网络工程课件

1、第1章 相关网络技术基础知识1.1 OSI参考模型1.1.1 OSI参考模型的分层结构1.1.2 OSI参考模型中各层的作用1物理层（Physical Layer）2数据链路层（Data Link Layer）3网络层（Network Layer）4传输层（Transport Layer）5会话层（Session Layer）6表示层（Presentation Layer）7应用层（Application Layer）1.1.3 OSI参考模型中的数据封装过程1.2 TCP/IP参考模型1.2.1 TCP/IP参考模型的层次结构版本首部长度服务类型总长度（16）标识 DF MF段偏移寿命（8）

2、 协议（8位）首部检验和源站IP（32位）目的站IP(32位）长度可变字符数据固定可变首部格式如下：IP报文格式1、版本: 4位，指IP协议版号，目前为42、首部长度: 4位，表示首部长度最大15个单位（4字节为单位），首部长度最大值： 60字节 当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时，必须利用最后一个填充字段加以填充。3、 服务类型：8位，用来获得更好的服务。 D:低时延 T:高吞吐率 R:高可靠性 C:低费用协议MTU（字节）令牌环（16Mb/s)17914令牌环（4Mb/s)4464FDDI4352以太网1500X.25576PPP296不同链路层协议的最大传送单元MTU值5、标识 1

3、6位， 它是一个计数器，用来产生数据报的标识。但该“标识”并没有序号的意思。因为IP是无连接服务，数据报不存在按序接收的问题。当IP协议发送数据报时，它就将这个计数器的当前值复制到标识字段中。 当数据报的长度超过网络的MTU而必须分片时，该标识字段的值就复制到所有的数据报片的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的个数据报片最后能重装成原来的数据报。6、标志字段占3bit 目前只有前两个比特有 意义 。标志字段 中的MF字段（More Fragment)。MF=1 表示后面“还有分片”的数据报。MF=0表示这已经是若干数据报片中的最后一个。标志字段 中间的一位记为DF（Dont Fragmen

4、t)，意思是“不能分片”。只有当DF=0时，才允许分的 例题：一数据报的数据部分为3800字节长（使用固定首部），需要分片为长度不超过1420字节的数据报片。因固定首部长度为20字节，因此每个数据报片的数据部分长度不能超过1400字节。于是分为3个数据报片，其数据部分的长度分别为1400，1400，和1000字节。首部字节0140028003799首部1首部2首部3字节013991400279928003799总长度标识DFMF片偏移原始数据报382012345000数据报片1142012345010数据报片214201234501175数据报片310201234500350IP数据报首部中与

5、分片有关的字段中的数值例题：一个3200bit长的TCP报文传到IP层，加上160bit的首部后成为数据报。下面的互联网由两个局域网通过路由器连接起来。但第二个局域网所能传送的最长数据帧中的数据部分只有1200bit。因此，数据报在路由器必须进行分片。请问第二个局域网向其上层要传送多少bit的数据（这里的数据当然指的是局域网看见的数据）？解答：数据报在进入第二个局域网之前，必须经过路由器分片。第二个局域网所能传送的最长数据帧中的数据部分只有1200bit，该长度即数据报片的长度（包含160bit的首部）。因此，该数据报片的数据部分=1200-160=1040。所以所分的片数=（3200/104

6、0）=4，第二个局域网向其上层要传送的数据长度为：4*160+ 3200=3840bit8、生存时间 8bit，表示该IP数据报在网络中的寿命。生存时间建议值：32秒 最大：255秒9、协议：8位，指出该数据报携带的数据是使用何种协议，以便是目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理进程。 网络层运输层TCPUDP首部 数据部分ICMPIGMPEGPOSPFIP数据报协议字段指出应将数据部分交给哪个过程处理协议名ICMPIGMPTCPUDPOSPFEGP协议字段数值12617898常用的一些协议和相应的协议字段值12、目的地址 4个字节13、选项字段 长度可变该字段用来支持排错、测量以及安

7、全等措施。14、填充字段 长度可变通过使用全0的填充字段 将首部补齐成为4字节的整数倍。应用层报文TCP首部数据TCP PDU报文段（Segment）2. TCP报文段的格式格式：首部（20字节固定+4N字可选）+数据最小格式：首部（20字节）+数据1、源/目的端口：各占2字节，16bit 端口地址，端口号与IP地址构成插口，相当于TSAPTSAP地址（48bit）=IP地址（32bit）+端口号（16bit）例：一对插口：（131.6.23.12；500）和(130.42.85.15；25） 2、发送序号：占4字节，是本报文段所发送的数据部分第一个字节的序号。IP地址端口号TSAP地址IP地

8、址端口号TSAP地址200序号：600200数据序号：400100数据序号：300第三个报文第二个报文第一个报文在TCP传送的数据流中，每一个字节都有一个序号；例如：在一个报文中，序号为300，而报文中数据有100字节。下一个报文段，其序号为400；如下3、接收序号（确认序号）：占4字节，是下次对方发送的数据第一个字节的序号，或下一个报文段的首部中的序号。同时确认以前收到的报文段。 由于序号字段有32bit，可对4GB的数据进编号。这样就可保证当序号重复使用时，旧序号的数据早已经在网络中消失了。4、数据偏移：占4bit，可表示的最大十进制是15。因此数据偏移的最大值是60字节。它指出数据开始的

9、地方离TCP报文段的起始处有多远。 这实际上就是TCP报文段首部的长度。5、保留字段：占6bit，供功能扩展使用。 目前应置为0。6、标志位（1）紧急比特URG，表明此报文段应尽快传送，而不要按原来的排列顺序来传送。 例如：已经发送了很长的一个程序要在远地的主机上运行。但后来发现了一些问题，需要取消该程序的运行。因此用户从键盘发出中断命令（Control+C）。如果不使用紧急数据，则这两个字符将存储在接收TCP缓存的末尾。只有在所有的数据被处理完毕后，这两个字符才被交付到接收应用进程。这样做浪费了许多时间。 当使用紧急比特并将URG置1时，发送应用进程就告诉发送TCP这两个字符是紧急数据。 于

10、是发送TCP就将这两个字符插入到报文段的数据的最前面，其余的数据是普通数据。 这时还要与“ 紧急指针 ”字段配合使用。 “ 紧急指针 ”指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。“ 紧急指针 ”使接收方知道紧急数据共有多少字节。紧急数据到达接收端后，当所有紧急数据都被处理完时，TCP就告诉应用程序恢复到正常操作。注意：即使窗口为0时，也可发送紧急数据。（2）确认比特ACK，标志着首部中“确认序号”字段是否可用，当值为1时， “确认序号”才有意义；（3）紧迫比特PSH（推送比特），表明请求远地目的主机的TCP将本报文段立即传送给其应用层进行处理；而不要等待整个缓冲区都填满后在整批提交。可以

11、处理紧急事件。（ 4）重建比特RST，表明出现严重差错，必须释放连接，然后再重建运输连接；（5）同步比特SYN，在建立连接时使用，与确认比特ACK配合使用，当SYN=1，ACK=0时，表明这是一个请求建立连接的报文段。若对方同意建立连接，则在发回的确认报文段中会使SYN=1，ACK=1（6）终止比特FIN，用来释放一个连接。当FIN=1，表明在此次传送任务中，需要传送的全部字节都已经传送完毕，并要求释放传输连接。7、窗口 占2字节。 窗口字段用来控制对方发送的数据量,单位为字节。 计算机网络经常是用接收端的接收能力的大小来控制发送端的数据发送量。TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己

12、的接收窗口大小,然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。 若将 TCP 连接的两端分别记为 A 和 B 。若 A 确定自己的接收窗口为WIN, 则 A 发送给 B 的 TCP 报文段的窗口字段中写入 WIN的数值。这就是告诉 B 的 TCP,“ 你（B）在未收到我 (A) 的确认时所能够发送的数据量的上限就是从本首部中的确认号开始的 WIN 个字节。” 所以 A 所设定的 WIN 既是 A 的接收窗口,同时也就是 B 的发送窗口的上限值。 例如：A 在发送给 B 的报文段的首部中将窗口字段的值 WIN 置为 500, 将接收序号（确认序号）置为201。这就是告诉 B:“ 你 (B) 在未收到确

13、认的情况下, 最多可向我（A）发送序号从 201 开始到 700 共500字节的数据 ” 。 B 在收到此报文段后 , 就用此窗口数值 500作为 B 的发送窗口的上限值。但应注意：B 向 A 发送的报文段的首部也有一个窗口字段, 但这是根据 B 的接收能力来确定 A 的发送窗口上限 , 一定不要弄混。源IP地址目的IP地址06TCP长度8、 检验和 占 2 字节 ,是为了确保高可靠性而设置的，用来检验首部和数据以及伪首部之和。在计算检验和时，要先在TCP报文段前加上12字节的伪首部。 伪首部既不向下传送也不上交 9、紧急指针 与紧急比特配合使用处理紧急情况，指出在本报文段中的紧急数据的最后一

14、个字节的序号。10、选项 长度可变。 TCP 只规定了一种选项, 即最大报文段长度MSS（Maximum Segment Size ）。 MSS 告诉对方 TCP:“ 我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。” 当没有使用选项时,TCP 的首部长度是 20 字节。 MSS 的选择并不太简单。若选择较小的 MSS长度,网络的利用率就降低 。 例如 , 当 TCP 报文段只含有 1 字节的数据时 , 在 IP层传输的数据报的开销至少40字节( 包括 TCP报文段的首部和 IP 数据报的首部) 。这样 , 对网络的利用率不会超过1/41， 到了数据链路层还要加上一些开销。但反

15、过来 , 若 TCP 报文段非常长 , 那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在目的站要将收到的各个短数据报片装配成原来的TCP报文段。当传输出错时还要进行重传。这些也都会使开销增大。 一般认为 ,MSS 应尽可能大些 , 只要在IP层传输时不需要再分片就行。在连接建立的过程中，双方都将自己能够支持的 MSS 写入这一字段。在以后的数据传送阶段 , MSS 取双方提出的较小的那个数值，若主机未填写这项 , 则 MSS 的默认值是 536 字节长。因此,所有在因特网上的主机都应能接受报文段长度是 536+20=556 字节。3. 用户数据报协议UDP功能：UDP的功能只在IP的数据报

16、服务之上增加端口的功能。格式：首部数据UDP伪首部源端口目的端口长度检验和122222原IP地址目的IP地址017UDP长度指UDP的长度防止UDP数据报在传输中的出错44112共12字节伪首部这种伪首部，并不是UDP数据报真正的首部，只是在计算检验和时，临时和UDP数据报连接在一起，得到一个过渡的UDP数据报。注：伪首部既不向下传送，也不向上递交。1.2.3 套接字图1-2-7 常见协议和对应的端口号1.2.4 TCP连接管理、释放时的握手过程 一、TCP连接的建立 第一次握手：源端机发送一个带有本次连接序号的请求。 第二次握手：目的主机收到请求后，如果同意连接，则发回一个带有本次连接序号和

17、源端机连接序号的确认。 第三次握手：源端机收到含有两次初始序号的应答后，再向目的主机发送一个带有两次连接序号的确认。 当目的主机收到确认后，双方就建立了连接。由于此连接是由软件实现的，因此是虚连接。 设主机 A 中的某一个用户应用进程要与主机 B 中的某一个应用进程进行数据交换 , 1、主机 A 的 TCP 要向主机 B 的 TCP 发出连接请求报文 段 , 报文段首部中的同步比特 SYN 应设置为 1, 同时指定一个从 A 到 B 的初始序号X, 此数 值表明在后面传送数据时的第一个数据字节的序号。 2、主机 B 的 TCP 收到主机 A 发送来的连接请求报文段后, 如果同意,则发回确认报文

18、段。设置此报文段首部中 SYN 字段值为 1,确认序号为 X+1,并为自己选择一个新的序号 Y,用来标志自己发送的报文段。 3、当主机 A 的 TCP 收到主机 B发送来的确认报文段后, 仍然要向主机B 发送确认报文段,序号为 Y+1 。 并且发送序号为 X+1 此时主机 A 的 TCP 通知上层应用进程连接已经建立 , 可以传送数据。当主机 B 的 TCP 收到主机 A 的确认报文段后 , 也会向上通知它的应用进程连接已经建立 , 可以开始准备接收数据了。 TCP实体ATCP实体B发送序号=200 SYN=1发送序号=500 确认序号=201 SYN=1 ACK=1发送序号=201确认序号=

19、501 ACK=1一次二次三次发送序号=201确认序号=501 ACK=1 或者图1-10 TCP建立连接的三次握手过程例题、TCP为何采用三次握手来建立连接，若采用二次握手可以吗？答：二次握手不可行，三次握手是为了防止已失效的连接请求再次传送到服务器（B）端。 如：主机A发出连接请求，但连接请求报文丢失而未收到确认。主机A再重发一次。后来收到了确认，建立了连接。数据传输完毕，就释放了连接。主机A共发出两个连接请求报文段，其中的第二个到达了主机B。 如果主机A发出的第一个连接请求并没有丢失，而是在某些网络节点滞留的时间太长，以致延误到这次的连接释放以后才传送主机B，本来这是一个已经失效的报文段

20、。但主机B收到此失效的连接请求报文段，就误认为是主机A又发出一次新的连接请求。于是就向主机A发出确认报文段，同意建立连接。 主机A由于并没有要求建立连接，因此不会理睬主机B的确认，也不会向主机B发送数据。但主机B却以为运输连接已经建立，并一直等待主机A发数据。这样会造成主机B的资源被无谓浪费。 采用三次握手则可以防止该现象的发生。例如在刚才的情况下，主机A不会向主机B的确认发出确认。主机B收不到确认，就不能建立连接。二、连接的释放 当双方数据传送结束后, 需要释放目前的连接。进行通信的双方任意一方都可以发出释放连接的请求, 连接的释放与连接的建立相似, 同样采用 “三次握手”的方式, 只有这样

21、才能将连接所用的资源 ( 连接端口、内存等 ) 释放出来。但是连接的建立包括 3 种状态 , 而释放包括 4 种状态。 第一次握手：由进行数据通信的任意一方提出要求释放连接的请求报文段。 第二次握手：接收端收到此请求后，会发送确认报文段，同时当接收端的所有数据也都已经发送完毕后，接收端会向发送端发送一个带有其自己序号的报文段。 第三次握手：发送端收到接收端的要求释放连接的报文段后，发送反向确认。 当接收端收到确认后 , 表示连接已经全部释放。 具体的连接释放的过程如图 6-11 所示。 1、假设主机 A 传送完数据后, 主机 A 的 TCP 会向对方的发送释放连接的请求, 要求释放由 A 到

22、B 这个方向的连接, 将发送的这个请求报文段的首部中的 FIN 字 段值设置为 1, 发送序号 x 为己传送的数据的最后一个字节的序号加 1。 2、主机 B 接收到这个报文段后, 会立即发送确认 , 确认序号为 x+1, 并通知高层应用进程。 这样从 A 到 B 的连接就释放了 , 但此时只是释放了半个连接 , 也就是说连接正处于半关闭状态。此时相当于主机 A 告诉了主机 B 没有数据发送了, 而 B 发送的数据 A仍然可以接收。此时主机 A 不会再向主机 B 发送数据 。 3、当主机 B 要发送的数据也发送完毕后 ,B 会向 A 发送释放从 B 到 A 的连接的请求报文段 , 将报文段的首部

23、 FIN 字段设置为 1, 并发送一个自己的序号 y, y 等于 B 发送的数据的最后一个字节的序号加 1, 另外还要重复上次已经发送给 A 的确认序号 x+l 。 4、主机 A 收到主机 B 的请求后,还要发送确认,序号为 y + 1。 这时主机 A 的 TCP 向高层应用通知,从 B到 A的反向连接也被释放掉,则整个连接已经被释放了。 TCP实体ATCP实体B发送序号=200 确认序号=500 ACK=1 FIN=1发送序号=500 确认序号=201 ACK=1发送序号=501 确认序号=201 ACK=1 FIN=1一次二次三次发送序号=201 确认序号=502 ACK=1四次图1-11

24、 TCP断开连接的四次握手过程 TCP是互联网中的 (6) 协议，使用 (7) 次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答 (8) 。这种建立连接的方法可以防止 (9) 。TCP使用的流量控制协议是 (10) 。 (6) A传输层 B网络层 C会话层 D应用层(7) A1 B2 C3 D4 ASYN,ACK BFIN,ACK CPSH,ACK DRST，ACK(9) A. 出现半连接 B无法连接 C假冒的连接 D产生错误的连接(10) A固定大小的滑动窗口协议 B可变大小的滑动窗口协议 C后退N帧ARQ协议 D选择重发ARQ协议 解析：TCP使用三次握手过程建立连接。连接建

25、立的同时，发起方还可以发送数据。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接。TCP采用的流量控制方式与数据链路层的流量控制方式不同，属于可变大小的滑动窗口协议，它更适合于两个距离遥远的主机在无连接的网络上实现流量控制。答案：(6) A (7)C (8)A (9) D(10) B TCP 是一个面向连接的协议，它提供连接的功能是_(31)_的，采用_(32)_技术来实现可靠数据流的传送。为了提高效率，又引入了滑动窗口协议，协议规定重传_(33)_的分组，这种分组的数量最多可以_(34)_，TCP协议采用滑动窗口协议解决了_(35)_。 (31)：A. 全双工 B半双工 C单工 D单方向 (32)：

26、A.超时重传 B.肯定确认（捎带一个分组的序号） C超时重传和肯定确认(捎带一个分组的序号) D丢失重传和重复确认 (33)：A未被确认及至窗口首端的所有分组 B未被确认 C未被确认及至退回N值的所有分组 D仅丢失的 (34)：A是任意的 B1个 C大于滑动窗口的大小 D等于滑动窗口的大小 (35)：A 端到端的流量控制 B整个网络的拥塞控制 C端到端的流量控制和网络的拥塞控制 D整个网络的差错控制 试题答案:TCP是一个面向连接的协议，它提供连接的功能是(31) A. 全双工_的，采用(32) C超时重传和肯定确认(捎带一个分组的序号)技术来实现可靠数据流的传送。为了提高效率，又引入了滑动窗

27、口协议，协议规定重传(33)B未被确认_的分组，这种分组的数量最多可以(34)D等于滑动窗口的大小 ，TCP协议采用滑动窗口协议解决了(35)A 端到端的流量控制。 传输控制协议 TCP 的主要功能是提供面向连 接的传输服务。连接管理可以分为建立连接、数据传输和终止连接三个阶段。 TCP 连接是使用三次握手协议来建立连接, 通常在一台计算机上的 TCP 软件被动地等待握手, 而另一台计算机上的 TCP 软件则主动发起连接请求。握手协议允许双方同时试图建立连接, 即连接可由任何一方或双方发起。一旦连接建立, 就可以双向对等地数据流动, 无主从关系。当传送结束后, 连接双方都要终止各自的连接。 T

28、CP 提供的连接功能是双向的, 即全双工连接。全双工连接包括两个独立的、流向相反的数据流, 而且这两个数据流之间不进行显式的交互。如果在主机 A 和主机 B 之间有连接 ,A 可向 B 传送数据, 而 B 也可以、向 A 传送数据。 TCP 采用超时重传和肯定确认技术来实现可靠数据流的传送。在每条 TCP 通信连接上传送的每个数据段都有一个与之相对应的序号, 主要用于数据排序、重复检测、带重传的正向确认及流量控制窗口等 TCP 机制。这种序号机制使得需求建立连接和拆除连接的可靠性得到保证。 为了提高效率和控制流量, TCP 使用了滑动窗口协议。滑动窗口规定只需重传未被确认的分组,且未被确认的分

29、组数最多为窗口的大小。 1.2.5 滑动窗口（Sliding Windows） 通信双方各自要准备两个缓冲区：一个用于接收数据，另一个用于发送数据。当主机A向主机B发送数据时，它自己的接收缓冲区大小通知B，使B知道A一次能接收数据量大小。该值即窗口大小。B也要通知A，使A知道B一次能接收数据量大小。 发送方按接收方通告的窗口尺寸和序号发送一定的数据量, 接收方根据接收缓冲区的使用状况动态地调整接收窗口, 并在输出数据段或确认段时将新的窗口尺寸和起始序号(在确认号字段中指出）通告给发送方。 窗口尺寸是指分组的最大数目,窗口的起止点分别称为窗口上限和窗口下限。滑动窗口机制解决了传输效率和端到端的流

30、量控制问题。1.4.2 Internet控制报文协议ICMP1.作用： 为了减少分组的丢失，ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告；注意：ICMP不是高层协议，它仍是IP层中协议。ICMP报文首部数据IP数据报类型代码检验和长度可变部分ICMP报文0，回答3，目的站不可达18，地址掩码回答检验整个ICMP报文2.格式：ICMP报文作为IP数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。目的站不可达（3#）源站抑制（4#）改变路由（5#)数据报时间超过（11#）参数问题（12#）回送请求或回答（8#或0 # ）时间戳请求或回答（13#或14 # 地址掩码请求或回答（

31、17#或18 #） 路由器询问或通告（10#或9 # ）ICMP差错报文ICMP询问报文3.ICMP报文类型二类例：改变路由报文1.主机A B发送IP数据报，经过R1 C发送IP数据报，经过R2;但是：主机A启动后，其路由表中只有默认R1； 当AC发送数据时，被送到R1；BCN2N3R1R2N1A2. 又从R1的路由可知，发往C的数据报应经过下一个路由的 R2的IP地址。显然，这条路由不好，应改变，数据从A R1 R2C，于是， R1 向主机A发送ICMP改变路由报文。3.指出: 此数据报应经过的下一个路由器的R2 的IP地址，主机A根据收到的信息更新其路由表，以后A的数据 R2C。下面介绍几

32、个常用的ICMP询问报文。lICMP Echo请求报文： 是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问。收到此报文的机器必须给源主机发送Echo回答报文。这种询问报文用来测试目的站是否可达以及了解其有关状态。 在应用层有一个服务叫做Ping（Packet Internet Groper)，用来测试两个主机之间的连通性。 Ping使用了ICMP Echo请求报文与Echo回答报文。lICMP时间戳请求报文： 是请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。lICMP地址掩码请求报文： 可使主机向子网掩码服务器得到某个接口的地址掩码。 最常用的是“目的无法到达”和“回声”消息。AB数据网发数据给Z到Z

33、的数据 我不知道如何到达Z？用ICMP通知A目的端无法到达路由器用ICMP通知目的地不可达的示意图ABB可以到达吗？ICMP回声请求 可以，我在这里。ICMP回声应答用PING命令产生的回声及其应答示意图5.IP层处理数据报的流程： Internet中路由器的作用与第6章中的结点交换机非常相似，都是采用查找路由表示方法，将分组转发到路由表指出的下一站，但它们之间也有区别： 路由器 结点交换机1.用来连接不同网络 只是在一个特定的 网络中工作2.专门用来转发分组 还可接上许多主机3.使用统一的IP协议 使用所的WAN的特定协议4.查找路由表时，根据 根据交换机号找下一个网络号找下一个路由 结点交

34、换机例：有4个A类网络通过3个路由器连接的一起， 每一个网络上都可能有很多的主机。如果： 接这些主机的完整IP地址来制作路由表，则这样的路由表虽然过于复杂；如果用所连主机的网络号net-id来制作路由表，每一个路由器中的路由表非常简单，只有包含4个要查找的网络。目的主机下一站R20.0.0.0直接30.0.0.0直接10.0.0.020.0.0.740.0.0.030.0.0.1N110.0.0.0N220.0.0.0N330.0.0.0N440.0.0.0R1R2R310.0.0.420.0.0.720.0.0.930.0.0.230.0.0.140.0.0.4R2路由表为什么是20.0.07 不是20.0.0.9因为要交付下一路由器的端口，其IP地址为20.0.0.7 ICMP协议属于TCPIP网络中的(21)协议，ICMP报文封装在 (22) 协议数据单元中传送，在网络中起着差错和拥塞控制的作用。ICMP有13种报文，常用的ping程序中使用了 (23) 报文，以探测目标主机是否可以到达。如果在IP数据报传送过程中，发现生命期(TTL)字段为零，则路由器发出 (24) 报文。如果网