计算机网络概论_刘晶璘_第七章TCP_IP协议.ppt

第七章TCP IP协议 7 1OSI参考模型与TCP IP协议参考模型7 2IP地址7 3IPv67 4互联网层协议7 5传输层协议7 6应用层协议7 7Socket网络编程 7 1OSI参考模型与TCP IP协议参考模型 由于各种不同网络技术的发展和应用 出现了众多不同类型的局域网和广域网 为了实现网络之间的互操作性 就需要预先制定一套通信双方相互了解和共同遵守的格式和约定 以实现网络的相互通信 我们称之为网络协议 1979年 国际标准化组织 ISO 提出了开放系统互联的体系结构 OpenSystemsInterconnection OSI 即OSI参考模型 OSI参考模型是计算机网络的基本体系结构基础 OSI参考模型只给出了一些原则性的说明 并不是一个具体的网络协议 Internet之所以能够获得成功 其关键在于Internet使用了TCP IP协议作为网络的标准连接协议 TCP IP协议不是单一的协议 而是一个包含着成千上万个协议的分层的协议族 我们把这个协议族的分层模型称之为TCP IP参考模型 在TCP IP协议族中 TCP协议和IP协议是网络中使用的最基本的通信协议 是保证数据完整传输的两个基本的重要协议 OSI参考模型共分为七层 分别为物理层 数据链路层 网络层 传输层 表示层 会话层和应用层 它们之间相互关联又相互独立 TCP IP协议参考模型共有四层 网络接口层 互联网层 传输层 应用层 图7 1TCP IP协议和OSI参考模型之间的对应关系图 7 2IP地址 Internet网络地址简称IP地址 是整个IP协议的核心 也是网络实现互连互通及网络路由选择的基础 IP地址是网络数据传输的依据 连接在网络中的所有设备和计算机都必须有一个唯一的IP地址 这样才能够实现相互通信 一 IP地址的分类目前 Internet普遍采用的IP协议是IPv4 IPv4地址类别的划分主要是针对网络规模的大小 依据IP地址最左边4个二进制位的值决定具体的网络类型 其IP地址分为五类 即A类 B类 C类 D类 E类 一个IP地址主要由两部分组成 一部分是用于标识该地址所从属的网络号 另一部分用于指明该网络上某个特定主机的主机号 IP地址的格式为 IP地址 网络地址 主机地址 二 特殊的IP地址1 直接广播地址和有限广播地址2 多播地址3 网络地址4 回环地址5 本地链路地址6 公有地址和私有地址 三 IP地址的规划为了便于网络的管理 提高网络安全性能 降低网络流量 我们可以把一个大网络分成更小的网络 称为子网 IP协议支持用户根据自己网络的实际需要 创建子网络 这样 不仅可以把位于不同物理位置的主机组合在一起 还可以分离关键设备或者优化数据传送 子网编址技术是将IP地址中主机地址部分进一步划分为 子网 部分和 主机 部分 这样 IP地址格式为 IP地址 网络地址 子网地址 主机地址 子网编址技术中不可缺少的就是子网掩码 SubnetMask 子网掩码与IP地址一样 其长度也是32位 4个字节 可以用二进制形式 也可以使用十进制的形式 例如 255 255 252 0就是一个有效的十进制子网掩码 其对应的二进制形式的子网掩码为11111111 11111111 11111100 00000000 子网掩码中用1代表网络部分 0代表主机部分 通常A类地址的默认子网掩码为255 0 0 0 B类地址的默认子网掩码为255 255 0 0 C类地址的默认子网掩码为255 255 255 0 利用子网掩码可以确定IP地址的网络号和主机号 并可以判定网络中的主机是否属于同一子网 若将IP地址与子网掩码进行按位与 便可以得出网络号 若将IP地址与子网掩码的反码 即将子网掩码按位取反所得的二进制数 进行按位与 便可以得出主机号 四 可变长子网掩码 VLSM 子网掩码 SubnetMask 技术可以实现将一个大的网络划分成若于子网 且各子网大小相同 也就是各子网所能容纳的主机数相同 而VLSM VariableLengthSubnetMask 可变长子网掩码 技术可以实现将一个大的网络分成多个不同大小的子网 也就是说各子网所能容纳的主机可以不同 VLSM技术对IP地址的高效分配及减少路由表大小都非常重要 但必须路由协议支持VLSM技术才能发挥作用 能够支持VLSM技术的路由协议主要有RIP2 OSPF EIGRP和BGP 五 无类别域间路由 CLDR IP地址的耗尽促成了CIDR ClasslessInter DomainRouting 无类别域间路由 技术的开发 该技术引入 网络前缀 的概念来代替网络 类 的概念 由于A类地址已经分配完毕 B类地址也趋于枯竭 只有剩下的C类地址可以被分配 然而C类地址的大量使用会造成路由表的爆炸性增长 CIDR技术可以把多个C类地址合并起来 作为B类地址进行分配 采用这种分配方案 可以将路由表中的多个路由表合并起来 以减少路由表的路由信息 也就是说CIDR技术可以实现路由聚合 这样便可以达到限制Internet主干路由器中必要路由信息的增长 但传统的路由协议都采用了 类 的 目前只有如RIPv2 OSPF IS IS BGP这些较新的路由协议 采用无类路由技术 才能支持CIDR技术 六 网络地址翻译 NAT CIDR技术的应用使现有的IP地址得到了更有效的使用 而NAT NetworkAddressTranslation 网络地址翻译 技术可以将网络内部的私有地址翻译成Internet上使用的合法公有IP地址 这样便可以解决内部网络大量主机访问Internet的需求问题 可以有效地减少对公有IP地址的注册需求 NAT技术可以实现一个私有网络可以通过注册一个合法公有IP地址 通过这个公有IP连接到Internet上 位于内部网络和外部网络之间的NAT路由器在发送数据包之前 负责把内部私有IP地址翻译成外部合法IP地址 NAT的翻译的方法有两种 静态翻译 statictranslation 将网络内部私有IP地址和Internet上的合法IP地址一对一对应 完成内部IP地址的翻译 这种翻译方法并不能解决公有IP地址的需求问题 动态翻译 dynamictranslation 首先NAT会确认哪个地址需要翻译 然后再查看相应的地址池 可以实现将多个内部私有的IP地址翻译成一个公有的合法IP地址 这种翻译方法有效的解决了对公有IP地址的需求问题 NAT也有缺点 如NAT技术的应用会降低网络吞吐量 影响网络的性能等 7 3IPv6 IPv6是继IPv4之后的新一代IP协议 也可以说是下一代互联网协议 IPv6采用了长度为128位的IP地址 IPv6是以扩充地址空间和减轻路由器负担为主要目的 不仅可以解决IP地址资源枯竭问题 并且可以实现高速路由 一 IPv6地址IPv6最显著的特征就在于它的巨量的地址空间 IPv6采用128位的地址长度 是IPv4的四倍 当地址长度为32位时 最多可有2 32或4 294 967 296个可能的IP地址 而当地址长度为128位时 则将有2 128或340 282 366 920 938 463 463 374 607 431 768 211 456个可能的IP地址 相当于全球人均可分配1 8 1019个IPv6地址 1 IPv6地址空间的分配 IPv6地址的前几位二进制位用于指定地址类型 我们把用于指定地址类型的二进制位称为格式前缀 IPv6的单点传送地址包括可聚集全球单点传送地址 链路本地单点传送地址 节点本地单点传送地址 共计占IPv6寻址总空间的15 2 IPv6地址语法IPv6的地址表示方法与IPv4不同 IPv4采用点号分十进制格式 而IPv6采用的是冒号分十六进制格式 IPv6地址表示方法中 将长度为128位二进制位地址分成每16位二进制位作为一组的形式 并将16位二进制位分组写成4位十六进制数 中间用冒号分隔 这就是我们所说的冒号分十六进制格式 例 一个以二进制形式表示的IPv6地址 00100001110110100000000011010011000000000000000000101111001110110000001010101010000000001111111111111110001010001001110001011010该128位地址以16位为一分组可表示为 00100001110110100000000011010011000000000000000000101111001110110000001010101010000000001111111111111110001010001001110001011010每个16位分组转换成十六进制并以冒号分隔 21DA 00D3 0000 2F3B 02AA 00FF FE28 9C5AIPv6可以将每4个十六进制数字中的前导零位去除做简化表示 但每个分组必须至少保留一位数字 去除前导零位后 上述地址可写成 21DA D3 0 2F3B 2AA FF FE28 9C5A 3 IPv6地址的零压缩某些类型的地址中可能包含很长的零序列 为进一步简化表示法 IPv6还可以将冒号十六进制格式中相邻的连续零位进行零压缩 用双冒号 表示 例如链路本地地址FE80 0 0 0 2AA FF FE9A 4CA2可压缩成FE80 2AA FF FE9A 4CA2 多点传送地址FF02 0 0 0 0 0 0 2压缩后 可表示为FF02 2 要想知道 究竟代表多少个 0 我们可以做这样的计算 用8去减压缩后的分组数 再将结果乘以16 例如 在地址FF02 2中 有两个分组 FF02 分组和 2 分组 那么被压缩掉的 0 共有 8 2 16 96位 注意 在一个特定的地址中 零压缩只能使用一次 也就是说 在任意一个冒号分十六进制格式中只能出现一个双冒号 否则我们就无法知道每个 所代表的确切零位数了 4 IPv6地址前缀前缀是地址中具有固定值的位数部分或表示网络标识的位数部分 IPv6的子网标识 路由器和地址范围前缀书写格式为 地址 前缀长度 例如21DA D3 48是一个路由器前缀 而21DA D3 0 2F3B 64是一个子网前缀 注意 IPv4中普遍使用的被称为子网掩码的点分十进制网络前缀表示法在IPv6中已不再使用 IPv6仅支持前缀长度表示法 二 IPv6地址类型IPv6地址是独立接口的标识符 所有的IPv6地址都被分配到接口 而非节点 由于每个接口都属于某个特定节点 因此节点的任意一个接口地址都可用来标识一个节点 IPv6有三种类型地址 A 单点传送 单播 地址B 多点传送 组播 地址C 任意点传送 任播 地址 1 IPv6单点传送地址IPv6单点传送地址包括 可聚集全球单点传送地址 链路本地单点传送地址 节点本地单点传送地址和其他一些特殊的单点传送地址 可聚集全球单点传送地址可聚集全球单点传送地址 顾名思义是可以在全球范围内进行路由转发的地址 格式前缀为001 可聚集全球单点传送地址结构如图7 2所示 图7 2 可聚集全球单点传送地址 本地使用单点传送地址本地单点传送地址的传送范围限于本地网络 又分为链路本地地址和站点本地单点传送地址两类 兼容性地址在IPv4向IPv6的迁移过渡期 两类地址并存 我们还将看到一些特殊的地址类型 IPv4兼容地址IPv4映射地址6to4地址 2 IPv6多点传送地址IPv6的多点传送 组播 与IPv4运作相同 多点传送可以将数据传输给组内所有成员 组的成员是动态的 成员可以在任何时间加入一个组或退出一个组 IPv6多点传送地址格式前缀为11111111 此外还包括标志 Flags 范围域和组ID等字段 如图7 3所示 图7 3多点传送地址 4位Flags 可表示为 000T 其中高三位保留 必须初始化成0 T 0表示一个被IANA永久分配的多点传送地址 T 1表示一个临时的多点传送地址 4位Scope是一个多点传送范围域 用来限制多点传送的范围 表7 2列出了在RFC2373中定义的Scope字段值 表7 2 Scope字段值 GroupID标识一个给定范围内的多点传送组 永久分配的组ID独立于范围域 临时组ID仅与某个特定范围域相关 3 IPv6任意点传送地址一个IPv6任意点传送地址被分配给一组接口 通常这些接口属于不同的节点 发往任意点传送地址的包传送到该地址标识的一组接口中根据路由算法度量距离为最近的一个接口 目前 任意点传送地址仅被用做目标地址 且仅分配给路由器 任意点传送地址是从单点传送地址空间中分配的 使用了单点传送地址格式中的一种 子网 路由器任意点传送地址必须经过预定义 该地址从子网前缀中产生 为构造一个子网 路由器任意点传送地址 子网前缀必须固定 余下的位数置为全 0 见图7 4 图7 4 子网 路由器任意点传送地址一个子网内的所有路由器接口均被分配该子网的子网 路由器任意点传送地址 子网 路由器任意点传送地址用于一组路由器中的一个与远程子网的通信 二 IPv6的新特性IPv6保持了IPv4的大多数概念 但IPv6改变了协议的许多细节 如地址空间的长度采用了128位等 IPv6相对于IPv4的主要新特性如下 新包头格式更大的地址空间高效的层次寻址及路由结构全状态和无状态地址配置内置安全设施更好的QoS支持用于邻节点交互的新协议可扩展性 三 IPv4到IPv6的过渡技术目前 IETF已经成立了专门的工作组 研究IPv4到IPv6的转换问题 并且已提出了很多方案 主要包括以下几个类型 1 双协议栈技术由图7 5所示的协议栈结构可以看出 如果一台主机同时支持IPv6和IPv4两种协议 那么该主机既能与支持IPv4协议的主机通信 又能与支持IPv6协议的主机通信 这就是双协议栈技术的工作机理 图7 5IPv4 v6双协议栈协议结构2 隧道技术随着IPv6网络的发展 出现了许多局部的IPv6网络 但是这些IPv6网络需要通过IPv4骨干网络相连 将这些孤立的 IPv6岛 相互联通必须使用隧道技术 利用隧道技术可以通过现有的运行IPv4协议的Internet骨干网络 即隧道 将局部的IPv6网络连接起来 因而是IPv4向IPv6过渡的初期最易于采用的技术 隧道技术只要求在隧道的入口和出口处进行修改 对其他部分没有要求 因而非常容易实现 但是隧道技术不能实现IPv4主机与IPv6主机的直接通信 3 网络地址转换 协议转换技术网络地址转换 协议转换技术NAT PT NetworkAddressTranslation ProtocolTranslation 通过与SIIT协议转换和传统的IPv4下的动态地址翻译 NAT 以及适当的应用层网关 ALG 相结合 实现了只安装了IPv6的主机和只安装了IPv4机器的大部分应用的相互通信 4 6to4技术转换策略计划者考虑的关键问题是当使用者对ISP所提供的基本IPv6传输协议还没有合理的选择时 如何激活IPv6路由域间的连通性 当缺少本地IPv6服务时 提供连通性的解决办法之一是将IPv6的分组封装到IPv4的分组中 6over4隧道技术 6to4是一种自动构造隧道的方式 它的好处在于只需要一个全球惟一的IPv4地址便可使得整个站点获得IPv6的连接 在IPv4NAT协议中加入对IPv6和6to4的支持 是一个很吸引人的过渡方案 7 4互联网络协议 互联网层协议主要包含 ARP RARP InARP NBMAARP PPP L2TP IP IPsec IPv4 IPv6 ICMP IGMP RIP OSPF BGP IS IS 本节主要介绍ARP RARP IP ICMP IGMP RIP OSPF BGP协议 一 ARP协议1 ARP协议ARP AddressResolutionProtocol 地址解析协议 将网络层 IP层 也就是相当于ISOOSI的第三层 地址解析为数据连接层 MAC层 也就是相当于ISOOSI的第二层 的MAC地址 MAC地址是一个48位的物理地址 用来标识以太网或令牌环网络接口 如果一台主机要与另一台主机通信 它必须知道目标主机的MAC地址 如果它们位于同一个网段中 或下一跳路由器的MAC地址 ARP通过本地广播将IP地址解析为MAC地址 对于远程网络上的设备 路由器将充当远程设备的代理 让本地设备能够同远程设备通信 2 ARP协议的报文格式ARP又称为以太网ARP 原本是为以太网制定的 但在具有类似机制的其他网络上同样可以运用 ARP报文的格式如表7 3所示 表7 3ARP报文格式 3 ARP协议的工作原理 4 如何管理ARP缓存表ARP缓存表是可以查看的 也可以添加和修改 在命令提示符下 输入 arp a 就可以查看ARP缓存表中的内容 用 arp d 命令可以删除ARP表中某一行的内容 用 arp s 可以手动在ARP表中指定IP地址与MAC地址的对应 二 RARP协议 RARP ReverseAddressResolutionProtocol 逆向地址解析协议 是一种用于根据已知的MAC地址获得对应的IP地址的协议 这种协议主要用于无盘工作站的启动 因为无盘工作站只知道自己的MAC地址 由于没有IP地址 这样无法和其它的节点交换信息 所以必须通过RARP协议来获得一个IP地址 由于RARP报文无法通过路由器转发 所以每个网络都需要一台RARP服务器 当一台无盘工作站启动时 会使用全1的广播地址向网络广播RARP报文 RARP服务器接收到RARP报文后 会向无盘工作站发回RARP响应报文 给无盘工作站指定一个IP地址 三 IP协议 网际协议 互联网层主要负责数据转发和路由 提供的是一个不可靠无连接的端对端的数据通路 其最核心的协议当然是IP协议 该协议是不可靠无连接的协议 IP协议是以包的形式传输数据 这种包称为IP数据报 IP数据报是由报头和有效载荷两部分组成 IP数据报的长度是可变的 最长可达65536个字节 IP数据报的报头是用于描述数据报路由选择信息的 IPv4数据报的报头可以附多个选择项 其报头最小长度为20个字节 最大长度为60个字节 另外都是以四个字节为一个单位 表7 5给出了IP报文的格式 表7 5IP报文格式 四 ICMP协议 因特网控制报文协议 虽然ICMP消息是被封装在IP数据报中传输的 但ICMP协议也是一种与IP协议并行运行在互联网层的协议 它主要用于传递差错报文以及其他需要注意的消息 ICMP消息被作为IP数据报的有效载荷 通过IP数据报进行传输 其ICMP报文的格式如表7 6所示 表7 6ICMP报文格式 ICMP协议报的报头由四个字节组成 第一个字节为类型字段 第二个字段为代码字段 其后的二个字节为校验和字段 ICMP消息内容的长度和格式是不定 它取决于ICMP协议报报头中的类型和代码 ICMP消息类型有 回显应答 请求回显 不可到达目的地 参数问题 源端抑制 重定向 时间戳应答 时间戳请求 超时 五 IGMP协议 因特网组管理协议 IGMP协议是实现IP组播功能的重要协议 运行与主机和组播路由器之间 是验证组播地址组成员主机的协议 IGMP协议一方面可以将IGMP协议主机通过组播路由器加入希望加入某个组播组 另一方面 组播路由器查以通过IGMP协议周期性地查询某个组播组的成员是否处于活动状态 IGMP消息报文和ICMP协议报文一样 也被封装在IP数据报中进行传输的 IGMP有固定的报文长度 没有可选项 IGMP报文格式如表7 7所示 表7 7IGMP报文格式 IGMP报文有两种 一种为查询报文 其类型字段的值为1 另一种为应答报文 其类型字段的值为2 六 IP协议路由选择 IP协议路由选择是指网络中的某个节点利用其收集网络连接信息为数据包的下一步传输选择最佳的路径 路由协议可分为两类 一类是IGP interiorgatewayprotocol 内部网关协议 另一类是EGP exteriorgatewayprotocol 外部网关协议 这里的网关指的是路由器 1 RIP协议2 OSPF协议3 BGP协议 边界网关协议 表7 8RIP报文格式 表7 9RIPv1的路由信息项格式 表7 10RIPv2的路由信息项格式 表7 11OSPF路由协议的数据包包头 IGP EGP 7 5传输层协议 一 传输控制协议 传输层主要有TCP和UDP两种协议 TCP 传输控制协议 建立端到端的可靠连接 可以保证数据传输的正确性 也就是说可以提供有保证的传输和接收应答 并且该协议还能够提供虚电路连接和面向数据流的传输 UDP 用户数据报协议 是一种特别简单的协议 由于该协议是非面向连接的 所以该协议提供的服务的也是不可靠的 它不能保证数据传输的正确性 并且不对数据是否被接收进行验证 TCP协议是一个支持面向连接的 端到端的 进程间可靠通信的协议 TCP连接的建立要经过 三次握手 来实现 发送者 接收者 TCP连接请求 三 传输层相关协议 二 用户数据报协议 表7 12TCP报文段格式 UDP数据报也是被封装在IP数据报中 其UDP数据报的具体格式如表所示 SCTP 流控制传输协议 DCP 数据报控制协议 在传输层引入了与TCP UDP协议不同的传输机制 但都处于开发阶段 至于能否取代目前传输层的TCP UDP协议 则取决于能否更好地处理网络存在的问题 TLS 传输层安全协议 该协议对接收到来自于应用层的数据进行加密处理后才发送到传输层 SSH 安全外壳协议 该协议的基本功能是对应用层接收或发送的数据进行加密 解密处理 7 6应用层协议 常用的应用层协议有 HTTP FTP Telnet Gopher SMTP SNMP DNS SSH POP IMAP 本节主要介绍HTTP FTP Telnet SNMP 一 HTTP协议 1 HTTP协议的特点2 HTTP的会话过程3 HTTP请求HTTP请求常用的方法有 GET PUT POST HEAD DELETE LINK UNLINK 二 FTP协议 FTP FileTransmissionProtocol 文件传输协议 是TCP IP中用于实现文件传输的标准协议 FTP协议支持的文件类型有ASCII码 二进制文件 并且支持的文件结构可以是面向字节的和面向记录的 FTP提供的文件传输可以是文件和文件夹 其传输效率比HTTP协议高 操作灵活 有HTTP协议不可替代的作用 1 FTP的会话过程FTP的会话过程中包括五个基本的元素 即客户机端的用户接口 用户控制进程 用户数据传输进程 服务器端的服务器控制进程 服务器数据传输进程 FTP有两种模式 即Port模式和Passive模式 使用不同的模式其FTP的会话过程也略有不同 2 FTP存在的安全问题FTP以明文方式发送用户名和口令 未经过任何加密处理 3 AnonymousFTP 匿名文件传输 AnonymousFTP能够使用户以匿名身份登录到远程主机上并实现从远程主机上下载文件 而不必先向远程主机的注册用户 三 Telnet协议 Telnet TerminalNETwork 终端网络 是终端仿真协议 该协议提供了相对通用 双向 面向八位字节的通信机制 该协议的主要目的是实现界面终端设备和面向终端的过程通过一个标准过程进行互相交互 1 远程登录 什么是远程登录远程登录是指用户使用Telnet命令 使自己的计算机暂时成为远程主机的一个仿真终端的过程 远程登录的工作过程Telnet远程登录服务分为以下4个过程 建立本地计算机与远程主机之间的连接 将本地计算机变成远程主机的NVT NetVirtualTerminal 网络虚拟终端 此时本地输入的任何命令或字符以NVT格式传送到远程主机 将远程主机输出的NVT格式的数据转化为本地计算机所能接受的格式 实现结果的回显 撤消本地计算机与远程主机之间的连接 2 Telnet协议 什么是Telnet协议Telnet协议是TCP IP协议族中的一员 是Internet远程登录服务的标准协议 能够将本地计算机变成远程主机系统的一个仿真终端 它提供了三种基本服务 Telnet为远程主机系统定义了一个仿真终端 为远程主机系统提供一个远程的标准输入 输出接口 Telnet提供了本地计算机和远程主机之间协商选项的机制 Telnet对称处理连接的两端 即Telnet不强迫客户机从键盘输入 也不强迫客户机在屏幕上显示输出 Telne