1.2.3 TCP/IP体系结构

由于种种原因，OSI模型并没有成为真正应用在工业技术中的网络体系结构。Internet在全世界的飞速发展使其所遵循的TCP/IP参考模型得到了广泛的应用。

1.TCP/IP协议

TCP/IP协议是一个协议集，如图1.3所示。TCP/IP协议集中最重要是传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和网际协议（Internet Protocol，IP），通称为TCP/IP协议。TCP/IP协议具有如下4个特点。

① 开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。

② 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于网络互连。

③ 统一的网络地址分配方案，使得网络中的每台主机在网中都具有唯一的地址。

④标准化的高层协议（如FTP，HTTP，SMTP等），如图1.3所示，可以提供多种可靠的信息服务。

在TCP/IP协议中，TCP协议和IP协议各有分工。TCP协议是IP协议的高层协议，TCP在IP之上提供了一个可靠的面向连接的协议。TCP协议能保证数据包传输及正确传输顺序，并且它可以确认数据包头和包内数据的准确性。如果在传输期间出现丢包或错包的情况，TCP负责重新传输出错的包。这样的可靠性使得TCP/IP协议在会话式传输中得到充分应用。IP协议为TCP/IP协议集中的其他所有协议提供“包传输”功能，IP协议为计算机网络上的数据提供了一个有效的无连接传输系统。也就是说，IP包不能保证到达目的地，接收方也不能保证按顺序收到IP包，它仅能确认IP包头的完整性。最终确认数据包是否到达目的地，还要依靠TCP协议，因为TCP协议是面向连接服务的。

2.TCP/IP体系结构及功能

TCP/IP体系结构分为4个层次：网络接口层、IP层、传输层和应用层。TCP/IP体系结构与OSI参考模型对应关系，以及TCP/IP数据封装与拆封流程，如图1.4所示。TCP/IP网络接口层（Network Interface）对应OSI的物理层和数据链路层，TCP/IP的IP层（包括ICMP、ARP、RARP等协议）对应OSI的网络层，TCP/IP传输层（TCP、UDP）对应OSI的传输层，TCP/IP的应用层（高层协议）对应OSI的会话、表示及应用层。

TCP/IP各层的功能如下。

（1）网络接口层。该层是整个体系结构的基础部分，负责接收IP层的IP数据包，通过网络向外发送；或者接收、处理网络上的物理帧，抽出IP数据包，向IP层发送。该层是主机与网络的实际连接层，网络接口层中的比特流传输相当于邮政系统中信件的运送。

（2）网络互连层。该层是整个体系结构的核心部分，负责处理互连网络中计算机之间的通信，向传输层提供统一的数据包。它的主要功能是处理来自传输层的分组发送请求，处理接收的数据包和处理互连的路径。

网络互连层IP协议提供了无连接（不可靠）的数据包传输服务，数据包从一个主机经过多个路由器到达目的主机。如果路由器不能正确地传输数据包，或者检测到影响数据包的正确传输的异常状况，路由器就要通知信源主机或路由器采取相应的措施。

（3）传输层。该层是整个体系结构的控制部分，负责应用进程之间的端到端通信。传输层定义了两种协议：传输控制协议（Transfer Control Protocol，TCP）与用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。TCP协议是一种可靠的面向连接的协议，允许从一台主机发出的字节流无差错地发往互联网上的其他机器。TCP将应用协议的字节流分成数据段，并将数据段传输给IP层打包。在接收端，IP层将接收的数据包解开，再由TCP层将收到的数据段组装成应用协议字节流。TCP还可处理流量控制，以避免快速发送方，向低速接收方发送过多数据包而使接收方无法处理。UDP协议是一种无连接（不可靠）的协议，它与TCP协议不同的是它不进行分组顺序的检查和差错控制，而是把这些工作交给上一级应用层完成。

（4）应用层。该层是整个体系结构的协议部分，它包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。与OSI模型不同的是，在TCP/IP模型中没有会话层和表示层。由于在应用中发现，并不是所有的网络服务都需要会话层和表示层的功能，因此，这些功能逐渐被融合到TCP/IP协议中应用层的那些特定的网络服务中。应用层是网络操作者的应用接口，就像发信人将信件放进邮筒一样，网络操作者只需在应用程序中按下发送数据按钮，其余的任务都由应用层以下的各层完成。

3.ICMP与ARP的功能

ICMP（Internet Control Messages Protocol）协议封装在IP数据包中，通过IP协议进行传送。ICMP为IP协议提供了差错控制、网络拥塞控制和路由控制等功能，最常用的是“目标无法到达（Destination unreachable）”和“回声（Echo）”消息。ICMP工作示意图如图1.5所示。

网络互连层的ARP（Address Resolution Protocol）提供地址转换服务，查找与给定IP地址对应主机的物理地址（网卡的MAC地址）。与ARP功能相反的是RARP（Reverse ARP），RARP协议主要将主机物理地址转换为对应的IP地址。

ARP协议采用广播消息的方法来获取网上IP地址对应的MAC地址，对于使用低层介质访问机制的IP地址来说，ARP协议非常实用。当一台主机发送数据包时，首先通过ARP获取MAC地址，并把结果存储在ARP缓存的IP地址和MAC地址表中；该主机下次再发送数据包时，就不用再发送ARP请求，只要在ARP缓存中查找就可以了。这样，信源与信宿之间避免了多次广播。也就是说，信源与信宿某次数据通信中的第一帧是广播（点到多点），第二帧即为单播（点到点）。ARP工作示意图如图1.6所示。

与ARP协议类似，RARP协议也是采用广播消息的方法，决定与MAC地址相对应的IP地址。RARP协议对网络无盘客户机来说，显得尤为重要。因为，无盘客户机在系统引导时根本无法知道自己的IP地址，只能通过RARP协议完成自身的MAC地址到对应IP地址的转换。