计算机网络中的协议

引言

网络协议是一套经批准的规则，用于控制各种联网设备之间的数据传输。这些规则集规定了数据的传输、接收和处理步骤，并确保设备能够理解和分析它们共享的数据。它使得连接的设备能够在内部和结构存在差异的情况下相互交互。

协议对于计算机网络的正常运行至关重要，也是促进无缝通信的关键。

协议在实现通信中的重要性

以下几点突出了它们的重要性

1. 互操作性：在网络环境中，设备可能来自不同的制造商，并使用不同的操作系统。无论设备来源如何，协议确保这些不同的设备可以和谐共存。
2. 通用语言：网络上的设备可以使用协议相互通信。它们提供了数据的结构和格式，以确保信息能够被发送方和接收方理解和解释。
3. 数据完整性：协议具备检测和纠正错误的工具。这使得即使在网络条件不佳的情况下，数据也能可靠、准确地传输。
4. 安全性：为防止未经授权访问或篡改数据，多种协议包含安全措施。例如，SSL/TLS 加密方法保证了敏感数据在传输过程中的机密性。
5. 可扩展性：协议的设计旨在随着网络的复杂性和规模的增长而扩展。随着网络扩展，协议可以适应不断增长的流量并维持有效的通信。
6. 明确的角色：协议定义了网络中设备的角色，如客户端和服务器，并规定了它们应如何交互。这对于网页浏览、电子邮件和文件共享至关重要。角色由协议定义，协议还规定了客户端和服务器应如何相互通信。这对于文件共享、电子邮件和在线浏览等应用程序至关重要。
7. 结构化通信：通过将数据分解为可以高效地通过网络传输的数据包或帧，它们实现了结构化通信。
8. 全球连接性：许多协议，包括 TCP/IP 协议套件，是互联网构建的基础。这些协议支持万维网的运行，并实现了全球范围内的连接。

网络协议的类型

在计算机网络中，网络协议涵盖了许多特性和目标，每种协议都有其独特的功能。网络协议的主要分组如下

1. 通信协议

通信协议是计算机网络中数据传输和信息流的基础。为了确保无缝和可靠的通信，它们规定了定义数据如何在设备之间格式化、发送和接收的策略和规范。

这些协议正式规定了用于数据传输的准则和文件类型。这些协议处理语法、语义、错误检测、同步和身份验证。

以下是一些主要的通信协议

• TCP/IP (传输控制协议/互联网协议): TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 协议套件是互联网和大多数现代网络的基础。它包括多种协议和功能，例如用于可靠数据传输的 TCP 和用于寻址和路由数据包的 IP（互联网协议）。TCP/IP 负责将数据分割成数据包，通过网络传输，并在目的地精确地重新组装。
• HTTP (超文本传输协议): HTTP (Hypertext Transfer Protocol) 是万维网用于通信网页及其相关资源的协议。Web 浏览器（客户端）向 Web 服务器提交 HTTP 请求，服务器随后响应 HTML 文档、图片和其他媒体。这个过程被称为请求-响应协议。
• HTTPS (安全超文本传输协议): HTTPS (HTTP Secure) 是 HTTP 的一个扩展，通过使用 SSL/TLS 加密增加了安全性。它确保敏感数据，如登录密码、个人信息和金融交易，在 Web 浏览器和 Web 服务器之间传输之前被加密。
• FTP (文件传输协议): FTP (File Transfer Protocol) 是一种在连接到网络的计算机之间快速移动文件的方法。用户可以用它来向远程服务器上传文件或从远程服务器下载文件。根据数据连接的建立方式，FTP 可以在主动模式或被动模式下工作。
• SMTP (简单邮件传输协议): SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) 协议用于在电子邮件客户端和服务器之间发送和中继电子邮件消息。当您发送电子邮件时，您的电子邮件客户端通过 SMTP 连接到您的邮件提供商的服务器，然后该服务器将邮件路由到其预定收件人。
• POP3 (邮局协议第3版) 和 IMAP (互联网消息访问协议): 这些是电子邮件客户端用于从邮件服务器检索消息的电子邮件协议。IMAP 在服务器上保留消息，同时在不同设备间同步消息，而 POP3 通常是将消息下载到本地设备。
• DNS (域名系统): DNS 负责将人类可读的域名（如 www.example.com）转换为计算机可以用来在互联网上互相定位的 IP 地址。DNS 使得人们可以使用域名访问网站，而无需记住一长串数字 IP 地址。

2. 路由协议

路由协议是路由器和其他网络设备用于选择数据包在网络中传输的最佳路径所必需的算法和规则。它们在确保有效的数据路由和交付方面至关重要。以下是两种著名的路由协议

路由信息协议 (RIP)

• 距离矢量路由
• 用例：RIP 常用于中小型网络，其中配置简单和方便是首要考虑因素。
• 操作：RIP 根据网络跳数（数据包必须经过的路由器数量）来确定数据包的最佳路径。它在路由表中跟踪到目标网络的这些跳数。
• 收敛：RIP 通过与邻近路由器定期交换路由数据来更新路由表。然而，其简单性可能导致收敛延迟，尤其是在大型网络中。
• 度量：RIP 使用跳数作为寻找最佳路径的度量。跳数较少的较短路径更受青睐。

开放最短路径优先 (OSPF)

• 链路状态路由协议
• 用例：OSPF 常用于更大型、更复杂的网络，如企业和互联网服务提供商 (ISP)。
• 操作：OSPF 创建并维护整个网络的最新地图，包括链路和路由器状态。它基于这些广泛的拓扑数据来确定到目的地的最短路径。
• 收敛：因为 OSPF 能够通过使用最新的拓扑信息重新计算路由来快速响应网络条件的变化，所以它比 RIP 实现了更快的收敛。
• 度量：OSPF 使用更灵活和可定制的成本度量，可以基于带宽或延迟等变量。成本值较低的路径更好。

注意：虽然 OSPF 先进的链路状态方法和快速收敛使其非常适合更大、更动态的网络环境，但 RIP 的简单性使其适用于较小的网络。

3. 安全协议

网络通信必须包括保护数据机密性、完整性和真实性的安全程序。

这些协议在数据通过网络传输时保护数据。这些协议还定义了网络的数据安全措施，以防止未经授权的访问或审查数据的企图。这些协议确保所有经授权的硬件、软件或服务都可以访问网络数据。这些协议主要依赖加密来保护数据。

SSL/TLS

• 安全套接字层/传输层安全，或 SSL/TLS，是一种安全协议。
• SSL/TLS 协议旨在在客户端（如 Web 浏览器）和服务器（如 Web 服务器）之间建立安全的通信。它们保护敏感数据在传输过程中保持私密和不被篡改。
• SSL/TLS 使用加密算法对数据进行编码，使其对任何试图窃听传输的人都无法理解。这种加密既包括数据机密性，也包括用于识别篡改的完整性检查。
• SSL/TLS 广泛应用于各种互联网服务，包括
  
  • 网上银行：保护敏感的银行数据和金融活动。
  • 电子商务：在网上购物时保护个人信息和信用卡信息。
  • 安全通信：通过 VPN、电子邮件和即时消息确保通信的离散和私密。
  • 网页浏览：SSL/TLS 对于确保网站的安全访问至关重要，URL 中以“https://”前缀表示。

安全超文本传输协议 (HTTPS)

• 安全协议，是 SSL/TLS 的一部分
• HTTPS 的目标是保护 Web 浏览器（客户端）和 Web 服务器之间的数据传输。数据在传输过程中被加密，确保了关键信息（如登录凭据、支付卡信息和个人数据）的机密性和安全性。
• 使用 HTTPS 使网页浏览变得安全。使用 HTTPS 的网站在其 URL 中以“https://”前缀标识，通常在浏览器的地址栏中会有一个挂锁图标。这表明网站上的安全通信已通过 SSL/TLS 加密启用。
• 示例：HTTPS 在网上银行、电子商务网站、电子邮件服务和其他应用程序中保护用户数据。

4. 管理协议

这些协议概述了保持计算机网络受监控、维护和管理的过程和策略。这些协议还有助于在整个网络中分发这些要求，以保证可靠的通信。网络管理协议也可用于诊断主机和客户端之间的连接。

• ICMP (互联网控制消息协议)
  网络设备使用在网络层（第3层）运行的 ICMP 来报告错误、进行诊断和传输操作数据。它管理网络故障排除、错误警告和拥塞报告等活动。
• SNMP (简单网络管理协议)
  SNMP (Simple Network Management Protocol) 是一种应用层（第7层）协议，用于管理网络节点。它有三个主要组成部分：受控设备、SNMP 管理器和代理。SNMP 代理存储本地管理信息，并为 SNMP 管理器翻译这些信息。管理器呈现数据以监控网络性能、识别错误并进行故障排除。SNMP 对于有效管理网络至关重要。
• 地鼠
  Gopher 是一种较早的文件检索协议，旨在有效地组织、检索和搜索文件。它在远程计算机上以层次结构设置可下载的文件及其描述。虽然 Gopher 最初被使用，但现在已不常见。
• 文件传输协议 (FTP)
  FTP 是一种客户端-服务器协议，有助于向主机计算机传输文件或从主机计算机传输文件。使用 FTP，用户可以从其他服务下载文档、软件、网页和其他资源。
• POP3 (邮局协议第3版)
  POP3 是一种协议，本地邮件客户端使用它连接到远程电子邮件服务器并下载电子邮件。ISP 经常使用 POP3 为其客户存储和检索电子邮件。一旦邮件客户端获取了这些电子邮件，它们最终会被下载并通常从服务器上删除。
• Telnet
  Telnet 是一种协议，通过允许用户连接和使用远程计算机程序来实现远程连接。为了支持远程会话，它在主机和远程端点之间建立连接。Telnet 允许用户与远程系统上的软件进行通信和控制。

TCP/IP 协议套件

TCP/IP 协议套件是支持互联网并允许计算机网络上设备之间通信的基本协议集。它最著名的两个协议是传输控制协议 (TCP) 和互联网协议 (IP)，它们也是其名称的来源。以下是 TCP/IP 模型各层的描述

1. 链路层 (或网络接口层)

链路层对于管理本地网络通信的物理和数据链路组件至关重要。

它负责确保同一网络段内设备之间的数据可靠传输，并在本地网络介质（如以太网和 Wi-Fi）上传输数据。

该层通过利用以太网和 ARP (地址解析协议) 等专用协议来实现有效的数据打包和传输，是本地网络通信的基本构建块。

2. 互联网层 (或网络层)

网络层，通常称为互联网层，在确保数据包通过连接的网络路由并到达其预定位置方面起着至关重要的作用。

该层处理确保数据包通过各种路由器和网络走正确路径的复杂任务。

互联网层用于寻址、路由和转发数据包的主要协议是互联网协议 (IP)，包括 IPv4 和 IPv6。

3. 传输层

传输层负责管理可能位于不同网络上的设备之间的端到端通信。

其主要目标是确保数据可靠交付，发现并修复可能发生的任何传输问题，并控制数据流以避免拥塞。

重要的传输层协议包括以其可靠性和面向连接的通信而闻名的传输控制协议 (TCP)，以及以其无连接方法和低开销而受青睐的用户数据报协议 (UDP)。

4. 应用层

用户级通信和与网络服务的交互发生在应用层。用户通过该层访问应用程序提供的各种功能和服务，该层充当他们的接口。

为了促进特定任务，应用层内使用了各种应用协议。

协议如何工作

被称为协议的基本规则和约定使得计算机网络上的设备之间能够进行高效通信。它们在确保数据正确传输、接收和解释方面至关重要。以下是协议工作方式的描述，重点关注报头、数据包和握手的功能

1. 报头

协议使用报头来包含关于传输数据的重要元数据和详细信息。元数据可能包括源地址和目标地址、数据类型、序列号和错误检查信息。

功能：报头是数据包的重要组成部分，因为它们为其包含的数据提供了上下文。它们帮助设备正确解释传入的数据并决定如何处理它。报头对于确保数据完整性和将数据引导到正确的位置至关重要。

2. 数据包

在传输之前，数据被分解成更易于管理、更小的单位，称为数据包。

功能：数据包是可靠和高效数据传输的一种方式。通常，每个数据包包含一部分数据和与之配套的报头。这种分离使得传输更容易，降低了数据丢失的可能性，并实现了更有效的网络路由。

3. 握手

在许多协议中，特别是像 TCP 这样的面向连接的协议中，握手是过程中的一个步骤。

功能：为了建立、维护和终止连接，握手包括发送和接收一系列消息。它确保各方都准备好传输数据，并且在数据大小、序列号和错误检查技术等关键条款上达成一致。握手提高了数据交换的可靠性和有序性。

以下是协议工作方式的简要示例

• 启动：一个设备（发送方）通过发送消息或请求来启动对话。
• 包含报头：发送数据时，发送方插入包含重要细节（如源地址和目标地址）的报头。
• 数据包化：数据被组织成数据包，每个数据包都有一个唯一的报头，这个过程称为数据包化。
• 传输：使用选定的协议通过网络发送数据包。它们可能会通过不同的路径到达目的地。
• 接收：接收方的设备接收数据包，并利用报头来确定如何正确地重新组装内容。
• 确认：在许多协议中，接收方确认已收到数据包，或者在出现错误时，请求重新传输任何丢失的数据包。
• 数据处理：在接收并验证每个数据包后，接收方可以继续进行预定的数据处理。
• 终止：数据传输完成后，设备可能会进行终止握手，以礼貌地结束通信。

协议标准

在计算机网络和通信领域，标准化协议是互操作性的基础。它们对于在不同公司和开发者制造的系统、程序和工具之间实现高效可靠的交互至关重要。

它们提供了坚实的基础，简化了开发的复杂性，并使网络能够有效地扩展。它们经过彻底的测试，确保了弹性，并使得在任何地方都能实现无缝通信，从而增强了全球连接性。支持互操作性、可扩展性、稳定性和全球连接性的标准化协议基本上是现代网络的基础。

标准化组织

• IETF (互联网工程任务组): IETF 是一个著名的组织，负责制定和维护与互联网相关的标准。它专注于多个主题，包括网络、安全和协议。来自世界各地的专家参与 IETF 的开放协作过程，以制定和改进 TCP/IP 等标准。
• IEEE (电气和电子工程师协会): IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 是一个致力于发展技术的跨国组织。在电气和电子工程领域，特别是在制定标准方面，它至关重要。IEEE 标准涵盖网络方面，如以太网 (IEEE 802.3) 和 Wi-Fi (IEEE 802.11)。
• ISO (国际标准化组织): ISO 为包括信息技术在内的多个领域制定全球标准。尽管不完全是关于网络的，但 ISO 标准可以影响网络中使用的协议和实践。
• W3C (万维网联盟): W3C (World Wide Web Consortium) 是一个致力于制定与网络相关标准的组织，如 HTML、CSS 和 Web 可访问性。这些准则确保了不同平台和设备上的用户将拥有可访问且统一的 Web 体验。

无线协议 (通信中)

无线通信协议彻底改变了我们在数字时代连接和通信的方式。蜂窝网络规范，包括 3G、4G 和 5G，以及 Wi-Fi (802.11)，是无线协议的两个著名实例。

1. Wi-Fi (802.11): 在办公室、住宅和公共场所，Wi-Fi 是无线局域网 (LAN) 的基础。

它允许无线设备连接到互联网并相互通信，包括智能手机、笔记本电脑和智能家居设备。Wi-Fi 使用无线电频率进行操作，并提供不同的速度和范围，从更普遍的 2.4 GHz 频段到更快的 5 GHz 频段。

由于其普遍性和适应性，它对于现代无线通信是必不可少的。

2. 蜂窝标准 (3G, 4G, 5G): 移动通信由蜂窝标准提供支持，如 3G（第三代）、4G（第四代）和 5G（第五代）。

这些协议使得在移动设备上实现高速数据传输、短信和电话通话成为可能。3G 首先实现了移动互联网连接；然后 4G 带来了重大的数据速度提升，支持了移动游戏和视频流。

作为最新一代，5G 以其闪电般的速度和低延迟支持物联网 (IoT) 和无人驾驶汽车等新技术。