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简论TCP/IP
摘要
TCP/IP是TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写,中译名为传输控制协议/因特网互联协议,又名网络通讯协议,我们通常称它为TCP/IP协议族,是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础,由网络层的IP协议和传输层对的TCP协议组成。
70年代中期美国国防部为其ARPANET广域网开发的网络体系结构和协议标准,以它为基础组建的INTERNET是目前国际上规模最大的计算机网络,正因为INTERNET的广泛使用,使得TCP/IP成了事实上的标准。
TCP/IP定义了电子设备如何进入因特网,以及数据如何在它们之间传输的标准。
协议采用了4层的层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求,所以TCP/IP协议层次清晰、功能强大、性能稳定。
TCP/IP协议是网络研究工作者智慧的结晶,很多非常优秀的思想方法在该协议中得到了非常完美的体现。
各种新型应用的技术需求推动着TCP/IP协议的不断发展和进步。
TCP/IP的实时性和可靠性更是现代网络传输的核心,未来的TCP/IP协议的发展会朝着更加快速、更加可靠、更加标准的方向发展。
关键词:
TCP/IP协议;
可靠性;
实时性;
基本技术;
应用发展
简述TCP/IP架构和协议族
1.1、TCP/IP概述
因特网是当今世界上最大的信息网络,自80年代以来,它的应用已从军事、科研与学术领域进入商业、传播和娱乐等领域,并于90年代成为发展最快的传播媒介。
信息传输和网络互连是根据协议进行的,而因特网使用的就是TCP/IP协议。
TCP/IP协议是因特网最基本的协议,是因特网的基础。
TCP/IP的全称是TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写,中文译为传输控制协议/因特网互联协议。
1969年,因特网的前身阿帕网(aprtnet),诞生之初仅连接了4台计算机,供科学家们进行计算机联网实验用。
到70年代,aprtnet已经有了好几十个计算机网络,但是每个网络只能在网络内部的计算机之间互联通信,不同计算机网络之间仍然不能互通。
卡恩于1973年提出开放的网络结构的思想。
所谓开放的网络结构,指的是任何类型的网络都可以通过“网络互联结构”与其他网络连接,这是因特网的核心技术思想。
为了适应开放的网络结构环境的需要,瑟夫与卡恩共同开发了TCP/IP协议,并于1974年正式提出。
TCP/IP是实不同网络互联的标准,成功地解决了不同硬件平台、不同网络产品和不同操作系统之间的兼容性问题。
TCP/IP协议定义了电子设备如何连入因特网,以及数据如何在它们之间传输的标准,它是因特网事实上的国际标准。
协议采用了4层的层级结构,层次由低到高依次为:
网络接口层、网络层、传输层、应用层。
每一层都调用它的下层所提供的服务来完成自己的
1.2、TCP/IP架构及协议族
TCP/IP是网络中使用的基本的通信协议。
虽然从名字上看TCP/IP包括两个协议,传输控制协议(TCP)和网际协议(IP),但TCP/IP实际上是一组协议,它包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP、TFTP等许多协议,这些协议一起称为TCP/IP协议。
TCP/IP由四个层次组成:
数据链路层、网络层、传输层、应用层。
(1)数据链路层
这是TCP/IP软件的最低层,负责接收IP数据报并通过网络发送之,或者从网络上接收物理帧,抽出IP数据报,交给IP层。
(2)网络层
负责相邻计算机之间的通信。
其功能包括三方面:
a、处理来自传输层的分组发送请求,收到请求后,将分组装入IP数据报,填充报头,选择去往信宿机的路径,然后将数据报发往适当的网络接口。
b、处理输入数据报:
首先检查其合法性,然后进行寻径--假如该数据报已到达信宿机,则去掉报头,将剩下部分交给适当的传输协议;
假如该数据报尚未到达信宿,则转发该数据报。
c、处理路径、流控、拥塞等问题。
(3)传输层
提供应用程序间的通信。
其功能包括:
a、格式化信息流;
b、提供可靠传输。
为实现后者,传输层协议规定接收端必须发回确认,并且假如分组丢失,必须重新发送。
(4)应用层
向用户提供一组常用的应用程序,比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。
远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。
TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。
文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。
TCP/IP的数据传输
2.1、数据传输的可靠性
我们知道因特网的网络层服务是不可靠的,即通过IP传输的数据可能出现差错、丢失、乱序或重复。
TCP在IP的不可靠的尽最大努力服务的基础上实现了一种可靠数据传输服务,保证数据无差错、无丢失、按序和无重复的交付。
TCP协议先对数据编号与确认,TCP把应用层交下来的长报文看成一个个字节组成的数据流,并使每一个字节对应一个序号。
在连接建立时,双方TCP各自确定初始序号。
当TCP发送一报文段时,它同时在自己的重传队列中存放这段报文的副本,若收到确认,则删除此副本,若在规定的时间内没有收到确认,则会重传这个报文段的副本。
接收方若收到有差错的报文段就丢弃(不发送否认信息),若收到重复的报文段,也要丢弃,但要发回确认信息。
基于前面提到的重传方式主要有两种,一种是超时触发重传,还有一种就是快速重传。
当一个报文段丢失时,超时触发重传会迫使发送发等待很长时间才重传丢失的报文段,增加了端到端的延时。
然后快速重传是由于一个报文段的丢失引起多方连续收到重复的确认,快速判断报文段可能已经丢失,然后进行重传。
实际上,快速重传就是基于这种原理对超时触发重传的补充和改进。
那么作为数据传输的可靠性,得需要一个可靠的连接。
这个就是TCP的连接建立。
连接建立首先要解决三个问题:
一、要使每一方能够确知对方的存在。
二、要允许双方协商一些数据。
三、能够对运输实体资源进行分配和初始化。
建立连接的方式使用的是三次联络,就是通常说的“三次握手”。
首先主机A向主机B的TCP发送连接请求报文段,主机B的TCP收到连接请求后,如同意,则发回连接请求确认。
主机A的TCP在收到主机B接受请求的确认后,还要向B给出确认。
这样的连接方式为了防止已失效的连接请求报文段突然又传到主机B,而产生错误。
2.2、数据传输的实时性
数据的实时性传输,除了TCP提供全双工通讯方式,主要使用了UDP用户数据报协议。
(1)、UDP是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接,减少了开销和发送数据之前的时延。
(2)、UDP使用的是尽最大努力交付,既不保正可靠性交付,同时也不使用流量控制和拥塞控制,因此主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态表。
(3)、由于没有UDP没有拥塞控制,网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。
(4)、UDP是面向报文的。
这就是说,UDP的应用程序交下来的报文不在划分成若干个分组来发送,也不把若干个报文合并后再交给应用程序。
因此,应用程序必须选择大小合适的报文。
(5)、UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通讯。
(6)、用户数据报只有8个字节的首部开销,比TCP的20个字节的首部要短很多。
TCP/IP的基本技术
3.1TCP/IP的拥塞控制
计算机网络在过去的十几年中经历了爆炸式的增长,随之而来的是越来越严重的拥塞问题.例如由于本地缓存溢出,Internet网关会丢弃约l0%的数据包,据统计,Internet上95%的数据流使用的是TCP/IP协议,Internet主要互连协议的TCP/IP的拥塞控制(congestioncontrol)机制对控制拥塞具有特别重要的意义.拥塞控制是确保Internet鲁棒性(robustness)的关键因素,因此成为当前网络研究的一个热点问题。
网络产生拥塞的根本原因在于用户(或叫端系统)提供给网络的负载(load)大于网络资源容量和处理能力(overload).表现为数据包时延增加、丢弃概率增大、上层应用系统性能下降等.图l显示了拥塞发生的情况。
图1
拥塞产生的直接原因有以下3点:
(l)存储空间不足.几个输入数据流需要同一个输出端口,在这个端口就会建立排队.如果没有足够的存储空间存储,数据包就会丢弃.对突发数据流更是如此.增加存储空间在某种程度上可以缓解这一矛盾,但如果路由器有无限存储量时,拥塞只会变得更坏,而不是更好,因为在网络里数据包经过长时间排队完成转发时,它们早已超时,源端认为它们已经被丢弃,而这些数据包还会继续向下一个路由器转发,从而浪费网络资源,加重网络拥塞。
(2)带宽容量不足.低速链路对高速数据流的输入也会产生拥塞.根据香农信息理论,任何信道带宽最大值即信道容量C=Blog2(l+S/N)(N为信道白噪声的平均功率,S为信源的平均功率,B为信信道容量)如果R>
C,则在理论上无差错传输就是不可能的,所以在网络低速链路处就会形成带宽瓶颈,当其满足不了通过它的所有源端带宽要求时,网络就会发生拥塞。
3.2利用ping命令排查网络故障
3.2.1Ping概述
Ping是Windows系列操作系统自带的一个可执行命令。
利用它可以检查网络是否能够连通,可以很好地帮助我们分析判定网络故障。
该命令只有在安装了TCP/IP协议后才可以使用。
Ping命令的主要作用是通过发送数据包并接收应答信息来检测两台计算机之间的网络是否连通。
当网络出现故障的时候,可以用这个命令来预测故障和确定故障地点。
Ping命令成功只是说明当前主机与目的主机之间存在一条连通的路径。
如果不成功,则考虑:
网线是否连通、网卡设置是否正确、IP地址是否可用等。
Ping能够以毫秒单位显示发送回送请求到返回回送应答之间的时间量。
如果应答时间短,表示数据报不必通过太多的路由器或网络连接速度比较快。
Ping还能显示TTL(TimeToLive存在时间)值,你可以通过TTL值推算一下数据包已经通过了多少个路由器:
源地点TTL起始值(就是比返回TTL略大的一个2的乘方数)-返回时TTL值。
例如,返回TTL值为119,那么可以推算数据报离开源地址的TTL起始值为128,而源地点到目标地点要通过9个路由器网段(128-119);
如果返回TTL值为246,TTL起始值就是256,源地点到目标地点要通过9个路由器网段。
通过ping命令首先检查本机TCP/IP协议以及网卡有没有安装好,然后看网关服务器是不是好的,如果这些都是好的,那就检查远程计算机是不是好的,这样由近及远逐步排查,最终排查出网络故障确切位置。
3.2.2利用ping命令排查网络故障
如果使用Ping命令Ping对方计算机,没有Ping通,那么就是出现故障了。
下面我们就来看看如何利用Ping命令排查故障。
(1)在网络没有问题,却无法Ping通时可能有以下一些情况。
①网线故障。
有两种情况,一种情况是网线坏了,另一种情况网线没插紧。
②访问控制。
不管中间跨越了多少跳,只要有节点(包括端节点)对ICMP进行了过滤,Ping不通是正常的。
最常见的就是防火墙的行为。
③中间节点太多,直至TTL为0。
(2)确实出现故障,应按一下命令顺序操作以排查网络故障。
3.3IPv4/IPv6混合组网技术介绍
3.3.1双栈
双栈并不是一个新概念.比如许多主机既支持到Interne的连接能力。
也支持连接到使用早期版本的NovellNetware(在Netware5中。
IP已代替IPX作
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