TCP/IP的基本工作原理[2]
TCP/IP模型有四層(應用層、傳輸層、網際層、網絡接口層)，每層分別具有不同的協議和功能，TCP/IP協議族是一組在不同層上的多個協議的組合。各層在實現自身的功能時，使用它的直接下層提供的服務，同時也爲它的直接上層提供服務。下面說明這些協議進行協調工作的基本原理。
1.TCP/IP協議族中各協議之間的關係
TCP/IP協議族中有很多協議，這些協議處於不同的層，它們之間的關係如下圖所示。
每個應用層協議都是爲了解決某一類應用問題而定義的，各種應用進程就是通過不同的應用層協議來使用網絡所提供的服務。圖1-4中的應用進程代表實現不同應用層協議功能的進程。例如，實現文件傳輸協議的FTP應用進程可以爲用戶提供計算機之間的文件傳輸服務，實現超文本傳輸協議的HTTP應用進程可以爲用戶提供瀏覽Web網頁的功能等。
TCP和UDP是兩個傳輸層協議。一般地，應用進程可以選擇使用TCP或者UDP協議。如果應用層協議要求傳輸層提供可靠的服務，則應該選擇TCP協議；否則，如果應用層協議要求較高的數據傳輸速率，但是可以容忍一定的數據丟失，則可以選擇UDP協議。TCP協議的數據單元稱爲TCP報文段或簡稱TCP段(TCPsegment)，UDP協議的數據單元稱爲UDP數據報(UDPdatagram)。
IP協議是網際層上的一個主要協議。TCP和UDP協議都可以直接使用IP協議所提供的服務。IP協議的數據傳送單位稱爲IP數據報或IP分組。TCP報文段或UDP數據報都可以封裝在IP數據報中，以便在互聯網上傳輸。除IP協議外，網際層還有其他協議，例如ICMP協議用於報告差錯和其他重要信息；IGMP是多播組管理協議，是一個與多播有關的協議；ARP(地址解析協議)和RARP(逆向地址解析協議)用於提供ⅡP地址與物理地址的映射功能。IP數據報可以在不同的物理網絡上進行傳送。通過以太網傳送的數據單元稱爲以太網幀，或簡稱爲幀(frame)。
2．封裝和拆封
在發送方(也稱爲源主機)，當應用程序使用TCP或UDP傳送用戶數據時，將用戶數據送人TCP/IP協議棧，然後自上而下地逐個通過每一層，直到被當做一串比特流送入網絡。其中每一層對收到的數據都需要增加一些首部信息，有時還需要增加尾部信息。這些操作過程稱爲封裝，如圖所示。
TCP、UDP、ICMP和IGMP等協議都要使用IP數據報傳送數據，所以必須在IP數據報的首部加入某種標識，以說明是哪個協議的數據封裝到了IP數據報中。IP數據報首部定義的一個8位的“協議”宇段就是爲此目的而設置的。協議宇段的值爲1表示ICMP，爲2表示IGMP，爲6表示TCP，爲17表示UDP。
類似地，許多應用進程使用TCP或UDP傳送數據，則需要在TCP段或UDP數據報首部定義一個應用程序標識符。TCP和UDP都使用一個16位的端口號來標識不同的應用程序，TCP和UDP把“源端口號”和“目的端口號”分別存人TCP段首部和UDP數據報首部。網絡接口分別發送和接收IP、ARP、RARP的數據，同理，也必須在以太網(假定物理網絡是一個以太網)的首部加入一個字段，用來說明是哪個協議的數據。爲此，以太網幀首部定義了一個16位的“類型”字段。當接收方(也稱目的主機)收到一個以太網幀時，數據就開始在協議棧中自下而上傳送。各層協議利用報文首部所攜帶的協議控制信息做相應的處理，然後去掉各層協議數據單元的首部，將封裝的數據交給上層協議。每層協議都要檢查協議首部中的協議標識，以確定讓哪一個協議接收數據，這個過程稱爲拆封。下圖說明了以太網數據幀的拆封過程。
總而言之，發送數據時需要自上而下，層層封裝。接收數據時需要自下而上，層層拆封。
3．兩個端系統的TCP/IP通信
兩個端系統的通信會涉及不同層的協議。如下圖所示，主機A和主機B在同一個局域網(以太網)上，兩臺主機都運行實現FTP協議的應用進程，它們的通信過程所涉及到的主要協議都標識在下圖中。
主機A主機B大多數網絡應用程序都設計成客戶—服務器方式，客戶是服務請求方，服務器是服務提供方，服務器爲客戶提供某種服務。例如，FTP服務器允許客戶訪問FTP服務器所在主機上的文件，WWW服務器允許客戶(瀏覽器)訪問WWW服務器所在主機上的網頁，等等。在兩個端系統的同一層上，雙方都有對應的一個或多個協議進行通信。例如傳輸層利用TCP或UDP等進行通信，網際層利用IP進行通信。
上圖局域網上運行FTP的兩臺主機從前面的講述可知，應用進程的數據要經過主機A(源主機)自上而下的封裝，然後在網絡中傳輸，最後在主機B(目的主機)經過自下而上的拆封這樣複雜的處理過程，才能到達目的主機的應用進程。但是，對用戶來說，這些複雜的處理過程都屏蔽掉了，好像是主機A的應用進程直接把數據交給了主機B的應用進程。同理，我們可以認爲，任何兩個對等層(peerlayer)，例如傳輸層、網際層、網絡接口層之間的通信，如同上圖中標識的一樣，好像是將數據通過水平虛線直接傳遞給對方，這就是所謂的對等層之間的通信。實際上，協議就是在兩個對等層之間傳遞數據時的各種規定。由此可以這樣認爲：實際通信是按垂直方向進行的，層與層之間經過封裝和拆封這樣的操作實現物理通信。但是邏輯上，卻是在水平方向上利用協議進行的對等層通信。在協議的控制下，對等層的通信使得本層能夠向上層提供服務。爲了實現本層協議，還需要使用下面一層所提供的服務。如果兩個端系統不在同一個網絡上，例如它們分別是在路由器連接起來的兩個不同的網絡上，主機A在以太網上，主機B在令牌環網上，通過一個路由器使這兩個網絡連接起來。以太網上的任何主機都可以與令牌環網上的任何主機進行通信，如下圖所示。
應用層和傳輸層使用端到端(end-to-end)協議，路由器中沒有這兩層協議，只有端系統纔有這兩層協議。網際層是逐跳(hop-by-hop)協議，端系統和路由器都有網際層協議。一個路由器具有兩個或多個網絡接口，這樣才能連接兩個或多個網絡。互聯網的目的之一是在應用程序中屏蔽所有的物理網絡細節。在上圖中，應用層不需要關心一個端系統是在以太網上還是在令牌環網上，它們通過路由器進行通信。隨着不同類型物理網絡的增加，互聯網的規模變得越來越大，也需要增加路由器，但是應用層仍然是一樣的。物理網絡細節的屏蔽使得互聯網功能非常強大，也非常有用。
