第6章 TCPIP协议与以太网

第6章TCP/IP协议与以太网6.1TCP/IP系统体系结构6.2IP协议概述6.3TCP协议概述6.4UDP协议概述6.5W5500以太网控制器实践TCP/IP以太网通信主要内容6.1TCP/IP协议体系结构6.1.1TCP/IP协议分层6.1.2TCP/IP协议模型边界6.1.1TCP/IP协议体系结构TCP/IP协议的体系结构分为四层，从高到低分别是：应用层、传输层、网络层和链路层。层次协议应用层Telnet、FTP、HTTP、DNS、SNMP、SMTP等传输层TCP、UDP网络层IP、ICMP、IGMP链路层以太网、令牌环网、FDDI、IEEE802.3等链路层包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡；功能是把接收到的网络层数据报通过物理接口发送到传输介质上，或从物理网络上接收数据帧，抽出IP数据包并交给IP层。2.网络层网络层最主要的协议是IP协议，是TCP/IP协议栈中最重要的一层；功能是可以把源主机上的分组发送到互联网中的任何一台目的主机上。6.1TCP/IP协议体系结构6.1.1TCP/IP协议分层传输层包括TCP和UDP两个传输协议，TCP协议提供高可靠性的端对端的数据通信，UDP协议并不保证数据通信的可靠性；功能是提供两台主机间对应应用程序之间的通信。应用层向使用网络的用户提供特定的、常用的应用程序。6.1.2TCP/IP协议模型边界操作系统边界：操作系统与应用程序分开的边界地址边界：高层互联网地址与低层物理网卡地址分开的边界6.2IP协议6.2.1IP互联网原理6.2.2IP互联网特点6.2.3IP地址相关概念6.2.4ICMP协议6.2.1IP互联网原理不同网络使用的协议不同，地址长度、寻址方式和数据帧的长度也不同，为了达到不同网络互连的目的，在互联网中把不同网络的实现细节通过IP层隐藏，达到网络层逻辑上一致的目的。IP层中，所有主机使用统一地址，即IP地址。6.2.2IP互联网特点IP协议是TCP/IP协议族中最重要的协议，向下屏蔽了不同物理网络的低层，向上提供了一个逻辑上统一的互联网。互联网上的所有数据报都要经过IP协议进行传输。IP协议是通信网络与高层协议的边界。6.2.2IP互联网特点IP协议互联网特点IP协议是一种无连接、不可靠的数据报协议；使用IP地址作为唯一标识，互联网中的计算机没有主次之分，所有主机地位平等；IP互联网没有确定的拓扑结构；IP互联网中任何一台主机都至少有一个独一无二的IP地址；互联网中的IP路由器、网关等都有IP地址。6.2.3IP地址相关概念1.IP地址结构及表示一个IP地址由网络号和主机号两部分组成，网络号标识互联网中的一个特定网络，主机号标识在该网络中的一台特定主机。IP地址用32位二进制数表示，表示方法包括二进制、十进制、十六进制和点分十进制。2.IP地址分类用IP地址若干位高位字节表示不同类型的网络，将IP地址分为A、B、C、D和E共5种类型，以满足大型、中型和小型网络的需求。6.2.3IP地址相关概念3.子网和子网掩码为了解决IP地址浪费的问题，提出三层结构的IP地址，把每个网络进一步划分成若干子网，子网内主机的IP地址由网络地址、子网地址和主机地址组成。子网掩码用来表明一个IP地址中网络号、子网号和主机号的分配方式。子网掩码用32位二进制数表示，常用点分十进制数据格式表示、掩码中，网络号和子网号的位用1填充，主机位用0填充。6.2.3IP地址相关概念4.IP数据报格式IP数据报格式分为报头区和数据区两部分。其中，报头区是为了正确传输高层数据而填充的各种控制信息，数据区包括高层协议需要传输的数据。6.2.3IP地址相关概念6.2.4ICMP协议ICMP协议是用于差错报告和报文控制的协议。当IP数据报在传输中发生差错时，互联网中的路由器使用ICMP协议把错误或有关控制信息报告给源主机。ICMP报文封装在IP数据报中通过链路层在网络中进行传输，由报头区和数据区两部分组成。其中报头分为类型、代码和校验和三部分。6.3TCP协议6.3.1传输层通信6.3.2TCP报文段格式6.3.3TCP连接的建立与关闭6.3.4TCP超时重发机制6.3.1传输层通信点对点通信：通过数据互联层实现，只解决数据通信问题；端对端通信：直接把源主机应用程序产生的数据发送到目的主机需要这些数据的应用程序中。6.3.1传输层通信传输层端口：不同应用程序在操作系统中的标志。6.3.2TCP报文段格式TCP协议是TCP/IP协议族中最重要的协议，能够提供一种面向连接的、可靠的数据流服务。TCP报文段封装在IP中进行传输。6.3.3TCP连接的建立与关闭TCP连接是指在源端和目的端之间建立一种逻辑连接，使源端和目的端在进行传输时可以识别对方及其传输的数据。TCP协议使用“3次握手”法建立连接第1次握手：由客户机的应用层进程向其传输层TCP协议发出建立连接的命令，则客户机TCP向服务器某个特定端口发送请求建立连接的报文段，其中SYN置1，初始序列号为x；第2次握手：服务器收到建立连接的请求报文段后，发送一个包含服务器初始序号y，SYN置1，确认号为x+1的报文段作为应答；第三次握手：客户机收到服务器应答报文段后，向服务器发送确认号为y+1的报文段进行确认。此时，连接已建立，可以开始数据传输。6.3.3TCP连接的建立与关闭6.3.3TCP连接的建立与关闭通信过程中，完成数据发送的任何一方都可以提出关闭连接的请求。关闭TCP连接需要经过4次握手。第1次握手：由客户机的应用层进程向其TCP协议层发出终止连接的命令，则客户机TCP向服务器TCP协议层发送一个FIN被置1的报文段；第2次握手：服务器TCP协议层收到报文段后就发出确认，同时通知对应的应用进程；第3次握手：如果服务器应用进程没有要发送的数据，通知其TCP协议层发送关闭连接报文段；第4次握手：客户机收到关闭连接的报文段后，向服务器发送一个确认，当服务器收到确认后，整个连接完全关闭。6.3.3TCP连接的建立与关闭6.3.4TCP超时重发机制TCP确认方式：利用只有TCP首部，而没有数据区的专门确认报文段进行确认；当通信双方都有数据要传输时，在要传输的报文段中包含确认信息。TCP超时重发机制：设置一个超时定时器，TCP发送数据的同时定时器开始计数，若定时器溢出时还没有收到接收方的确认，则重新发送数据，定时器也开始重新计数。6.4UDP协议UDP是传输层上一个非常简单的协议，主要功能是在IP层之上提供协议端口功能，以标识源主机和目的主机上的通信进程。UDP协议具有以下特点：UDP是一种无连接、不可靠的数据报传输协议。它仅把数据报发给网络，同时从网络上接收数据报；UDP对传输数据进行差错校验，如果发生差错，则抛弃该数据报；UDP协议具有设计简单、效率高和低延时性的特点，适合在服务质量较高的网络中工作；UDP协议常用于传输延时小，可靠性要求不高，传输数据量小的情况。6.5W5500以太网控制器W5500是一款全硬件的TCP/IP嵌入式以太网控制器，位嵌入式系统提供了简单的互联网连接方案。W5500具有以下特点：支持软/硬件TCP/IP协议栈；支持TCP、UDP、Ipv4、ICMP、ARP等协议；支持8个独立端口同时通讯；支持和网络数据传