第04章 网络协议TCP-IP

复旦大学软件学院工程硕士课程网络与多媒体技术吕智慧博士 lzh@计算机科学技术学院 2010-12

第04章 网络协议TCP-IP

第四章网络协议TCP/IP4.1网络体系结构4.1.1网络体系结构的基本概念

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网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；网络协议的三要素：语义、语法与时序；语义：用于解释比特流的每一部分的意义；语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；时序：事件实现顺序的详细说明。2010-12-5 2

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社会上存在的邮政系统发信者书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门通信者活动收信者通信者活动阅读信件

邮局服务业务

邮局服务业务

信件投递信件分拣

邮局转送业务

邮局转送业务

分发邮件邮件拆包转送邮局接收邮包

路由选择运输

运输部门的邮件运输业务

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协议、层次、接口与体系结构的概念

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层次(layer)协议(protocol)接口(interface)体系结构(architecture)

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层次(layer)

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层次是人们对复杂问题处理的基本方法；将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；不同的系统分成相同的层次；不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。2010-12-5 5

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接口(interface)接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点;同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务;只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。

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网络体系结构(network architecture)一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集;网络协议是按层次结构来组织的；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。2010-12-5 7

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4.1.2 OSI参考模型的结构

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ISO划分七层结构的基本原则：网中各结点都具有相同的层次；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层之间通过接

口通信；每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间层之间的通信。2010-12-5 8

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OSI参考模型的结构主机应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层 CCP网络层数据链路层物理层 CCP网络层数据链路层物理层主机应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层

传输介质

传输介质

传输介质

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OSI的参考模型层次系统系统1 7应用层应用层协议系统系统2应用层报文协议数据单元

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表示层

表示层协议

表示层

报文

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会话层

会话层协议

会话层

报文

4

传输层

传输层协议

传输层

报文

3

网络层

网络层协议

转接结点网络层子网内部协议通信子网

转接结点网络层网络层分组

2

链路层

链路层协议

链路层

链路层

链路层

帧

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物理层

物理层协议

物理层

物理层

物理层

比特

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4.1.3 OSI参考模型各层的功能物理层的主要功能：利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；物理层的数据传输单元是比特。

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4.1.3 OSI参考模型各层的功能数据链路层的主要功能：在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；传输以“帧”为单位的数据包；采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。网络层的主要功能：通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。2010-12-5 12

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传输层的主要功能：向用户提供可靠端到端(end-to-end)服务；处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。会话层的主要功能：负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点点传输不中断；管理数据交换。2010-12-5 13

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表示层的主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换；数据加密与解密；数据压缩与恢复。应用层的主要功能:为应用程序提供了网络服务;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠

正与保证数据完整性的控制机制。2010-12-5 14

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4.1.4 OSI环境中的数据传输过程OSI环境(OSI environment)主机A应用进程A主机B应用进程B

应用表示会话传输网络

层层层层层网 CCP A络

OSI环境

应用层表示层会话层 CCP A传输层网络层数据链路层物理层

层

网络层数据链路层物理层

数据链路层物理层

数据链路层物理层

传输介质2010-12-5

传输介质

传输介质

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OSI环境中的数据流主机A应用进程A应表会传网用示话输络层层层层层数据数据数据单元数据单元报文分组帧比特序列传输介质2010-12-5 16

主机B应用进程B应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层

数据链路层物理层

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4.2 TCP/IP协议概述TCP/IP协议，即传输控制协议/网际协议 TCP/IP协议可以在各种硬件和操作系统上实现，并且TCP/IP协议已成为建立计算机局域网、广域网的首选协议，并将随着网络技术的进步和信息高速公路的发展而不断地完善。 TCP/IP已成为Internet网络事实上的工业标准和国际标准。

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TCP/IP协议概述TCP/IP(传输控制协议/网际协议)是Internet赖以存在的基础。 TCP/IP通信体系中，通信双方均使用TCP/IP通信协议及相应的应用程序。客户机应用程序将来自客户机高层的信息代码按一定的标准格式转化，并将其传输到传输控制协议层(TCP)。当信息代码传输至客户机的传输控制协议层后，通过TCP协议将应用程序信息分解打包。随后，TCP程序将这些包发送给处于其下一级的Internet协议(IP)层。在IP层，IP程序将收到的数据包装成IP包，然后通过IP协议、IP地址及IP路由将信息发送给与之通信的另一台计算机。对方IP程序收到所传输的IP包后，剥去IP包头，将包中数据上传给TCP协议层，TCP程序剥去TCP包头，取出数据，传送给服务器的应用程序。这样，通过TCP/IP就实现了双方的通信。反过来，服务器发送信息给客户机的过程与上述过程类似。2010-12-5 18

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4.2 TCP/IP协议4.2.1 TCP/IP的产生与发展TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是传输控制协议/网际协议的缩写，当初是为美国国防部高级研究计划局(DARPA)设计的，其目的在于能使各种各样的计算机都能在一个共同的网络环境中运行。 TCP/IP是当今网络互联的核心协议，可以说没有TCP/IP协议就没有今天的网络互联技术，就没有今天的以互联技术为核心建立起来的Internet。 TC

P/IP协议具有以下特点： (1)协议标准具有开放性； (2)统一分配网络地址； (3)实现了高层协议的标准化。2010-12-5 19

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4.2.2 TCP/IP层次结构与功能TCP/IP协议的体系结构共有四个层次，即应用层、传输层、网络互联层和网络接口层，每层都有对应的协议，如图所示。

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图 TCP/IP参考模型及协议

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4.2.2 TCP/IP层次结构与功能TCP/IP协议的各层功能：

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1.网络接口层网络接口层与OSI的数据链路层和物理层相对应。网络接口层是TCP/IP协议的最低层，网络接口层负责接收IP数据报，并把这些数据报发送到指定网络上。 2.网络互联层网络互联层解决的是计算机到计算机间的通信问题，在网络互联层，主要定义了网络互联协议(IP)以及数据分组的格式。它的主要功能是路由选择和拥塞控制。 3.传输层传输层解决的是计算机程序到计算机程序之间的通信问题。传输层对信息流具有调节作用，提供可靠性传输，确保数据无误到达。传输层的协议主要有网络传输协议TCP和用户数据报协议UDP。

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