第7章_TCPIP协议基础.ppt

第7章TCPIP协议基础 摘要 主要介绍了TCP IP协议体系的基本概念 TCP IP协议模型的各个层次包含的协议的基本概念和功能TCP IP协议是Internet发展的基础 学习本章的内容将会对Internet的组织结构 工作过程以及数据传输的理解有很大帮助 本章介绍TCP IP协议的基本概念 TCP IP协议模型的各个层次所包含的协议的概念及其功能 7 1TCP IP协议概述 TCP IP协议是Internet上使用最为广泛的通信协议 所谓TCP IP协议 实际上是一个协议簇 组 是一组协议 其中TCP协议 TransmissionControlProtocol 和IP协议 InternetProtocol 是其中两个最重要的协议 IP协议称为网际协议 用来给各种不同的局域网和通信子网提供一个统一的互联平台 TCP协议称为传输控制协议 用来为应用程序提供端到端的通信和控制功能 7 2网络访问层 网络访问层用于实现主机与传输媒介的物理接口 为网络互联层发送和接收IP数据报 对应到ISO OSI七层模型中的第一层 物理层 和第二层 数据链路层 TCP IP支持多种网络访问层协议 常用的有Ethernet TokenBus TokenRing等 这些协议和标准都遵循电机电子工程师协会 IEEE 系统标准 具体来说 都遵循IEEE802标准 7 3互联网络层 TCP IP协议体系的互联网络层包含的协议主要有InternetProtocol IP 网络协议 InternetControlMessageProtocol ICMP 网络控制信息协议 AddressResulutionProtocol ARP 地址解析协议 和ReverseAddressResolutionPortocol RARP 反向地址解析协议 这一节我们将简单介绍这些协议 7 3 1IP协议的主要功能 IP协议实现两个基本功能 分段和寻址 IP协议的分段 或重组 功能是靠IP数据包头部的一个字段来实现的 网络只能传输一定长度的数据包 而当待传输的数据报超出这一限制时 就需要利用IP协议的分段功能将长的数据报分解为若干较小的数据包 寻址功能同样也在IP数据包头部实现 数据包头部中包含了源端地址 目的端地址以及一些其它信息字段 可用于对IP数据包进行寻址 7 3 2IP协议的特性 IP协议有两个很重要的特性 非连接性 无连接性 和不可靠性 非连接性是指经过IP协议处理过的数据包其传输是相互独立的 每个包都可以按不同的路径传输到目的地 也就是说每个包传输的路由可以完全不同 因而其包抵达的顺序可以不一致 先传送的包不一定先到达目的地 不可靠性是指IP协议没有提供对数据流在传输时的可靠性控制 它是一种不可靠的 尽力传送 的数据报类型协议 它没有重传机制 对底层的子网也没有提供任何纠错功能 用户数据报可能发生丢失 重复甚至失序到达 7 3 3IP协议的包格式 IP协议的包格式 7 3 4IP地址 IP地址是一组32位的二进制数字 由四个字节构成 代表了网络和主机的地址 IP地址的每个字节以点分开 7 3 5IP地址的分类 IP地址根据网络规模的不同可以分成三个等级 或者三类 分别是A类地址 B类地址和C类地址 各类地址的组成结构如图所示 A类地址 前8位表示网络地址 取值由NIC决定 第一位固定为0 剩余7为可表示27 128个A类网络 A类地址一般分配给政府部门 大型网络或大型机构使用 如IBM公司 DEC公司等 目前已经分配完了 A类地址的后24位指主机的地址 24位的主机地址共有224 16777216个主机地址 B类地址 B类地址的前16位表示网络地址 由NIC决定 其中前2位固定为10 所以可以表示214 16384个B类网络 后16位表示机器地址 共有216 65536个主机地址 B类地址一般分配给中型网络或中型机构使用 C类地址 C类地址的前24位组成网络地址 由NIC决定 其中前2位为11 剩余22位 所以应该有222 4194304个C类网络 但是在C类地址的前4位中 1110保留给组播 Multicase 224 239 1111保留给实验用 240 255 所以真正可用的C类网络地址数为应有的网络地址数 保留的地址数 即222 221 2097152个网络地址 C类地址的后8为是主机地址 应有28 256个主机地址 但是需要扣除网络地址 1个 和广播地址 1个 所以真正可用的C类网络的主机地址 最多可以有254个 根据分配的网络地址前8位快速判定网络的类型 7 3 6子网络 当一个网络由若干个小网络组成 我们称这些小网络为子网络 若一个公司的网络是由若干个部门的子网络组成 是否需要为每个子网络申请一个网络地址呢 当这些子网不大时 可以从原先IP地址中的主机地址部分 拿出部分比特作为子网地址 利用IP地址中的子网地址部分区分这些子网 而不用为每个子网申请一个IP地址 1 子网络地址 单一网络下的组成形式IP地址 网络地址 主机地址切割成若干个子网时的形式IP地址 网络地址 子网地址 主机地址原先的主机地址 子网地址 主机地址 子网络地址 例如 168 95 X X的B段网络地址IP地址 32位 网络地址 前16位 主机地址 后16位 168 95 X X 68 95 X X主机共有216 65536个地址 当切割成两个子网时 IP地址 32位 网络地址 子网地址 主机地址168 95 X X 168 95 1位 15位由于要切割成两个子网 于是将原来的后16位中的最高位拿来作为子网地址 这样就可以将B类网络切割成2个子网络 168 95 0XXXXXXX XXXXXXX168 95 1XXXXXXX XXXXXXX各个子网拥有215 32768个主机地址 由此类推 若是将B类网络切割成4个子网络 则须将原来的后16位中的最高两位拿来作为子网络地址 切割成的四个子网分别是 168 95 00XXXXXX XXXXXXXX168 95 01XXXXXX XXXXXXXX168 95 10XXXXXX XXXXXXXX168 95 11XXXXXX XXXXXXXX各个子网拥有214 16384个主机地址 2 子网掩码 使用子网掩码可以判定IP地址是否属于某一子网 例如局域网中的一个主机在发送IP包时 包头中携带有目的IP地址 通过子网掩码 就可以判定包是发送到本网内的某个主机 还是发送到网外的主机 从而选择不同的处理 子网掩码的形式为 网络及子网地址部分置1 主机地址置0形成的IP地址 如一个B类网络的子网掩码为 255 255 0 0一个C类网络的子网掩码为 255 255 255 0 子网掩码举例 例1 将一个C类网络划分为16个子网 求子网掩码 解 要将一个C类网络划分为16个子网 必须从8位主机地址中拿出前4位作为子网地址 4位二进制位可以有16种组合 正好可以表示16个子网地址 所以子网掩码为 255 255 255 240 网络号码 网络号码用于标识一个网络或子网 形式上 网络号码一般是IP地址中的网络地址和子网地址部分不变 而主机地址部分为0的IP地址 如一个B类网络的网络号码可以是 168 95 0 0网络地址部分为168 95 主机地址部分全部置0 一个C类网络的网络号码可以是 202 95 47 0网络地址部分是202 95 47 主机地址部分为0 网络中IP地址 网络号码和子网掩码的关系 IP地址AND子网掩码 网络号码 网络号码举例 例2 设子网掩码为255 255 255 240 判断计算机甲 IP地址 203 66 47 50 和计算机乙 IP地址 203 66 47 49 是否在同一子网内 解 将IP地址与子网掩码相与 看网络号码是否相同 计算机甲11001011010001000010111100110010203 66 47 50子网掩码11111111111111111111111111110000255 255 255 240AND结果11001010010001000010111100110000203 66 47 48计算机乙11001011010001000010111100110001203 66 47 49子网掩码11111111111111111111111111110000255 255 255 240AND结果11001010010001000010111100110000203 66 47 48两个主机的IP地址与子网掩码与的结果都等于203 66 47 48 也就是网络号码 由此可见 计算机甲和计算机乙所处网络的网络号码相同 计算机甲和计算机乙在同一个子网中 3 子网划分 子网划分 7 3 8网络控制信息协议 ICMP ICMP是 InternetControlMessageProtocol Internet控制信息协议 的缩写 它是TCP IP协议族的一个子协议 用于在IP主机 路由器之间传递控制消息 控制消息是指网络通不通 主机是否可达 路由是否可用等网络本身的消息 这些控制消息虽然并不传输用户数据 但是对于用户数据的传递起着重要的作用 ICMP包与IP包的关系 可利用ICMP协议来提供错误信息给来源主机 此信息也以包的形式来传送 称为ICMP包 ICMP协议的使用是建立在IP协议基础上的 换言之 ICMP协议无法单独运行 我们甚至可以将ICMP当作时IP协议的一部分 ICMP的包是嵌在IP包中来传送的 IP包的数据区部分是由整个ICMP包组成的 如图所示 7 3 9地址解析协议 ARP协议 ARP协议是 AddressResolutionProtocol 地址解析协议 的缩写 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根据目标设备的IP地址 查询目标设备的MAC地址 以保证通信的顺利进行 7 3 10反向地址解析协议 RARP协议 ReverseAddressResolutionProtocol 简称RARP协议 RARP协议和前面所提到的ARP协议 其功能刚好相反 将32位的IP地址转换成物理的硬件地址 这是ARP协议的主要功能 而RARP协议则是 将网络的物理地址转换成32位的网络IP地址 7 3 11DHCP协议 DHCP的全称是动态主机配置协议 DynamicHostConfigurationProtocol 由IETF Internet网络工程师任务小组 设计 详尽的协议内容在RFC文档 rfc2131和rfc1541 里 DHCP是WindowsNT和Windows2000Server提供的动态分配主机IP地址的服务 DHCP服务的目的是为了减轻对TCP IP网络的规划 管理和维护的负担 解决IP地址缺乏问题 DHCP服务器可以把TCP IP网络设置集中起来 动态处理工作站IP地址的配置 DHCP提供了自动在TCP IP网络上安全地分配和租用IP地址的机制 实现IP地址的集中式管理 基本上不需要网络管理人员的人为干预 而且 DHCP本身被设计成BOOTP 自举协议 的扩展 支持需要网络配置信息的无盘工作站 对需要固定IP的系统也提供了相应支持 7 3 12Ipv6 由于网络的迅猛发展 IPv4的有限地址空间等问题成为网络发展的瓶颈 1990年因特网工程任务组IETF开始了IPv6的研究 经过数年努力 制定了增强型简单因特网协议 并命名为IPv6 IPv6与IPv4并不完全兼容 但与其他协议 如ICP UDP ICMP完全兼容 IPv6把IPv4的32位地址加至128位 共16字节 使得源和目标地址都增加了 其地址范围为2128 达到几百亿个地址 7 4传输层 传输层的协议主要有两个协议 TCP协议 TransmissionControlProtocol 传输控制协议 和UDP协议 UserDatagramProtocol 用户数据报协议 它们都为应用层提供数据传输服务 7 4 1传输控制协议 TCP协议 TCP协议在TCP IP协议族中的位置 1 TCP协议的主要功能 TCP协议的主要功能 用一句话概括就是 TCP协议提供具有连接性的 可靠的数据流式的传输服务 连接性连接性表示要传输数据的双方 必须事先沟通 在建立好连接之后 才能正式开始传输数据 两台主机之间要想完成一次数据传输 必须经历连接建立 数据传输 以及连接拆除三个阶段 无连接性是指两台主机在进行信息交换之前 无须事先经呼叫来建立通信连接 各个分组独立地各自传送到目的地 连接性与非连接性的数据传输方式的主要区别 路由选择 具有连接性的传输方式 路由的选择仅仅发生在连接建立的时候 在以后的传输过程中 路由不再改变 具有非连接性的传输方式中 每传送一个分组都要进行路由选择 在具有连接性的传输方式中 各分组是按顺序到达的 非连接性的传输方式中 分组可能会失序到达 甚至丢失 具有连接性的传输方式便于实现差错控制和流量控制 非连接性的传输方式一般不实行流量控制和差错控制 具有连接性的传输方式一般应用于较重要的数据传输 非连接性的传输方式一般应用于较不重要的数据传输 可靠性 TCP协议用来在两个端用户之间提供可靠的数据传输服务 其可靠性是由TCP协议提供的确认重传机制实现的 TCP协议的可靠性控制 数据流量控制 我们在讨论TCP协议在保证数据传输的可靠性时 发送端每次都要等到收到回应的确认包后 才传送下一个数据包 由于发送端用于等待确认包的时间是闲置的时间 从而造成整个数据传输效率的低下 造成带宽的浪费 因此 在TCP协议中 使用了一种叫滑动窗的技术 来解决这一问题 用滑动窗进行数据流量控制 图中 假定总共要传送10个包 图A中 窗口中有4个包 表示已送出的包 窗宽W 4 图B中 当传送端收到确认包1时 窗口向右移动一格 并送处包5 图C中 当传送端收到确认包2 3时 窗口向右移2格 并送出包6 7 简单说 在窗口右方的包 表示要准备送出去的包 而位于窗口里面的包 表示已经送出的包 但传送端尚未收到相应的确认包 而窗口左边的包 表示已经送出去而且也已经收到确认的包 窗口在滑动时 其宽度不能赶上规定的窗宽 1 TCP协议的通信端口 在TCP协议中 端口用一个长2个字节的整数来表示 称为端口号 不同的端口号表示不同的应用程序 或称为高层用户 端口号和IP地址连接在一起构成一个套接字 SOCKET 套接字分为发送套接字和接收套接字 发送套接字 源IP地址 源端口号接收套接字 目的IP地址 目的端口号一对套接字唯一地确定了一个TCP连接的两个端点 也就是说 TCP连接的端点是套接字而不是IP地址 在TCP协议中 有些端口号已经保留给特定的应用程序来使用 大多为256号之前 这类端口号 我们称为公共端口 其它的号码 我们称为用户端口 因特网标准工作组规定 数值在1024以上的端口号可以由用户自由使用 3 TCP包 TCP数据报 的格式 我们把在数据链路层上传输的数据单元称为帧 把在网络层上传输的数据单元称为包 Packet TCP包是IP包的一部分 而若以以太网为例 IP包又是以太网帧的一部分 换句话说 IP包封装了TCP包 而以太网的以太包又封装了IP包 封装过程如图所示 TCP包标头格式 7 4 2用户数据报协议 用户数据报协议 UserDatagramProtocol 简称UDP协议 提供了不同于TCP的另一种数据传输服务方式 它和TCP协议都处于主机 主机层 它们之间是平行的 都是构建在IP协议之上 以IP协议为基础 使用UDP协议进行数据传输具有非连接性和不可靠性 UDP提供面向非连接的 不可靠的数据传输服务 UDP没有提供流量控制 因而省去了在流量控制方面的传输开销 因而传输速度快 适用于实时 大量但对数据的正确性要求不高的数据传输 1 UDP协议的通信端口 TCP协议用通信端口来区分同一主机上执行的不同应用程序 同样 UDP也有相同的功能 和TCP一样 UDP也是用一个长2个字节的整数号码来表示不同的程序 在TCP协议中 某些端口号已保留给特定的应用程序使用 同样 UDP协议也有保留端口 这些保留端口号 我们称之为公共端口 其他的号码 我们称为用户端口 UDP包在以太包中的封装 UDP包格式 7 5应用层 ApplicationLayer 应用层 对应到TCP IP协议模型的协议有很多 常用的有WorldWideWeb WWW 全球信息网 FileTransferProtocol FTP 文件传输协议 SimpleMailTransferProtocol SMTP 简易邮件传输协议 Telnet 远程登录 DomainNameSystem DNS 域名系统 SimpleNetworkManagementProtocol SNMP 简易网络管理协议 和NetworkFilesystem NFS 网络文件系统等 这一节我们将一一简要介绍这些协议 7 5 1WWW全球信息网与超文本传输协议HTTP 1 WWW全球信息网WWW全球信息网 WorldWideWeb 是目前Internet上最流行 最便捷的信息工具 WWW这个网络服务 引进了新的网络技术 其中包括 引进Hypertext 超文本 与Hyperlink的概念 活泼 生动 互动的文本特性 提供了Internet上的服务大整合 主从式结构 2 HTTP与WWW HTTP 对于WWW而言 相当重要 因为它是WWW所使用的通信协议 超文本传输通信协议 HyperTextTransferProtocol HTTP 是WWW客户端与WWW服务器之间的传输协议 通过这个协议 文字 图片 声音 影像等多媒体信息便可以在客户端与服务器之间传输 HTTP对在Internet上WWW服务器与用户浏览器之间的Web文本传输 是个相当重要的通讯协议 正因为如此 所以有些人把Web服务器也称为http服务器 HTTP特点 HTTP传送的数据是MIME的格式 HTTP采用主从式结构 HTTP的服务器端和客户端使用默认的端口号80来做数据的传输 HTTP提供了验证用户帐号和密码的安全机制 HTTP提供了数据续传的功能 HTTP常用的命令有Get和Post GET表示客户端向服务器端口取得数据 也称为下载数据 POST表示客户端将数据传送给服务器端 也称为上传数据 3 URL与WWW 当我们使用WWW来打开某网站时 常会输入类似http XXX XXX XXX形式的命令 其中http表示WWW所使用的通讯协议是HTTP 而这个命令的格式的设置 称之为URL UniformResourceLocator 统一资源定位器 在Internet上的网站有几百万个 如何表示要连接的服务器地址 数据以何种方式取得 数据在服务器的那一个目录中 那一个文件中 这些答案都可以利用URL来解决 其实 URL的使用并不仅局限于HTTP 对于其它服务的命令格式 如FTP URL的标准格式 Method Host DNSorIP Port File path File nameMethod表示用户要对服务器请求哪种服务类型 常用的如HTTP FTP Telnet等 是用来分隔服务类型与服务器地址的符号 Host DNSorIP 用来设置服务器的地址 可以使用其DNS 域名 名称或IP地址 Port 对于HTTP FTP Telnet等常用服务 在Internet上使用的是公用端口 假定服务器按照标准设置了其端口号 则这部分可以省略 否则必须指定 File path用来指定资源在服务器内存放的路径 File name用来指定资源的文件名称和类型 在WWW的使用上 若省略了File path File name 当你连接到WWW服务器时 就会自动连接到其首页 HomePage 4 WWW与浏览器 WWW浏览器 Browser 的主要功能就是提供用户浏览超文本 通过它 一些文本的 多媒体特技 就可以轻松地展现在用户眼前 如动画等 目前市场上的多媒体浏览器以网景公司的Netscape和微软的Explorer为主 5 WWW的文本格式 前面所谈到的超文本 到底是如何制作的呢 WWW的文本 它是依据HTML HyperTextMarkupLanguage 超文本标记语言 的语法来编辑的 事实上 这个语法 目前并没有真正的标准 因此 同样的HTML语法 并不一定适合于全部的浏览器 至于如何编辑HTML的文本 由于它是属于普通的文字文本 所以通过一般的文本编辑软件即可以对其编辑 另外 目前也出现了很多工具软件专门用来编辑HTML文本 如微软公司的Frontpage Macromedia公司的Deamweaver等 7 5 2DNS域名系统 为了不必去记忆那些难记的IP地址 能够通过有意义的文字来记忆网络地址 便出现了域名系统 DNS DomainNameSystem DNS的功能 简单地说 就是通过名称数据库将主机名称转换为IP地址 也可反向转换 即将IP地址转换为主机名称 DNS的分层管理 顶级域名 GOV 政府机构EDU 教育性机构ARPA ARPANET主机COM 商业机构MIL 军事组织NET 网络支持机构CN 国家代码 表示除美国以外的国家其中 COM EDU GOV MIL NET ORG称为一般顶级域名 而CN JP等国家代码 称为国家代码顶级域名 1 DNS组件 域 域名的最后一部分称为域 如 这里的cn就是域 每个域还可以在细分为若干个子域 如cn域又可划分为edu com等多个子域 域名 DNS将域名定义成主机名和子域 域的一个序列 主机名和子域 域以 分开 如 等 名称服务器 主机上的一个程序 提供域名到IP地址的映射 此外 名称服务器还可以指代一台专门用于名称服务的机器 在上面运行了名称服务器软件供客户查询 名称解析器 与名称服务器交互的客户软件 有时就简单地称作DNS客户 名称缓存 名称解析器用于存储常用信息的存贮器 4 DNS的工作原理 电子邮件的工作原理 2 电子邮件地址 电子邮件如真实生活中人们常用的信件一样 有收信人姓名 收信人地址等等 电子邮件地址的结构是 用户名 邮件服务器名用户名就是用户使用的登录名 而 后面的是邮局方服务计算机的标识 域名 都是邮局方给定的 如info 即为一个邮件地址 常用的电子邮件协议 常用的电子邮件协议有SMTPPOP3MIMEIMAP下面我们简要介绍一下SMTP和POP3协议 SMTP SimpleMailTransferProtocol 是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则 由它来控制信件的中转方式 SMTP协议属于TCP IP协议族 它帮助每台计算机在发送或中转信件时找到下一个目的地 通过SMTP协议所指定的服务器 我们就可以把电子邮件寄到收信人的服务器上了 整个过程只要几分钟 SMTP服务器则是遵循SMTP协议的发送邮件服务器 用来发送或中转发出的电子邮件 POP3 PostOfficeProtocol3 规定怎样将个人计算机连接到Internet的邮件服务器 它是下载电子邮件的协议 也是因特网电子邮件的第一个离线协议标准 POP3允许用户从服务器上把邮件存储到本地主机 即自己的计算机 上 允许删除保存在邮件服务器上的邮件 而POP3服务器则是遵循POP3协议的接收邮件服务器 用来接收电子邮件 SMTP和POP3协议的运用 7 5 3Telnet协议 Telnet协议是TCP IP协议族中高层协议的一员 是Internet远程登录服务的标准协议 应用Telnet协议能够把本地用户所使用的计算机变成远程主机系统的一个终端 通过使用Telnet Internet用户可以与全世界许多信息中心 图书馆及其它信息资源联系 Telnet远程登录的使用主要有两种情况 第一种是用户在远程主机上有自己的帐号 Account 即用户拥有注册的用户名和口令 第二种是许多Internet主机为用户提供了某种形式的公共Telnet信息资源 这种资源对于每一个Telnet用户都是开放的 1 Telnet的工作原理 7 5 3FTP文件传输协议 FTP FileTransferProtocol 文件传输协议 是Internet上使用非常广泛的一种通讯协议 FTP可以使Internet用户把文件从一个主机拷贝到另一个主机上 因而为用户提供了极大的方便和收益 FTP通常也表示用户执行这个协议所使用的应用程序 FTP和其它Internet服务一样 也是采用客户机 服务器方式 FTP的工作原理 SMTP简易网络管理协议 SNMP SimpleNetworkManagementProtocol 简单网络管理协议 首先是由Internet工程任务组 InternetEngineeringTaskForce IETF 为解决Internet上的路由器管理问题而提出的 SNMP协议提供了一种从网络上的设备中收集网络管理信息的方法 SNMP也为设备向网络管理工作站报告问题和错误提供了一种方法 7 5 3NFS网络文件系统 NFS NetworkFilesystem 网络文件系统 是由Sun微系统公司 SunMicrosystem Inc 开发并被IETF接受 纳入RFC 作为文件服务的一种标准 RFC1904 RFC1813 NFS基于客户 服务器结构 通过RPC 远过程调用 实现 NFS主要是提供在线文件透明化的访问服务 7 5 3IP测试命令 1 IP测试工具Ping2 测试TCP IP协议配置工具Ipconfig3 测试TCP IP协议配置工具Winipcfg4 网络协议统计工具Netstat 1 IP测试工具Ping Ping命令的使用格式 Ping目的地址 参数1 参数2 目的地址是指被测试的计算机的IP地址或是域名 后面可带的参数有 a解析主机地址 n发出的测试包的个数 缺省值为4 l发送缓冲区的大小 t继续执行Ping命令 直到用户按Ctrl C终止 Ping命令可以在 开始 运行 中执行 也可以在MS DOS下执行 另外一些有关的参数 可以通过MS DOS提示符下运行Ping或Ping 命令来查看 Ping命令显示如下的信息 Pinging192 168 0 2with32bytesofdata R