TCP/IP协议——TCP/IP协议栈及框架

TCP/IP协议同ISO/OSI模型一样，也可以安排成栈形式。但这个栈不同于ISO/OSI版本，比ISO/OSI栈少，所以又称之为短栈。另外，需要知道的是：TCP/IP协议栈只是许多支持ISO/OSI分层模型协议栈的一种，是一个具体的协议栈。

对于TCP/IP协议栈划分为几层更合适，多年来专家们一直未达成共识，大部分对TCP/IP协议栈的描述都假定它占据了协议结构的4到5个功能层。下面我们对这两种主流的分层方法分别进行描述。

1  基于4层的TCP/IP协议栈基本描述

基于4层的TCP/IP协议栈最具说服力的是：这一观点是由TCP/IP原始标准的创立者——美国国防部提出的，它与ISO/OSI参考模型的对应关系如下图：

图1  TCP/IP协议栈层次结构与ISO/OSI参考模型的对应关系

如图1所示，TCP/IP协议栈从低层开始，依次为网络存取层、网络互连层、传输层和应用层，具体描述如下：

1.1  网络存取层（Network Access Layer）

网络存取层（又称网络层），位于TCP/IP协议栈的最低层,该层中的协议提供了数据传送的方法，使得系统可以通过连接的网络将数据传送到其它设备，并定义了如何利用网络来传送IP数据报。它基本上包括了ISO/OSI模型中的数据链路层和物理层的所有功能。TCP/IP网络存取层定义了网络传送IP数据报的方式（即流与分组），使得系统能够把数据传送给与网络直接相连的设备。

网络存取层的协议与较高层协议不一样，它必须知道物理网络的各种细节，以便准确地格式化传输的数据，使其遵守网络规定。因此，网络存取层的协议种类繁多，每一个协议都对应一种物理网络标准。这些协议常常由设备驱动程序和相关的程序结合而成，其内含的API除将IP数据封装成能在网络中传送的单元——帧外，还能将IP地址转换成为网络使用的物理地址。典型的协议实例有RFC 826（地址转换协议 ARP）、RFC 894（以太网上IP数据报传输标准）等。

1.2  网络互连层 （Internet Layer）

网络互连层（又称网际层）位于网络存取层之上，由互连网协议（IP）、互连网控制报文协议（ICMP）和互连网组管理协议（IGMP）等协议组成。IP是TCP/IP的核心，也是网络互连层中最重要的协议，它提供基本的分组传送服务，是构建TCP/IP网络的基础。因为，无论是IP上层还是IP下层的协议，也不管数据是输入还是输出，目的地在何方，它们都使用IP来传递数据。概括起来，IP主要完成以下任务：

• 定义数据报，数据报是Internet中传输的基本单元。
• 定义Internet地址系统。
• 把数据报分解或重组成易于在网络中传输的结构。
• 在网络存取层和传输层之间传递数据。
• 给远端主机的数据报指定路由。
• 完成数据报的拥挤控制和信息控制。

IP是一个“无连接协议”，它在传输数据之前不交换控制信息来建立端到端的连接，而且还要依靠其它层的协议提供错误检测和错误恢复。但这并不能说明IP协议是不可信赖的，事实上，它可以正确的将数据传送到已连接的网络，只是它并不能检验数据是否被正确地接收。

1.3  传输层（ Transport Layer）

传输层也称主机到主机的传输层，位于TCP/IP栈的第3层，它为应用层提供可靠的或不可靠的端到端服务。TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是传输层中两个最重要的协议。它们都为应用层和网络互连层传送数据，二者的区别在于：TCP是一种可靠的、面向连接的、字节流协议，它利用端到端错误检测与纠正功能提供可靠的数据传输服务，因为它能验证数据在网络上是否以合适的序列正确地传输；而UDP是一个不可靠的无连接数据报协议，就像IP一样，它能为应用程序提供低开销的无连接数据报传输服务。

总之，TCP的优势在于可靠，但开销大；而UDP比较适合于传输的数据量少及使用“查询——响应”方式的应用程序的服务。

1.4  应用层（Application Layer）

应用层位于TCP/IP协议栈的顶层，它为用户提供各种网络服务，如文件传输、远程登录、电子邮件等。同时，应用层包含与具体应用程序相关的所有细节。

对于网络软件工程师而言，你在应用层的工作是将信息传到协议栈的下一合适层。协议栈的每一层要完成各自的功能。也就是说，TCP/IP协议将共同工作，完成地址转换、寻址和数据传输工作。为了和协议栈上的协议通信，必须知道有哪些协议可用，并知道它们在协议栈中的位置和功能。正常情况下应用程序将和传输协议的某一个协议（TCP或UDP）进行通信，或不使用传输层服务，直接与网络互连层的IP打交道（如外部网关协议 EGP）。

2  基于5层的TCP/IP协议栈基本描述

相对于ISO/OSI模型，基于5层的TCP/IP协议比基于4层的TCP/IP协议更容易理解，具体的分层方案如下图2：

图2   TCP/IP协议栈层次结构与ISO/OSI参考模型的对应关系

比较图2和图1可以看出，从顶层向下三层（应用层、传输层和网络互连层）对于基于5层的TCP/IP和基于4层的TCP/IP其功能都是一样的，这里不在赘述。除此之外，基于5层的TCP/IP在低层比基于4层的TCP/IP分层更详细，即用物理层和链路层两层来表示上面讲到的网络存取层。

2.1  物理层

TCP/IP协议栈的物理层与ISO/OSI模型的物理层相同——它包括携带网络数据的传输媒体介质，这种介质通常是双绞线、同轴电缆或标准串口线等，网络设计人员必须知道网络介质的传输特性。

2.2  链路层

链路层包括一个硬件接口和两个协议模块：地址解析协议（ARP）和反向地址解析协议（RARP）。链路层处理物理层和网络互连层的数据交换，并向网络互连层隐藏物理层的执行细节。当链路层完成其工作时，网络互连层的协议不关心网络是使用以太网技术还是令牌环技术，网络互连层只是简单地将数据传给链路层，然后由链路层处理所有进一步的数据传输。

综上所述，不论采用哪种分层方式，其核心和功能是一样的，特别是在应用层。应用层的初级网络用户对分层几乎不感兴趣，但要进行网络编程的人必须清楚这一点：当用户启动了某个应用层服务之后，该应用要首先建立一个到某特定机器的连接，随后告诉目的机器本次连接的操作意图，并控制整个操作过程。在源计算机系统中，应用层将要发送的信息交给服务层的TCP（或UDP），TCP通过增加TCP协议所规定的报头来确保信息正确地传输到目的地。然后，TCP把包括目的地址在内的报头和用户数据交给网络互连层的IP，IP负责为信息选择路由。由于 TCP和IP处理与网络有关的细节，所以应用层协议可以将一个网络连接看成一个简单的字节流，而不必描述与通信有关的任何细节。

对网络通信软件设计者而言，一个网络连接可由两对元素完全刻画：源主机的IP地址和应用程序端口号；目的主机的IP地址和应用程序端口号。为了保证使用TCP/IP 协议的网络中两台主机的正常连接，应禁止使用相同的IP地址和端口号，特别是IP地址。