TCPIP协议浅析

1、TCP/IP协议浅析协议浅析云南能源职业技术学院一、分组交换与存储转发一、分组交换与存储转发分组交换存储转发历史历史20 世纪 60 年代美苏冷战激烈。美国军方要研制一种生存性很强的新型分布式网络。即使少数结点或链路被摧毁，整个网络仍保持畅通。这种新型的计算机网络就是采用分组交换的、基于存储转发计算机网络。1969年12月ARPANET投入运行。数 据数 据数 据F 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块F 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）F 依次把各分组发送到接收端F 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文数 据分组报文发送端首部分组数 据首部分组首部数 据发送发送发送在前发送

2、接收端数 据首部数 据首部数 据首部分组从分组从 A 传送到传送到 B 的过程的过程网络网络网络网络网络网络网络路由器路由器路由器路由器路由器路由器AB查找路由表目 的 地 下一跳路由器查找路由表目 的 地 下一跳路由器查找路由表目 的 地 下一跳路由器这就是基于存储转发的分组交换这就是基于存储转发的分组交换IP 协议与协议与 TCP 协议协议协议的概念网络参考模型IP 协议TCP 协议协议协议在计算机网络中，协议(protocol)是通信双方必须严格遵守的规则。协议也就是网络协议。协议精确地规定在网络通信中使用的各种控制信息的格式、意义以及各种事件出现的先后顺序。协议在计算机网络中起着非常重

3、要的作用。网络层次结构网络层次结构ARPANET的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应采用层次式的结构。分层可以带来如下好处分层可以带来如下好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。OSI参考模型参考模型1974年ISO定义了网络互连的七层框架，也就是开放系统互连（OSI）参考模型。OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概念清楚，理论较完整。TCP/IP参考模型参考模型TCP/IP 的四层网络体系结构已成主流使用五层原理体系结构来阐明网络的工作原理较为合适。5 54 43 32 21 1Application layerTransp

4、ort layerInternet layerData link layerPhysical layerTCP/IP 的体系结构网络接口层IP各种应用层协议HTTP, FTP, SMTP, DNS 等TCP网际层运输层UDP应用层TCP: 传输控制协议(Transmission ControlProtocol)IP: 网际协议UDP: 用户数据报协议(User DatagramProtocol)5432154321H3物 理 传 输 媒 体数 据 部 分数 据 部 分数 据 部 分数 据 部 分10100110100101 比 特 流 11 010111010T2计算机 1 1H5H4H2首部

5、尾部AP2AP1应 用 程 序 数 据计算机 2 2比特帧IP数据报IP分组TCP报文段UDP报文段IP 协议协议因特网的 IP 协议最重要，它为分组在互连网中的发送、传输和接收制定了详尽的规则。IP 是 Internet Protocol 的缩写，中文标准译名是“网际协议”。使用 IP 协议的互连网络常称为：IP 网络，或IP 网。在 IP 网络传送的分组常称为：IP 分组，或IP 数据报 (IP datagram)。构造路由表构造路由表在因特网中，路由器之间不断地互相通告路由信息。路由器根据所掌握的路由信息构造出自己的路由表。路由器之间交换路由信息都要遵守有关的路由选择协议。当网络状况发生

6、变化时，路由器中的路由表能够自动进行更新，从而保证了正确地转发分组。路由器之间不断交换路由信息路由器之间不断交换路由信息（这里没有画出路由器之间的网络（这里没有画出路由器之间的网络以及连接在网络上的计算机）以及连接在网络上的计算机）因特网的路由器之间不断交换路由信息的复因特网的路由器之间不断交换路由信息的复杂过程对用户是透明的（用户看不见）杂过程对用户是透明的（用户看不见）IP 网络的生存性很强网络的生存性很强当 IP 网络中的某些路由器或链路被破坏时，路由器可以自动调整路由，使得网络一直保持连通。这种路由的动态调整过程对用户是透明的（即用户感觉不到）。IP 网络网络路由器路由器IP 网络的重

7、要特点网络的重要特点每一个分组独立选择路由。发往同一个目的地的分组，后发送的有可能先收到（即可能不按顺序接收）。当网络中的通信量过大时，路由器就来不及处理分组，于是要丢弃一些分组。因此， IP 网络不保证分组的可靠地交付。IP 网络提供的服务被称为： 尽最大努力服务和传统的电信网相比较和传统的电信网相比较电信网向用户（即电话机）提供的服务质量有保证。连接在电信网上的电话机几乎没有智能，因此全部的服务质量由电信网完成。电信网电信网向用户电话机提供可靠交付TCP 协议协议丢弃丢弃丢弃丢弃丢弃丢弃因特网的设计思路因特网的设计思路通信必须是可靠的。但应当由谁负责可靠交付？因特网和传统电信网的思路不同。

8、严格地讲，计算机通信是在计算机上运行的程序之间的通信。所以实现可靠通信最终应当是让计算机程序之间的通信可靠。因特网认为，IP 协议没有必要提供可靠服务（这样做可以使网络简单、灵活性好、价格便宜）。在计算机中增加 TCP 协议就可以实现计算机程序之间的可靠通信。TCP 协议的用途协议的用途TCP 是 Transmission Control Protocol 的缩写，中文译名是传输控制协议。TCP 协议驻留在用户计算机中，它的作用是保证应用程序之间端到端的可靠通信。TCP 协议的主要功能协议的主要功能TCP 给要传送的每一个字节的数据都进行编号。接收端在收到数据后必须向发送端发送确认信息。若发送

9、端在规定的时间内没有收到对方的确认，就重传这部分数据。当网络中的通信量过大时，TCP 就告诉发送端要放慢发送数据。这叫做流量控制。核心协议核心协议 TCP/IP因特网使用的协议很多，但其中最为重要的协议就是 IP 和 TCP。分组在因特网中传送要使用 IP 协议。计算机数据传输的可靠性由 TCP 协议来保证。通常用 TCP/IP 这样的记法表示以 TCP 和 IP 为核心的协议族。因特网应用程序TCP 协议保证了应用程序之间的可靠通信应用程序IP 协议控制分组在因特网的传输但因特网不保证可靠交付最重要的两个协议：最重要的两个协议：IP 和和 TCP IP 地址的惟一性地址的惟一性连接在因特网的

10、每一台计算机都有一个 IP 地址。这个 IP 地址在世界范围内必须是惟一的。路由器根据分组首部中的目的 IP 地址查找出下一跳路由器的地址。网络网络路由器路由器每个分组的首部都有每个分组的首部都有 IP 地址信息地址信息源 IP 地址目的 IP 地址网络路由器根据目的 IP 地址查找路由表查出下一跳路由器的地址根据目的 IP 地址查找路由表查出下一跳路由器的地址网络路由器IP 网络是虚拟网络网络是虚拟网络IP 网络是虚拟的。在 IP 网络上传送的是 IP数据报（IP 分组）。实际上在网络链路上传送的是“帧”，使用的是帧的硬件地址（MAC 地址）。地址解析协议 ARP 用来把 IP 地址（虚拟地

11、址）转换为硬件地址（物理地址）。 HA1HA5HA4HA3HA6主机 H1主机 H2路由器 R1硬件地址路由器 R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6路由器 R1IP 层上的互联网IP2IP4IP3IP5路由器 R2从 IP1 到 IP2从 IP1 到 IP2从 IP1 到 IP2IP 数据报IP 地址硬件地址从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧MAC 帧二、 IP地址IP地址地址子网及其掩码子网及其掩码IP地址与物理地址的转换地址与物理地址的转换IPv4地址地址空间不足问题空间不足问题IP地址1）什么是）什么是IP

12、地址地址2）IP地址的两种表示方法地址的两种表示方法3）IP地址的含义地址的含义4）特殊地址）特殊地址5）IP地址的分类地址的分类6）IP地址的特性地址的特性1）什么是IP地址电话号码电话号码在全球电话网上，可唯一标识在全球电话网上，可唯一标识的电话号码的电话号码IP地址地址在全球互联网上，可唯一标识的在全球互联网上，可唯一标识的主机地址主机地址62786500020381210110 号码 可区分范围 0203学校 6278 0203北京 010-6278 0203中国86-010-6278 0203世界Internet563

13、R2）IP地址的两种表示方法32位二进制数码位二进制数码4个用圆点隔开的十进制数个用圆点隔开的十进制数IP 协议规定：IP 地址是 32 位二进制数字：11001010011011001111100111001110为方便阅读和从键盘上输入，可把每 8 位二进制数字转换成一个十进制数字，并用小数点隔开：06这就是“点分十进制”记法。我们从键盘上输入点分十进制的 IP 地址，计算机就把它转换为 32位的二进制数字。二进制与点分十进制二进制与点分十进制电话号码电话号码 高位高位 低位低位 8608746110544国家国家 城市城市 市内电话局市内电话局 局内电话机局内电

14、话机 3）IP地址的含义IP地址地址 高位高位 低位低位36 网络地址网络地址 主机地址主机地址区分不同的网络区分不同的网络 在同一网络中区分不同的主机在同一网络中区分不同的主机4）特殊地址回馈地址（回馈地址（loopback address）网络地址（网络地址（network address）广播地址（广播地址（broadcast address）回馈地址主机将主机将IP数据报回传自身的地址数据报回传自身的地址IP地址第一个字节为地址第一个字节为127例：例：回送地址为回送地址为网络地址主机地址部分全部定义为主机地址部分全部定义为“0”用于区分网络用

15、于区分网络例：例：主机主机36所在网络的地址为所在网络的地址为广播地址直接广播地址直接广播地址主机地址部分为全主机地址部分为全“1”用于向某个网络的所有主机广播用于向某个网络的所有主机广播例：例： 主机主机36 所在网络的广播地址为所在网络的广播地址为55有限广播地址（有限广播地址（ 55）在未知本网地址情况下用于本网广播在未知本网地址情况下用于本网广播5）IP地址的分类A类类大型网络大型网络B类类中型网络中型网络C类类小型网络小型网络D类类用于用于multicastE类类

16、用于试验目的用于试验目的31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 前前1字节标识网络地址，后字节标识网络地址，后3字节标识主机地址字节标识主机地址每个网络最多可容纳（每个网络最多可容纳（ 2 2）台主机）台主机从高位起，前从高位起，前1位为位为“0”，第，第1字节用十进制表示的取值字节用十进制表示的取值范围为范围为“1126”具有具有A类地址特征的网络总数为类地址特征的网络总数为126个个 0126 025502550255A类地址网络地址网络地址主机地址主机地址

17、02431 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0前前2字节标识网络地址，后字节标识网络地址，后2字节标识主机地址字节标识主机地址每个网络最多可容纳（每个网络最多可容纳（ 2 2）台主机）台主机从高位起，前从高位起，前2位为位为“10”，第，第1,2字节用十进制表示的取字节用十进制表示的取值范围为值范围为“128.0191.255”具有具有B类地址特征的网络总数为类地址特征的网络总数为 2 个个 128191 025502550255B类地址网络地址网络地址主机地址主机

18、地址1 0141631 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 前前3字节标识网络地址，后字节标识网络地址，后1字节标识主机地址字节标识主机地址每个网络最多可容纳每个网络最多可容纳254台主机台主机从高位起，前从高位起，前3位为位为“110”，第，第1,2,3字节用十进制表示字节用十进制表示的取值范围为的取值范围为“192.0.0223.255.255”具有具有C类地址特征的网络总数为类地址特征的网络总数为 221 个个C类地址 192223 025502550255网

19、络地址网络地址主机地址主机地址1 1 0C类地址举例网络地址：网络地址：广播地址：广播地址：55十进制十进制二进制二进制202.112.1.x 11001010 01110000 00000001 xxxxxxxx210.39.15.x 11010010 00100111 00001111 xxxxxxxx210.32.128.x 11010010 00100000 10000000 xxxxxxxx54IP地址分类比较 网络类别最大网络数第一个可用的网络号最后一

20、个可用的网络号每个网络的最大主机数A126 (27-2)1126224-2B16384 (214)128.0191216-2C2097152 (221)192.0.023328-231 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0组播通信地址（组播通信地址（multicast address）从高位起，前从高位起，前4位为位为“1110”，第，第1字节用十进制表示的字节用十进制表示的取值范围为取值范围为“224239”，用于标识，用于标识multicast通信地址通信地址后后

21、28位用于区分不同的位用于区分不同的multicast组组D类地址Multicast标识标识Multicast Group标识标识1 1 1 0IP网络通信方式单播通信（单播通信（unicasting）将数据只发送到一台主机将数据只发送到一台主机目的地址为宿端主机的目的地址为宿端主机的IP地址地址广播通信（广播通信（broadcasting）将数据发送给某个网络将数据发送给某个网络/子网的所有主机子网的所有主机目的地址为该网络目的地址为该网络/子网的广播地址子网的广播地址 组组播播(多播多播)通信通信（multicasting）将数据发送给某组主机（减少网络通信流量）将数据发送给某组主机（减少

22、网络通信流量）6）IP地址的特性提供全网统一、有效的地址模式提供全网统一、有效的地址模式屏蔽不同物理网络的地址差异屏蔽不同物理网络的地址差异为为IP层的层的“尽力传递尽力传递”提供基础提供基础地址结构对应网络的层次结构地址结构对应网络的层次结构Internet子网子网m子网子网1网络网络n网络网络1主机主机主机主机主机主机主机主机主机主机主机主机130.n.*.*130.1.m.11130.1.m.0130.n.0.02.子网及其掩码1）子网）子网什么是子网什么是子网为什么要划分子网为什么要划分子网如何划分子网如何划分子网子网地址特性子网地

23、址特性什么是子网（subnet）将网络进一步划分为独立的组成部分，每个部分称为这一将网络进一步划分为独立的组成部分，每个部分称为这一网络（或更高一级子网）的子网。网络（或更高一级子网）的子网。校园网校园网图书馆子网图书馆子网实验楼子网实验楼子网办公楼子网办公楼子网二机房子网二机房子网四机房子网四机房子网三机房子网三机房子网主机主机主机主机主机主机主机主机主机主机主机主机为什么要划分子网提高系统的可靠性提高系统的可靠性防止全网通信瘫痪防止全网通信瘫痪改进系统性能改进系统性能克服简单局域网的技术条件限制克服简单局域网的技术条件限制增强系统的安全保障增强系统的安全保障设置不同的访问权限设置不同的访问

24、权限便于系统的运行维护便于系统的运行维护故障诊断和隔离故障诊断和隔离如何划分子网根据地理分布特点划分根据地理分布特点划分易于组网技术实现易于组网技术实现 楼群内采用局域网技术构成子网楼群内采用局域网技术构成子网 楼群间选择合适的传输媒体和互连设备使不同子网互连楼群间选择合适的传输媒体和互连设备使不同子网互连节省经费节省经费根据网络应用特点划分根据网络应用特点划分将共享相同网络资源的主机划分为同一子网，减少将共享相同网络资源的主机划分为同一子网，减少子网间的网络传输流量，提高系统性能子网间的网络传输流量，提高系统性能将具有相同安全密级程度的主机划分为同一子网，将具有相同安全密级程度的主机划分为同

25、一子网，保障系统的安全保障系统的安全2）子网掩码 引入子网划分（引入子网划分（subneting）思想后，以）思想后，以前的前的A/B/C地址分类意义已不大，不过可地址分类意义已不大，不过可作为缺省的子网划分依据。作为缺省的子网划分依据。子网掩码的定义每个子网定义一个每个子网定义一个32位二进制数：位二进制数：网络地址和网络内子网地址部分对应位置网络地址和网络内子网地址部分对应位置“1”，主机地址部分对应位置主机地址部分对应位置“0”。例：例：网络地址：网络地址：130. 39. 0. 0子网地址：子网地址：子网掩码：子网掩码：31 30 29

26、28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8网络地址7 6 5 4 3 2 1 0主机地址 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0掩码的作用获取主机的网络地址部分，区分主机通信获取主机的网络地址部分，区分主机通信的不同情况，选择路径。的不同情况，选择路径。主机之间通信的两种情况主机之间通信的两种情况同一子网内两

27、台主机间的相互通信同一子网内两台主机间的相互通信不同子网内两台主机间的相互通信不同子网内两台主机间的相互通信如何区分两种情况如何区分两种情况同一子网中的主机之间通信子网地址子网地址 527 源地址源地址 目的地址目的地址发送发送接收接收55 广播地址广播地址不同子网中的主机之间通信子网地址子网地址 3 目的地址目的地址 5 源地址源地址发送发送R2接收接收转发转发 子网地址子网地址 210.3

28、9.15.255 广播地址广播地址如何区分两种情况 设本地主机所在子网地址为设本地主机所在子网地址为Nx，子网掩码，子网掩码为为Mx，远程主机的，远程主机的IP地址为地址为Ay，再设，再设Ny=Ay & Mx 若若Nx=Ny，则认定远程主机与本地主机在同，则认定远程主机与本地主机在同一子网上一子网上若若NxNy，则认定远程主机与本地主机不在，则认定远程主机与本地主机不在同一子网上同一子网上获取主机IP地址的网络地址 (1)本地主机本地主机 IP地址：地址： 5网络地址（网络地址（Nx）：）： 本地子网掩码：本地子网掩码：255.255.25

29、5.0远程主机远程主机 IP地址：地址： 2727 11010010 00100111 00001111 01111111 “与与” 11111111 11111111 11111111 00000000得得 11010010 00100111 00001111 00000000 (Ny)获取主机IP地址的网络地址(2)本地主机本地主机 IP地址：地址：5网络地址（网络地址（Nx）：）： 本地子网掩码：本地子网掩码：远程主机远程主机

30、IP地址：地址： 33 11001010 01110000 00000100 00111111 “与与” 11111111 11111111 11111111 00000000得得 11001010 01110000 00000100 00000000 (Ny)3.IP地址与物理地址的转换1）什么是物理地址）什么是物理地址2）为什么要进行地址转换）为什么要进行地址转换3）如何实现地址转换）如何实现地址转换1）什么是物理地址定义定义组成网络的各个站点都具有一个机器可以识别的地址，组成网络的各个站点都具有一

31、个机器可以识别的地址，称为该站点的物理地址（或称硬件地址）。称为该站点的物理地址（或称硬件地址）。特点特点长度和格式由物理网络的硬件决定，不同网络具有各长度和格式由物理网络的硬件决定，不同网络具有各自的地址定义方式。自的地址定义方式。物理地址的标识举例以太网地址以太网地址（也称为（也称为MAC地址）地址）地址长度为地址长度为48位位以用以用“：”点开的点开的6个个16进制数表示进制数表示由厂商将地址用硬件赋予每块以太网网卡由厂商将地址用硬件赋予每块以太网网卡具有全球唯一性具有全球唯一性例：例： 08: 00: 20: 0e: 56: 7d00001000 00000000 00100000 0

32、0001110 01010110 01111101前前24位用于区分不同的厂商位用于区分不同的厂商Sun公司生产的网卡公司生产的网卡数据链路层数据链路层物理层物理层2）为什么要进行地址转换IP层层逻辑逻辑链路层链路层物理层物理层LLC物理层物理层MACWANLAN逻辑链路控制层逻辑链路控制层介质访问控制层介质访问控制层互联网互联网物理子网物理子网以以IP地址为标识，为地址为标识，为IP分组（分组（packet）在互联网上实现各子网间的寻径在互联网上实现各子网间的寻径以物理地址为标识，为物理帧（以物理地址为标识，为物理帧（frame）在具体的各个子网内实现节点间的寻径在具体的各个子网内实现节点间的寻径3）如何实现地址转换地址转换协议地址转换协议ARP （地址解析协议）（地址解析协议）Address Resolution ProtocolIP地址地址 MAC地址地址RARP （逆向地址解析协议）（逆向地址解析协议）Reserve Address Resolution ProtocolMAC地址地址 IP地址地址 ARP协议的工作原理Ethernet主机主机A主机主机E我是我是，谁知道，谁知道IP地地址为址为5的主机对应的主机对应的的MAC地址？地址？主机主机，我是，我是5，我的我的MAC地址是地