TCP/IP模型功能淺析

胡正 高朱飛 徐壯

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，互聯(lián)網(wǎng)思維正不斷顛覆人們對傳統(tǒng)行業(yè)的認知。本文透過紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)世界，從支撐互聯(lián)網(wǎng)運行的底層機制即TCP/IP模型出發(fā)，自底向上詳細論述該模型各層功能，從而清晰描繪出互聯(lián)網(wǎng)上任何兩臺計算機之間實現(xiàn)互聯(lián)互通的背后機理，以期為相關(guān)人員理解互聯(lián)網(wǎng)運行機制提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng);TCP/IP模型;數(shù)據(jù)通信

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）08-0022-03

0 引言

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)正以前所未有的速度與傳統(tǒng)各行各業(yè)進行深度融合[1-4]。要想深入理解互聯(lián)網(wǎng)時代，就不得不提互聯(lián)網(wǎng)的運行機制：TCP/IP模型[5]。雖然TCP/IP模型只有5個層次，但是各個層次都有它獨特的功能，它們之間相互配合，才能完成全球的互聯(lián)網(wǎng)通信。如何深入理解TCP/IP模型各層的功能，是每一名想理解互聯(lián)網(wǎng)運行機制人員面臨的一大難題。

本文站在從無到有構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信的角度，給出TCP/IP模型各層的由來，以及每一層的功能，以期為關(guān)心互聯(lián)網(wǎng)運行機制的人員理解TCP/IP模型各層功能提供借鑒。本文所述TCP/IP模型自頂向下由應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層與物理層組成。后續(xù)將自底層向頂闡述各層功能。

1 TCP/IP各層功能

1.1 物理層功能

首先以雙機通信為例。如果采用有線的方式實現(xiàn)兩臺主機之間的通信，至少需要一條網(wǎng)線把兩臺主機連接起來，才能保證源主機發(fā)出的數(shù)據(jù)到達目的主機。同時，我們知道源主機待發(fā)送的數(shù)據(jù)其實是01序列，而在網(wǎng)線上傳輸?shù)闹荒苁请娦盘枴Ｒ虼耍挥镁W(wǎng)線把兩臺主機連接起來還不能實現(xiàn)兩臺主機之間的數(shù)據(jù)通信，還必須把源主機上待發(fā)送的數(shù)據(jù)也就是01序列轉(zhuǎn)換為可以在網(wǎng)線上傳輸?shù)碾娦盘枴４送猓康闹鳈C還需要把收到的電信號再轉(zhuǎn)換為01序列以便進行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)然，如果采用光纖作為實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，那么收發(fā)主機自然需要實現(xiàn)01序列與光信號之間的轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)01序列與光電信號之間的轉(zhuǎn)換其實就是物理層的功能。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層功能

對于簡單的雙機直接互連通信模型，通過物理層即可實現(xiàn)它們之間的通信。對于三臺及以上的計算機，應(yīng)該如何實現(xiàn)它們之間的兩兩相互通信？最簡單的方法是把每兩臺計算機用網(wǎng)線互連起來，但是這樣一臺主機為了和其余的主機通信，那么它必須配置多個網(wǎng)絡(luò)接口和多根網(wǎng)線，顯然該方法不經(jīng)濟。與衛(wèi)星通信中任何兩個地球站通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)通信的方式類似，我們完全可以把多臺計算機全部連接到一臺中心設(shè)備上，讓中心設(shè)備作為中轉(zhuǎn)站完成每兩臺計算機之間的通信，該中心設(shè)備其實就是交換機。

當(dāng)兩臺計算機直接用網(wǎng)線互連時，一臺主機發(fā)出的數(shù)據(jù)必然會傳輸給另外一臺主機，所以不用考慮源主機發(fā)出的數(shù)據(jù)要傳給哪一臺主機的問題。但是，對于連接在交換機上的多臺主機而言，怎么保證從一臺源主機發(fā)出的數(shù)據(jù)能夠去往它要去的目的主機，而不會誤傳給其他主機？為了解決這一問題，就需要給每臺主機分配一個獨立標(biāo)識，該獨立標(biāo)識實際上就是主機的物理地址，一般稱為MAC地址。此時，源主機在給目的主機發(fā)送數(shù)據(jù)之前，通過給待發(fā)送的數(shù)據(jù)添加目的MAC地址控制待發(fā)送數(shù)據(jù)去往目的主機，同時通過給待發(fā)送的數(shù)據(jù)添加源MAC地址用以指明該數(shù)據(jù)來自哪臺源主機。至此，通過MAC地址即可實現(xiàn)由交換機互連起來的局域網(wǎng)內(nèi)任何相鄰的兩臺主機之間的通信。這其實就是數(shù)據(jù)鏈路層的功能之一：實現(xiàn)數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點設(shè)備之間的傳遞。

當(dāng)數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點設(shè)備之間的線路上傳遞時，它容易受到線路上電子熱運動或來自外界的電磁干擾，從而導(dǎo)致目的主機可能會收到錯誤的數(shù)據(jù)。為此，目的主機必須具備判斷收到的數(shù)據(jù)是否出錯的能力，這其實就是數(shù)據(jù)鏈路層的差錯檢測功能。源主機的數(shù)據(jù)鏈路層模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，它將會采取類似給數(shù)據(jù)貼上 “封條”的操作。當(dāng)目的主機收到數(shù)據(jù)后，它的數(shù)據(jù)鏈路層模塊通過檢測“封條”是否損壞就可以判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出錯。由此，我們總結(jié)出數(shù)據(jù)鏈路層的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點之間的傳遞，同時對數(shù)據(jù)進行差錯檢測。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層功能

通過對數(shù)據(jù)鏈路層功能的闡述，我們知道局域網(wǎng)中某臺源主機給該網(wǎng)絡(luò)中另外一臺目的主機發(fā)數(shù)據(jù)時，它必須要知道目的主機的MAC地址。MAC地址是網(wǎng)卡制造商在生產(chǎn)時就固化到網(wǎng)卡的存儲芯片中，但是每塊網(wǎng)卡都可能被出售到世界各地。所以，在互聯(lián)網(wǎng)上很難通過MAC地址對目的主機進行定位。不過，這并不影響局域網(wǎng)內(nèi)任何兩臺主機之間通過MAC地址實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。因為局域網(wǎng)的覆蓋范圍比較小，所以源主機可以通過廣播的方式獲取處在同一個局域網(wǎng)內(nèi)目的主機的MAC地址，從而實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信。但是，源主機通過廣播方式獲取目的主機MAC地址的方法并不能應(yīng)用于廣域網(wǎng)更不用說互聯(lián)網(wǎng)，因為這會帶來廣播風(fēng)暴。通過以上分析，我們不難看出僅僅依靠數(shù)據(jù)鏈路層和物理層并不能實現(xiàn)世界范圍內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)通信。

為了實現(xiàn)當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信，我們可以從電話網(wǎng)通信獲得啟示。類似電話網(wǎng)通過電話號碼對座機進行定位，在互聯(lián)網(wǎng)上也是給每臺主機分配全網(wǎng)惟一的網(wǎng)絡(luò)地址對主機進行定位，該地址就是IP地址。類似電話號碼由區(qū)號和座機號組成，網(wǎng)絡(luò)里面也是首先給每一個由交換機組建的網(wǎng)絡(luò)分配一個惟一的網(wǎng)絡(luò)號，然后再給該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一臺主機分配一個惟一的主機號。由網(wǎng)絡(luò)號與主機號就組成了IP地址，通過IP地址就可以實現(xiàn)對互聯(lián)網(wǎng)上任何一臺主機的定位。以上所述其實就是TCP/IP模型網(wǎng)絡(luò)層的編址功能。所謂編址是指給網(wǎng)絡(luò)里面的每一臺主機編配全網(wǎng)惟一的IP地址。

由交換機組建的不同局域網(wǎng)之間通過工作在網(wǎng)絡(luò)層的路由器互連起來，通過路由器就實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的互連。如果兩臺主機相距很遠，那么數(shù)據(jù)如何從一臺源主機所在的源網(wǎng)絡(luò)穿越茫茫的互聯(lián)網(wǎng)到達目的主機所在的目的網(wǎng)絡(luò)而不是在網(wǎng)絡(luò)中走丟？與我們開車從一地去往另外一地需要地圖或者導(dǎo)航類似，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)里面從源主機穿越茫茫網(wǎng)絡(luò)到達目的主機，也需要導(dǎo)航，這就需要網(wǎng)絡(luò)層具備給數(shù)據(jù)選擇從源主機到達目的主機路線的能力。通過以上分析，我們得出網(wǎng)絡(luò)層的功能主要是給主機編址以及選擇數(shù)據(jù)從源主機到達目的主機路徑。

1.4 傳輸層功能

通過物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層就能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺主機之間的通信嗎？答案是否定的。其實，網(wǎng)絡(luò)通信的起點和終點都是運行的應(yīng)用程序，運行的應(yīng)用程序稱為應(yīng)用進程。例如，我們通過微信發(fā)送消息時，首先需要打開微信程序，打開的微信程序其實就是微信進程。那么，如何保證一臺源主機上微信進程發(fā)出的數(shù)據(jù)去往目的主機上的微信進程，而不會被錯誤的發(fā)往目的主機上的其他應(yīng)用進程例如網(wǎng)頁瀏覽器？這就需要傳輸層，它實現(xiàn)了兩個應(yīng)用進程之間的通信。通過給通信雙方主機上的應(yīng)用進程進行編號，即可確定發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的應(yīng)用進程，應(yīng)用進程的編號稱為端口號。因此，當(dāng)源進程發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會給待發(fā)送的數(shù)據(jù)添加目的應(yīng)用進程的端口號，以便指明數(shù)據(jù)將要去往的目的應(yīng)用進程。同時，它也會給待發(fā)送的數(shù)據(jù)添加源應(yīng)用進程的端口號，以便指明該數(shù)據(jù)來自哪個源應(yīng)用進程。以上所述其實就是TCP/IP模型傳輸層的功能之一：實現(xiàn)應(yīng)用進程之間的通信。

當(dāng)數(shù)據(jù)穿越茫茫的網(wǎng)絡(luò)向目的主機傳遞時，與郵局傳遞快遞類似，網(wǎng)絡(luò)層并不能保證數(shù)據(jù)能夠不出差錯的到達目的主機。自然，網(wǎng)絡(luò)層也就無法保證數(shù)據(jù)能夠正確的到達目的應(yīng)用進程。但是對于某些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進程而言，例如瀏覽網(wǎng)頁、發(fā)送電子郵件、下載文件，實現(xiàn)此類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的應(yīng)用進程要求數(shù)據(jù)必須準確無誤的從源進程傳輸?shù)侥康膽?yīng)用進程。為了給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進程提供可靠傳輸服務(wù)，傳輸層除了具備實現(xiàn)應(yīng)用進程之間通信的功能，還需要具備為應(yīng)用進程提供可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。此外，傳輸層還需要解決源應(yīng)用進程與目的應(yīng)用進程之間發(fā)收數(shù)據(jù)能力不匹配的問題，否則會出現(xiàn)源應(yīng)用進程發(fā)送大量數(shù)據(jù)將目的應(yīng)用進程淹沒的情況出現(xiàn)，這必然會導(dǎo)致目的應(yīng)用進程因為來不及接收源應(yīng)用進程后續(xù)發(fā)過來的數(shù)據(jù)而選擇丟棄數(shù)據(jù)。傳輸層匹配收發(fā)進程之間數(shù)據(jù)收發(fā)能力的功能稱為流量控制功能。除此之外，傳輸層還要考慮當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點發(fā)送擁塞了，源應(yīng)用進程需要抑制發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，以免網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度進一步上升從而造成通信的中斷。因此，傳輸層還需要具備擁塞控制功能。綜上所述，我們總結(jié)傳輸層的主要功能是：實現(xiàn)應(yīng)用進程之間的通信、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸、流量控制與擁塞控制。

1.5 應(yīng)用層功能

從前文可知，網(wǎng)絡(luò)通信的起點與終點都是應(yīng)用進程。與寫信需要規(guī)范書寫的格式類似，應(yīng)用進程之間在交互數(shù)據(jù)時也需要規(guī)范雙方的交換行為。例如，源應(yīng)用進程發(fā)出的數(shù)據(jù)格式是文字、圖片還是音視頻？該數(shù)據(jù)是否被加密，采用何種加密方法？該數(shù)據(jù)是否被壓縮，采用何種壓縮方法？如此等等。為了規(guī)范通信雙方應(yīng)用進程之間的數(shù)據(jù)交互，就需要TCP/IP模型中的應(yīng)用層。應(yīng)用層正是通過這一功能為各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進程提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，從而最終為我們提供了海量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，最終造就了今天繁榮的互聯(lián)網(wǎng)時代。

2 結(jié)語

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)正處在高速發(fā)展階段，各類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層出不窮。不管互聯(lián)網(wǎng)的未來如何發(fā)展演進，互聯(lián)網(wǎng)運行的底層機制也就是TCP/IP模型其實一直未變。正是通過TCP/IP模型各層功能的實現(xiàn)才實現(xiàn)了世界范圍內(nèi)的互聯(lián)互通，才讓我們享受到互聯(lián)網(wǎng)時代帶來的種種紅利。本文從實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)世界里主機之間的通信出發(fā)，詳細闡述了TCP/IP模型各層的功能，以期為關(guān)心互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的人士提供看待高速發(fā)展變化互聯(lián)網(wǎng)的底層運行視角。

參考文獻

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