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第五章tcp ip协议 TCP IP的层次结构TCP IP协议集TCP UDP IP ARP RARP ICMP IGMP DNS及DHCP协议的功能IP地址的划分子网掩码的功能路由器的功能 本章学习要点 5 1TCP IP协议集5 2网际层协议5 3传输层协议5 4应用层协议5 5网络互连技术 TCP IP TransmissionControl InternetProtoco1 是指传输控制协议 网际协议 由它的两个主要协议即TCP协议和IP协议而得名 5 1TCP IP协议集 在TCP IP的层次结构中包括了4个层次 1 网际层的协议 1 网际协议 InternetProtocol IP 2 网际控制报文协议 InternetControlMessageProtocol ICMP 3 网际主机组管理协议 InternetGroupManagementProtocol IGMP 4 地址解析协议 AddressResolutionProtocol ARP 和反向地址解析协议RARP 2 传输层协议 1 传输控制协议 TransmissionControlProtocol TCP 2 用户数据报协议 UserDatagrarmProtocol UDP 3 应用层协议 1 1 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 2 域名服务DNS 用于实现主机名与IP地址之间的映射 3 简单邮件传输协议SMTP 实现邮件服务器之间邮件传送 4 邮政代理协议POP 实现用户计算机与邮件服务器之间邮件传送 5 动态主机配置协议DHCP 实现对主机的地址分配和配置工作 6 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 7 文件传输协议FTP 实现主机之间的文件传送 8 路由信息协议RIP 用于网络设备之间交换路由信息 9 网络文件系统NFS 实现主机之间的文件系统的共享 10 引导协议BOOTP 用于无盘主机或工作站的启动 11 简单网络管理协议SNMP 实现网络的管理 3 应用层协议 2 5 2网际层协议 5 2 1网际协议IP5 2 2IP地址与子网掩码5 2 3地址解析协议5 2 4ICMP网际控制报文协议5 2 5IGMP网际主机组管理协议 5 2 1网际协议IP IP协议的任务是在不同的网络之间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 他的工作是分割和重编在传输层被分割的数据包 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 延迟时间大或者次序会混乱 5 2 2IP地址与子网掩码 IPv4版的IP地址划分子网掩码几种特殊的IP地址下一代IP协议IPv6 根据TCP IP协议规定 IP地址由32bit组成 它包括3个部分 地址类别号 网络号和主机号 如图 1 IPv4版的IP地址划分 IP地址由32位二进制比特组成 图5 2IP地址的结构 11000000101010000000101000111010 192 168 10 58 IP地址的点分十进制 将IP地址分为4个字节 每个字节为8bit 且每个字节用十进制表示 并用 隔开 如图 图5 3IP地址二进制与十进制的关系 按照网络规模大小以及使用目的的不同 可以将Internet的IP地址分为5种类型 包括A类 B类 C类 D类和E类 5类地址的格式如图5 4所示 A类地址第一字节的第1位为地址类别号 0 其余7位表示网络号 第二 三 四个字节 A类地址的网络数为27 128 个 每个网络包含的主机数为224 16777216 个 A类地址的范围是 0 0 0 0 127 255 255 255 1 A类地址 A类地址的范围 2 B类地址 B类地址第一字节的前两位为地址类别号 10 剩下的6位和第二字节的8位共14位二进制数用于表示网络号 第三 四字节共16位二进制数用于表示主机号 B类地址网络数为214个 每个网络号所包含的主机数为216个 B类地址的范围为 128 0 0 0 191 255 255 255一台主机能使用的B类地址的有效范围是 128 1 0 1 191 254 255 254如图 B类地址的范围 C类地址第一字节的前3位为地址类别号 110 剩下的5位和第二 三字节共21位二进制数用于表示网络号 第四字节的8位二进制数用于表示主机号 由于网络号和主机号全0和全1有特殊作用 因此 C类地址网络数为221 实际有效数221 2即200多万个 每个网络号所包含的主机数为256 实际有效数为254 个 C类地址的范围为 192 0 0 0 223 255 255 255一台主机能使用的C类地址的有效范围是 192 0 1 1 223 255 254 254如图 3 C类地址 223255254254 C类地址的范围 D类地址第一字节的前4位为 1110 D类地址用于多播 多播就是同时把数据发送给组主机 只有那些已经登记可以接收多播地址的主机才能接收多播数据包 D类地址的范围是 224 0 0 0 239 255 255 255 4 D类地址 E类地址第一字节的前4位为 1111 E类地址是为将来预留的 同时也可以用于实验目的 5 E类地址 2 子网掩码 子网掩码 SubnetMask 通过子网掩码可以指出一个IP地址中的哪些位对应于网络地址以及哪些位对应于主机地址 对于子网掩码的取值 对应于IP地址中网络地址 网络号 的所有位都设置为 1 对应于主机地址 主机号 的所有位都设置为 0 标准的A类 B类 C类地址都有一个默认的子网掩码 如表所示 点分十进制表示子网掩码的二进制位 A255 0 0 011111111000000000000000000000000B255 255 0 011111111111111110000000000000000C255 255 255 011111111111111111111111100000000 地址类型 A B C类地址默认的子网掩码 3 几种特殊的IP地址 1 直接广播地址主机号各位全为 1 的IP地址用于广播之用 称为直接广播地址 或广播地址 用以标识网络上所有的主机 2 有限广播地址32比特全为 1 的IP地址用于本网广播 3 0 地址主机号全为 0 时 表示为 本地网络 4 回送地址以127开始的IP地址是作为一个保留地址 用于网络软件测试以及本地主机进程间通信 则该地址被称为 回送地址 4 下一代IP协议IPv6 由于32位的IPv4地址资源的匮乏 IETF提出了创建IP协议新版本的建议 即IPv6 IPv6将IP地址空间扩展到128位 IPv6中路由和寻址功能得到扩充 标题格式得到简化 选项支持得到加强 保密安全功能得到增强等 IPv6地址的文本表示 1 IPv6冒分十六进制表示 2 每组十六进制数靠左边的多个连续的零可以省略不写 但是全零的十六进制组需要用一个零来代表 3 将地址中连续的全0域用一对冒号 来代替 4 IPv6的本地回送地址0 0 0 0 0 0 0 1可简写成 1 5 IPv6的未指明地址0 0 0 0 0 0 0 0可简写成 6 在地址的简写中 只能使用一次 来表示连续的全零域 7 IPv4的兼容地址 5 2 3地址解析协议 1 物理地址与IP地址 物理地址 PhysicalAddress 在任何一个物理网络中 各个节点的设备必须都有一个可以识别的地址 这样才能使信息在其中进行交换 IP协议 Internet针对物理网络地址的问题 采用网络层IP地址的编址方案 IP协议提供一种全网统一的地址格式 2 地址解析协议ARP与逆向地址解析协议RARP 地址解析 AddressResolution IP地址与物理地址之间建立一种映射关系 地址解析包括两方面的内容 从IP地址到物理地址的映射 由TCP IP协议中的地址解析协议ARP AddressResolutionProtoc01 完成 从物理地址到IP地址的映射 由TCP IP协议中的逆向地址解析协议RARP ReverseAddressResolutionProtoc01 完成 ARP地址解析的过程 5 2 4ICMP网际控制报文协议 网间报文控制协议 InternetControlMessageProtocol ICMP 是一个工作在主机和路由器之间的消息控制和差错报告协议 网络设备 通常是路由器 一旦发现传输问题 就会分析其错误类型 并向源主机返回一个ICMP消息 5 2 5IGMP网际主机组管理协议 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 支持以下一些应用 多媒体会议数据分发 博弈和模拟实时数据组播 5 3传输层协议 5 3 1基本概念5 3 2传输控制协议TCP5 3 3用户数据报协议UDP5 3 4传输层端口的概念 传输层使用两种协议 即TCP和UDP TCP是面向连接的可靠传输协议 UDP是面向无连接的不可靠传输协议 5 3 1基本概念 常见的Internet应用使用的传输层协议如图所示 常见的Internet应用使用的传输层协议 传输层的任务是完成端到端的可靠传输服务 即服务器端和客户端进行通信 传输层的功能与网络层功能的区别是 网络层完成屏蔽所有底层网络的物理结构的差异 并对网络通信路径进行选择 5 3 2传输控制协议TCP 数据分割定时重传连接确认校验和顺序化收到的报文丢弃重复的数据流量控制 TCP通过下列方式提供端到端的可靠传输 5 3 3用户数据报协议UDP UDP是面向无连接的 不可靠的传输协议 在使用UDP进行网络传输的过程中 UDP只负责数据传输 UDP在网络层使用IP层提供的不可靠的数据报服务 仅通过端口号指明发送程序端口和接收程序端口 不保证数据报一定到达目的主机 UDP的优点 速度快 5 3 4传输层端口的概念 1 端口的基本概念客户端进程发送TCP或UDP请求报文时 报文中就含客户端IP地址 客户端进程端口地址 服务器端IP地址及服务器端进程的端口地址 2 常用的TCP和UDP端口号 下面列出了常用的TCP和UDP端口号 如表所示 名字转换DNSUDP53简单文件传输TFTPUDP69路由选择协议RIPUDP520动态IP地址配置DHCPUDP 客 68 服 67网络管理SNMPUDP161简单邮件传输SMTPTCP25简单邮件接收POP3TCP110远程终端接入TELNETTCP23万维网HTTPTCP80文件传输 控制 FTPTCP21文件传输 数据 FTPTCP20 应用应用层协议传输层协议端口号 5 4应用层协议 5 4 1客户机 服务器模型与浏览器 服务器模型5 4 2DNS域名解析协议5 4 3DHCP动态主机配置协议 客户机 服务器计算模式 Client Server 简称C S模式 应用被分为前端 客户部分 和后端 服务器部分 客户部分运行在微机或工作站上 而服务器部分可以运行在从微机到大型机等各种计算机上 1 客户机 服务器计算模式 基于浏览器 WWW服务器和应用服务器的计算结构称为浏览器服务器 Browser Server 的计算模式 简称B S模式 2 浏览器 服务器计算模式 5 4 2DNS域名解析协议 1 层次型域名系统命名机制及管理2 Internet域名系统的规定3 域名解析4 域名系统的组成5 域名系统的工作过程6 中国互联网络的域名规定 域名系统 为了向一般用户提供一种直观明了的主机识别符 主机名 TCP IP协议专门设计了 种字符型的主机命名机制 1 层次型域名系统命名机制及管理 层次型命名机制在名字中加入了层次型结构 使它与层次型名字空间管理机制的层次相对应 名字空间的组织管理便形成一种树状的层次结构 各层管理机构以及最后的主机在树状结构中被表示为节点 并用相应的标识符来表示 图5 12域名系统数据库示意图 一般情况下 一个完整而通用的层次型主机名由如下3部分组成L 本地名本地名 组名 网点名网点名 a 主机名 本地名 组名 网点名 b 有时主机的本地名部分可能是一个具体的机构或网络 称为 子域 层次型主机名可表示为 主机名 本地名 组名 网点名 2 Internet域名系统的规定 Internet所实现的层次型名字管理机制被称为 域名系统 即DNS DomainNameSystem 为了保证域名系统具有通用性 Internet制定了一组正式的通用标准代码作为第一级域名 地区代码 3 域名解析 主机域名映射为IP地址的过程叫做域名解析 域名解析包括正向解析 从域名到IP地址 以及反向解析 从IP地址到域名 Internet的域名系统DNS能够透明地完成此项工作 Internet域名到IP地址的映射是由一组既独立又协作的域名服务器来完成的 4 域名系统的组成 域名系统由解析器和域名服务器组成 1 解析器在域名系统中 解析器为客户方 它与应用程序连接 负责查询域名服务器 解释从域名服务器返回的应答以及把信息传送给应用程序等 2 域名服务器域名服务器用于保存域名信息 一部分域名信息组成一个区 域名服务器负责存储和管理一个或若干个区 5 域名系统的工作过程 解析步骤如下 1 假定解析器向中国的本地域名服务器发出请求 查寻 www mit edu 的IP地址 2 中国的本地域名服务器先查询自己的数据库 若发现没有相关的记录 则向根 域名服务器发出查寻 www mit edu 的IP地址请求 根域名服务器给中国本地域名服务器返回一个指针信息 并指向edu域名服务器 3 中国的本地域名服务器向edu域名服务器发出查找 mit edu 的IP地址请求 edu域名服务器给中国的本地域名服务器返回一个指针信息 并指向 mit edu 域名服务器 4 经过同样的解析过程 mit edu 域名服务器再将www mit edu 的IP地址返回给中国的本地域名服务器 5 中国本地域名服务器将 www mit edu 的IP地址发送给解析器 6 解析器使用IP地址与www mit edu进行通信 域名解析的过程 域名服务器 ROOT gov edu mit edu www mit edu 中国Internet 计算机 解析器 CN 6 中国互联网络的域名规定 1997年6月3日在北京中国互联网络信息中心 ChinaNetworkInformationCenter CNNIC 成立 并发布 中国互联网络域名注册暂行管理办法 和 中国互联网络域名注册实施细则 CNNIC负责我国境内的互联网络域名注册 IP地址分配 自治系统号分配 反向域名登记等注册服务 同时还将提供有关的数据库服务及相关信息与培训服务 5 4 3DHCP动态主机配置协议 动态主机配置协议 DHCP 提供了一种机制允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与 当运行客户软件的计算机移至一个新的网络时 就可使用DHCP获取其配置信息而不需要手工干预 DHCP给运行服务器软件而位置固定的计算机指派一个永久地址 当这台计算机重新启动时其地址不变 5 5网络互连技术 5 5 1互连网络的基本概念5 5 2网络互连的层次5 5 3路由器 互连网络是指将分布在不同地理位置的网络 设备连接起来 以构成更大规模的网络 最大程度地实现网络资源的共享 5 5 1互连网络的基本概念 网络互连从通信协议的角度来看可以分成4个层次 物理层的互连 数据链路层互连 网络层互连和高层互连 如图 5 5 2网络互连的层次 网络互连的层次 1 物理层的互连在不同的电缆段之间复制位信号是物理层互连的基本要求 物理层的连接设备主要是中继器 2 数据链路层互连数据链路层互连要解决的问题是在网络之间存储转发数据帧 互连的主要设备是网桥 3 网络层互连网络层互连要解决的问题是在不同的网络之间存储转发分组 互连的主要设备是路由器 4 高层互连传输层及以上各层协议不同的网络之间的互连属于高层互连 实现高层互连的设备是网关 5 5 3路由器 路由器的工作原理与功能路由表静态路由和动态路由路由协议 功能 在不同的网络间存储转发数据包 原理 在通