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论通讯协议
[内容提要]
在计算机通信中，通信协议用于实现计算机与网络连接之间的标准，网络如果没有统一的通信协议，电脑之间的信息传递就无法识别。通信协议是指通信各方事前约定的通信规则，可以简单地理解为各计算机之间进行相互会话所使用的共同语言。两台计算机在进行通信时，必须使用的通信协议。
[关键词] 通信协议TCP/IP协议PPP协议ARP协议
通信协议（communications protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。
在协议的控制下，两个对等实体的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面下面的协议，下面的协议对上面的实体，协议的实现保证了能工想上一层提供服务。
一个通信协议是一个正式的描述消息格式的数字和规则之间交换讯息的电脑系统和通讯。协议可能包括信号，验证和错误检测和纠正的能力。描述了一个协议的语法，语义，通讯同步实施，并可能既在硬件或软件，或在外交方面，议定书一词指的是外交文件或规则，指导方针等，这外交行为。[1]同义词程序和政策。虽然没有一个普遍接受了先前的正式定义，“协议”在计算机科学，一个非正式的定义的基础上，可以是“一个程序的描述了一套可以遵循的沟通”。协议主要由以下三个要素组成：语义：“讲什么”，数据内容、含义以及控制信息。语法：“如何讲”，数据的格式、编码和信号等级（电平的高低）。定时规则：明确通信的顺序，速率匹配和排序。在计算机科学这个词算法是一个过程，这个词的同义词，因此协议是通信什么是算法是计算用于通信系统交换信息以及定义的格式。每个消息有一个确切含义旨在挑起了接收机定义响应。一个编程言语描述的计算相同，因此是一种编程语言之间的协议和密切的比喻：是什么编程语言沟通是计算。协议外交文件的基础上彼此，从而创建文档树。该小组的文件制作了一个文档树的方式已经被写入了关于树的复杂性的影响。施加在文件上的发展模式，可以改善整体的可读性和复杂性可以降低有效模式，这到底是分层方案或模型。在一个分层计划的文件制定了树被认为属于类，称为层。一个子文件到它的根文档的距离称为它的水平。一个子文档的高低决定了它属于类。该小组属于一类的文件都提供了类似的功能，并在形式服从功能，具有类似的形式。使用的通信协议的设计使其在非常复杂和多样的设置，因此，他们往往是非常复杂的。不可靠的传输链路增加，甚至使这一协议的基本要求更加难以实现。
每一种网络所使用的通讯协议都不太一样，以最常用的Internet为例，当资料要送到Internet上时，就必须要使用Internet用的通讯协议。基于此类问题，以下讨论的是TCP/IP协议，点对点协议（PPP）和地址解析协议（ARP）。
TCP/IP Transmiion Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。
虽然从名字上看TCP/IP包括两个协议，传输控制协议(TCP)和网际协议(IP)，但TCP/IP实际上是一组协议，它包括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。通常说TCP/IP是Internet协议族，而不单单是TCP和IP。TCP/IP是用于计算机通信的一组协议，我们通常称它为TCP/IP协议族。TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网路层、传输层、话路层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。互连网络层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。网络接口层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、Serial Line等）来传送数据。
IP与TCP分别在网络层具有不同的作用。IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层---TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。高层的TCP和UDP服务在接收数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。也可以这样说，IP地址形成了许多服务的认证基础，这些服务相信数据包是从一个有效的主机发送来的。IP确认包含一个选项，叫作IP source routing，可以用来指定一条源地址和目的地址之间的直接路径。对于一些TCP和UDP的服务来说，使用了该选项的IP包好象是从路径上的最后一个系统传递过来的，而不是来自于它的真实地点。这个选项是为了测试而存在的，说明了它可以被用来欺骗系统来进行平常是被禁止的连接。那么，许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。2.TCP如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包，那么IP将把它们向‘上’传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传.TCP将它的信息送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层，设备驱动程序和物理介质，最后到接收方。面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。
点对点协议（PPP）为在点对点连接上传输多协议数据包提供了一个标准方法。PPP 最初设计是为两个对等节点之间的 IP 流量传输提供一种封装协议。在 TCP-IP 协议集中它是一种用来同步调制连接的数据链路层协议（OSI 模式中的第二层），替代了原来非标准的第二层协议，即 SLIP。除了 IP 以外 PPP 还可以携带其它协议，包括 DECnet 和 Novell 的 Internet 网包交换（IPX）。
PPP 主要由以下几部分组成：封装,一种封装多协议数据报的方法。PPP 封装提供了不同网络层协议同时在同一链路传输的多路复用技术。PPP 封装精心设计，能保持对大多数常用硬件的兼容性。克服了SLIP不足之处的一种多用途、点到点协议，它提供的WAN数据链接封装服务类似于LAN所提供的封闭服务。所以，PPP不仅仅提供帧定界，而且提供协议标识和位级完整性检查服务。链路控制协议：PPP 提供的 LCP 功能全面，适用于大多数环境。LCP 用于就封装格式选项自动达成一致，处理数据包大小限制，探测环路链路和其他普通的配置错误，以及终止链路。LCP 提供的其他可选功能有：认证链路中对等单元的身份，决定链路功能正常或链路失败情况。网络控制协议：一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路连接。配置：使用链路控制协议的简单和自制机制。该机制也应用于其它控制协议，例如：网络控制协议（NCP）。
PPP工作流程：当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。PPP和HDLC之间最主要的区别是，PPP是面向字节的，HDLC是面向位的。③PPP在GPS应用领域代表着“精密单点定位(Precise Point Positioning)”，精密单点定位是利用国际GPS服务机构IGS提供的或自己计算的GPS精密星历和精密钟差文件，以无电离层影响的载波相位和伪距组合观测值为观测资料，对测站的位置、接收机钟差、对流层天顶延迟以及组合后的相位模糊度等参数进行估计。用户通过一台含双频双码GPS接收机就可以实现在数千平方公里乃至全球范围内的高精度定位。它的特点在于各站的解算相互独立，计算量远远小于一般的相对定位。PPP协议是一种点——点串行通信协议。PPP具有处理错误检测、支持多个协议、允许在连接时刻协商IP地址、允许身份认证等功能，还有其他。PPP提供了3类功能：成帧；链路控制协议LCP；网络控制协议NCP。PPP是面向字符类型的协议。PPP是一种多协议成帧机制，它适合于调制解调器、HDLC位序列线路、SONET和其它的物理层上使用。它支持错误检测、选项协商、头部压缩以及使用HDLC类型帧格式（可选）的可靠传输。PPP提供了三类功能：成帧，可以毫无歧义的分割出一帧的起始和结束；链路控制，有一个称为LCP的链路控制协议，支持同步和异步线路，也支持面向字节的和面向位的编码方式，可用于启动路线、测试线路、协商参数、以及关闭线路；网络控制，具有协商网络层选项的方法，并且协商方法与使用的网络层协议独立。认证方法：一种是PAP，一种是CHAP。相对来说PAP的认证方式安全性没有CHAP高。PAP在传输paword是明文的，而CHAP在传输过程中不传输密码，取代密码的是hash（哈希值）。PAP认证是通过两次握手实现的，而CHAP则是通过3次握
手实现的。PAP认证是被叫提出连接请求，主叫响应。而CHAP则是主叫发出请求，被叫回复一个数据包，这个包里面有主叫发送的随机的哈希值，主叫在数据库中确认无误后发送一个连接成功的数据包连接。
ARP协议是“Addre Resolution Protocol”（地址解析协议）的缩写。在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”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。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。
以以太网环境为例，为了正确地向目的主机传送报文，必须把目的主机的32位IP地址转换成为48位以太网的地址。这就需要在互连层有一组服务将IP地址转换为相应物理地址，这组协议就是ARP协议。ARP协议的工作原理：在每台安装有TCP/IP协议的电脑里都有一个ARP缓存表，表里的IP地址与MAC地址是一一对应的。
我们以主机A（192.168.1.5）向主机B（192.168.1.1）发送数据为例。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。如果找到了，也就知道了目标MAC地址，直接把目标MAC地址写入帧里面发送就可以了；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，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：“192.168.1.1的MAC地址是什么？”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：“192.168.1.1的MAC地址是00-aa-00-62-c6-09”。这样，主机A就知道了主机B的MAC地址，它就可以向主机B发送信息了。同时它还更新了自己的ARP缓存表，下次再向主机B发送信息时，直接从ARP缓存表里查找就可以了。
ARP缓存表采用了老化机制，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。ARP攻击就是通过伪造IP地址和MAC地址实现ARP欺骗，能够在网络中产生大量的ARP通信量使网络阻塞，攻击者只要持续不断的发出伪造的ARP响应包就能更改目标主机ARP缓存中的IP-MAC条目，造成网络中断或中间人攻击。ARP攻击主要是存在于局域网网络中，局域网中若有一个人感染ARP木马，则感染该ARP木马的系统将会试图通过“ARP欺骗”手段截获所在网络内其它计算机的通信信息，并因此造成网内其它计算机的通信故障。ARP攻击就是通过伪造IP地址和MAC地址实现ARP欺骗，能够在网络中产生大量的ARP通信量使网络阻塞，攻击者只要持续不断的发出伪造的ARP响应包就能更改目标主机ARP缓存中的IP-MAC条目，造成网络中断或中间人攻击。ARP攻击主要是存在于局域网网络中，局域网中若有一个人感染ARP木马，则感染该ARP木马的系统将会试图通过“ARP欺骗”手段截获所在网络内其它计算机的通信信息，并因此造成网内其它计算机的通信故障。ARP欺骗可以导致目标计算机与网关通信失败 更可怕的是会导致通信重定向，所有的数据都会通过攻击者的机器，因此存在极大的安全隐患。基与PC到PC的IP-MAC双向绑定可以解决ARP欺骗 但是对于不支持IP-MAC双向绑定的设备 就需要用可以绑定端口-MAC的交换来预防ARP欺骗 另外，Windows 2KSP4 XPSP1 的Arp-S绑定是无效的。Windows XP SP2即使使用Arp-s命令静态绑定在攻击者故意制造IP地址冲突的时候，也会失效。RARP的工作原理：发送
主机发送一个本地的RARP广播，在此广播包中，声明自己的MAC地址并且请求任何收到此请求的RARP服务器分配一个IP地址； 本地网段上的RARP服务器收到此请求后，检查其RARP列表，查找该MAC地址对应的IP地址；如果存在，RARP服务器就给源主机发送一个响应数据包并将此IP地址提供给对方主机使用；如果不存在，RARP服务器对此不做任何的响应；源主机收到从RARP服务器的响应信息，就利用得到的IP地址进行通讯；如果一直没有收到RARP服务器的响应信息，表示初始化失败；如果在第1-3中被ARP病毒攻击，则服务器做出的反映就会被占用，源主机同样得不到RARP服务器的响应信息，此时并不是服务器没有响应而是服务器返回的源主机的IP被占用。
当研究开放系统中的信息交换式，往往使用实体这一较为抽象的名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。
在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的命脉。而通信协议作为传输信息的主要手段，与传感技术、计算机技术相结合，已经成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。由此可见通信协议对人们的生活方式和社会发展将会产生更加重大和意义深远的影响。本文叙述论证了3个通信协议的基本点，在如今高速网络的社会，我们应该更加注重发展通信协议的过程。网络是无穷的，但是最底层的保障必须是强力而有序的。通信协议就是我们必不可少的一道程序。
[参考文献]
1《网络基础、原理、协议、应用、管理、安全等书籍》网络版本
2《通信原理》2008发行，作者：樊昌信 曹丽娜
3《现代通信技术-第二版》清华大学出版社.2006年发行
4百度文库
5《通信原理》北京邮电大学出版社，作者：王建平 张宝剑 王军涛
