是透明的传送比特流。在物理层上所传送数据的单位是比特。传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，并不在物理层之内而在物理层的下面。

2、数据链路层：定义了将数据组成正确的帧的规范和在网络中传输帧的规范。帧：是指一串数据，是数据在网络中传输的基本单位。数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。在传送数据时，若接收结点检测到所收到的数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧直到这一帧准确无误的到达接收结点为止。在每一帧所包含的控制信息中，由同步信息、地址信息、差错控制、以及流量控制信息等。

3、网络层：定义了在Internet中传输的“信息包”的格式，以及从一个源，通过一个或多个路由器到达最终目标的“信息包”转发机制。这里要强调指出，网络层中“网络”二字，已不是我们通常谈到的网络的概念，而是在计算机网络体系结构中的专用名词。

4、传输层：为两个用户进程之间、管理和拆除可靠而又有效的端到端的链接。这一层曾有几个译名，如传送层、传输层或转送层。现在比较一致的意见是译为运输层。在运输层，信息的传送单位是报文。当报文较长时，先要把它分割成若干个分组，然后再交给下一层（网络层）进行传输。

传输层的任务是根据下面的通信子网的特性最佳的利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为两端主机（也就是源站和目的站）的进程之间，建立一条运输连接，以透明地传送报文。或者说，运输层向上一层进行的通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端的服务，使它们看不见运输层以下的数据通信的细节。在通信子网内的各个交换结点以及连接各通信子网的路由器，都没有运输层。运输层只能存在于通信子网外面的主机之中。运输层以上的各层就不再关心信息传输的问题了。正因为如此，运输层就成为计算机网络体系结构中非常重要的一层。

5、应用层：定义了应用程序使用Internet的规范。应用层是原理体系结构中的最高层，应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要（这反应在用户所产生的服务请求）。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远地操作，而且还要作为互相作用的应用进程的用户（useragent），来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能。应用层直接为用户的应用提供服务。需要注意的是，应用层协议不是解决用户各种具体应用的协议。

二、TCP/IP主要协议

TCP/IP是一组通信协议的带名词，是由一系列协议组成的协议簇。它本身至两个协议集：TCP-传输控制协议，IP――互联网协议。网络层、传输层、应用层中使用的TCP、lP主要协议有：

2.1、网络层

TCP/IP网络层包括以下协议：

IP（网间协议）――定义一套在网络中通讯的规则。IP包括地址信息和一些控制信息。IP有两个主要任务：在网络中提供无连接的、尽力而为的数据报传送，以及提供数据报分片和重组以支持具有不同最大传输单元（MTU）的数据连路。IPv4是当前网络中使用的版本；IPv6是新的协议版本。

ARP（地址解析协议）――允许主机动态的发现对应于特定IP网络层地址的MAC（传输媒体访问控制）地址。给定网络中的两个设备，若要通信，它们必须要知道对方设备的物理地址。

RARP（逆地址解析协议）――用于将MAC地址以射到lP地址。未知其IP地址的无盘工作站在启动时可使用RARP，它在逻辑上是ARP的逆过程。RARP依赖于具有MAC地址到lP地址映射表项的RARP服务器。

ICMP（网际控制报文协议）――用以将错误以及其他有关lP分组处理的信息报告给源站。

2.2 传输层

TCP/IP传输层中定义了一下两个传输层协议：

TCP（传输控制协议）――提供IP网络中面向链接的、端到端的可靠数据传输。

TCP使用三次握手机制建立连接。三次握手通过允许各方对初始序列号达成一致来使得连接两端同步。此机制也保证了各方已准备好数据发送/接收，并且知道对方也已准备好。使用此机制保证会话建立期间和会话终止后不会传输或重传分组。

UDP（数据报协议）――作为IP和上层进程接口的无连接协议。与TCP不同，UDP并未给IP加入可靠性、流量控制或差错恢复等功能。由于UDP的简单性，UDP头比TCP包含更少的字节，同时消耗更少的网络开销。

TCP和UDP使用协议端口号来相互区分运行在同一设备上的多个应用。端口号是TCP和UDP段的一部分，用来识别数据段属于哪个应用。众所周知的或标准的端口号被分配给各种应用，以使得TCP/JP协议的不同实现可以互操作。这些众所周知的端口号的例子包括一下几种：

①FTP（传输协议）TCP端口20（数据）和端口21（控制）。②Telnet TCP端口23。③TFTP（普通文件传输协议）UDP端口69。

2.3 应用层

在TCP/IP协议中，对应OSI模型的上面三层并成一层，称为应用层。这里由许多应用层协议，它们代表多种应用，主要包括一下几种：①FTP（文件传输协议）和TFTP（普通文件传输协议）用于传输大量数据。②SNMP（简单网络管理协议）用于网络管理，报告网络异常，并设置网络阈值。③SMTP（简单邮件传输协议）提供电子邮件服务。④DNS（域名系统）讲网络节点名转换成网络地址。

三、lP协议和TCP协议所提供的服务分析

3.1 lP协议服务分析

3.1.1 不可靠的投递服务

lP协议提供不可靠的、尽力的、无连接的数据投递服务，它无法保证数据报投递的结果。在传输的过程中，数据报可能会丢失、重发、延迟和乱序等，但是IP服务的本身却不关心这些结果，也不讲这些结果通知收发双方。

3.1.2 无连接的投递服务

每个数据报独立处理和传输，因此，由一台主机发出的数据报序列。可能取不同的路径，甚至其中的一部分数据报会在传输过程中丢失。

3.1.3 尽力的投递服务

lP协议软件决不简单的丢弃数据报，只要有一线希望，就向前投递；尽力投递的另一种体现方法是lP协议软件执行数据报的分段，以适应具体的传输网络，数据报的合段则由最终节点的lP模块来完成。

3.2 TCP协议服务分析

3.2.1 面向流的投递服务

TCP协议在IP协议软件提供的服务基础啊上，支持面向链接的、可靠的、面向流的投递服务。应用程序之间传输的数据可被视为无结构的字节流（或位留），流投递服务保证收发的字节顺序完全一致。

3.2.2 面向链接的投递服务

流传输之前，TCP收发模块之间需建立链接（类似虚电路），其后的TCP报文在此连接基础上传输。TCP连接报文通过lP数据报进行传输，由于IP数据报的传输导致ARP地址映射表产生，从而保证了后继的TCP报文可以具有相同的路径。

3.2.3 可靠地投递服务

发送方TCP模块在形成TCP报文的同时，形成一个所谓的“累计核对”。“累计核对”类似校验和，并随同TCP报文一起传输。接收方TCP模块根据该校验和判断传输的正确性。如果传输不正确，接收方简单的丢弃该TCP报文，否则进行应答。发送方如果在规定的时间内未能获得应答报文，讲自动进行重传操作。

四、结束语

本文从TCP/IP协议的模型、主要协议和所提供的服务几个方面深入的分析了它在计算机网络、数据交换、信息传递中所起的重要作用，使我们对TCP/IP协议有了更深的认识和理解，并且熟悉它在网络中的应用，能够帮助我们更好的处理解决一些网络问题。