网络协议


前言:网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。通俗地说,网络协议就是网络之间沟通、交流的桥梁,只有相同网络协议的计算机才能进行信息的沟通与交流。这就好比人与人之间交流所使用的各种语言,只有使用相同语言才能正常地、顺利进行交流。从专业角度定义,网络协议是计算机在网络中实现通信时必须遵守的约定,也即通信协议。主要是对信息传输的速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等作出规定,制定标准。


OSI模型:

  网络通信协议通过OSI模型共分七层:从上至下依次是分为七层,自上而下依次为:应用层(Application Layer)、表示层(Presentation Layer)、会话层(Session Layer)、传输层(Transport Layer)、网络层(Network Layer)、数据链路层(Data Link Layer)、物理层(Physics Layer)。

  • 应用层(Application Layer):开放系统互联环境的最高层,为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口(例如:DHCP ·DNS· FTP · Gopher · HTTP· IMAP4 · IRC · NNTP · XMPP ·POP3 · SIP · SMTP ·SNMP · SSH ·TELNET · RPC · RTCP · RTP ·RTSP· SDP · SOAP · GTP · STUN · NTP· SSDP · BGP · RIP. DNS 等)。
  • 表示层(Presentation Layer):为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示转换。为了让采用不同编码方法的计算机在通信中能相互理解数据的内容,可以采用抽象的标准方法来定义数据结构,并采用标准的编码表示形式。表示层管理这些抽象的数据结构,并将计算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层提供的表示变换的能力。
  • 会话层(Session Layer):主要功能就是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信(称为对话),负责在两个会话层实体之间进行对话链接的建立和拆除(会话层的主要标准有"DIS8236:会话服务定义"和"DIS8237:会话协议规范")。
  • 传输层(Transport Layer):负责数据传送的最高层次。传输层完成同处于资源子网中的两个主机间的链接和数据传输,也称为端到端的数据传输(TCP · UDP · TLS ·DCCP· SCTP · RSVP · OSPF 等)。
  • 网络层(Network Layer):主要任务就是选择合适的路由,使网络层的数据传输单元(分组)能够正确无误的按照地址找到目的站(例如:IP (IPv4 · IPv6) ·ICMP· ICMPv6·IGMP ·IS-IS · IPsec · ARP · RARP . BOOTP等 )。
  • 数据链路层(Data Link Layer):负责在两个相邻的节点间的线路上无差错的传输以帧为单位的数据(例如:Wi-Fi(IEEE 802.11) · WiMAX(IEEE 802.16) ·ATM · DTM ·令牌环·以太网·FDDI ·帧中继· GPRS · EVDO ·HSPA · HDLC ·PPP· L2TP ·PPTP · ISDN·STP 等 )。
  • 物理层 (Physics Layer):定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性,其作用是使原始的数据比特流能在物理介质上传输(例如:电力线通信(PLC) ·SONET/SDH· G.709 ·光导纤维· 同轴电缆 · 双绞线等 )。

TCP/IP参考模型:

  TCP/IP是一组用于实现网络互连的通信协议。Internet网络体系结构以TCP/IP为核心。基于TCP/IP的参考模型将协议分成四个层次,它们分别是:网络访问层、网际互联层、传输层主机到主机)、和应用层

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应用层对应于OSI参考模型的高层,为用户提供所需要的各种服务,负责处理特定的应用程序细节。例如:FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

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TCP协议和UDP协议的差别:
TCP (Transmission Control Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)协议属于传输层协议。其中TCP提供IP环境下的数据可靠传输,它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。通俗说,它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道,然后再进行数据发送;而UDP则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。一般来说,TCP对应的是可靠性要求高的应用,而UDP对应的则是可靠性要求低、传输经济的应用。TCP支持的应用协议主要有:Telnet、FTP、SMTP等;UDP支持的应用层协议主要有:NFS(网络文件系统)、SNMP(简单网络管理协议)、DNS(主域名称系统)、TFTP(通用文件传输协议)等。

TCP:传输控制协议,面向连接的的协议,稳定可靠。当客户和服务器彼此交换数据前,必须先在双方之间建立一个TCP连接,之后才能传输数据。
UDP:广播式数据传输,UDP不提供可靠性,它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去,但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接,且没有超时重发等机制,故而传输速度很快。

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在TCP/IP协议中,TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接:

  • 第一次握手:客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。

  • 第二次握手: 服务器端回应客户端的,这是三次握手中的第2个报文,这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应;同时又标志SYN给客户端,询问客户端是否准备好进行数据通讯。

  • 第三次握手: 客户必须再次回应服务段一个ACK报文,这是报文段3。

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在TCP/IP协议中,TCP协议断开连接要进行4次:

  由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。

  • 第一次握手: TCP客户端发送一个FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送(报文段4)
  • 第二次握手: 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号
  • 第三次握手: 服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端(报文段6)
  • 第四次握手:客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)

由TCP的三次握手和四次断开可以看出,TCP使用面向连接的通信方式,大大提高了数据通信的可靠性,使发送数据端
和接收端在数据正式传输前就有了交互,为数据正式传输打下了可靠的基础。

名词解释:
ACK (Acknowledgement)即是确认字符,在数据通信中,接收站发给发送站的一种传输类控制字符。表示发来的数据已确认接收无误。在TCP/IP协议中,如果接收方成功的接收到数据,那么会回复一个ACK数据。通常ACK信号有自己固定的格式,长度大小,由接收方回复给发送方。比如:确认号为X,则表示前X-1个数据段都收到了,只有当ACK=1时,确认号才有效,当ACK=0时,确认号无效,这时会要求重传数据,保证数据的完整性。

SYN(synchronous)是TCP/IP建立连接时使用的握手信号。在客户机和服务器之间建立正常的TCP网络连接时,客户机首先发出一个SYN消息,服务器使用SYN+ACK应答表示接收到了这个消息,最后客户机再以ACK消息响应。这样在客户机和服务器之间才能建立起可靠的TCP连接,数据才可以在客户机和服务器之间传递。

传输层:

传输层对应于OSI参考模型的传输层,为应用层实体提供端到端的通信功能,保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。该层定义了两个主要的协议:传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP).
TCP协议提供的是一种可靠的、通过“三次握手”来连接的数据传输服务;而UDP协议提供的则是不保证可靠的(并不是不可靠)、无连接的数据传输服务.

网际互联层:

网际互联层对应于OSI参考模型的网络层,主要解决主机到主机的通信问题。它所包含的协议设计数据包在整个网络上的逻辑传输。注重重新赋予主机一个IP地址来完成对主机的寻址,它还负责数据包在多种网络中的路由。该层有三个主要协议:网际协议(IP)、互联网组管理协议(IGMP)和互联网控制报文协议(ICMP)。
IP协议是网际互联层最重要的协议,它提供的是一个可靠、无连接的数据报传递服务。

网络接入层(即主机-网络层):

网络接入层与OSI参考模型中的物理层数据链路层相对应。它负责监视数据在主机和网络之间的交换。事实上,TCP/IP本身并未定义该层的协议,而由参与互连的各网络使用自己的物理层数据链路层协议,然后与TCP/IP的网络接入层进行连接。地址解析协议(ARP)工作在此层,即OSI参考模型的数据链路层。

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