计算机网络结构模型TCP/IP详解

主要结构模型

  1. OSI/RM:开放系统互连基本参考模型(Open systems Interconnection Reference Model),简称为OSI,在1983年正式成为国际标准(ISO 7498);
  2. TCP/IP:传输控制协议/网络协议模型(Transmission Control Protocol/Internet Protocol),于1984年成为美国的计算机网络标准。

发展现状:

按照一般的概念,网络技术和设备只有符合有关的国际标准才能在大范围获得工程上的应用。但现在情况却反过来了。得到最广泛应用的不是法律上的国际标准OSI,而是非国际标TCP/IP。
这样,TCP/IP就常被称为是事实上的国际标准,也是当前互联网技术的基石。从这种意义上说,能够占领市场的就是标准。在过去制定标准的组织中往往以专家、学者为主。

为什么是TCP/IP?

  1. OSI的专家们缺乏实际经验,他们在完成OSI标准时没有商业驱动力。

    OSI试图达到一种理想境界,即全世界的计算机网络都遵循这统一的标准,因而全世界的计算机都将能够很方便地进行互连和交换数据。在20世纪80年代,许多大公司甚至—些国家的政府机构都纷纷表示支持0SI。当时看来似乎在不久的将来全世界一定全都按照OSI制定的标准来构造自己的计算机网络。
    然而到了20世纪90年代初期,虽然整套的OSI国际标准都已经制定出来了,但由于因特网已抢先在全世界覆盖了相当大的范围,而与此同时却几乎找不到有什么厂家生产出符合OSI标准的商用产品。
    因此人们得出这样的结论:OSI事与愿违地失败了。现今规模最大的、覆盖全世界的计算机网络因特网并未使用0SI标准。

  2. OSI的协议实现起来过分复杂,而且运行效率很低;

  3. OSI标准的制定周期太长,因而使得按0SI标准生产的设备无法及时进入市场:
  4. 最后,OSI的层次划分也不太合理,有些功能在多个层次中重复出现。

TCP/IP模型体系结构:

  1. 网络接口层:负责接收IP数据包并通过网络发送,或者从网络上接收物理帧,抽出IP数据包,交给IP层。
    常见: Ethernet 802.3、Token Ring 802.5、X.25、Frame relay、HDLC、PPP ATM等。
  2. 网络层:
    常见:IP(Internet Protocol)、ICMP、ARP(Address Resolution Protocol)、RARP(Reverse ARP)。 补充:IP是网络层的核心,通过路由选择将下一条IP封装后交给接口层。 ICMP是网络层的补充,可以回送报文。用来检测网络是否通畅。
    例如:Ping命令就是发送ICMP的echo包,通过回送的echo relay进行网络测试。
  3. 传输层:
    常见:TCP(Transmission Control Protocol),UDP(User Datagram protocol)。
  4. 应用层:供应用间通信使用。
    常见:FTP、TELNET、DNS、SMTP、NFS、HTTP。

TCP连接的三次握手

  1. 第一次握手:客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;
  2. 第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;
  3. 第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。

注意:握手过程中传送的包里不包含数据,三次握手完毕后,客户端与服务器才正式开始传送数据。

理想状态下,TCP连接一旦建立,在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前,TCP 连接都将被一直保持下去。

断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求,断开过程需要经过“四次握手”(过程就不细写了,就是服务器和客户端交互,最终确定断开)

Socket又是什么?

socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层,它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。
Socket本身并不是协议,而是一个调用接口(API)。

通过Socket,我们才能使用TCP/IP协议。

实际上,Socket跟TCP/IP协议没有必然的联系。

Socket编程接口在设计的时候,就希望也能适应其他的网络协议。

所以说,Socket的出现只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已,是对TCP/IP协议的抽象,

从而形成了我们知道的一些最基本的函数接口,比如create、listen、connect、accept、send、read和write等等。

网络有一段关于socket和TCP/IP协议关系的说法比较容易理解:

“TCP/IP只是一个协议栈,就像操作系统的运行机制一样,必须要具体实现,同时还要提供对外的操作接口。
这个就像操作系统会提供标准的编程接口,比如win32编程接口一样,TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口,这就是Socket编程接口。”

HTTP

关于TCP/IP和HTTP协议的关系,网络有一段比较容易理解的介绍:

“我们在传输数据时,可以只使用(传输层)TCP/IP协议,但是那样的话,如果没有应用层,便无法识别数据内容。

如果想要使传输的数据有意义,则必须使用到应用层协议。

应用层协议有很多,比如HTTP、FTP、TELNET等,也可以自己定义应用层协议。

WEB使用HTTP协议作应用层协议,以封装HTTP文本信息,然后使用TCP/IP做传输层协议将它发到网络上。”

实际上,传输层的TCP是基于网络层的IP协议的,而应用层的HTTP协议又是基于传输层的TCP协议的,而Socket本身不算是协议,就像上面所说,它只是提供了一个针对TCP或者UDP编程的接口。

常见问题

下面是一些经常在笔试或者面试中碰到的重要的概念,特在此做摘抄和总结。

1. 如何利用Socket建立网络连接

建立Socket连接至少需要一对套接字,其中一个运行于客户端,称为ClientSocket ,另一个运行于服务器端,称为ServerSocket。

套接字之间的连接过程分为三个步骤:服务器监听,客户端请求,连接确认。

  1. 服务器监听:服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字,而是处于等待连接的状态,实时监控网络状态,等待客户端的连接请求。
  2. 客户端请求:指客户端的套接字提出连接请求,要连接的目标是服务器端的套接字。 为此,客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字,指出服务器端套接字的地址和端口号,然后就向服务器端套接字提出连接请求。
  3. 连接确认:当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时,就响应客户端套接字的请求,建立一个新的线程,把服务器端套接字的描述发给客户端,一旦客户端确认了此描述,双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态,继续接收其他客户端套接字的连接请求。

2. TCP和UDP的区别

  1. TCP是面向链接的,虽然说网络的不安全不稳定特性决定了多少次握手都不能保证连接的可靠性,但TCP的三次握手在最低限度上(实际上也很大程度上保证了)保证了连接的可靠性;
    而UDP不是面向连接的,UDP传送数据前并不与对方建立连接,对接收到的数据也不发送确认信号,发送端不知道数据是否会正确接收,当然也不用重发,所以说UDP是无连接的、不可靠的一种数据传输协议。

  2. 也正由于1所说的特点,使得UDP的开销更小,数据传输速率更高,因为不必进行收发数据的确认,所以UDP的实时性更好。

    知道了TCP和UDP的区别,就不难理解为何采用TCP传输协议的MSN比采用UDP的QQ传输文件慢了,但并不能说QQ的通信是不安全的,因为程序员可以手动对UDP的数据收发进行验证。 比如发送方对每个数据包进行编号然后由接收方进行验证啊什么的,

编辑于 2017-05-01