计算机网络与通信 第6章 TCPIP协议基础.ppt

6 1TCP IP协议概述6 2TCP IP的层次结构6 3网络接口层6 4网际互联层6 5传输层6 6应用层 第6章TCP IP协议基础 本章内容简介 TCP IP协议是Internet发展的基础 通过本章内容的学习将会对Internet的组织结构 工作过程以及数据传输的理解有很大帮助 本章首先介绍TCP IP协议的基本概念 然后按照TCP IP协议栈的层次分别介绍网际互联层协议 传输层协议 应用层协议以及TCP IP协议模型的各个层次所包含的概念及其协议的应用 本章重点难点 重点掌握TCP IP协议体系的基本概念 TCP IP协议模型中各个层次包含的协议的基本概念和功能 第6章TCP IP协议基础 6 1TCP IP协议概述 TCP IP TransmissionControlProtocol InternetProtocol 协议是当今技术最成熟 应用最广泛的网络传输协议 并拥有完整的体系结构和协议标准 TCP IP是一种网络体系结构 是Internet上使用的一组完整的标准网络连接协议 它起源于美国ARPANET网 由它的两个主要协议即传输控制协议TCP和网际协议IP而得名 TCP IP是协议簇 TCP IP具有如下特点 1 开放的协议标准 可以免费使用 并且独立与特定的计算机硬件与操作系统 2 独立与特定的网络硬件 可以运行在局域网 广域网中 更适用于互联网中 3 统一的网络地址分配方案 使得整个TCP IP设备在网络中都具有唯一的IP地址 4 标准化的高层协议 可以提供多种可靠的用户服务 与其它网络体系结构一样 TCP IP协议也是分层的体系结构 但TCP IP分成4层 分别是网络接口层 网际互联层 IP 传输层和应用层 与OSI RM的对应关系如图6 1所示 6 2TCP IP的层次结构 图6 1TCP IP与OSI的对应关系 6 2TCP IP的层次结构 在TCP IP的层次结构中 虽然包括4个层次 但实际上只有3个层次包含了实际的协议 TCP IP中各层对应的协议主要如图6 2所示 TCP传输控制协议 IP网际协议 6 2TCP IP的层次结构 图6 2TCP IP体系结构中的协议与网络 TCP IP模型的最低层是网络接口层 也称为网络访问层 用于实现主机与传输媒介的物理接口 为网络层发送和接收IP数据报 包括能使用TCP IP与物理网络进行通信的协议 且对应着OSI RM的物理层和数据链路层 TCP IP标准并没有定义具体的网络接口协议 而是旨在提供灵活性 以适应各种网络类型 如LAN MAN和WAN 这也说明了TCP IP协议可以运行在任何网络之上 6 3网络接口层 网际层是在Internet标准中正式定义的第l个层 网际层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组 将分组形成数据包 IP数据包 并为该数据包进行路径选择 最终将数据包从源主机发送到目的主机 在网际层中 包含的协议主要有 网际协议 InternetProtocolIP 网际控制报文协议 InternetControlMessageProtocolICMP 网际主机组管理协议 InternetGroupManagementProtocolIGMP 地址解析协议 AddressResolutionProtocolARP 逆向地址解析协议 ReverseAddressResolutionRARP 等 最常用的协议是网际协议IP 其他一些协议用来协助IP的工作 6 4网际互联层 网际协议简称IP协议 它和TCP传输控制协议是整个TCP IP协议簇中最重要的部分 IP协议的基本任务是屏蔽下层各种物理网络的差异 向上层提供统一的IP数据报 由IP协议控制传输的协议单元称为IP数据报 各个IP数据报之间是相互独立的 IP协议的基本功能是对数据包进行相应的寻址和路由 并从一个网络转发到另一个网络 IP协议在每个发送的数据包前加入一个控制信息 其中包含了源主机的IP地址和其他一些信息 6 4 1IP协议的主要功能 IP是一个无连接的协议 无连接是指主机之间不建立用于可靠通信的端到端的连接 源主机只是简单地将IP数据包发送出去 而IP数据包可能会丢失 重复 延迟时间长或者顺序混乱 因此 要实现数据包的可靠性传输 就必须依靠高层的协议或应用程序 如传输层的TCP协议 IP的重要特性 非连接性和不可靠性非连接性 指经过IP处理过的数据包是相互独立 可按不同路径传输到目的地 到达顺序可不一致 不可靠性 指没有提供对数据流在传输时的可靠性控制 是 尽力传送 的数据报协议 6 4 2IP协议的特性 6 4 3IP数据报格式 IP数据报封装到以太网的MAC数据帧 与一般网络层分组格式相似 IP数据报也分为两部分 首部和数据 4bit4bit8bit16bit 图6 3IP数据报格式 首部 数据 6 4 4IP地址 1 物理地址与逻辑地址一台Internet主机至少有一个IP地址 而且这个IP地址是全网惟一的 地址类别 标识网络类型 网络号 标识一个逻辑网络 主机号 标识网络中的一台主机 图6 6IP地址的结构 6 4 4IP地址 2 IP地址的分类IP协议把IP地址分成5类 包括A类 B类 C类 D类和E类 5类IP地址的格式如图6 7所示 图6 7IP地址的分类 A类 网络数27 128个 每个网络含主机数224 16777216个 A类地址范围是0 0 0 0 127 255 255 255 B类 网络数214 16384 每个网络含主机数216 65536个 B类地址范围是128 0 0 0 191 255 255 255 C类 网络数221 2097152个 每个网络含的主机数28 256个 C类地址范围是192 0 0 0 223 255 255 255 D类 地址范围是224 0 0 0 239 255 255 255 E类 地址预留 3 特殊IP地址对于任何一个网络号 其全为 0 或全为 l 的主机地址均为特殊的IP地址 例如 210 40 13 0和210 40 13 255都是特殊的IP地址 特殊的IP地址有特殊的用途 不分配给任何用户使用 如表6 2所示 6 4 4IP地址 表6 2特殊IP地址表 6 4 4IP地址 1 网络地址 又称网段地址 网络号不空而主机号全 0 的IP地址表示网络地址 即网络本身 2 直接广播地址 网络号不空而主机号全 1 的IP地址表示直接广播地址 表示这一网段下的所有用户 3 有限广播地址 网络号和主机号都全 1 的IP地址是有限广播地址 在系统启动时 还不知道网络地址的情形下进行广播就是使用这种地址对本地物理网络进行广播 4 本机地址 网络号和主机号都是全 0 的IP地址表示本机地址 5 环回测试地址 网络号为 127 而主机号为任意的IP地址为环回测试地址 常用的有127 0 0 1 6 4 5子网技术 出于对管理 性能和安全方面的考虑 许多单位把单一网络划分为多个物理网络 并使用路由器将它们连接起来 子网划分技术能够使单个网络地址横跨几个物理网络 如图6 11所示 这些物理网络统称为子网 图6 1l一个大型网络可划分为若干个子网互连 6 4 5子网技术 1 划分子网的原因 1 充分使用地址 2 划分管理职责 3 提高网络性能2 划分子网的方法3 子网掩码 网络号对应部分设为1 主机号对应部分设为0 4 划分子网的规则5 子网划分实例 1 确定需要多少子网号来唯一标识网络上的每一个子网 2 确定需要多少主机号来标识每一个子网上的每一台主机 3 定义一个符合网络要求的子网掩码 4 确定标识每一个子网的网络地址 5 确定每一个子网所使用的主机地址范围 6 可变长子网划分 VLSM 7 超网和无类域间路由CIDR 6 4 5子网技术 6 4 6网际控制报文协议 网际控制报文协议 InternetControlMessageProtocol ICMP 作为IP协议的补充 为IP协议提供差错报告 用于传送这方面的控制信息或差错信息 因为这些信息可能需要穿过几个物理网络才能到达它们的最终报宿 因而只靠物理层传递是不能实现的 需要将它们封装在IP数据报中才能进行传递 这时被封装在IP数据报的ICMP报文不能看作是高层协议 而只是IP需要的一部分 显然载有ICMP报文的IP数据报也有可能产生错误 为此规定 对载送ICMP报文的数据报 若出现差错 不产生ICMP报文 否则就要引起递归了 IP协议只是负责网络中点到点的数据包传输 而点到多点的数据包传输则要依靠网际主机组管理协议 InternetGroupManagementProtocol IGMP 来完成 它主要负责报告主机组之间的关系 以便相关的设备 路由器 可支持多播发送 6 4 7网际主机组管理协议 6 4 8地址解析协议 ARP 在互联网络中 每个节点分配有一个32bit的IP地址 通过这个IP地址在节点之间收发报文分组 使用IP地址 整个网络的表面就像是一个单个的虚拟网络 但信息是通过真正的物理网络来传递的 而在物理网络上 两台机器只有彼此知道物理地址时才能进行通信 因此 使用IP地址通信最终还是要把IP地址转换成物理地址 当然这项工作对用户来讲是透明的 主机节点的IP地址与硬件是无关的 因此一般是保存在磁盘中的 机器启动后即从磁盘中取出IP地址 然后与别的主机进行通信 但如果这个节点是一个无盘工作站 它无处保存自己的IP地址 这就要依靠无盘工作站的物理地址了 因为无盘工作站自己的物理地址它是知道的 因此就可以广播一个报文分组给本地的文件服务器 让文件服务器告诉它的IP地址 这就是由物理地址向IP地址的转换 描述该转换的协议是反向地址解析协议 ReverseAddressResolutionProtocol RARP 6 4 9反向地址解析协议 RARP 6 4 10Ipv6 IP协议是因特网的关键协议 IPv6是下一代IP协议 相对于IPv6来说现在使用的IP协议是IPv4 IPv6所引进的主要变化如下 1 更大的地址空间 2 灵活的首部格式 3 简化了协议 加快了分组的转发 4 允许对网络资源的预分配 支持实时视频流等要求 保证一定的带宽和时延的应用 5 允许协议继续演变和增加新的功能 使之适应未来技术的发展 数据通信的本质活动是要完成两个进程之间信息的传递 IP协议可以使信息从一台计算机传送到另一台计算机 在此基础上 传输层的作用便是要提供实现进程到进程的通信服务 由于它通常支持端节点的应用进程之间的通信 因此传输层的协议有时也称为端到端协议 TCP IP协议簇在传输层主要包括两个协议 传输控制协议 TransmissionControlProtocol TCP 用户数据报协议 UserDatagramProtocol UDP 6 5传输层 6 5 1传输控制协议 TCP协议是传输层的一种面向连接的通信协议 它向高层提供了面向连接的可靠报文段的传输服务 该服务是建立在IP所提供的不可靠报文分组传输服务的基础上的 可靠性的问题由TCP协议解决 每当发送数据段之前 TCP协议都必须保证先建立可靠的连接 然后通过确认重发和窗口机制等对传输的数据段进行有效控制 以达到高可靠性的目的 TCP层的数据单元称为段 段不定长 TCP以一种字节流的方式传输数据段 所谓字节流 就是一个字节 一个字节地按照字节序号传输 TCP协议还要完成流量控制和差错检验的任务 以保证可靠的数据传输 6 5 2用户数据报协议 用户数据报协议 UserDatagramProtocol UDP 是一种面向无连接的协议 因此 它不能提供可靠的数据传输 而且UDP不进行差错检验 必须由应用层的应用程序来实现可靠性机制和差错控制 以保证端到端数据传输的正确性 虽然UDP与TCP相比显得非常不可靠 但在一些特定的环境下还是非常有优势的 UDP数据报文包括首部和数据字段两部分 封装在IP数据报中传输 如图6 26所示 如图6 27所示为UDP数据报 图6 26报文的封装 图6 27UDP报文格式 6 5 2用户数据报协议 在TCP IP模型中 应用层包括了所有的高层协议 而且总是不断有新的协议加入 应用层的协议主要有以下几种 远程终端协议TELNET 本地主机作为仿真终端登录到远程主机上运行应用程序 文件传输协议FTP 实现主机之间文件的传输 简单邮件传输协议SMTP 实现主机之间电子邮件的传送 域名服务DNS 用于实现主机名与IP地址之间的映射 动态主机配置协议DHCP 实现对主机的地址分配和配置工作 路由信息协议RIP 用于网络设备之间交换路由信息 超文本传输协议HTTP 用于Internet中的客户机与WWW服务器之间的数据传输 引导协议BOOTP 用于无盘主机或工作站的启动 简单网络管理协议SNMP 实现网络的管理 6 6应用层 在WWW浏览器与WWW服务器之间传输数据的通信协议是超文本传输协议HTTP HyperTextTransferProtocol 协议 HTTP协议属于TCP IP协议中的应用层 它定义了浏览器与WWW服务器之间的通信交换机制 请求及响应消息的格式等 6 6 1超文本传输协议 HTTP是一个使用请求 响应模型的客户机 服务器协议 一个HTTP客户机或用户通过使用URL与一个HTTP服务器相连接并请求资源 例如一个HTML文档 在HTTP工作过程中 使用MIME来压缩所请求的数据 以MIME格式传输数据 6 6 2域名解析服务 1 域名结构及其命名规则 cn代表中国 jp代表日本 fr代表法国 uk代表英国 ca代表加拿大 au代表澳大利亚等 将标识主机的域名转换为IP地址 1 域名服务器 2 域名解析的过程 3 高效率的域名解析 2 域名解析 6 6 3远程登录协议 1 Telnet基本概念 远程登录 TelecommunicationNetworkProtocol Telnet 是最主要的Internet应用之一 也是最早的Internet应用 2 Telnet基本工作原理 3 虚拟终端NVT 图6 28NVT的原理 4 Te