2.1 协议概述

学习计算机网络最重要的就是掌握和理解计算机通信使用的协议。对很多学习计算机网络的人来说，计算机通信使用的协议是很不好理解的概念。为此，在讲计算机通信使用的协议之前，先看一份租房协议。

2.1.1 协议简介

大家对于协议并不陌生，大学生走出校门参加工作就要和用人单位签署就业协议，工作后还有可能要租房，需要和房东签署租房协议。下面就通过一个租房协议来介绍签协议的意义以及协议包含的内容，进而介绍计算机通信使用的协议。

如果出租方和承租方不签协议，只是口头约定房租多少、每个月几号交房租、押金多少、家具家电设施损坏谁负责维修，时间一长这些约定双方就可能记不清了，一旦出现某种情况，出租方和承租方认识不一致，就容易产生误解和矛盾。

为了避免纠纷，出租方和承租方就需要签一份租房协议，将双方关心的事情协商一致，写到协议中，双方确认后签字，协议一式两份，双方都要遵守。如果出租方和承租方对签署租房协议没有经验，担心漏掉一些重要的事项，可以从网上找一个公认的标准化的租房协议模板。图2-1所示是一份租房协议模板，约定事项已经定义好，出租方和承租方只需按模板填写指定内容即可。

为了简化填写，租房协议模板还定义了一个表格，如图2-2所示。出租房和承租方在签订租房协议时，只需将信息填写在表格规定的位置，协议的详细条款就不用再填写了。表格中“出租方姓名”“承租方姓名”“身份证”“房屋位置”等称为字段，这些字段可以是定长，也可以是变长。如果是变长，则要定义字段间的分界符。

图2-3所示是根据租房协议模板定义的表格填写的一份具体的租房协议，根据该协议即可知道出租方和承租方、房屋位置、租金、押金等信息，甲乙双方遵循的协议约定事项无须填写，但双方都须遵守租房协议模板的约定事项。

与租房协议模板一样，计算机通信使用的协议也都进行了标准化，即形成了通用模板，有甲方和乙方。计算机通信协议除了定义甲方和乙方需要遵循的约定，还会定义甲方和乙方交互信息时的报文（报文是应用程序通信交换的信息）格式，通常包括请求报文和响应报文的格式。报文格式与图2-2所示格式类似。

在数据通信过程中，使用抓包工具分析数据包时，协议规定的需要通信双方填写的表格和每个字段的值，就类似于图2-3所示的租房协议中填写的各个字段的值。图2-4所示是IPv4协议定义的通信双方需要填写的表格，称其为IPv4首部。网络中的计算机在通信时只需要按照规定填写IPv4首部的内容，通信双方的计算机和途经的网络设备就能够按照IP进行工作。

2.1.2 计算机通信协议

1.协议分层概述

现在互联网中计算机通信使用的协议是一组协议，即TCP/IPv4协议栈。TCP/IPv4协议栈是目前结构最完整、使用最广泛的通信协议。如图2-5所示，TCP/IPv4协议栈中每一个协议都是独立的，每个协议都包含甲方、乙方、目的和协议条款。这一组协议按功能可分为应用层、传输层、网络层、网络接口层，它们共同工作才能实现网络中计算机之间的通信。

TCP/IPv4协议栈既可用于广域网，又可用于局域网，它是Internet/Intranet的基石，其魅力在于可使不同硬件结构、不同操作系统的计算机相互通信。如图2-5所示，其主要协议有传输控制协议（TCP）和网际协议（IPv4）。

2.协议分层的缘由

为什么说计算机通信需要这一组协议呢？怎么来理解分层呢？各层之间又具有怎样的关系呢？下面以网上购物为例进行类比说明。

在网上购物的过程中，商家和顾客之间需要有购物协议，双方需要一直按照购物平台规定的流程完成交易，即商家提供商品；顾客浏览商品，选定商品款式，网上付款；商家发货；顾客收到货后确认收货，货款最终打到商家账户上；顾客如果对收到的商品不满意，还可以退货；购买了商品的顾客可以评价该商品。这就是购物的流程，也可以被认为是网络购物所使用的协议。购物协议的甲方、乙方分别是商家和顾客，购物协议规定了购物流程，即商家能做什么、顾客能做什么、操作顺序是什么。例如，商家不能在付款前发货，顾客不能在未购物的情况下对商品做出评价。这样的“网购协议”就相当于计算机通信使用的一个应用层协议。类似的还有网上订餐、访问网站、收发电子邮件、远程登录等，每一种应用都需要一个应用层协议。

那么，只有购物协议（这一层协议）就能实现网上购物了吗？众所周知，购买的商品还需要快递送货到顾客家中，如果顾客不满意，退货也需要快递给商家。也就是说网上购物还需要快递公司提供物流功能。顺丰快递、圆通快递、中通快递等快递公司实现的均是此类功能，即为网上购物提供物流服务。

值得注意的是，快递公司投递快件也需要有一层协议，即快递协议。快递协议规定了快件投送的流程以及投送快件需要填写的快递单。客户按照快递单的格式，在指定的地方填写收件人和发件人等信息。快递单规定了为实现物流功能需要填写的表格，表格规定了要填写的内容以及位置。快递公司根据收件人所在的城市分拣快递，选择托运路线，到达目标城市后，快递人员根据快递单上的具体地址信息投送快件给收件人。如图2-6所示，IP定义的IP首部就相当于快递公司的快递单，其目的就是把数据包发送到目标地址。

快递公司为网上购物提供物流服务，类似地，TCP/IPv4所包含的4层协议间也有“服务”关系存在，即下层协议为它的上层协议提供服务，具体而言，传输层为应用层提供服务，网络层为传输层提供服务，网络接口层为网络层提供服务。

图2-7描述了TCP/IPv4协议栈的分层和每层协议的作用范围。应用层协议的甲方、乙方是服务端程序和客户端程序，实现应用程序的功能。传输层协议的甲方、乙方分别位于通信的两个计算机中，TCP为应用层协议实现可靠传输，UDP为应用层协议提供报文转发服务。网络层协议中的IP为数据包跨网段转发选择路径，IP是多方协议，包括通信的两台计算机和沿途经过的路由器。数据链路层负责将网络层的数据包从链路的一端发送到另一端，同一链路上的设备是数据链路层协议的对等实体，数据链路层协议的作用范围是一段链路，不同类型的链路有不同的数据链路层协议。如图2-7所示，以太网使用CSMA/CD协议，点到点链路使用点到点协议（Point to Point Protocol，PPP）。

3.协议分层的好处

下面介绍将计算机通信协议分层的好处。

（1）各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层如何实现，而仅需知道该层通过层间接口所提供的服务。上层对下层来说就是要处理的数据，如图2-8所示。

（2）灵活性好。每一层有所改进和变化，不会影响其他层。比如IPv4实现的是网络层功能，现在升级为IPv6，实现的仍然是网络层功能，传输层的TCP和UDP不用做任何变动，数据链路层使用的协议也不用做任何变动。如图2-9所示，计算机可以使用TCP/IPv4和TCP/IPv6进行通信。

（3）各层都可以采用最合适的技术来实现。比如适合布线的就使用双绞线连接网络，有障碍物的就使用无线覆盖。

（4）促进标准化工作。路由器实现网络层功能，交换机实现数据链路层功能，不同厂商的路由器和交换机能够相互连接实现计算机通信，就是因为有了网络层标准和数据链路层标准。

（5）分层后有助于将复杂的计算机通信问题拆分成多个简单的问题，有助于排除网络故障。比如，计算机没有设置网关造成网络故障属于网络层问题，MAC地址冲突造成的网络故障属于数据链路层问题，IE浏览器设置了错误的代理服务器访问不了网站，属于应用层问题。

2.1.3 OSI 7层模型与TCP/IPv4协议栈之间的关系

前面给大家讲的TCP/IPv4协议栈是互联网通信的工业标准。网络刚开始出现时，典型情况下只能在同一制造商制造的计算机产品之间进行通信。20世纪70年代后期，ISO创建了开放系统互连（Open Systems Interconnection，OSI）参考模型（本书称其为OSI 7层模型），从而打破了这一壁垒。

OSI 7层模型将计算机通信过程按功能划分为7层，并规定了每一层实现的功能。这样互联网设备的厂商以及软件公司就能参照OSI参考模型来设计自己的硬件和软件，不同供应商的网络设备之间就能够互相协同工作。

OSI 7层模型不是具体的协议，TCP/IPv4协议栈才是具体的协议。那么怎么理解它们之间的关系呢？例如，国际标准组织定义了汽车参考模型，规定汽车要有动力系统、转向系统、制动系统、变速系统，这就相当于OSI 7层模型定义的计算机通信每一层所要实现的功能。汽车厂商，如奥迪汽车，参照这个汽车参考模型研发自己的汽车，实现了汽车参考模型的全部功能，那么此时的奥迪汽车就相当于TCP/IPv4协议。如果奥迪汽车的动力系统有的使用汽油、有的使用天然气，发动机有的是8缸、有的是10缸，那么实现的功能就都是汽车参考模型的动力系统功能。同样，OSI参考模型只定义了计算机通信每层要实现的功能，而没有规定如何实现以及实现的细节，不同的协议栈实现方法可以不同。

国际标准化组织制定的OSI参考模型中，计算机通信过程被分成了7层，具体介绍如下。

（1）应用层：应用层协议用于实现应用程序的功能，将实现方法标准化就可以形成应用层协议。互联网中的应用有很多，比如访问网站、收发电子邮件、访问文件服务器等，因此，应用层协议也很多。应用层协议应该包含的内容有客户端能够向服务器发送哪些请求（命令）、服务器能够向客户端返回哪些响应、用到的报文格式、命令的交互顺序等。

（2）表示层：表示层为应用层传送的信息提供表示方法。如果应用层传输的是字符文件，则要使用字符集将其转换成数据。如果是图片文件或是应用程序的二进制文件，则要通过编码将其转换成数据。数据在传输前是否压缩、是否加密处理都是表示层要解决的问题。发送端的表示层和接收端的表示层是协议的双方，加密和解密、压缩和解压缩、将字符文件编码和解码都要遵循表示层协议的规范。

（3）会话层：会话层为通信的客户端和服务端程序建立会话、保持会话和断开会话。建立会话：A、B两台计算机之间要通信，就要建立一条会话供它们使用；在建立会话的过程中会有身份验证、权限鉴定等环节。保持会话：会话建立后，通信双方开始传递数据，当数据传递完成后，会话层不一定会立即将这条通信会话断开，它会根据应用程序和应用层的设置对会话进行维护，在会话维持期间，通信双方可以随时使用会话传输数据。断开会话：当应用程序或应用层规定的超时时间到期，或A/B重启、关机，或手动断开会话时，即会断开A、B之间的会话。

（4）传输层：传输层主要为主机之间通信的进程提供端到端（End to End）服务，处理数据报错误、数据报次序错误等传输问题。传输层是计算机通信体系结构中关键的一层，使用了网络层提供的数据转发服务，可以向高层屏蔽下层数据的通信细节，使用户完全不用考虑物理层、数据链路层和网络层工作的详细情况。

（5）网络层：网络层负责数据包从源网络传输到目标网络过程中的路由选择工作。互联网是由多个网络组成的一个集合，正是借助了网络层的路由路径选择功能，才使多个网络之间得以畅通，信息得以共享。

（6）数据链路层：数据链路层负责将数据从链路的一端传到另一端，传输的基本单位为“帧”，并为网络层提供差错控制和流量控制服务。

（7）物理层：物理层是OSI参考模型中的最底层，主要定义了系统的电气、机械、过程和功能标准，如电压、带宽、最大传输距离和其他的类似特性。物理层的主要功能是利用传输介质为数据链路层提供物理传输工作。物理层传输的基本单位是比特流，即0和1，也就是最基本的电信号或光信号。

TCP/IPv4协议栈对OSI参考模型进行了合并简化，其应用层实现了OSI参考模型的应用层、表示层和会话层的功能，并将数据链路层和物理层合并成网络接口层，如图2-10所示。