【Cisco教程】三、网络协议和通信

第 3 章:网络协议和通信

概述

数据网络是由终端设备、中间设备和连接这些设备的介质组成的系统。为了进行通信,这些设备必须知道如何通信。

这些设备必须遵守通信规则和协议。TCP/IP 是典型的协议簇。大部分协议是由 IETF 或 IEEE 等标准组织建立的。电气电子工程师协会是为电气工程和电子领域的工程师设立的专业组织。ISO(国际标准化组织)是为各类产品和服务制定国际标准的全球最大组织。

使用最广泛的网络模型是 OSI 和 TCP/IP 模型。要确定当数据通过 LAN 和 WAN 中的特定点时应该采用哪些设备和服务,将设定数据通信规则的协议与这些模型的不同层相关联非常实用。

数据沿着 OSI 模型的堆栈向下传送,被划分为多个片段并用地址和其他标签进行封装。这些片段解封并沿着目的协议栈向上传递的过程与之相反。OSI 模型描述了对数据进行编码、格式化、分段和封装以便通过网络传输的过程。

TCP/IP 协议簇是一种开放标准协议,已经受到网络行业认可,并已获得标准组织批准或赞同。Internet 协议簇是使用 Internet 发送和接收信息所必需的协议簇。

协议数据单元 (PDU) 根据 TCP/IP 协议簇的协议来命名:数据、数据段、数据包、帧、位。

不同的个人、公司和同业公会可以采用模型分析当前的网络并规划未来的网络。

协议

为进行有效的通信,协议是必需使用的。必须遵守这些规则(即协议),才能成功传递和理解消息。协议必须对以下要求作出说明:

  • 标识出发送方和接收方
  • 通用语言和语法
  • 传递的速度和时间
  • 证实或确认要求

网络通信中使用的协议共享许多基本特质。除了识别源和目的地址之外,计算机和网络协议还定义了消息在网络中如何传输的细节。

消息时序

这些都是消息时序的约定规则。

访问方法

计算机也必须定义访问方法。网络主机需要访问方法来了解开始发送消息的时间以及在发生冲突时响应的方式。

流量控制

时序还影响着可以发送的信息量和发送速度。如果一个人讲话太快,对方就难以听清和理解。在网络通信中,源主机和目的主机使用流量控制方法来协商成功通信的正确时序。

响应超时

如果一个人提问之后在合理的时间内没有得到回答,就会认为没有获得回答并作出相应的反应。此人可能会重复这个问题,也可能继续谈话。网络主机也会使用规则来指定等待响应的时长,以及在响应超时的情况下执行什么操作。

用于规范通信的规则

执行某种通信功能所需的一组内在相关协议称为协议簇。协议簇由主机和网络设备在软件、硬件或同时在这两者中实施。

要形象地表现协议簇中的协议如何互动,最佳方法之一就是将这种互动看成一个堆栈。协议栈展示了协议簇中的单个协议是如何实施的。协议显示为分层结构,每种上层服务都依赖于其余下层协议所定义的功能。协议栈的下层负责通过网络传输数据和向上层提供服务,而上层则负责处理发送的消息内容。

协议交互

Web 服务器和 Web 客户端之间的通信就是多种协议之间进行交互的一个示例。图中所示协议包括:

  • HTTP – 是一种应用程序协议,控制 Web 服务器和 Web 客户端进行交互的方式。HTTP 定义了客户端和服务器之间交换的请求和响应的内容与格式。客户端软件和 Web 服务器软件都将 HTTP 作为应用程序的一部分来实现。HTTP 依靠其他协议来控制客户端和服务器之间传输消息的方式。
  • TCP – 是用于管理单个会话的传输协议。TCP 将 HTTP 消息划分为较小的片段,称为数据段。这些数据段将在目的主机上运行的 Web 服务器和客户端进程之间进行传送。TCP 还负责控制服务器和客户端之间交换的消息的大小和传输速率。
  • IP – 负责从 TCP 获取格式化数据段,将其封装成数据包,为它们分配相应的地址并将其传送到目的主机。
  • 以太网 – 是一种网络访问协议,描述两个主要功能:数据链路上的通信和网络介质中数据的物理传输。网络访问协议负责接收来自 IP 的数据包并将其封装为适合通过介质传输的格式。

协议簇和行业标准

协议簇是提供全面的网络通信服务的一组协议。协议簇可能由标准组织指定或者由供应商开发。

TCP/IP 协议簇是开放标准,意味着这些协议免费向公众提供,而且任何供应商都可以在他们的硬件或软件中实施这些协议。

基于标准的协议是指已经受到网络行业认可并已获得标准组织批准的流程。在开发和实施协议时标准的使用能够确保来自不同制造商的产品实现互操作。如果某家制造商没有严格遵守协议,其设备或软件可能就无法与其他制造商生产的产品成功通信。

某些协议是专有的,意味着由一家公司或厂商控制协议的定义及其运作方式。专有协议的示例包括 AppleTalk 和 Novell Netware,这些是传统协议簇。一家供应商(或一组供应商)开发专有协议以满足其客户需求,之后再促使该协议成为开放标准。这种情况也并不罕见。

TCP/IP 协议簇

如今,TCP/IP 协议簇包括许多协议。图中显示一些较为常用的协议。单击每个协议可查看协议缩略词的翻译及描述。单个协议使用 TCP/IP 协议模型分层组织:应用层、传输层、互联网层和网络接入层。不同的应用层、传输层和互联网层,具有不同的 TCP/IP 协议。网络接入层协议负责通过物理介质传输 IP 数据包。这些较低层的协议由各种标准组织开发。

TCP/IP 协议簇在发送主机和接收主机上都作为 TCP/IP 协议栈来实施,通过网络为应用程序提供端到端传送。以太网协议用于通过 LAN 使用的物理介质传输 IP 数据包。

Internet 标准

标准组织通常是中立于厂商的非营利性组织。它的建立是为了发展和推广开放标准的概念。各个组织在 TCP/IP 协议标准的推广和建立方面具有不同的责任。

  • Internet 协会 (ISOC) – 负责在全世界推进 Internet 的开放式开发、发展和使用。
  • 互联网架构委员会 (IAB) – 负责 Internet 标准的整体管理和发展。
  • 互联网工程任务组 (IETF) – 负责开发、更新和维护互联网和 TCP/IP 技术。 包括用于开发新协议和更新现有协议的流程和文档,称为征求意见 (RFC) 文档。
  • 互联网研究任务组 (IRTF) – 负责 Internet 和 TCP/IP 协议相关的长期研究,包括反垃圾电子邮件研究组(Anti-Spam Research Group,ASRG)、密码技术研究组(Crypto Forum Research Group,CFRG)和对等网络研究组(Peer-to-Peer Research Group,P2PRG)等。
  • 互联网名称与数字地址分配机构 (ICANN) – 总部设在美国,负责协调 IP 地址分配、域名的管理和 TCP/IP 协议中使用的其他信息的分配。
  • 互联网编号指派机构 (IANA) – 负责监督和管理 ICANN 中的 IP 地址分配、域名管理和协议标识符。

OSI 模型与 TCP/IP 模型对比

还可以根据 OSI 参考模型描述构成 TCP/IP 协议簇的协议。在 OSI 模型中,TCP/IP 模型的网络接入层和应用层被进一步划分,用于描述这些协议层需要实现的不同功能。

TCP/IP 协议簇在网络接入层并没有指定通过物理介质传输时使用的协议,而只是描述了从互联网层到物理网络协议的传递。而 OSI 模型第 1 层和第 2 层则论述了接入介质所需的步骤以及通过网络发送数据的物理手段。

OSI 模型第 3 层是网络层,与 TCP/IP 的互联网层形成直接映射。该层用于描述通过网际网络编址并路由消息的协议。

OSI 模型第 4 层是传输层,与 TCP/IP 的传输层形成直接映射。该层描述了可以在源主机和目的主机之间提供有序可靠的数据传输的常用服务和功能。

TCP/IP 应用层包括许多协议,为各种最终用户应用程序提供特定功能。OSI 模型第 5 层、第 6 层和第 7 层供应用程序软件开发人员和厂商参考,用于生产需要在网络上运行的产品。

当涉及各层的协议时,TCP/IP 和 OSI 模型都很常用。由于 OSI 模型将数据链路层与物理层区分开来,当涉及这些较低层时通常使用这种模型。

使用分层模型的优点

使用分层模型来描述网络协议及其工作方式的优点包括:

  • 有助于协议设计,因为对于在特定层工作的协议而言,它们的工作方式及其与上下层之间的接口都已经确定。
  • 促进竞争,因为可以同时使用不同厂商的产品。
  • 避免一个协议层的技术或功能变化影响相邻的其他层。
  • 提供了描述网络功能和能力的通用语言。

如图所示,TCP/IP 模型和开放式系统互联 (OSI) 模型是讨论网络功能时使用的主要模型。它们每个代表一个基本分层网络模型类型:

  • 协议模型 – 这种类型的模型与特定的协议簇结构紧密配合。TCP/IP 模型描述了 TCP/IP 协议簇中每个协议层实现的功能,因此属于协议模型。TCP/IP 也用作参考模型。
  • 参考模型 – 这种类型的模型通过描述特定层需要完成什么但不规定如何完成来保持各类网络协议和服务中的一致性。OSI 模型是一种广为人知的网际网络参考模型,但也是 OSI 协议簇中的一种协议模型。

 

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