五章TCPIP协议ppt课件

1、第五章 TCP/IP协议互联网的根本概念互联网的根本概念IP层在层在TCP/IP协议栈中的位置协议栈中的位置运用层协议传输层协议网卡驱动程序ARPICMPIPv4 和和 IP 数据报数据报无衔接数据报传送效力无衔接数据报传送效力网络1R1源主机网络2R2网络3目的主机R3网络4IP数据报IP数据报帧头1IP数据报IP数据报帧头2IP数据报IP数据报帧头3IP数据报无衔接数据报传送效力无衔接数据报传送效力(续续)IP数据报格式数据报格式版本 报头长效力类型总长度标识DFMF分段位移生存时间TTL协议号报头校验和源 IP地址目的 IP地址可选项填充数据01631IP数据报格式数据报格式(续续)绝大

2、多数IP数据报包含20字节的报头：版本(4位)：IP协议版本，当前为4。报头长(4位)：本数据报头的字数，每字4字节，范围是515，5即20字节，15即60字节，所以选项最多占40字节效力类型(8位)(type of service)：本数据报的效力质量参数，当前未实现，设置为0。总长度(16位)：数据报最大长度为65535字节。IP数据报格式数据报格式(续续)IP数据报格式数据报格式(续续)IP数据报的分段和重组数据报的分段和重组n物理网络普通限制经过包的最大长度，如以太网允许最大帧长1518字节。假设物理网络允许的包长小于IP数据报长，路由器的IP层要将该报分段成多个IP报转发。n分段后的

3、数据报在被发送过程中还可以再分段。n由目的主机的IP层对分段报进展一次重组，IP不区分经一次或多次分段的报。IP数据报的路由和转发数据报的路由和转发主机和路由器如何为IP数据报确定途径：源主机和目的主机位于同一物理网络：数据报在物理网络内传送。比如以太网，源主机将目的主机IP地址转换成物理地址, 把数据报封装在以太网帧中直接发送。源主机和目的主机位于不同物理网络：数据报经路由器转发。路由器经过路由表决议数据报的下一站。源主机如何确定该发往哪个路由器？主机也有一张路由表，并配置默许网关。IP数据报的路由和转发数据报的路由和转发(续续)R3R150.

4、0.0.1R2IP数据报的路由和转发数据报的路由和转发(续续)路由器路由器R3的路由表的路由表 目目标标网网络络 屏屏蔽蔽码码下下一一站站 I IP P 地地址址 直接传递 直接传递 * * 项是默许路由项，或叫默许网关(default gateway)IP数据报过失报告数据报过失

5、报告互联网控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) 就是 IP 数据报过失报告机制，ICMP 报文封装在 IP 数据报中发送。ICMP过失报文： ICMP信息报文： 目的不可达 回答恳求/回答呼应数据报超时 (ping 用它测主机可达性)数据报参数问题 时间戳/时间戳呼应报源减速 地址屏蔽码恳求/呼应重定向路由协议路由协议路由器的中心是网络层，包括 IP、ICMP、ARP，还有一个或多个路由协议。由于路由协议需求传输层协议支持，实践路由器还包括高层模块，还有网管模块。路由器功能和路由协议分类内部路由协议OSPFv2外部路由协议BGP-4无类

6、别域间路由CIDR路由器功能路由器功能互联网中路由器的传统功能：交换路由信息：与其它路由器交换网络拓扑和网段时延等信息；执行路由算法：基于路由信息计算、更新路由表，为数据报决议路由。Internet是由许多自治系统 AS互联而成，所谓自治系统是由单一机构管理、操作下的路由器衔接的互联网。路由协议分类路由协议分类Internet的路由协议分两类：内部路由协议或内部网关协议IGP自治系统内部路由器交换路由信息的协议：RIP (Routing Information Protocol)，DV类。 IS-IS，OSPF(Open Shortest Path First)，LS类。外部路由协议或外部网关

7、协议EGP 不同自治系统的路由器交换路由信息的协议：BGP(Border Gateway Protocol)内部路由协议内部路由协议OSPF原理原理是链路形状路由协议每个路由器都有本链路形状信息，即它直接衔接的路由器和网络，及到它们的“间隔。周期地将本链路形状分散(flooding)到一切结点。一切的链路形状合在一同就是自治系统的拓扑数据库，每个路由器维持这个拓扑数据库。每个路由器根据这个拓扑数据库构造一个以本身为根的最短途径树，从最短途径树生成它的路由表。外部路由协议外部路由协议BGP网络网络R2R3网络R1网络网络R5R6网络R7AS1AS2外部路由协议外部路由协议BGP(续续)n路由器R

8、1属于自治系统AS1，路由器R5属于 AS2。R1和R5都实现外部路由协议BGP交换路由表，它们也分别实现各自的自治系统内部路由协议，如OSPF。nBGP根本上是间隔向量路由算法，所不同的是它把到达某网络选择的整个途径通知邻居，而不只是下一站。途径信息AS_PATH中有所穿越的自治系统网络编号，利用AS_PATH可进展环路检测，抑制了“计数到无限的问题。新一代新一代IPIPv6nIPv4的问题：32位约43亿个地址，大大少于全球人口数(60亿)，将于2019年用完；骨干网路由表信息爆炸。nIPv6的主要设计特点nIPv6根本头格式nIPv6地址nIPv6可选项n全球的IPv6实验网IPv6的主

9、要设计特点的主要设计特点IPv6的主要设计特点的主要设计特点(续续)n根本头和扩展头编码方式改良了性能，添加了扩展的灵敏性根本头 扩展头1扩展头N传输层包40字节可选.IPv6根本头格式根本头格式版本通讯流等级流标号负载长度后续头部跳数限制源地址 (128位)目的地址 (128位)031IPv6根本头格式根本头格式(续续)IPv6根本头格式与根本头格式与IPv4比较比较nIPv4报头中有报头长度，IPv6根本头定长。nIPv4报头中有报头校验和，IPv6没有。Paxson经统计发现：经过链路层CRC校验的包约0.02%有校验和错误。Stone等搜集了约22亿个包，其中约48万个包有IP、UDP

10、或TCP校验和错误。1278个包IP校验和错。nIPv6的路由器不对数据报分段，nIPv6的可选项在扩展报头，路由器普通不需求处置可选项。IPv6地址地址有三类IP地址：单播、任播、多播地址地址的冒分十六进制表示可集成的全局单播地址部分运用(local use)的单播地址嵌入IPv4地址的IPv6地址任播地址多播地址地址的冒分十六进制表示地址的冒分十六进制表示n将128位地址分成8段，每段16位用十六进制数表示，段之间用冒号“：隔开。例2080:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF, FF01:0000:0000:1234:89AB:0000:0000:0000

11、n一或多个延续的全0可用“:替代, 但“:在一个地址中只能出现一次, 各段数字开场的0可省略。如FF01:0:0:1234:89AB:n地址前缀用“IPv6地址/前缀位数表示，前缀位数是十进制数。例如：3FFE:3200:/24。n:1是缭绕地址(loopback), 用于本人给本人发送。可集成的全局单播地址可集成的全局单播地址(aggregatable global unicast address)n格式前缀FP(Format Prefix)：为001。n顶级集成标识(Top-Level Aggregation ID)：指定Internet顶级机构，即效力提供者网络号。n下一级集成标识(Ne

12、xt-Level Aggregation ID)：由TLA ID指定的效力提供者用于区分它的用户网络号FPTLA IDRESNLA IDSLA IDinterface ID3138241664可集成的全局单播地址可集成的全局单播地址(续续)n场所级集成标识(Site-Level Aggregation ID)：用户用来构建用户网络的编址层次，标识用户网络内的特定子网。每个场所可有65536子网。n接口标识(interface ID)：用于标识链路接口，普通是数据链路层地址，如48位以太网地址。n保管(REServed)：留给未来运用。n对于每个Internet效力提供者的网络号TLA ID，I

13、nternet的主干路由器必需有一表项与之对应。保管的8位是为TLA ID和/或NLA ID扩展预留。部分运用的单播地址部分运用的单播地址1111 1110 100接口标识1111 1110 110子网标识接口标识105464 (位)本链路运用(link-local-use)的单播地址格式10381664 (位)本场所运用(site-local-use)的单播地址格式部分运用的单播地址部分运用的单播地址(续续)n假设源/目的地址为本链路运用的地址，那么数据报只转发到该单一链路，如中继器或网桥衔接的以太网链路，不转发到其它链路。n假设源/目的地址为本场所运用的地址，那么路由器不把数据报转发到场所

14、以外。一个场所可以是由路由器衔接的多个以太网链路。n部分运用的地址无需恳求地址前缀，假设要连到Internet，可加全局前缀自动重编址。嵌入嵌入IPv4地址的地址的IPv6地址地址IPv4向IPv6的过渡：在过渡时期IPv4地址和IPv6地址必需共存。过渡期有的结点实现双IP协议栈，同时支持IPv4和IPv6，被称为 IPv6/IPv4结点。采用“隧道(tunnel)技术： 在IPv4路由拓扑的根底上将IPv6数据报外加IPv4报头转发，即封装IPv4报头。隧道可以是源到目的途径的一段, 开场和终了端是IPv6/IPv4结点。嵌入嵌入IPv4地址的地址的IPv6地址地址(续续)n实施隧道技术的

15、IPv6/IPv4结点被指定特殊的IPv6单播地址，称为“与IPv4兼容的IPv6地址(IPv4-compatible IPv6 address)。隧道端结点的IPv4地址可从这种IPv6地址自动导出。000000 0000IPv4地址801632 位嵌入嵌入IPv4地址的地址的IPv6地址地址(续续)n“映射IPv4的IPv6地址(IPv4-mapped IPv6 address)用来表示只实现IPv4不支持IPv6的结点。n在IPv4和IPv6混合网中，上述地址可用冒分十六进制和点分十进制结合的方式表示为：n x:x:x:x:x:x:d.d.d.d，如 :00000

16、000 FFFFIPv4地址801632 (位)任播地址任播地址n任播地址是从单播地址空间分配的，当一个单播地址被分配给一个以上接口时就变成任播地址。n任播地址不能用作源地址；不能指定给主机，只能指定给路由器。n发送到任播地址的数据报被送到“最近的结点。任播地址可表示连到特定子网的一组路由器，或属于一个机构的一组路由器。多播地址多播地址n标志 (flag)：T=0表示永久性的周知(well-known)多播地址；T=1表示暂时指定的多播地址。n范围 (scope)：限制多播组的范围，1=本结点(node-local)范围；2=本链路(link-local)范围； 5=本场所(site-loca

17、l)范围；8=本机构范围； 14=全局范围(global scope)。例FF02:2, FF05:2。1111 1111 标志 范围组标识000T844112 (位)IPv6地址前缀的初始分配地址前缀的初始分配 分分配配 前前缀缀占占地地址址比比例例保保留留地地址址( (如如 I IP Pv v4 4 有有关关的的) ) 0000 0000 1/256为为 N NS SA AP P( (I IS SO O) )保保留留的的0000 001 1/128为为 I IP PX X( (N No ov ve el ll l) )保保留留的的0000 010 1/128可可集集成成的的全全局局单单播播

18、地地址址001 1/8本本链链路路使使用用的的单单播播地地址址1111 1110 10 1/1024本本场场所所使使用用的的单单播播地地址址1111 1110 11 1/1024多多播播地地址址1111 1111 1/256IPv6可选项可选项IPv6的可选项放在扩展头。定义了6种选项：逐跳选项(hop-by-hop options)：给路由器信息；路由选项(routing options)：部分/全部路由信息；分段选项(fragment options)：管理数据报分段；目的选项(destination options)：给目的的信息；身份认证(authentication)：为数据报提供发

19、送主机身份认证和数据完好性校验；载荷平安封装(encapsulating security payload)：为数据报提供加密, 也包括发送主机身份认证。全球的全球的IPv6实验网实验网n2019年创建的 6bone 是全球的IPv6实验网。n6bone 运用地址前缀 3FFE:/16。它为注册者分配一个24位地址前缀，称为 pTLA (pseudo TLA)。nCERNET分配到3FFE:3200:/24。n6bone 经过封装 IPv4 报头来传送 IPv6 数据报。nIPv6的前景?! 从IPv4平滑过渡到IPv6非常重要，但过渡到 IPv6 耗资宏大！美国拥有的IPv4地址占全世界的7

20、4% ，日、韩和欧洲较积极。Internet传输层传输层BGPFTPSMTP TELNETSNMPOSPFIP + ICMPDNSInternet传输层传输层TCP概略概略nTCP 是由Vinton Cerf 和 Robert Kahn 在1973年设计，原先 IP 和 TCP 是合在一同的，后来把寻径转发和可靠传输分成两层。nTCP 向运用层提供可靠的进程间通讯。IP地址标识主机，TCP 端口号标识运用进程。集中一致分配的端口号称为周知端口(well-known port)，其他的动态分配。n运用进程运用 TCP 通讯，首先要建立衔接。TCP传输的数据单元称数据片(segment)。可靠数据

21、流传输协议可靠数据流传输协议TCPTCP数据可靠传输机制数据可靠传输机制数据字节10012000ACK 2019数据字节20192500丧失超时重传数据字节 20192500ACK 2501TCP数据可靠传输机制数据可靠传输机制(续续)nTCP 源进程为一个衔接上传输的每个数据字节指定序号；nTCP 为每个数据片计算校验和；nTCP 目的进程要对正确收到(即校验和正确)的数据字节序号给予确认(ACKnowledgement)；nTCP 源进程所发出的数据片在某时间间隔没有收到确认，那么要(超时)重传数据片。n假设每发一个数据片要等待确认，性能.TCP滑动窗口流控滑动窗口流控n目的进程控制源进程

22、发送窗口的大小n窗口外左边的字节已被发送，且已收到确认n窗口内字节可以发送/已被发送，但未收到确认n窗口外右边的字节不能发送。窗口滑动123456789 10 11 12 13 14 15 16TCP滑动窗口流控滑动窗口流控(续续)nTCP确认字节，滑动窗口大小也以字节为单位，而不是数据片。这是有历史缘由的，原来TCP和IP是一层，采用字节流为了方便TCP数据片被分段，后来分成两层，分段功能放在IP层。n在传输中几个小片合成一个片会更有效，采用字节流小片合大片更方便。n用数据片数目阐明数据总量不及用字节数更确切，由于一个数据片可以包容一个字节，也可以包容1000字节。TCP数据片格式数据片格式

23、目的端口 (destination port)校验和 (checksum)紧急指针 (urgent point)序号 (sequence number)确认号 (acknowledgement number)选项 (options)填充 (padding)数据01631位源端口 (source port)窗口大小 (window size)(字节数)FINSYNRSTPSHACKURG片头长度保管20 字 节TCP数据片格式数据片格式(续续)TCP数据片格式数据片格式(续续)n6个控制位：n URG=1 表示紧急指针有效；URG=0 忽略指针。ACK=1 表示确认号有效；ACK=0 忽略确认号

24、。PSH=1 表示推进，让目的TCP向上递交数据片。RST=1 表示去除衔接，发生主机缺点时去除衔接，也用于回绝非法数据片或衔接恳求。SYN=1 表示衔接恳求，用于建立衔接并通告初始序号，本片序号 = 该衔接的初始序号。FIN=1表示本方数据流终止, 即封锁本方数据流。n留意 SYN 和 FIN 的片即使无数据也占1个序号。TCP数据片格式数据片格式(续续)TCP数据片格式数据片格式(续续)讨论讨论n校验和检查需不需求？够不够？nPaxson 2019年经统计发现：经过链路层CRC校验的包约 0.02%有校验和错误。nStone 等在20192019年搜集了约22亿个包，其中约 46.86万个

25、包有TCP 校验和错误，包括端主机硬件错误、端主机软件bugs (UNIX、Windows NT) 以及路由器内存错误等(不要太信任硬件!)。有一半错误无法确认缘由 (数据隐私)。TCP数据片格式数据片格式(续续)讨论讨论n0255后来扩展为01023端口号普通作为周知端口 (well-known port) 由IANA管理，一致分配给系统运用进程，如HTTP用80。102465535 端口号由用户动态运用，但此惯例不都遵照。 nTCP数据片最小是20字节 (无数据的SYN片、ACK片)，最大长度的默许值是556字节。有人用Tcpdump对网络上某条线路进展一天的监听，统计发现25的IP包是4

26、0字节，576字节以下的IP包占75。TCP衔接建立衔接建立三次握手三次握手发SYN, 序号 = x发SYN, ACK, 序号 =y, 确认号 = x+1发ACK, 确认号= y+1TCP衔接建立衔接建立三次握手必要性三次握手必要性收SYN, 序号=100发SYN, ACK, 序号=300, 确认号=101 发RST, 序号=101TCP衔接建立衔接建立三次握手必要性三次握手必要性(续续)n三次握手是必要的，由于同步数据片会丧失、延迟或重传。接纳方在收到一个同步数据片时，无法知道它能否是一个老、延迟的反复片，假设无三次握手会呵斥混乱。n上例是一个老的、重传的、延迟的同步数据片，但接纳方无法知道

27、这一点，所以进展第二次握手。发送方发现被确认的序号不对，发回绝此非法数据片。接下去是针对同步片的正常同步过程。TCP衔接封锁衔接封锁发FIN, ACK, 序号= x, 确认号 = y发ACK, (数据), 序号 = y, 确认号 = x+1发ACK, 确认号 = z+1发FIN, ACK, 序号 = z, 确认号 = x+1 .TCP重传战略和重传超时值重传战略和重传超时值TCP重传超时值重传超时值(续续)TCP重传超时值重传超时值(续续)|Err|每次传输也都不同，思索偏向的平滑值D。设定D的初值，以后利用各次的 |Err|对D修正：D D(1-)|Err|其中与 SRTT 计算式中的可以同

28、或不同。重传超时值按下式计算：RTOSRTT4DTCP重传超时值重传超时值(续续)n对算法来说正确丈量RTT是根底，但RTT很难正确丈量。特别当发生数据片超时重传时，从收到的 ACK 无法判别这是对原数据片还是重传数据片确实认。nKarn算法：对于重传的数据片不去更新RTT，每次重传时就是将前一次的 RTO加倍，直至重传胜利。Karn算法在大部分 TCP 中实现。TCP拥塞控制拥塞控制n1986年10月开场，Internet 出现了一系列的“拥塞解体，例如某两地相距不到400米，经过3个网络结点，它们之间的数据吞吐量一度从平常的32kbps降到了40bps。nJacobson 研讨发现：这是由

29、于在坏的网络情况(即拥塞)下 TCP 的累计确认、超时重传、后退 N 等机制呵斥。nJacobson 在 TCP 中添加了拥塞控制算法。这些算法防止了今天 Internet 的拥塞解体。TCP拥塞控制拥塞控制网络拥塞景象网络拥塞景象网络拥塞对吞吐量的影响网络拥塞对吞吐量的影响网络吞吐量是数据经过网络的传送速率吞吐量负载无拥塞细微拥塞严重拥塞AB拥塞对吞吐量的影响拥塞控制根本战略拥塞控制根本战略闭环控制闭环控制n闭环控制(closed-loop control)是一种动态控制系统，它包括反响机制和控制机制。n反响机制允许网络把拥塞情况通知数据源。路由器(或交换机)是监控拥塞程度的最好场所。n显式

30、反响和隐式反响.n控制机制允许数据源调整给网络的负载。n窗口控制和速率控制。TCP拥塞控制算法的根本思想拥塞控制算法的根本思想n是一种把丧失作为拥塞(隐式反响)信号的闭环控制。丧失能够是过失丢弃或拥塞丢弃，现代通讯传输的误码率很低，丧失多半是拥塞呵斥。n为每个衔接动态确定拥塞窗口 cwnd 反映网络拥塞情况。TCP发送方根据 cwnd 和对方的接纳窗口 rwnd 调整发送窗口wnd：wnd = min (cwnd，rwnd)n为每个衔接设置窗口门槛值 ssthresh，其初值可设置为 64k字节或 rwnd。TCP拥塞控制算法拥塞控制算法慢启动和拥塞防止慢启动和拥塞防止(1) 慢启动：开场时令

31、 cwnd=1，发送1个数据片，收到确认后cwnd 加1，即 cwnd=2，发送2个数据片，收到2个确认片后cwnd 加2，即cwnd=4，发送4个数据片。总之，当cwnd=n时，发送n个数据片，都收到确认片后cwnd 加 n。这叫做慢启动。 实践上，在 RTT 时间内 cwnd 的增量cwnd=cwnd，cwnd 是按指数增长。TCP拥塞控制算法拥塞控制算法慢启动和拥塞防止慢启动和拥塞防止(续续)慢启动后，会出现三种能够：cwnd 到达慢启动门槛值 ssthresh(slow start threshold)；cwnd 到达 rwnd；超时无确认。(2) 拥塞防止：当 cwnd 到达 sst

32、hresh，那么cwnd 改为线性增长，发送 cwnd 个数据片，在收到全部确认后，cwnd 加1，即在 RTT 时间内 cwnd 的增量 cwnd=1。(3) 当cwnd 到达 rwnd，那么发送量不再增长。TCP拥塞控制算法拥塞控制算法慢启动和拥塞防止慢启动和拥塞防止(续续)(4) 当数据片的重传计时器超时仍未收到确认，那么重传数据片，且令ssthresh=cwnd/2 (即当前拥塞窗口的一半)，再回到(1)，重新慢启动。慢启动和拥塞防止作为组合算法在TCP中实现，根据窗口门槛值和数据丧失情况来动态调整发送窗口。TCP拥塞控制算法拥塞控制算法快重传快重传n当TCP接纳方收到一个错序(序号不

33、延续)的数据片时，它立刻发一个ACK片，这是一个反复的ACK，目的是让对方知道数据片错序。TCP发送方不等待重传计时器超时，根据反复ACK的情况立刻重传，这就是快重传。n假定：1、2个反复ACK只是数据片暂时错序，3个反复ACK阐明数据片丧失?!TCP拥塞控制算法拥塞控制算法快恢复快恢复n在快重传后，不是进入慢启动，而是把 cwnd 降一半，然后按原先方式添加，就叫快恢复。n为什么采用快恢复而不是慢启动？收到反复的ACK，不只表示数据片能够丧失， 还表示TCP发送方和接纳方之间仍有数据流，TCP接纳方只当收到后面的数据片，才能够发反复ACK，所以拥塞并不 严重。TCP拥塞控制算法拥塞控制算法快

34、重传和快恢复：例快重传和快恢复：例.TCP发送方TCP接纳方数据片1数据片5数据片6ACK6数据片7ACK6数据片8ACK6数据片15ACK6数据片6ACK6ACK16cwnd=5+3cwnd+1.cwnd=10TCP拥塞控制算法拥塞控制算法快重传和快恢复算法快重传和快恢复算法(1) 当发送方收到第3个反复的ACK，设置ssthresh=cwnd/2，但不小于2个数据片。(2) 重传丧失的片，设置cwnd=ssthresh+3。(3) 再次收到反复的ACK时, cwndcwnd+1。(4) 假设新 cwnd值允许, 那么恢复发送1个新片。(5) 当非反复的ACK到达, 它是对(2)重传确实认。

35、设置cwnd=ssthresh, 进入拥塞防止。TCP拥塞控制算法拥塞控制算法快重传和快恢复算法的讨论快重传和快恢复算法的讨论n快重传算法选择反复ACK 的门槛值为 3，但即使收到3个反复的ACK，也能够只是暂时错序，如包的传送途径改动，.。所以快重传的片中也会有不用要的重传。nPaxson对35个Internet站点，20000次TCP批量数据传输作了分析：n 必要和不用要的快重传的比例记为 Rg:b。n TCP拥塞控制算法拥塞控制算法快重传和快恢复算法的讨论快重传和快恢复算法的讨论 假设反复ACK门槛值设为 4，Rg:b 改良为 原2.5倍，但减少了30快重传的时机。 假设此值设为 2，添加了6570快重传的时机，但不用要的重传添加为原来的3倍。当一个窗口中只需一个数据片丧失时，快重传和快恢复优化了性能，但是同一窗口中有多个数据片丧失时不能快恢复。TCP实现的版本实现