1.3 网络协议

本节开始讲述网络中最重要的知识——网络协议，前面已经说过，网络中的计算机之间进行通信的时候，它们之间必须使用同一种都能够理解的语言，这种语言就是我们所说的网络协议。从根本上来说协议就是网络的语言，而且只有理解这些语言的计算机才能够与其他计算机进行通信。也正是有了协议，才能使得不同厂商生产的不同类型的网络设备互相通信，实现资源共享。因此，从某种意义上说，协议就是网络的本质。

1.3.1 协议的种类

协议存在于我们使用的各种网络软件中，它们定义了通过网络进行通信的规则，因此接收方和发送方同层的协议必须一致，否则一方将无法识别另一方发出的信息，下面笔者就对常见的网络协议进行简单的介绍。

1.TCP/IP协议

TCP/IP是“Transmission Control Protocol/Internet Protocol”的简写，其中文名称为“传输控制协议/Internet协议”，一般也称为网际通信协议，实际上是TCP协议和IP协议的协议集。它主要应用在Internet网络通信中，TCP/IP是Internet的基础协议。

该协议规范了网络上所有通信设备的通信方式，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。其中提供可靠数据传输的协议称为TCP传输控制协议，好比发信时的信封，用来保证数据在传输过程中不会丢失，而提供无连接数据报服务的协议称为IP网络协议，这就好像收发货人的地址和姓名，保证数据能够正确到达指定的地点。

在接收端，当收到该消息后，首先在该TCP包中解开“包装”，取出相应的数据，并按照发送前的顺序进行还原，并加以校验，如果在校验过程中发现错误，TCP 会要求重发该数据。因此，可以看出无论传输数据有多远，信息都可以无差错地传送数据。对于普通用户来说，一般并不需要了解网络协议的整个结构，仅仅需要了解IP的地址格式，就可以与世界各地进行网络通信。

TCP/IP使用唯一的IP地址进行通信。首先需要获取IP地址，一般来说，获取IP地址时有静态IP和动态获取两种。如果我们要查看机器的IP地址，可以按照下述步骤：

（1）单击“开始”菜单，单击“控制面板”选项进入控制面板，并双击“网络连接”图标，如图1-9所示。

（2）右键单击“本地连接”，并单击“属性”，出现“本地连接属性”对话框，如图1-10所示。

（3）在“常规”选项卡中，双击“Internet协议（TCP/IP）”项，弹出“Internet协议（TCP/IP）属性”对话框。

（4）如果所有文本框都为灰色，那么说明IP地址是自动获取的。如果里面标有数字，那么就是静态IP地址，如图1-11所示的对话框即为静态IP地址。

对于 IP 地址，会在后面章节中有详细的介绍，读者只要在此处明确如何确定自己的 IP地址是静态分配还是动态获取就可以了。

2.IPX/SPX协议

IPX/SPX是“Internet work Packet Exchange/Sequential PacketExchange”的简写，其中文名称为“互连网包交换/顺序包交换协议”，我们一般也称之为局域网通信协议，其同样是IPX协议和SPX协议的协议集。IPX协议最早是基于施乐的XEROX’s Network System（XNS）协议而成，SPX则是基于施乐的XEROX’s SPP（Sequenced Packet Protocol：顺序包协议）协议，它们都是由Novell公司开发出来应用于局域网的一种高速协议。

IPX/SPX协议与TCP/IP的最大不同就是不使用IP地址，而是使用网卡的MAC物理地址进行唯一标识。因为具有这种特性，所以其传输速度非常快，而且在实际使用中，基本不需要做任何设置，只要安装后就可以正常使用。举个最简单的例子，我们在局域网中玩联机游戏时，必须要安装该协议才能联机，这也是该协议在局域网中的典型应用。在早期互连网尚未普及的时候，该协议发挥了巨大的作用，很多软件和硬件生厂商都支持该协议，直到现在也有广泛的应用。

在Windows XP中，如果要安装该协议，请按下列步骤操作：

（1）按前述步骤出现图1-10，而后在该界面中单击“安装…”按钮，出现如图1-12所示的对话框。

（2）双击“协议”，出现如图1-13所示对话框，在右侧选中“NWLink IPX/SPX/NetBIOS Compatible Transport Protocol”，单击“确定”按钮，此时可以看到“本地连接属性”对话框增加了几个条目，如图1-14所示的对话框。

（3）依次关闭对话框就完成了该协议的安装。

3.NetBEUI协议

NetBEUI是“NetBIOS Enhanced User Interface”的简写，其中文名称为“NetBIOS增强用户接口”，它是NetBIOS协议的增强版本。该协议曾被许多操作系统采用，例如Windows 9x系列、Windows NT等。

NetBEUI 协议相比其他的协议更为精简，通信效率更高，安装后也不需要进行设置就可以使用，在Windows中特别适用于“网上邻居”传输数据。但由于NetBEUI没有路由能力，而且是一种广播型的协议，所以该协议不能从一个局域网经路由器到另一个局域网，所以不能适应较大的网络。所以该协议只能在单个局域网内使用。在 Windows 中，一般 NetBEUI协议和IPX/SPX协议是同时进行安装的。

4.HTTP超文本传输协议

HTTP是“Hypertext Transfer Protocol”的简称，其中文翻译为“超文本传输协议”。这是上网时最经常使用的一种协议，如果将TCP/IP协议看作是我们上网时的后台功臣，那么HTTP就是我们上网的前台英雄。较为简单的就是任何一个网址都形如“http://www.simble.com”这种形式，其中“http://”就是表明我们要使用HTTP超文本传输协议进行通信，www.simble.com则是域名地址，如图1-15所示。

HTTP应用协议是运行在TCP/IP协议之上的，当在一个HTML文件中单击了一个超级链接后，浏览器就会向服务器发送 HTTP 请求，该请求经过解释后，被送往由 IP 地址指定的URL地址，在进行必要的操作后回送所要求的文件。由此就实现了从一个地址到另外一个地址的“链接”，因为这种中转方式不同于传统的链接方式，所以一般称之为“超级链接”。

5.FTP协议

FTP是“File Transfer Protocol”的简称，其中文名称为“文件传输协议”，该协议是在计算机和网络之间交换文件的最简单的方法。在日常使用网络需要下载文件时，一般有两种方式，一种是通过网站地址下载，另外一种则是使用FTP客户端进行下载。这里的FTP客户端就是依托于FTP协议而形成的软件。该协议与其他协议不同的是该协议可以允许用户将自己的文件“上传”到服务器中，而其他协议是做不到的。

在使用FTP时，可以使用非常简单的DOS程序“Ftp.exe”，也可以使用IE，或者使用由第三方提供的图形界面的FTP如Cute FTP等，来删除、重命名、移动、复制服务器上的文件。

而匿名 FTP 则是指用户在登录时不必输入专门的用户名和口令，就可以使用 FTP 和Anonymous作为用户名进行登录，通常可使用任何口令或只空密码，图1-16就是使用IE登录FTP服务器时的界面。

6.POP3和SMTP邮件传送协议

在注册电子邮件的时候，如果所使用的电子邮件允许本地接收邮件，那么在注册成功后，页面中会给出 POP3 和 SMTP 地址，如网易的 POP3 地址为：pop.163.com，SMTP 地址为smtp.163.com，如果单纯使用IE登录邮箱，这两个地址并没有什么用，但是如果要使用Outlook等来接收邮件，那么这两个地址就非常有用了。简言之，通过这两个协议可以将电子邮件通过客户端直接接收到用户计算机中，而无须登录网站。

POP3和SMTP是成对出现的，POP3用于接收电子邮件，而SMTP用于发送电子邮件， POP3是“Post Office Protocol Version 3”的简称，其中文名称为“邮局传输协议”。SMTP是“Simple Mail Transfer Protocol”的简称，其中文名称为“简单邮件传送协议”。

二者的工作过程基本是这样的：

首先是发送端使用 POP3 协议将电子邮件发出，由服务器接收并保存该邮件，在一定时间之后，当接收端的电子邮件接收程序检查邮箱时发现有邮件存在，就会使用SMTP协议下载该邮件，从而实现电子邮件的发送和接收。

说到这，想必读者已经明白为什么 Outlook 需要这两个地址了吧，这两个地址实际上就是告诉Outlook发邮件时发送到什么地方，接收时到什么地方接收。Outlook中的设置是如图1-17所示的对话框。

7.UDP数据报文协议

UDP是“User Datagram Protocol”的简称，中文名称为“用户数据报文协议”。这个协议主要定义在互连网环境中提供包交换的通信协议。该协议属于TCP/IP协议的下层协议。因此UDP协议是TCP的另外一种方法，同样使用IP协议来获得数据。

与TCP不同的是，UDP协议并不提供数据包的分组和重新排列，也就是说UDP并不具备校验功能。所以这种方式虽然简单，但是如果发送方发出的数据包，因为某种原因在到达接收方时出现了错误，那么接收方同样也会接收这个错误的数据。这也就是说程序必须自己确定信息能否完全正确地到达目的地。

对网络程序来说，如果要求加快处理速度，那么UDP要比TCP有更多的优势。UDP使用不同的端口号来区别不同的用户请求。在实际应用中，QQ所使用的就是UDP协议。因此，根据上述描述，我们只要过滤掉QQ的通信端口就可以防止QQ的通信了。

8.DHCP协议

DHCP是“Dynamic Host Configuration Protocol”的简写，其中文名称为“动态主机配置协议”。该协议用于在TCP/IP协议网络中的客户机能否自动从服务器端获得IP地址。

一般来说DHCP的分配需要有一台服务器，这台服务器称为DHCP服务器，其本身会设置一个地址池，每一个连入该网络的客户机都从服务器获取一个独立的IP地址，而一旦该地址分配后，服务器就会在地址池中标识该IP地址已被使用，不再被分配。

当客户机脱离该网络后，服务器就会将该IP地址收回，再次放入地址池中，供服务器将该IP分配给其他客户机。

DHCP协议在安装TCP/IP协议和使用TCP/IP协议进行通迅时，必须配置IP地址、子网掩码、默认网关三个参数，这三个参数可以手动配置，也可以使用DHCP自动配置。

DHCP技术使得少量的IP地址可以得到充分的应用，DHCP的典型应用就是日常使用的ADSL，因为ADSL并不是每时每刻都有用户接入，所以没有必要为每一个用户都准备一个专用的IP地址。

当使用ADSL拨号成功后，接入商会分配给ADSL一个临时的IP地址，从而保证用户可以正常接入互连网，此时该IP地址归我们单独使用，当断开再次联入互连网时，服务器会将该IP地址收回的同时再次分配一个新的IP，所以ADSL就又会获得一个IP地址，这也是为什么几乎每次接入IP地址都不同的原因。

1.3.2 OSI七层参考模型

OSI七层参考模型是讲解协议必须要涉及的内容，那么如何安装、管理和实现协议的功能才能使网络系统有条不紊地、高效率地工作呢？OSI七层参考模型就是了解这些知识的根源所在。

为了研究和使用方便，习惯上把网络通信的复杂过程抽象成为一种层次结构的模型，其中网络的ISO国际标准化组织所贡献的开放系统互连OSI（Open System Interconnection）参考模型是一种七层网络通信模型格式，通常称为“七层模型”。该标准的颁布促使所有的计算机网络走向标准化，从而具备了互连的条件。因此OSI参考模型最终被开发成为全球性的网络结构，其模型结构如图1-18所示。

下面我们对OSI七层参考模型的每一层分别进行介绍。

第一层：物理层

物理层是OSI参考模型的最低层，也是OSI模型的第一层，它利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接。主要任务是在通信线路上传输数据比特的电信号。物理层保证数据在目标设备上以源设备发送时同样的方式进行读取。

该层该规定了建立和保持物理连接的电子电气、机械特性以及实现的手段。例如该层规定了电缆的电压量值以及信号在发送时如何转换成为“0”、“1”和信号的发送顺序等。

第二层：数据链路层

数据链路层通过物理网络链路提供可靠的数据传输。这一层将数据分解成为帧，然后按照顺序传输该帧，并负责处理接收端发回的确认帧的信息，即提供可靠的数据传输。

数据链路层用来启动、断开链路，并提供信息流控制、错误控制和同步等功能。它在物理层传送的比特流的基础上，负责建立相邻节点之间的数据链路，提供节点到节点之间的可靠的数据传输。该层除了将接收到的数据封装成数据帧再传送之外，还通过CRC校验等方法捕获和改正检测到的帧中的数据位错误。数据链路层主要完成的功能为：

● 数据链路的建立、维护与释放工作。

● 将数据转换为数据帧。

● 数据帧传输顺序的控制。

● 差错检测与控制。

● 数据流量控制。

第三层：网络层

网络层是OSI模型的第三层，它负责通过网络传输数据，负责在源和终点之间建立连接。通常在这一层数据被转换为数据报文。然后通过网络寻径、分段组合等控制，将信息从一台网络设备传送到另外一台网络设备。

网络层从源主机那里接收报文，同时将报文转换为数据包，并确保这些数据包直接发往目标设备。网络层还负责决定数据包通过网络的最佳路径。

网络层主要完成的功能是：

● 通过路径选择将信息从最合适的路径由发送端传送到接收端。

● 将数据转换为数据包。

● 网络连接的建立和管理。

第四层：传输层

传输层是OSI模型的第四层，它提供会话层和网络层之间的传输服务，这种服务从会话层获得数据，并在必要时对数据进行分割。然后传输层将数据传递到网络层，并确保数据能正确无误地传送到网络层。

传输层负责提供两个节点之间的数据的可靠传送，当两个节点已经建立连接后，传输层就会在数据传送过程中负责监督。

传输层的目的是向用户透明地传送报文，它向网络层屏蔽了下层数据通信的细节。当网络发送大量数据时，必须将数据分割成小段的信息，由于网络层的数据包在路由的过程中采用数据包的方式，因此，很多数据在到达目的地时，很可能处于无序状态，所以传输层在将数据发送到会话层之前需要重新进行排序。

传输层完成的主要功能为：

● 分割和重组数据。

● 提供可靠的点到点的服务。

● 使用面向连接的数据传输。

第五层：会话层

会话层用来建立、管理和终止表示层与实体之间的通信会话。它是应用程序和网络之间的接口，该层最重要的功能就是允许用户在设备之间建立会话连接，而且该会话关系一旦建立，就会由该层对该会话进行必要的管理。

在建立会话的过程中，用户可以按照设备的工作方式建立会话，比如半双工、单工和全双工的方式。当建立会话时，用户必须提供他们想要连接的远程地址，而这些地址与网卡的MAC 地址或者网络 IP 地址是不同的，他们专门为用户专门设计了一种方式，比如域名就是一种网络上使用的远程地址，如“http://www.simble.com”。

会话层主要完成的功能为：

● 允许用户在设备之间建立、维护、终止会话。

● 管理会话。

● 使用远程地址进行连接。

第六层：表示层

表示层是OSI模型的第六层，主要功能是协商和建立数据交换的格式，解决数据之间交换时的各种不同差异。并且该层还负责数据的加密、压缩、字符转换等。

表示层在进行格式转换时为了避免格式识别问题，一般采用标准的图像、声音和视频格式。通过使用这些标准格式，不同类型的计算机系统可以相互交换数据。比如文本一般采用ASCII（American Standard Code for Information Interchange）美国标准信息交换码。对于解压缩和加密也同样如此，均采用标准数据压缩、加密模式，从而确保原始设备上被压缩的数据可以在目标设备上正确地解压、解密。

表示层主要完成的功能是：

● 建立数据交换格式。

● 处理各种数据的转换。

● 对数据进行压缩和解压缩。

● 对数据进行加密和解密。

第七层：应用层

应用层是最接近终端用户的OSI层，该层是用户应用程序和网络之间的接口。这就意味着OSI应用层与用户之间是通过应用软件直接相互作用的。这一层允许用户使用网络中的应用程序传输文件、发送电子邮件、即时通信等各种工作。

应用层主要是负责网络中的应用程序与网络操作系统之间的联系，其中包括建立和结束使用者之间的关系，同时监督、管理相互连系起来的应用程序所使用的应用资源。

有很多Windows服务也运行在这一层上，比如文件传送、网络管理、电子邮件服务等。值得注意的是，这一层并不包含具体的应用程序本身，这些应用软件程序超出了OSI模型的范畴，不属于我们现在讨论的范围之内。

应用层主要的功能是：

● 提供用户应用程序和网络之间的接口。

● 使用户的应用程序能够在网络中进行交互连系。

由以上介绍可以看出，OSI 七层模型中，每一层都有独特的功能。概括来说，七层结构中的底部四层即物理层、数据链路层、网络层、传输层主要提供电信传输功能，通常被称做媒体层，它们直接做在网卡上，不为用户所见，默默地对网络起到支撑作用，是网络工程师所研究的对象。

而上三层即会话层、表示层和应用层则被称作主机层，是用户所面向和关心的内容，它们以提供使用者与应用程序之间的处理功能为主。通常这些程序将各层的功能综合在一起，在用户面前形成一个整体。如我们所经常使用的网页浏览、文件上传、远程访问等都是这多层功能的综合。

建立OSI参考模型的目的除了创建通信设备之间的物理链接外，还规定了各层的功能，更重要的是为标准化组织和生产商制定了协议的原则。这些规则使得每一层都有一定的功能，而且从理论上来说，任何一层上符合OSI标准的产品都可以被其他符合标准的产品所取代。也就是说，只要符合该标准，不同厂商不同芯片的网络设备都可以互相通信，从而实现无差别的网络通信。

除此之外，这种结构还有助于我们了解下面几方面的问题：

● 这种分层结构使得我们可以深刻地理解什么样的协议解决什么样的问题以及各个协议在网络体系结构中所占据的位置。

● 由于每一层完成某一项功能，这就使得通信产品不必全部具备所有的功能，只要按照标准完成某一方面的功能就可以了。

● 这种模型有助于分析和了解更为复杂的协议。

1.3.3 IP地址

在前面的内容中主要对网络设备、网络协议等作了很多基础知识的介绍，从这些内容中可以知道，为了在互连网这个大环境中能够与任何一台机器进行通信，除了具备必需的硬件连接外，还要使用通用的“语言”，这就是TCP/IP网络协议。

网络协议的重要性不言而喻，那么在TCP/IP网络协议中最为重要的就是IP地址，所谓IP地址，实际上就是网络设备的地址，通俗地说就好像我们家庭的门牌号码，是让别人找到自己的唯一地址。拿60.168.102.3这个地址来说，共分为四部分，每一部分都是用“.”隔开，这种编码方式是TCP/IP协议所独有的一种编码，其中每一部分最小值为0，最大值为255。

TCP/IP协议规定每台主机都通过一个32位全球唯一的因特网地址来标识。通常IP地址是采用以点隔开的四个十进制数的形式来表示。还是拿上述地址来说，当位于其他地方的计算机收到这个IP地址后，会根据这个地址经过相应的转换找到物理的主机地址，从而实现双方的通信。

我们知道在Windows中进行安装和配置IP地址时一般都要使用IP地址、子网掩码、网关这三个基本参数。那么这三个参数究竟是怎么来的，为什么要这么设置，下面我们就来介绍这些内容。

1.IP地址

在IPv4（IP协议，版本4）标准中，每个32位IP地址包含两个部分：网络ID和主机ID。这个 IP 地址是全球唯一的，一个独立的 IP 地址之所以需要由这两部分组成本身也是为了达到“唯一”这个目的而设计的。

网络ID用于辨别IP地址所在的子网，同一个子网中，所有的TCP/IP主机的网络ID都相同，而主机ID则用于辨认网络中的单个主机。

常用的IP地址一般分为3类，即A类，B类，C类。为了讲解方便，下面将IP地址抽象成为W.X.Y.Z，来看图1-19的IP地址取值范围表。

因为A类地址拥有最多的主机数目，所以A类地址一般分配给拥有大量主机的网络。这类网络存在128个A类网络标识符，每个网络有16777216台主机。例如10.0.0.1代表A类网10.0.0.0和1号主机。

拿ADSL来说，通过ADSL连入互连网后，假如会获得一个60.216.246.60这样的地址，这个地址就属于A类地址，因为是60开头，所以也就说明该地址内可以分配较多的IP地址，这也就便于网络供应商分配和管理IP地址。

B类地址分配给中等规模的网络使用，其中Y、Z字段表示主机ID，它允许有16384个网络和约64000个主机。

C类地址通常用于小规模的局域网，其中前三个字段表示网络ID，Z字段则表示主机ID。它允许有200万个网络，每个网络有254个主机。图1-20表示了A、B、C三类网络的IP地址取值范围。

上述地址中包含了几种特殊的IP地址，比如127.0.0.1以及255.255.255.255等这样的地址，这些地址都是用于诊断或者网络分段使用的，在后面会进行详细的说明。

值得注意的是，无论哪一个IP地址，该IP地址必须是全球唯一的，不占用和使用127、255、0等这种特殊的字段。

2.子网掩码

在互连网发展的初期，那时的互连网就像现在的一个大型集团网络，接入网络的机构非常少，所以上面的这种分配方法已经完全能够满足要求，但随着互连网的迅速发展，IP地址的消耗非常快，这种2层结构已经不能够满足越来越多的使用要求，因此，IP地址又增加了第三级子网结构，也就是子网对网络内部的地址再进行划分。读者可以理解为在局域网内再分配局域网，这样也就缓解了IP地址的消耗。

正是因为有了这种分类，在实际通信过程中，用户只要知道了对方的IP地址就可以进行通信，而网卡和硬件设备则需要知道这两台计算机之间最优的通信路径。因此首先会判断这两个计算机是否存在于同一个网络中，如果位于同一个网络中，那么在进行通信时就直接进行通信，否则就会转发到外网。

正是因为这种通信方式，如果要想通过 IP 地址找到子网，就必须定义子网掩码。与 IP地址不同的是，A类地址的子网掩码255.0.0.0；B类地址的子网掩码是255.255.0.0；C类地址的子网掩码是255.255.255.0。

由此可以看出子网掩码的功能主要就是区分IP地址中的网络ID和主机ID，并且将网络划分为多个子网，从而顺利实现一台主机找到另外一台主机。

3.特殊用途的IP地址

一台计算机可以分配一个主机地址，同时一个网络也可以分配一个网络地址。其实在更多的情况下，主机并没有获得一个确定的IP地址，那么主机是否就失去了网络通信的功能了呢？为了解决这种问题，IP协议定义了一套特殊地址格式，称作保留地址，保留地址从不分配给某台主机，较为典型的地址如图1-21所示。

4.网关

网关实际上是专门针对子网之间的通信而设计的。简单来说，一个主机的网关就是该主机所在子网对外通过的关口，如图1-22所示。

在该图中，如果主机1要与主机2进行通信，由于主机1的IP地址是191.168.0.1，主机2的IP地址是192.168.0.1，所以可以看出这两台机器不位于同一网络中，因此，主机1首先将消息发送到网关A，而后网关A将消息发送到网关B，再由网关B将消息发送给主机2，这样就完成了子网与子网之间的通信。

5.IPv4

目前所广泛使用的IP协议，是IP协议的第4个版本，称之为IPv4，该版本大约有43亿个地址可用。这样的地址空间在因特网早期看来几乎是无限的，于是便将IP地址根据申请而按类别分配给某个组织或公司，但是这种分配方式和极限数量发展到今天已经远远不能满足实际应用了，现在IPv4的地址空间已经面临枯竭了。

而且因为IPv4地址是按照网络的大小来分类的，它的编址方案使用“类”的概念。A、B、C三类IP地址的定义很容易理解，也很容易划分，但是在实际网络规划中，它们并不利于有效地分配有限的地址空间。

对于A、B类地址，很少有这么大规模的公司能够使用，而C类地址所容纳的主机数又相对太少。所以，现有类别的IP地址并不利于有效地分配有限的地址空间，不适合网络规划，这样无形中又浪费了很多的IP地址。

随着当今网络的发展，43亿个地址已经远远不能够满足我们的要求了，在这种情况下，人们开始致力于下一代因特网协议——IPv6的研究。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球每平方米面积上可分配1000多个地址，因此IPv6的设计可以一劳永逸地解决地址短缺问题。这就为以后的3G业务、个人智能终端、家庭网络打下了良好的基础，可以想见在IPv6全面实现后，我们的电冰箱、电熨斗都会有一个独立的IP地址。这样我们就能随时通过网络来控制这些设备。