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第4章TCP IP协议 计算机网络应用技术教程 第三版 1 可编辑 本章学习要求 了解 网络体系结构的基本概念掌握 IP协议的基本内容掌握 TCP与UDP协议的基本内容 2 可编辑 4 1网络体系结构的基本概念 网络体系结构与通信协议OSI参考模型的基本概念TCP IP参考模型的基本概念 3 可编辑 4 1 1网络体系结构与通信协议 现实生活中的邮政系统 邮局对于写信人来说是下层 运输部门是邮局的下层 下层为上层提供服务写信人与收信人之间使用相同的语言 邮局之间的约定 同层次之间使用相同的协议 4 可编辑 邮局实例 运输部门 甲地 乙地 5 可编辑 网络协议的概念 什么是协议 为了使数据可以在网络上从源传递到目的地 网络上所有设备需要 讲 相同的 语言 描述网络通信中 语言 规范的一组规则就是协议例如 两个人交谈 必须使用相同的语言 如果你说汉语 他说阿拉伯语 数据通信协议的定义决定数据的格式和传输的一组规则或者一组惯例 6 可编辑 网络协议的概念 网络协议是为网络数据交换而制定的规则 约定与标准语法 用户数据与控制信息的结构与格式语义 需要发出何种控制信息 完成的动作与作出的响应时序 对事件实现顺序的详细说明 7 可编辑 网络协议的相关概念 层次 layer 接口 interface 体系结构 architecture 协议 protocol 8 可编辑 网络采用层次结构的优点 网络通信的过程很复杂数据以电子信号的形式穿越介质到达正确的计算机 然后转换成最初的形式 以便接收者能够阅读为了降低网络设计的复杂性 将协议进行了分层设计 9 可编辑 分层设计的意义用户服务层的模块设计可相对独立于具体的通信线路和通信硬件接口的差别 而通信服务层的模块设计又可相对独立于具体用户应用要求的不同 例如 文件传输或电子邮件服务模块的设计 不必关心底层通信线路是光纤还是双绞线 10 可编辑 接口的概念 接口是同一结点中相邻层之间交换信息的连接点同一结点的相邻层之间存在明确规定的接口 低层向高层通过接口提供服务只要接口条件不变 低层功能不变 低层功能的具体实现方法与技术变化不会影响整个系统的工作 11 可编辑 体系结构的概念 计算机网络需要制定整套复杂的协议集网络协议是按层次结构来组织网络体系结构是网络层次结构模型与各层协议的集合网络体系结构对计算机网络应实现的功能进行精确定义体系结构是抽象的概念 实现是指能运行的硬件和软件 12 可编辑 4 1 2OSI参考模型 在制定计算机网络标准方面 起着很大作用的两大国际组织国际电报与电话咨询委员会 CCITT 主要考虑通信标准的制定国际标准化组织 ISO 主要考虑信息处理与网络体系结构 13 可编辑 OSI参考模型的定义 ISO组织公布了开放系统互联 opensysteminternetwork OSI 参考模型 它定义网络互联的7层框架OSI参考模型定义开放系统的层次结构 层次之间的相互关系 以及各层包括的可能的服务 14 可编辑 OSI参考模型的结构 15 可编辑 OSI参考模型划分层次的原则 网中各结点都具有相同的层次不同结点的同等层具有相同的功能同一结点中的相邻层之间通过接口通信每层可以使用下层提供的服务 并且向上层提供服务不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信 16 可编辑 OSI参考模型的各层功能 物理层 physicallayer 利用传输介质为数据链路层提供物理连接 负责处理数据传输率并监控数据出错率 以便能够数据流的透明传输 17 可编辑 OSI参考模型的各层功能 数据链路层 datalinklayer 在通信的实体间建立数据链路连接 传输以帧为单位的数据包 并提供差错控制与流量控制方法网络层 networklayer 为分组通过网络选择适当的路径 实现路由选择 分组转发与拥塞控制传输层 transportlayer 为用户提供可靠的端到端服务 向高层屏蔽下层数据通信的细节会话层 sessionlayer 维护两个通信计算机之间的传输链接 以确保点到点传输不中断 18 可编辑 OSI参考模型的各层功能 表示层 presentationlayer 处理不同通信系统中信息的表示方式 包括数据格式变换 数据加密与解密 数据压缩与恢复等功能应用层 applicationlayer 为应用软件提供很多服务 例如文件 数据库 电子邮件与其它网络服务 19 可编辑 OSI环境中的数据传输 20 可编辑 OSI参考模型的数据单元 报文 message 表示层的数据单元分组 packet 网络层的数据单元帧 frame 数据链路层的数据单元 21 可编辑 数据的封装与解封装过程 Internet Hello 22 可编辑 IP包头 数据的封装与解封装过程 Hello 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 比特 帧 报文 段 PDU Hello LLC子层 MAC子层 TCP UDP头 高层数据 MAC子层 LLC子层 FCS 23 可编辑 IP包头 数据的封装与解封装过程 Hello 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 比特 帧 报文 段 PDU Hello LLC子层 MAC子层 MAC子层 FCS TCP UDP头 高层数据 LLC子层 24 可编辑 4 1 3TCP IP参考模型 在TCP IP协议研究时 并没有提出参考模型1974年 Kahn定义最早的TCP IP参考模型TCP IP协议共出现6个版本 目前使用的是版本4 通常称为IPv4IPv6被称为下一代的IP协议 25 可编辑 TCP IP协议的特点 TCP IP是开放的协议标准独立于特定的计算机硬件与操作系统独立于特定的网络硬件 可以运行在局域网 广域网中统一的网络地址分配方案 使每个设备在网中有唯一的地址标准化的高层协议 可提供多种可靠的服务 26 可编辑 TCP IP参考模型的层次 应用层 applicationlayer 传输层 transportlayer 互联层 internetlayer 主机 网络层 host to networklayer 27 可编辑 TCP IP参考模型与OSI参考模型的对应关系 28 可编辑 TCP IP参考模型的各层功能 主机 网络层TCP IP参考模型的最低层 负责通过网络发送和接收IP报文允许主机接入网络使用多种现有的协议 例如Ethernet 令牌网 帧中继 ATM等互联层相当于OSI参考模型的网络层 处理互连的路由选择 流控与拥塞问题IP协议是一种无连接的 提供尽力而为服务的网络层协议 29 可编辑 TCP IP参考模型的各层功能 传输层相当OSI参考模型的网络层 在源主机与目的主机之间建立用于会话的端 端连接传输控制协议 transportcontrolprotocol TCP 是一种可靠的面向连接协议 允许将源主机的字节流无差错地传送到目的主机用户数据报协议 userdatagramprotocol UDP 是一种不可靠的无连接协议 主要用于不要求分组顺序到达的传输 30 可编辑 应用层的主要协议 远程登录协议 Telnet 文件传输协议 filetransferprotocol FTP 简单邮件传输协议 simplemailtransferprotocol SMTP 域名系统 domainnamesystem DNS 简单网络管理协议 simplenetworkmanagementprotocol SNMP 超文本传输协议 hypertexttransferprotocol HTTP 31 可编辑 4 2IP协议的基本内容 IP协议的特点与主要内容IPv4地址与地址技术的发展IP分组传输与路由器工作原理地址解析协议ARPIPv6协议的主要特点 32 可编辑 4 2 1IP协议的特点与主要内容 TCP IP互联层的核心协议是IP协议 实现网络互联的核心设备是路由器IP协议的特点主要表现在IP协议是一种无连接 不可靠的分组传送服务的协议IP协议是点 点的网络层协议IP协议向传输层屏蔽物理网络的差异 33 可编辑 4 2 2IPv4地址与地址技术发展 IP地址采用分层结构IP地址包括两部分网络号标识一个逻辑网络主机号标识网络中一台主机 34 可编辑 IPv4地址的表示方法 IPv4地址的长度为32位采用点分十进制 dotteddecimal 表示 具体格式为x x x x 每个x为8位 0 255 IPv4地址的例子 202 113 29 119 35 可编辑 IPv4地址的分类 36 可编辑 A类与B类地址 A类地址A类网络最多有27 2 126个每个A类网络最多有224 2 16777214个主机B类地址B类网络最多有214 16384个每个B类网络最多有216 65536个主机 37 可编辑 C类网络 C类网络最多有221 2097152个每个C类网络最多有28 256个主机 38 可编辑 IP地址的申请与管理 Internet最高级的维护机构为网络信息中心 它负责分配最高级的IP地址网络信息中心授权给申请成Internet网点的网管中心 它只给申请成新网点的组织分配IP地址的网络号 主机号由该组织自己分配每个网点组成一个自治系统 负责自己内部网络的拓扑结构 地址建立与刷新这种分层管理方法能有效防止IP地址冲突 39 可编辑 IP地址技术的发展 标准分类的IP地址划分子网的三级地址结构构成超网的无类域间路由网络地址转换技术 40 可编辑 划分子网的三级地址结构 A类与B类地址设计不合理提出子网 subnet 和掩码 mask 的概念构成子网是将一个大的网络 划分成几个较小的子网络将传统 网络号 主机号 两级结构 变为 网络号 子网号 主机号 三级结构 41 可编辑 无类域间路由技术 1993年 提出无类域间路由 classlessinterdomainRouting CIDR 又被称为超网 supernet 技术构成超网的主要目的 将现有的IP地址合并成较大的 具有更多主机地址的路由域 42 可编辑 网络地址转换技术 IP地址短缺已是很严重的问题 整个Internet迁移到IPv6的进程缓慢1996年 提出网络地址转换 networkaddresstranslation NAT 技术网络地址转换的思路 为每一个公司分配一个或少量的IP地址 专用IP地址用于内部网络的通信 如果需要访问外部Internet主机 必须由运行NAT的路由器 将专用IP地址转换成全局IP地址 43 可编辑 4 2 3IP分组传输与路由器原理 发送数据的主机称为源主机 接收数据的主机称为目的主机源主机将分组发送给连接的路由器 它根据该分组的目的地址 启动路由选择算法确定下一个路由器 经过多个路由器转发 该分组最终到达目的主机 44 可编辑 路由器的主要功能 路由选择功能分组转发功能 45 可编辑 路由器的基本结构 46 可编辑 路由器的外形结构 47 可编辑 4 2 4地址解析协议ARP 地址解析协议 addressresolutionprotocol ARP 根据IP地址确定对应端口的MAC地址 48 可编辑 4 2 5IPv6协议的基本特征 随着Internet规模增长 IP地址空间耗尽已成制约网络发展的瓶颈Internet规模扩大与骨干路由器维护大路由表能力的矛盾日渐突出对IP安全性的需求越来越高对网络层实时数据传送的服务质量QoS提出更高要求 49 可编辑 IPv6的主要特征 新的协议头格式巨大的地址空间有效的分级寻址和路由结构内置的安全性更好地支持QoS 50 可编辑 4 3TCP与UDP协议 TCP协议的主要特点UDP协议的主要特点 51 可编辑 4 3 1TCP协议的主要特点 支持可靠性的面向连接服务支持数据的流传输支持数据全双工传输服务 52 可编辑 TCP协议与其他协议的关系 53 可编辑 4 3 2UDP协议的主要特点 UDP是一种无连接的 不可靠的传输层协议基于UDP的应用层协议简单文件传送协议 TFTP 远程过程调用 RPC 网络时间协议 NTP 域名服务 D