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TCP IP协议详解 黄润贵 目录 TCP IP模型简介 数据链路层 网络层 传输层 应用层 简单的联接1960 1970 网络的演进 HostNetwork Host LowSpeedLines LocalNetwork 网络化联接1970 1980 InternetingNetwork WAN BranchNet BranchNet BranchNet 网络间互连1980 1990 LAN的定义 1 LAN LocalAreaNetwork 通常指1000英尺范围内的 可以通过某种介质互连的计算机 打印机 Modem或其他设备的集合 2 协议 Protocol 网络设备用于交换信息的系列规则和约定 3 标准 Standards 描述了协议的规定 设定了最简的性能集 LAN的常用设备 LAN的设计目标运行在有限的地理区域允许同时访问高带宽的介质通过局部管理控制网络的私有权利提供全时的局部服务联接物理相临的设备 HUB Bridge LANSwitch Router ATMSwitch WAN的定义 1 WAN WideAreaNetwork 为分布在不同的地域用户提供数据联接 2 设备 Devices 通常采用服务商提供的设备 ISP 3 交换类型 SwitchType 电路交换包交换 WAN及其常用设备 WAN的设计目标运行在广阔的地理区域通过低速串行链路进行访问网络控制服从公共服务的规则提供全时的或部分时间的联接性联接物理上分离的 遥远的 甚至全球的设备 Modem Bridge WANSwitch AccessServer ATMSwitch TCP IP模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 OSI七层模型 应用层 传输层 网络层 数据链路层 DOD模型 FTP TELNET SMTP TCP UDP IP 以太网 TokenRing FDDI 物理层 定义传输的介质规格 传输信号的表现形式 接头的类型 数据链路层 同步 查错 制定MAC方法 网络层 寻址 路由 传输层 编定序号 控制流量 查错和错误处理 会话层 通讯双方在传输前的沟通 建立传输时所遵循的规则 表示层 压缩和解压缩 加密和解密 应用层 直接提供服务给使用者 TCP IP工作的特点 层层封装 应用层 应用数据 IP包头 传输头 应用消息 Message 数据段 DataSegment IP净荷 IP报文 IPPacket 协议报文 PDU 帧 Frame 帧头 帧头 实际发送的数据格式 TCP IP工作的特点 发送和接收 应用层 IP净荷 应用层 应用数据 IP净荷 发送端 接收端 以太网 目录 TCP IP模型简介 数据链路层 传统的以太网及ARP协议 LAN桥接与交换式以太网 LAN分段与VLAN 以太网交换机上面的技术 以太网标准 网络层 传输层 应用层 传统的以太网 共享介质 LAN 以太网 TokenBus TokenRing FDDI等 以太网得到了广泛的应用 1 高扩展性 highexpandable2 高可靠性 highrelibale3 低成本 lowcost4 丰富的网管工具 PlentifulNMtools 传统的以太网 共享介质 最初的以太网是基于同轴电缆的 10BASE 5 10BASE 2 所有设备公用一套介质 10BASE 5 RG11A U 粗缆以太网10BASE 2 RG58A U 细揽以太网10BASE T TwistedPaired 双绞线 传统的以太网 CSMA CD CSMA CD 载波侦听多路访问与冲突检测载波侦听 发送之前的检测 96bit time冲突检测 发送过程中的检测 边发边听回退 检测到冲突后的处理 基于各种回退算法 同时发送JAM信号 工作原理1 先抢先赢 以太网上的计算机地位相同 一律平等 动作快的是赢家2 一山不容二虎 在任何时刻只能有一台计算机接受或发送数据 且独享带宽3 同归于尽 发生碰撞后 网络上的每台计算机都要休息一下 再抢使用权4 先斩不奏 当接受端发现任何错误时 便自行丢弃帧 根本不通知源端 传统的以太网 CSMA CD 发送帧 链路空闲 空闲96bit time 发送帧 是否碰撞 传送完毕 N N N 通知大家发生阻塞 碰了16次 放弃传送通知上层 BACKOFF CSMA CD发送端 N Y Y Y Y 传统的以太网 CSMA CD 收到帧 帧长 64B 目的MAC 自己的MAC CRC校验正确 帧长 1518B CSMA CD接受端 去掉帧头帧尾 传给上层协议 丢弃帧 N Y Y Y Y N N N 传统的以太网 MAC地址 MAC地址 又称为物理地址 硬件地址 是出厂前由生产厂家 烧制 在网卡中的 48bit二进制的地址 由全球权威机构发布 分为6个字节 前三个字节为厂商号 后三个字节为生产流水号 如 00 e0 fc 00 00 01 其中00 e0 fc是华为公司的厂商号 00 00 01是该网卡的生产流水号 单播地址 多播地址和广播地址单播地址 第一字节最低位为0多播地址 第一字节最低位为1广播地址 48位全1ff ff ff ff ff ff MAC地址在线上是第一字节先发送 并且低位在前 传统的以太网 以太网帧格式 常用的几个类型 0X0800代表IP包 0X0806代表ARP包DA 0Xffffff代表广播帧 区分广播方式和广播帧 传统的以太网 线速度 线速度指在实际的线路上传输帧的最大速度两个容易被忽略的时间 帧间隙 Inter FrameGap 96bits前导码 Preamble 64bits线速度 10M以太网 10M 96 64 8 64 14881 帧 秒 100M以太网 100M 96 64 8 64 148810 帧 秒 传统的以太网 双绞线系统 一 LAN双绞线使用成对绞在一起的四对线组成 成对绞在一起的目的是减少干扰10BASE T 100BASE TX使用其中的两对线 1 3 2 6 其中1 TData 2 Tdata 3 RData 6 RData 1000BASE TX使用全部的四对线 传统的以太网 双绞线系统 二 MDI II 也称作MDI 介质有关接口MDI X 交叉介质有关接口连接关系 MDI与MDI X直接通过直通网线 MDI与MDI或者MDI X与MID X直接通过交叉网线 ARP协议 基本概念 ARP AddressResolutionProtocol 地址解析协议1 为什么要用ARP 帧是在局域网上传递 而MAC地址是局域网中设备的唯一标识 只有获取了MAC地址 IP报文 IP报头 IP包 才能被正确地封装 发送到指定的位置 因此 MAC地址是必须的 但是通常我们只知道目的地的IP地址 如何通过IP地址找到相应的MA C地址呢 答案 ARP协议 ARP协议 基本过程 ARP协议 帧格式 DA SA T HT PT HL PL OP SA SIP DA DIP PADDING CRC 以太网首部 PDU DA 目的以太网地址 6B 在ARP请求报文中为 0 xffffff 广播报文 ARP应答报文中为单播报文 SA 源以太网地址 6B 在ARP请求报文中为 请求端MAC ARP应答报文中为应答端MAC T 类型字段 2B 比较常用的IP 0X0800 ARP 0 x0806 请求报文和应答报文一样 HT 硬件地址类型 2B 以太网 0 x0001 PT 协议地址类型 IP 0 x0800 HL 硬件地址长度 1B 以太网 0 x06 PL 协议地址长度 IP 0 x04 OP 操作类型 2B 用于区分请求报文和应答报文 请求报文 0 x0001 应答报文 0 x0002 SIP 源IP地址 4B 发送端IP地址DIP 目的IP地址 4B 应答端IP地址 ARP协议 举例 PC1 PC2 PC3 10 110 10 1 10 110 10 2 10 110 10 3 PC1用户pingPC3的用户 00 e0 fc 00 00 01 00 e0 fc 00 00 02 00 e0 fc 00 00 03 ARP协议 ARPRequest DA SA T HT PT HL PL OP SA SIP DA DIP PADDING CRC 以太网首部 PDU DA 目的以太网地址 6B 在ARP请求报文中为 0 xffffff 广播报文 SA 源以太网地址 6B 在ARP请求报文中为 请求端MAC 00 e0 fc 00 00 01 T 类型字段 2B ARP 0 x0806 HT 硬件地址类型 2B 以太网 0 x0001 PT 协议地址类型 IP 0 x0800 HL 硬件地址长度 1B 以太网 0 x06 PL 协议地址长度 IP 0 x04 OP 操作类型 2B 用于区分请求报文和应答报文 请求报文 0 x0001 SA 源MAC地址 6B 发送端MAC地址 00 e0 fc 00 00 01SIP 源IP地址 4B 发送端IP地址 10 110 10 1DA 目的MAC地址 请求报文中该地址 0 x000000DIP 目的IP地址 4B 被请求端IP地址 10 110 10 3 ARP协议 ARPReply DA SA T HT PT HL PL OP SA SIP DA DIP PADDING CRC 以太网首部 PDU DA 目的以太网地址 6B 在ARP应答报文中为 00 e0 fc 00 00 01 单播报文 SA 源以太网地址 6B 在ARP应答报文中为 00 e0 fc 00 00 03 T 类型字段 2B ARP 0 x0806 HT 硬件地址类型 2B 以太网 0 x0001 PT 协议地址类型 IP 0 x0800 HL 硬件地址长度 1B 以太网 0 x06 PL 协议地址长度 IP 0 x04 OP 操作类型 2B 用于区分请求报文和应答报文 应答报文 0 x0002 SA 源MAC地址 6B 发送端MAC地址 00 e0 fc 00 00 03SIP 源IP地址 4B 发送端IP地址 10 110 10 3DA 目的MAC地址 请求报文中该地址 00 e0 fc 00 00 01DIP 目的IP地址 4B 被请求端IP地址 10 110 10 1 ARP协议 ARPCache 鉴于MAC地址是以太网发送必不可少的信息 如果频繁申请 势必要影响网络的效率 因此在每个网络设备 主机 交换机 路由器 中都维持着一张ARPCache表 Cache 高速缓存 将常用的数据暂存在读写效率较佳的保存区域 以加速存取的过程 ARPCache可将设备的IP MAC影射记录下来 如 刚才例子中 经过PC1用户PING通PC3用户后PC1中ARPCache10 110 10 3 00 e0 fc 00 00 03PC3中ARPCache10 110 10 1 00 e0 fc 00 00 01可以在PC1计算机上进行如下操作检验ping前DOS arp aNoARPEntriesping后DOS arp aIPaddressMACaddress10 110 10 300 e0 fc 00 00 03agingtime tablefull的区别 目录 以太网简介 传统的以太网及ARP协议 LAN桥接与交换式以太网 LAN分段与VLAN 以太网交换机上面的技术 以太网标准 网络层 传输层 应用层 传统的以太网 连接设备HUB 传统的以太网 连接设备HUB 传统的以太网 连接设备HUB 传统的以太网 连接设备HUB 传统的以太网 连接设备HUB LAN桥接与交换式以太网 LAN桥接与交换式以太网 LAN桥接与交换式以太网 BRIDGE的功能 1 学习 Learning 2 转发 forwading 3 过滤 filtering LAN桥接与交换式以太网 LAN桥接与交换式以太网 学习与转发 LAN桥接与交换式以太网 过滤 LAN桥接与交换式以太网 基本组网图 LAN桥接与交换式以太网 LANSWITCH与交换式以太网的优点 1 带宽独享 减少了冲突域的范围 从而提高了网络效能2 组网灵活 可以将不同速率的网络连接起来 如 10M以太网和100M以太网 1000M以太网等 3 提高了网络的安全性 便于故障的定位处理4 易于将现有网络升级 目录 以太网简介 传统的以太网 LAN桥接与交换式以太网 LAN分段与VLAN 以太网交换机上面的技术 以太网标准 网络层 传输层 应用层 2020 3 17 44 可编辑 LAN分段与VLAN LAN分段与VLAN LAN分段与VLAN LAN分段与VLAN LAN分段与VLAN LAN分段与VLAN LAN分段与VLAN 目录 以太网简介 传统的以太网 LAN桥接与交换式以太网 LAN分段与VLAN 以太网交换机上面的技术 以太网标准 网络层 传输层 应用层 以太网上面的技术 自动协商 设备两端通过自动协商将两端的速率和工作模式协商到最高公共水平 AutoNegotiation 速率协商 10M 100M 双工协商 全双工方式 半双工方式 工作速率 以10M以太网为例 半双工 10M 全双工 20M 全双工方式 设备两端可以同时接受和发送数据半双工方式 设备两端在同一时刻只能接受或发送数据 以太网上面的技术 1 该技术又称为 端口汇聚 PortTrunking Trunk FEChannel CISCO 2 设为Trunk的端口配置相同 流量按照比例在各端口上通过 当某个端口不能工作时 其流量分布在其他端口上 所以是一种负荷分担的备份模式 3 该技术的标准为 IEEE802 3ab 1 网络一复杂 就不可避免地在网络中形成循环回路 2 另一方面 网络中需要提供一定的备份设备和备份链路 从而避免 单故障点 的存在 3 循环回路容易导致 广播风暴 的形成 使得网络效能急剧下降 最后变得不可用4 通过将网络中的一些端口设置为 Block 阻塞 状态 从而使得整个网络形成一个拓扑 树状 结构 当可用端口变为不可用时 通过一定的机制解除 Block 状态 变为可用端口 因此是一种主备用的备份方式 以太网上面的技术 SpanningTree 以太网上面的技术 以太网上面的技术 以太网上面的技术 通过广播方式来实现组播 浪费带宽现象严重 以太网上面的技术 以太网上面的技术 HGMP HuaweiGoupManagementProtocol 以太网上面的技术 时延 数据包的最后1bit进入交换机到该数据包的第一个bit出现在链路上的时间间隔 仅针对Store and Forward Cut Through有可能出现负延迟 目录 以太网简介 传统的以太网 LAN桥接与交换式以太网 LAN分段与VLAN 以太网交换机上面的技术 以太网标准 网络层 传输层 应用层 以太网相关标准 IEEE802 3以太网标准 IEEE802 3u快速以太网标准 FastEthernet IEEE802 3x全双工 流量控制 Fullduplex flowcontrol IEEE802 3x全双工 流量控制 Fullduplex flowcontrol IEEE802 1QVLAN标准 IEEE802 1D网桥及生成树协议 Bridges SpanningTreeProtocol IEEE802 3z千兆 Gigabit 以太网标准 IEEE802 3ad千兆以太网双绞线标准 IEEE802 3ab链路汇聚协议 LinkAggregation 10BASE T10 10M带宽 BASE 基带信号 数字信号 T 双绞线 TwistedPair 2对3 4 5类非屏蔽双绞线或5类屏蔽双绞线 目前使用最多 IEEE802 3i10 100BASE TXIEEE802 3u10M 100M自适应电口支持自动协商100BASE FXIEEE802 3u100M以太网光口 支持单模 多模光纤1000BASE LXIEEE802 3z千兆以太网光口 长波光纤 仅支持单模1000BASE SXIEEE802 3z千兆以太网光口 短波光纤 既支持单模也支持多模 IEEE802 1x扩展访问协议 ExtensibleAccessProtocol 目录 TCP IP模型简介 数据链路层 网络层 传输层 应用层 IP基础 IP路由 IP基础 IP报文 IP报头 IP净荷 IP报文 IP报头 IP净荷 TCP报文 以太网帧头 以太网净荷 IP报头 IP净荷 以太网CRC IP报文 以太网帧 IP基础 IP报文 IP基础 IP地址 一 表示方法1 网络上的设备都有独一无二的网络层地址 IP地址2 IP地址本质上是32个0 1组成的数值串 110010110100101011001101011011113 为了方便起见 以8bits为单位将32bits的字符串变成4个8位组 且采用10进制 以 隔开如 上述地址为 203 74 205 111二 IP地址结构1 每个IP地址都由2部分组成 IP地址 网络地址 net id 主机地址 Host id 2 网络地址位于IP地址的前端 可用来标识设备所属的网络3 主机地址位于IP地址的后端 可用来标识网络上个别的设备 同一个网络上的设备有相同的网络地址 但主机地址却独一无二 11001011 01011000 10001010 11101010 网络地址 主机地址 256个地址 IP基础 IP地址 一 IP地址等级1 为了方便管理和识别 IP地址分为5种 class 常用到的为A B C三类 2 三种地址使用了不同长度的net id 因此适应于大 中 小型网络 0XXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX 网络地址 主机地址 ClassA 128个网络地址 167K个主机地址 分配给国家 ClassB 10XXXXXX XXXXXXXX 网络地址 XXXXXXXX XXXXXXXX 主机地址 65536个网络地址 65536个主机地址 分配给跨国公司 ClassC 110XXXXX XXXXXXXX 网络地址 XXXXXXXX XXXXXXXX 主机地址 167K个网络地址 256个主机地址 分配给小型企业 IP基础 IP地址 一 IP地址特点1 ClassA 第一个数字 128 2 ClassB 第一个数字大于等于128 且小于192 3 ClassC 第一个数字大于等于192 且小于224二 优点 1 路由器从IP地址的第一个数字便可以判断所属网络的等级 进而得知net id和Host id为何 例如 某主机的IP地址为168 95 1 84 我们从第一个数字得知这是一个B类地址 因此 该IP地址的前16bits为net id 后16bits为Host id 2 依据企业或单位的实际需求 可分配A B C三种等级的net id 让IP地址的分配更有效 IP基础 子网掩码 Subnet Mask 一 问题的提出1 例如 A企业分配到了ClassB的IP地址 如果将6万多计算机连接在同一个网络中 势必导致网络效能下降 因此实际上是不可能的 2 例如 B企业有257台计算机 如果分配一个C类地址 不够 分配一个B类地址 浪费 3 如何解决呢 二 解决方法 允许企业能自行在内部网络中分割Subnet 子网络 1 例如 将A企业分配到的B类地址分割成规模较小的Subnet 再分配给多个实体网络 换言之 Subnet技术让原先只有3种等级的IP地址更加具有弹性 三 Subnet分割的原理 从Host id中借用bits来作为 子网位 这样IP地址 网络地址 子网地址 主机地址例如 A企业申请到ClassB的IP地址如下 10101000 01011111 00000000 00000000 168 95 0 0 按照原先的等级规划 前16bits是net id 后16bits是Host id 如果要分割Subnet 可以借用部分Host id的位数来作为子网位10101000 01011111 00000000 00000000 168 95 0 0 网络地址 主机地址 子网地址 IP基础 子网掩码 Subnet Mask 原先的net id不可更动 但是这8bits却是可以自行分配的 如果SubnetID使用了3bits 则产生了8个子网 换言之 从host id借用了3bits后 您可以分割出8个Subnet 当然 相对地Host id长度变短后 所拥有的的IP地址数量减少了 以上例而言 原先ClassB可以有65536个主机地址 而新建的Subnet每个子网的用户数仅8192个 为了表示借用了多少位主机地址作为子网地址 采用子网掩码形式 11111111 11111111 11100000 00000000表示方法 与IP地址对应 表示网络地址和子网地址的bit用1表示 表示主机地址的bit用0表示 例如 A类地址的默认掩码 255 0 0 0B类地址的默认掩码 255 255 0 0C类地址的默认掩码 255 255 255 0上例中 虽然从第一个数字看 其为B类地址 默认掩码应是255 255 0 0但是由于从主机位借用了3bits 所以掩码应该 11111111 11111111 11100000 00000000 255 255 224 0采用子网划分后 地址从Classful Classless 每个IP地址必须和掩码一起才能准确地描述一个设备在网络上的位置 IP基础 子网掩码 Subnet Mask 1 掩码的表示方法 除了上面提到的可以用原始的二进制表示 点分十进制表示外 还可以用长度表示 掩码长度 网络bit位数 子网bit位数 例如 A类地址默认子网掩码长 8 一个IP地址可表示为10 110 10 8255 0 0 0或者10 110 10 8 8B类地址默认子网掩码长 16 一个IP地址可以表示为135 198 2 34255 255 0 0或者135 198 2 34 16C类地址默认子网掩码长 24 一个IP地址可以表示为198 24 10 2255 255 255 0或者198 24 10 2 24上例中子网掩码长 19一个IP地址可以表示为168 95 10 1255 255 224 0或者168 95 10 1 19 IP基础 特殊IP地址 1 网络地址不能全为0 全0代表 本网络 例如 0 0 0 27代表本网络上host id 37的主机 网络地址全为1 作为广播用途保留 2 主机地址不能全为0 全0代表网络号 例如 203 74 205 0代表网络号为203 74 205 Z的网络 如果网络地址和主机地址都为0代表本机 例如 DHCP开始时 主机没有IP地址 其申请报文中主机IP地址填写的为0 0 0 03 主机地址不能全为1 全1代表该网络的广播地址 4 127 x y z代表主机环回地址 IP路由 IP路由表 A1主机 Dest NetworkSubnet maskGatewayInterfaceMetric0 0 0 00 0 0 0203 74 205 1203 74 205 2501127 0 0 0255 0 0 0127 0 0 1127 0 0 11203 74 205 0255 255 255 0203 74 205 250203 74 205 2501203 74 205 250255 255 255 255127 0 0 1127 0 0 11203 74 205 255255 255 255 255203 74 205 250203 74 205 2501224 0 0 0224 0 0 0203 74 205 250203 74 205 2501255 255 255 255255 255 255 255203 74 205 250203 74 205 2501 A网络 203 74 205 0 24 A1 203 74 205 250 R1 203 74 205 1 IP路由 IP路由分类 一 主机路由特点 掩码为255 255 255 255二 网络路由特点 Dest Network最后一位0三 组播 广播路由特点 224 0 0 0 组播 最后一位为255四 环回路由特点 127 0 0 1S3526采用的芯片2412的地址表中全部为主机路由 不存在网段路由 因此能够精确命中 提高了转发效率 实现 一次路由 多次交换 IP路由 IP转发的依据 采用最佳匹配法1 接受到一个IP包 将以太网帧头 帧尾去掉 参见以太网接收流程 2 打开IP报头 设其目的IP地址为DIP 路由器将依次采用查表的方式将所有路由表项做如下检查 1 if DIP Subnet mask Dest Network 将该记录表示为 可选路由 即可以从该记录对应的Interface中将IP报文转发出去 且下一跳的IP地址为Gateway 2 在所有 可选路由 中选取Subnet mask最长的 记录为 最长匹配路由 因为这暗示着 从这条路径到目的网络经过的跳数更少 3 从所有 最长匹配路由 中选取metric最小的作为 最佳匹配路由 因为这表示同样的跳数下 从这里走的开销最小 找到了最佳匹配路由后 从该记录标识的Interface将IP包发出去 且下一跳为Gateway 目录 TCP IP模型简介 数据链路层 网络层 传输层 应用层 传输层 TCP UDP TCP IP协议栈中 传输层的2个重要协议 TCP 协议号6 UDP 协议号17 1 UDP 用户数据报文协议1 UDP报头可记录报文源与目的的连接端口信息 让报文能够正确地交给目的端应用程序2 不可靠 无连接 UDP不具有确认 重传机制 如果传送过程中发生问题 必须依赖上层 应用层 协议来处理这些问题 2 应用1 为了降低对计算机资源的需求 例如DNSSERVER 2 应用程序本身具有完整的检查机制 无须Host to Host层协议来执行此项工作 3 应用程序为非关键性数据 如 路由信息 周期性 4 广播 组播等一对多的传