第二章TCP/IP协议
2.1TCP/IP协议的功能及其内部关系
2.1.1TCP/IP协议的功能
TCP/IP协议是Internet的基础，在第一章中我们已对其标准及标准的形成方式、管理机构作了介绍，但由于TCP/IP协议已成为事实上的国际标准，几乎每一个从事网络及通信方面工作的专业人员，都必须掌握TCP/IP协议的体系结构和一些基本、常用的协议。并且掌握TCP/IP
协议的应用接口、调用工具和测试软件，才能从事网络构建、测试、故障排除、网络管理等工作。
可以说，没有TCP/IP协议的开放性、没有IP层的协议，也就没有Internet今日的辉煌，更没有IP网络的未来。因此我们首先要认识网间网的实质：要解决异种网的通信问题。隐藏网络细节，向用户提供一致的通信服务，最终实现网络的互联。实现互联的方法有两种：利用应用程序或利用操作系统。要达到此目的，就需要在低层网络技术与高层应用程序之间增加一个中间层软件，以便抽象和屏蔽硬件细节，向用户提供通用网络服务。如此互联的一个一致性的大网，即网间网。
正是有了这样一个人为的网间网层
．．．．．．．，我们才能在此基础上去构建不同网络的互通及融合，
以形成IP的网络。而构筑此网间网层的实现方式就是数据的封装和拆
．．．．．．．．．．
．．．．．．．封（即数据的打包和拆
包）
．．。通过打包构成共同认知的数据来构成互通；通过拆包变成上层认知的数据格式交给不同的业务或服务处理。
TCP/IP协议的主要功能简单归纳如下：
▲应用层：向用户提供一组常用的应用程序，如文件传输、等。
▲传输层：提供应用程序间（即端到端）的通信。格式化信息流；提供可靠传输（TCP）。
▲网间网层（IP层）：
1、处理来自传输层的分组发送请求：收到请求后，将分组装入IP数据报，
填充报头，选择到信宿的路径，将数据报发往适当的网络端口；
2、处理输入数据报：首先检查其合法性，然后寻径若已到达信宿，则去掉
报头，将剩下部分交给适当的传输协议；若该数据报尚未到达信宿，则
转发该数据报；
3、处理ICMP报文，处理路径、流控、拥塞等问题。
▲网络接口层：负责接收IP数据报并通过网络发送之，或从网络上接收物理帧，抽出IP 数据报，交给IP层。接口类型：设备驱动程序（如局域网的网络接口）
含自身数据链路协议的复杂子系统（如X.25中的网络接口）我们常常遇到学员问起路由器的工作原理，其实从TCP/IP的功能我们就可以得知：在路由器中，如数据通信的原理一样，发端有数据buffer和发送buffer，收端有数据接收buffer和数据buffer，从网络物理通道上接收到数据逐层拆包，还原成IP的数据报后，路由器首先要判数据报的合法性，不合法的报就丢弃；合法的报再判目的IP地址，若目的IP地址为本子网，即为落地报，则再拆包，去除IP报头，交传输层处理；若非落地报，则查路由表，寻下一跳的端口和IP 地址，再逐层打包，交给物理层发送。
路由器的工作机制简单描述如上，实际上在TCP/IP协议中也有类似通信网的信令机制，ICMP协议起的作用与信令就很相似，但它没有通信系统的信令完善和复杂。在上述的描述中，对于合法的IP包，还要
区分其是ICMP的报文、网管的报文或是普通的IP数据报文，对于ICMP 的报文路由器要处理；对于网管的报文则拆包交UDP的161、162端口，由网管协议（SNMP）处理；而普通的IP数据报则判其目的IP地址。
2.1.2TCP/IP协议簇及内部依赖关系
TCP/IP协议的四层结构及两大边界在1.3.1.2中已给出，在此不再叙述，TCP/IP协议簇及其内部依赖关系如图2.1所示。
2.1.3TCP/IP协议的层间操作实例
TCP/IP协议的层间操作实例见图2.2
2.2 网络接口层的相关协议 2.2.1 网络接口层的功能
2.2.1.1 网络接口层的结构和功能
通过OSI 的七层与TCP/IP 的四层的比较，我们可以知道其网络接口层对应于OSI 的物理层和数据链路层。物理层主要是不同的传输媒体和传输方式，主要提供的是数据传输的物理通道。而数据链路传输层则提供数据传输的通信方式、通信控制等功能。
在通信网中，由于ITU-T 采用的是OSI 的七层体系结构，绝大多数的通信标准将物理层和链路层分开，特别是通信网中的链路层较复杂，建立链路、保持链路、拆除链路等工作及各种各样的意外情况的处理均由链路层处理，其优势在于逻辑严谨，可靠性好，但这些是以牺牲网络的高效性为代价的。
在计算机网络中，由于其网络接口层已包含了物理层和数据链路层，且数据链路层与物理层是不严格区分的，所以在计算机网络中，其网络接口层的标准（IEEE802委员会定义的802规范）中，均包括不同物理媒介下的数据链路标准，且将数据链路层分成了逻辑链路控制层（LLC ）和媒质接入控制层（MAC ）两个子层。在媒质接入控制(MAC)层中对不同媒质下的物理要求进行了定义。关于802的标准具体见第三章内容。
网络接口层的功能在计算机网络和通信网中略有不同，但都具有形成帧和拆除帧，与不同物理媒介接口的功能。只是不同的标准下，其帧的结构、物理媒介的标准、控制数据转发的方式是不同的。
2.2.1.2 物理层的基本概念、传输媒体、传输方式、物理层标准
在计算机网络中，其物理的设备和传输的媒体的种类繁多，通信方式也是各种各样的，而物理层的重要作用即是尽可能的屏蔽掉这些差异，为不同的数据链路提供比特流的传输。物理层的协议我们也常称为物理层规程。
物理层的主要任务是描述和确定与传输媒体的接口的一些特性。比如：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。
数据的传输方式，按照通信双方的信息交互方式上分，有单工通信、半双工通信和全双工通信三种；按照通信信号的形式上分，有模拟通信和数字通信两种，但模拟的信号和数字的信号可以通过调制和解调来互相转换，信号又可分成基带信号和宽带信号；从通信的用户节点方式上看，又可分成点到点通信、点到多点通信和多点到多点通信三种；从通信传播的方式上看，又有单播、组播和广播三种。这些概念在今后的课程中频繁的用到，必须理解清楚。
在远距离通信中，常用的传输方式是串行传输，特别是异步的串行传输。  传输媒体即传输介质，在通信系统的传输中分有线传输和无线传输。有线传输的传输媒
体主要有三种，它们分别是：双绞线、同轴电缆、光纤。但近二年，磁介质作为传输媒体的应用也越来越广泛，特别是欧洲的德国和瑞典用电力线来进行宽带传输的应用。 双绞线（见图2.3）又分成屏蔽双绞线（STP ）和无屏蔽双绞线(UTP)两种。分别见图2.4和图2.5。通
信设备中，用户线（从用户到交换机）基本上用的都是双绞线。绞合的结构可减少对相邻导线的电磁
干扰。1991年美国电子工业协会EIA 和电信工业协
图2.3 双绞线示意图          会TIA 联合发布了一个标准EIA/TIA-568（即“商
内导体芯线
绝缘
箔屏蔽
铜屏蔽
外套
屏蔽双绞线（STP ）以
铝箔屏蔽以减少干扰
和串音。
非屏蔽双绞线（UTP ）
3类(16M)、5类
(155M)、6类(1200M)
双绞线外没有任何附
加屏蔽
图  2.4 屏蔽双绞线
图2.5 非屏蔽双绞线
用建筑物电信布线标准”），规定了室内传输数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A ，该标准规定了5类UTP 标准，现在最常用的是5类线。在1998年4月已有6类线的草案问世，现已有6类线的使用。不同类型的双绞线只是线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度的不同，衡量双绞线的主要指标是其衰减特性和近端串
扰，而其传输的最高速率则与数字信号的编
码方法有关。
同轴电缆（见图2.6）由内导体铜质芯
线（单股或多股绞合实芯线）、绝缘层、网
状编织的外导体屏蔽层及保护塑料外层组
成，它有很好的抗干扰特性，广泛用于较高
速的数据传输。它与计算机的连接方式有T
型分接头和插入式分接头两种。按特性阻抗
值的不同，同轴电缆分为两类：基带同轴电
缆（50Ω、以10Mb/s 速率、可将基带数字
信号传送1Km ）和宽带同轴电缆（75Ω、用于模拟传输，是有线电视系统CA TV 的
图2.6 同轴电缆示意图                  标准传输电缆。传输模拟信号时，频率可达300～450MHz，传输距离可达100Km，现在最高已可达750MHz 。通常一条带宽为300MHz 的电缆可以支持150Mb/s 的数据率。）基带同轴电缆又分成粗同轴（D=2.54cm ）和细同轴(D=1.02cm)。
细同轴：50Ω,D =1.02cm ，10Mbps;185m 、4中继、5段（925m ）优缺点：价格低；安装方便（T 型连接器、BNC 接头、Terminator ）；抗干扰能力强；距离短；可靠性差。
粗同轴：50Ω，D ＝2.54cm ，10Mbps ；500m 、4中继、5段（2500m ）。优缺点：价格稍高；安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator ）；抗干扰能力强；距离中等；可靠性好。
由于近二十年来，计算机的运行速度每十年提高十倍，而信息的传输速度差不多每十年提高100倍，光纤成为通信技术最主要传输媒体。光纤通常有非常透明的石英玻璃拉成细丝。光纤由可分成单模光纤和多模光纤两种（见图2.7）。在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于0.85μm 、1.30μm 、1.55μm 。此三个波段都具有25000～30000GHz 的带宽（受光电转换器件限制>100Gb/s ）。光纤具有通信容
量大、传输损耗小、中继距离长、远距离传输特别经济；抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰、保密性好，不易被窃听或截取数据；体积小，重量轻等优点，而其需要昂贵光电接口的缺点，随着价格的逐年下降已不成为缺陷。正是因为此，目前我们可以从资料中得知：欧美四十几个国家均将HTTH(光纤入户)作为其宽带通信发展的目标。
无线介质包括：无线电、短波、微波、卫星和光波。无线通信的传输手段主要是：数字微波铜芯 绝缘层 外导体屏蔽层 保护套
和卫星通信。
物理层的标准很多，我们常见的有RS-232、RS-485、RS-449、ITU-T的X..21、以太网的物理口10Base-T、100Base-T、100Base-F等。
2.2.1.3 数据链路层的结构和功能
在此有必要先区分一下数据链路（data link）和链路（link）这两个概念。
链路：即一条无源的点到点的物理线路，其中间没有任何其他的交换节点。由此可见一条链路只是一条通路的一个组成部分。
数据链路：是指除了必须有一条物理线路外，还必须有必要的规程（porcedure）来控制这些数据的传输。也就是在数据链路层能够通过一些协议，在不太可靠的物
理链路上实现可靠的数据传输。
数据链路层的主要功能可归纳如下：
tcpip协议缺陷
1、链路管理：用于数据链路的建立、维持和释放。
2、帧同步：由于在数据链路层，数据的传送单位是帧，因此收方要从收到的比特
流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方，此即为帧同步。
3、流量控制：为了避免收方来不及接收，而发送方持续发送而造成地数据丢失。
4、差错控制：通过检错重发机制来实现，或采用较复杂的前向纠错编码（FEC）来实现。
5、将数据和控制信息分开：因为数据和控制信息在同一通道中甚至是同一帧中传送。
6、透明传输：无论所传数据是什么样地的比特组合，都能正确地传送。
7、寻址：在多点连接的情况下，必须保证每一帧都能送到正确地目的地，收方也知道是
那一个发送方发出的数据帧。
在帧中继中，数据链路层没有流量控制能力，其流量控制是由高层完成的。但在帧中继中具有处理逻辑连接的复用和交换的能力。
在ATM中，由于光纤信道的误码率极低，其数据链路层不必进行差错控制和流量控制，其差错控制和流量控制的工作也是放在高层处理。
在计算机网中，数据链路层能实现的是帧校验，如CRC校验。发现错误后，是在传输层实现重发的。因此可以说在计算机网中数据链路层没有差错控制功能。
由上分析可以看出：我们所列的数据链路层的功能，并不是每一种网络都必须具备的，各种网络根据其需要具有其部分功能。
2.2.1.4 数据链路层的主要协议
在任何一种存储转发方式的通信中，其数据链路层的通信协议主要是：自动反馈重发协议，也称为ARQ协议（Automatic Repeat re-Quest）。ARQ协议又可分为两种：等待ARQ和连续ARQ协议。
等待ARQ协议：即发送方每发送完一个数据帧，都要等待接收方的一个确认信号。若发方收到ACK，则再发下一帧；若发方收到NAK，则重发该数据帧。下面图2.9和图2.10可以很好地描述该协议的算法。
（需要说明的是：在进行存储转发的通信时，发方需要二个Buffer区：一个是数据区，一个是发送缓冲区；同样收方也需要二个Buffer区：一个是数据区，一个是接收缓冲区。）关于发端算法的说明：
1、状态变量V（s）并作为发送序列号是为了解决重复帧差错。
2、在超时重发（后面有说明）情况下，若ACK丢失，则由于发送方超时重发就会导致
收方收到重复帧。但通过加上发送序列号就可以解决此问题。收方发现发送序列
号不等于接收序列号就可知道是重复帧，且可知道发送方没有收到自己的ACK，收

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