计算机网络的各种协议

计算机网络的各种协议

网络层

网际协议

TCP/IP

互联网协议族（英语：Internet Protocol Suite，缩写IPS）[1]是一个网络通信模型，以及一整个网络传输协议家族，为互联网的基础通信架构。它常被通称为TCP/IP协议族（英语：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），简称TCP/IP[2]。因为该协议家族的两个核心协议：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议），为该家族中最早通过的标准[3]。由于在网络通讯协议普遍采用分层的结构，当多个层次的协议共同工作时，类似计算机科学中的堆栈，因此又被称为TCP/IP协议栈（英语：TCP/IP Protocol Stack）[4][5] 。这些协议最早发源于美国国防部（缩写为DoD）的ARPA网项目，因此也被称作DoD模型（DoD Model）[6]。这个协议套组由互联网工程任务组负责维护。

TCP/IP提供点对点的链接机制，将数据应该如何封装、定址、传输、路由以及在目的地如何接收，都加以标准化。它将软件通信过程抽象化为四个抽象层，采取协议堆栈的方式，分别实现出不同通信协议。协议套组下的各种协议，依其功能不同，被分别归属到这四个层次结构之中[7][8]，常被视为是简化的七层OSI模型。

ARP

地址解析协议（Address Resolution Protocol），其基本功能为透过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。它是IPv4中网络层必不可少的协议，不过在IPv6中已不再适用，并被邻居发现协议（NDP）所替代。

在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。而在TCP/IP协议中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是ARP协议要做的事情。所谓地址解析（address resolution）就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。

另外，当发送主机和目的主机不在同一个局域网中时，即便知道目的主机的MAC地址，两者也不能直接通信，必须经过路由转发才可以。所以此时，发送主机通过ARP协议获得的将不是目的主机的真实MAC地址，而是一台可以通往局域网外的路由器的MAC地址。于是此后发送主机发往目的主机的所有帧，都将发往该路由器，通过它向外发送。这种情况称为委托ARP或ARP代理（ARP Proxy）。

在点对点链路中不使用ARP，实际上在点对点网络中也不使用MAC地址，因为在此类网络中分别已经获取了对端的IP地址。

在每台安装有TCP/IP协议的电脑或路由器里都有一个ARP缓存表，表里的IP地址与MAC地址是一对应的，如下表所示。

以主机A（192.168.38.10）向主机B（192.168.38.11）发送数据为例。 1.当发送数据时，主机A会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到就知道目标MAC地址为（00-BB-00-62-C2-02），直接把目标MAC地址写入帧里面发送就可。 2.如果在ARP缓存表中没有找到相对应的IP地址，主机A就会在网络上发送一个广播（ARP request），目标MAC地址是“FF.FF.FF.FF.FF.FF”，这表示向同一网段内的所有主机发出这样的询问：“192.168.38.11的MAC地址是什么？”

3.网络上其他主机并不响应ARP询问，只有主机B接收到这个帧时，才向主机A做出这样的回应（ARP response）：“192.168.38.11的MAC地址是00-BB-00-62-C2-02”，此回应以单播方式。这样，主机A就知道主机B的MAC地址，它就可以向主机B发送信息。同时它还更新自己的ARP高速缓存（ARP cache），下次再向主机B发送信息时，直接从ARP缓存表里查找就可。

ARP缓存表采用老化机制，在一段时间内如果表中的某一行没有使用，就会被删除，这样可以大大减少ARP缓存表的长度，加快查询速度。

NAT

在计算机网络中，网络地址转换（Network Address Translation，缩写为NAT），也叫做网络掩蔽或者IP掩蔽（IP masquerading），是一种在IP数据包通过路由器或防火墙时重写来源IP地址或目的IP地址的技术。这种技术被普遍使用在有多台主机但只通过一个公有IP地址访问因特网的私有网络中。根据规范，路由器是不能这样工作的，但它的确是一个方便并得到了广泛应用的技术。当然，NAT也让主机之间的通信变得复杂，导致通信效率的降低。

在一个典型的配置中，一个本地网络使用一个专有网络的指定子网（比如192.168.x.x或10.x.x.x）和连在这个网络上的一个路由器。这个路由器占有这个网络地址空间的一个专有地址（比如192.168.0.1），同时它还通过一个或多个因特网服务提供商提供的公有的IP地址（叫做“过载”NAT）连接到因特网上。当信息由本地网络向因特网传递时，源地址被立即从专有地址转换为公用地址。由路由器跟踪每个连接上的基本数据，主要是目的地址和端口。当有回复返回路由器时，它通过输出阶段记录的连接跟踪数据来决定该转发给内部网的哪个主机；如果有多个公用地址可用，当数据包返回时，TCP或UDP客户机的端口号可以用来分解数据包。对于因特网上的一个系统，路由器本身充当通信的源和目的地址。

流行在网络上的一种看法认为，IPv6的广泛采用将使得NAT不再需要，因为NAT只是一个处理IPv4的地址空间不足的方法。

IPsec

互联网安全协议（英语：Internet Protocol Security，缩写为IPsec），是一个协议组合，透过对IP协议的分组进行加密和认证来保护IP协议的网络传输协议族（一些相互关联的协议的集合）。

IPsec由两大部分组成：（1）创建安全分组流的密钥交换协议；（2）保护分组流的协议。前者为因特网密钥交换（IKE）协议。后者包括加密分组流的封装安全载荷协议（ESP协议）或认证头协议（AH协议）协议，用于保证数据的机密性、来源可靠性（认证）、无连接的完整性并提供抗重播服务。

ICMP

网络控制消息协定（英文：Internet Control Message Protocol，ICMP）是网路协议族的核心协议之一。它用于TCP/IP网络中发送控制消息，提供可能发生在通信环境中的各种问题反馈，通过这些信息，令管理者可以对所发生的问题作出诊断，然后采取适当的措施解决。

ICMP [1]依靠IP来完成它的任务，它是IP的主要部分。它与传输协议，如TCP和UDP显著不同：它一般不用于在两点间传输数据。它通常不由网络程序直接使用，除了ping和traceroute这两个特别的例子。 IPv4中的ICMP被称作ICMPv4，IPv6中的ICMP则被称作ICMPv6。

IGMP

网路群组管理协议（Internet Group Management Protocol或简写IGMP)是用于管理网路协议多播组成员的一种通信协议。IP主机和相邻的路由器利用IGMP来创建多播组的组成员。像ICMP用于单播连接一样，IGMP也是IP多播说明的一个完整部分。 IGMP为互联网协议的一种，属于开放系统链接(OSI) 模块的第三层协议，IP主机用它将主机的多点发送成员人数报告给临近的多点发送路由器。

路由选择协议

RIP

路由信息协议（英语：Routing Information Protocol，缩写：RIP）是一种内部网关协议（IGP），为最早出现的距离向量路由协定。属于网络层，可以通过不断的交换信息让路由器动态的适应网络连接的变化，这些信息包括每个路由器可以到达哪些网络，这些网络有多远等。

虽然RIP仍然经常的被使用，但大多数人认为它将会而且正在被诸如OSPF和IS-IS这样的路由协议所取代。当然，我们也看到EIGRP，一种和RIP属于同一基本协议类但更具适应性的路由协议，也得到了一些使用。

同一自治系统(A.S.)中的 路由器每 30秒会与相邻的路由器 交换子讯息，以动态的建立路由表。

OSPF

开放式最短路径优先（英语：Open Shortest Path First，缩写为OSPF）是对链路状态路由协议的一种实现，隶属内部网关协议（IGP），故运作于自治系统内部。采用戴克斯特拉算法（Dijkstra’s algorithm）被用来计算最短路径树。它使用“代价（Cost）”作为路由度量。链路状态数据库（LSDB）用来保存当前网络拓扑结构，路由器上属于同一区域的链路状态数据库是相同的（属于多个区域的路由器会为每个区域维护一份链路状态数据库）。OSPF分为OSPFv2和OSPFv3两个版本,其中OSPFv2用在IPv4网络，OSPFv3用在IPv6网络。OSPFv2是由RFC 2328定义的，OSPFv3是由RFC 5340定义的。

OSPF协议是大中型网络上使用最为广泛的IGP（Interior Gateway Protocol）协议。节点在创建邻接，接受链路状态通告（Link-state Advertisement，LSA）时，可以通过MD5或者明文进行安全验证。

OSPF提出了“区域（Area）”的概念，一个网络可以由单一区域或者多个区域组成。其中，一个特别的区域被称为骨干区域（Backbone Area），该区域是整个OSPF网络的核心区域，并且所有其他的区域都与之直接连接。所有的内部路由都通过骨干区域传递到其他非骨干区域。所有的区域都必须直接连接到骨干区域，如果不能创建直接连接，那么可以通过虚链路（virtual link）和骨干区域创建虚拟连接。

同一个广播域（Broadcast Domain）的路由器或者一个点对点（Point To Point）连接的两端的路由器，在发现彼此的时候，创建邻接（Adjacencies）[1]。多路访问网络以及非广播多路访问网络的路由器会选举指定路由器（Designated Router, DR）和备份指定路由器（Backup Designated Router, BDR），DR和BDR作为网络的中心负责路由器之间的信息交换从而降低了网络中的信息流量。OSPF协议同时使用单播（Unicast）和组播（Multicast）来发送Hello包和链路状态更新（Link State Updates），使用的组播地址为224.0.0.5和224.0.0.6。与RIP和BGP不同的是，OSPF协议不使用TCP或者UDP协议而是承载在IP协议之上，IP协议号为89，工作在OSI模型的传输层。

OSPF路由协议是一种典型的链路状态（Link-state）的路由协议，一般用于同一个路由域内。在这里，路由域是指一个自治系统（Autonomous System），即AS，它是指一组通过统一的路由政策或路由协议互相交换路由信息的网络。在这个AS中，所有的OSPF路由器都维护一个相同的描述这个AS结构的数据库，该数据库中存放的是路由域中相应链路的状态信息，OSPF路由器正是通过这个数据库计算出其OSPF路由表的。

作为一种链路状态的路由协议，OSPF将链路状态组播数据LSA（Link State Advertisement）传送给在某一区域内的所有路由器，这一点与距离矢量路由协议不同。运行距离矢量路由协议的路由器是将部分或全部的路由表传递给与其相邻的路由器。

BGP

边界网关协议（英文：Border Gateway Protocol, BGP）是互联网上一个核心的去中心化自治路由协议。它通过维护IP路由表或‘前缀’表来实现自治系统（AS）之间的可达性，属于矢量路由协议。BGP不使用传统的内部网关协议（IGP）的指标，而使用基于路径、网络策略或规则集来决定路由。因此，它更适合被称为矢量性协议，而不是路由协议。

BGP是为了取代外部网关协议（EGP）协议而创建的，允许运行一个完全分散的路由系统，从ARPANET模型的核心路由系统过渡到包括NSFNET骨干网及其相关区域网络的分散系统。这使得互联网成为一个真正的分权制度。自1994年以来，第四版本的BGP在互联网上使用，所有以前的版本现在已经过时不可用。在第4版主要的增强功能是通过支持无类别域间路由和路由聚合来减少路由表的大小。第4版是在早期的 RFC 1771 第4版的基础上编纂，通过20多个草案修改，最终在2006年1月通过形成 RFC 4271 。RFC 4271版本纠正了一些错误，澄清模糊之处，带来了更接近工业级应用标准的RFC行业惯例。

大多数互联网服务提供商（ISP）必须使用BGP来与其他ISP创建路由连接（尤其是当它们采取多宿主连接时）。因此，即使大多数互联网用户不直接使用它，但是与7号信令系统（SS7）相比，即通过PSTN的跨供应商核心响应设置协议，BGP仍然是互联网最重要的协议之一。特大型的私有IP网络也可以使用BGP。例如当需要将若干个大型的开放最短路径优先（OSPF）网络进行合并，而开放最短路径优先协议本身又无法提供这种可扩展性时。使用BGP的另一个原因是其能为多宿主的单个ISP（RFC 1998）或多个ISP网络提供更好的冗余网络。

运输层

TCP

UDP

应用层

基于TCP

HTTP

HTTPS

*FTP

没有提供安全性，逐渐被SFTP取代。

SMTP

简单邮件传输协议 (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP) 是事实上的在Internet传输email的标准。

SMTP是一个相对简单的基于文本的协议。在其之上指定了一条消息的一个或多个接收者（在大多数情况下被确认是存在的），然后消息文本会被传输。可以很简单地通过telnet程序来测试一个SMTP服务器。SMTP使用TCP端口25。要为一个给定的域名决定一个SMTP服务器，需要使用MX (Mail eXchange) DNS。

在八十年代早期SMTP开始被广泛地使用。当时，它只是作为UUCP的补充，UUCP更适合于处理在间歇连接的机器间传送邮件。相反，SMTP在发送和接收的机器在持续连接的网络情况下工作得最好。

Sendmail是最早使用SMTP的邮件传输代理之一。到2001年至少有50个程序将SMTP实现为一个客户端（消息的发送者）或一个服务器（消息的接收者）。一些其他的流行的SMTP服务器程序包括了Philip Hazel的exim，IBM的Postfix， D. J. Bernstein的Qmail，以及Microsoft Exchange Server。

由于这个协议开始是基于纯ASCII文本的，它在二进制文件上处理得并不好。诸如MIME的标准被开发来编码二进制文件以使其通过SMTP来传输。今天，大多数SMTP服务器都支持8位MIME扩展，它使二进制文件的传输变得几乎和纯文本一样简单。

SMTP是一个“推”的协议，它不允许根据需要从远程服务器上“拉”来消息。要做到这点，邮件客户端必须使用POP3或IMAP。另一个SMTP服务器可以使用ETRN在SMTP上触发一个发送。

*Telnet

Telnet协议是一种应用层协议，使用于互联网及局域网中，使用虚拟终端机的形式，提供双向、以文字字符串为主的交互功能。属于TCP/IP协议族的其中之一，是Internet远程登录服务的标准协议和主要方式，常用于网页服务器的远程控制，可供用户在本地主机运行远程主机上的工作。取而代之的是SSH协议。

POP3

基于UDP

TFTP

简单文件传输协议或称小型文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol, TFTP），是一种简化的文件传输协议，于1980年定义。

小型文件传输协议非常简单，通过少量存储器就能轻松实现——这在当时是很重要的考虑因素。所以TFTP被用于引导计算机，例如没有大容量存储器的路由器。现在它仍然被用于在一个网络上主机之间传输小文件，例如从一台网络主机或服务器引导一个远程X Window System终端或其他的瘦客户端。

小型文件传输协议部分基于更早期的文件传输协议，文件传输协议是通用分组协议（PUP Protocol）中的一部分。在TCP/IP协议组早期的工作中，TFTP往往是在一个新的主机类型上首先完成的协议——因为其非常的简单。

最早的小型文件传输协议版本是在RFC 1350之前，显示出相当糟糕的协议缺陷，发现的时候被称为魔术新手症候群。

DHCP

动态主机设置协议（DHCP）是一种使网络管理员能够集中管理和自动分配IP网络地址的通信协议。在IP网络中，每个连接Internet的设备都需要分配唯一的IP地址。DHCP使网络管理员能从中心结点监控和分配IP地址。当某台计算机移到网络中的其它位置时，能自动收到新的IP地址。

DHCP使用了租约的概念，或称为计算机IP地址的有效期。租用时间是不定的，主要取决于用户在某地连接Internet需要多久，这对于教育行业和其它用户频繁改变的环境是很实用的。通过较短的租期，DHCP能够在一个计算机比可用IP地址多的环境中动态地重新配置网络。DHCP支持为计算机分配静态地址，如需要永久性IP地址的Web服务器。

DHCP和另一个网络IP管理协议BOOTP类似。目前两种配置管理协议都得到了普遍使用，其中DHCP更为先进。某些操作系统，如Windows NT/2000，都带有DHCP服务器。DHCP或BOOTP客户端是装在计算机中的一个程序，这样就可以对其进行配置操作。

SNMP

简单网络管理协议（SNMP，Simple Network Management Protocol）构成了互联网工程工作小组（IETF，Internet Engineering Task Force）定义的Internet协议族的一部分。该协议能够支持网络管理系统，用以监测连接到网络上的设备是否有任何引起管理上关注的情况。它由一组网络管理的标准组成，包含一个应用层协议（application layer protocol）、数据库模型（database schema），和一组数据对象。

NTP

（Network Time Protocol），用于时钟同步的基于UDP的应用层协议。

RTP

（Real Time Protocol），用于IP多媒体电话的语音，文字，视频等流体传输，基于UDP的应用层协议。

同时使用两者

DNS

SIP

（Session Initation Protocol），IP电话信令协议，国际电信联盟 ITU协议标准，基于TCP/UDP应用层协议。

H.323

也是IP电话信令协议，国际电信联盟 ITU协议标准，基于TCP/UDP应用层协议

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