计算机网络技术及应用——第四章tcp ip协议.ppt

1、第4章 TCP/IP协议,计算机网络应用技术教程（第三版）,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,计算机网络应用技术教程（第三版）,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,计算机网络应用技术教程（第三版）,4.1.1 网络体系结构与通信协议,一、网络协议的概念,网络协议（protocol）是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。网络协议规定3方面的内容： （1）语义 规定通信双方传输的内容，即讲什么，包括：需要发出何种控制信息，完成的动作与作出的响应,

2、计算机网络应用技术教程（第三版）,（2）语法 规定通信双方数据的传输格式，即怎样讲。定义了用户数据与控制信息的结构与格式。 （3）时序 规定双方通信的起止时间，即什么时候讲。是对事件实现顺序的详细说明,计算机网络应用技术教程（第三版）,二、网络协议的相关概念,1. 层次(layer) 层次是人们对复杂问题处理的基本方法 （1）将总体要实现的很多功能分配在不同层次中，对每个层次要完成的服务及服务实现的过程都有明确的规定。,计算机网络应用技术教程（第三版）,（2）不同地区的系统分成相同的层次，不同系统的同等层具有相同的功能 （3）不同系统的最低层之间存在着“物理”通信，不同系统的对等层次之间存在着

3、“虚拟”通信，对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定 （4）高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法,计算机网络应用技术教程（第三版）,2. 接口(interface) 接口是同一节点内相邻层之间交换信息的连接点。 （1）同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务 （2）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的变化不会影响整个系统的工作,计算机网络应用技术教程（第三版）,3. 网络体系结构(network architecture) 一个功能完备的计算机网络需要制定一套复杂的协议集，为简化协议的设计，计算机网络协议是按

4、层次结构来组织的。我们把网络层次结构模型与各层协议的集合称为计算机网络体系结构 网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义。体系结构是抽象的，而实现具体的，它指能够运行的一些硬件和软件。,计算机网络应用技术教程（第三版）,4. 网络采用层次结构的优点,（1）各层之间相互独立，高层不需知道低层如何实现，只需知道该层接口提供的服务 （2）当任何一层发生变化时，只要接口保持不变，其它各层均不受影响 （3）各层均可以采用合适的技术，各层实现技术的改变不影响其它层 （4）整个系统分解为多个易于处理的部分，使系统的实现和维护变得容易 （5）每层的功能与提供的服务已有精确说明，有利于促进标准化过

5、程,计算机网络应用技术教程（第三版）,4.1.2 OSI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,计算机网络应用技术教程（第三版）,一、OSI参考模型的定义,1974年，ISO组织公布了开放系统互联(open system internetwork，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,计算机网络应用技术教程（第三版）,二、OSI参考模型的结构,计算机网络应用

6、技术教程（第三版）,三、OSI参考模型划分层次的原则,（1）网中各结点都具有相同的层次 （2）不同结点的同等层具有相同的功能 （3）同一结点中的相邻层之间通过接口通信 （4）每层可以使用下层提供的服务，并且向上层提供服务 （5）不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信,计算机网络应用技术教程（第三版）,四、OSI参考模型的各层功能,（1）物理层(physical layer) 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 （2）数据链路层(data link layer) 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

7、差错控制与流量控制方法,计算机网络应用技术教程（第三版）,（3）网络层(network layer) 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 （4）传输层(transport layer) 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 （5）会话层(session layer) 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,计算机网络应用技术教程（第三版）,（6）表示层(presentation layer) 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 （7）应用层(application layer

8、) 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,计算机网络应用技术教程（第三版）,五、OSI环境中的数据传输,计算机网络应用技术教程（第三版）,六、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,计算机网络应用技术教程（第三版）,4.1.3 TCP/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定义了最早的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IPv4；IPv6被称为下一代的IP协议,计算机网络应

9、用技术教程（第三版）,一、TCP/IP协议的特点,（1）TCP/IP是开放的协议标准 （2）独立于特定的计算机硬件与操作系统 （3）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中 （4）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 （5）标准化的应用层协议，可提供多种可靠的网络服务,计算机网络应用技术教程（第三版）,二、TCP/IP参考模型的层次,（1）应用层(application layer) （2）传输层(transport layer) （3）互联层(internet layer) （4）主机-网络层(host-to-network layer),计算机网络应用技术教程（第三

10、版）,三、TCP/IP 参考模型与 OSI 参考模型的对应关系,计算机网络应用技术教程（第三版）,四、TCP/IP参考模型的各层功能,1. 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。 采取了开放的策略，允许使用广域网、城域网、局域网的各种协议，例如Ethernet、令牌网、帧中继、ATM等。,计算机网络应用技术教程（第三版）,2. 互联层 相当于OSI参考模型的网络层。IP协议是一种无连接的、提供尽力而为服务的网络层协议。它的主要功能包括： （1）处理来自传输层的数据发送请求 （2）处理接收的数据报 （3）处理互联的路径选择、流量控制与拥塞,计算机网络应用技术

11、教程（第三版）,3. 传输层 相当OSI参考模型的传输层，在源主机与目的主机之间建立用于会话的端-端连接 （1）传输控制协议(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。要完成流量控制功能、协调收发双方的发送与接收速度 （2）用户数据报协议(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,计算机网络应用技术教程（第三版）,4. 应用层的主要协议,远程登录协议(Telnet) 文件传输协议(file transfer protocol，FTP) 简单邮件传输协议(simple mail transfer protocol，SMTP) 域名

12、系统(domain name system，DNS) 简单网络管理协议(simple network management protocol，SNMP) 超文本传输协议(hyper text transfer protocol，HTTP),计算机网络应用技术教程（第三版）,4.2 IP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ARP IPv6协议的主要特点,计算机网络应用技术教程（第三版）,4.2.1 IP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

13、： （1）IP协议是一种无连接、不可靠的分组传送服务的协议 无连接（connectionless）表示IP协议不维护IP分组发送后的任何状态信息，每个分组的传输过程是相互独立的。,计算机网络应用技术教程（第三版）,不可靠（unreliable）表示IP协议不能保证IP分组能成功地、不丢失地到达目的地。 我们称IP协议提供的是一种“尽力而为”（best-effort）的服务。 网络层协议在IP分组传输过程中独立地处理每一个分组，同一个报文的每一个分组之间没有关联。最初时，若发生错误，IP协议直接丢弃该分组；后来，为了提高分组出错的处理能力，增加了互联网控制报文协议（internet contro

14、l message protocol, ICMP）。在节点丢弃一个分组后，ICMP发送消息报文给源主机。,计算机网络应用技术教程（第三版）,（2）点对点的网络层通信协议 IP协议是针对两个直接连接的点对点的通信实体对应的网络层而设计的通信协议。 IP分组的交付分为直接交付和间接交付两类。分组的目的IP地址与源IP地址属于同一个网络，或是最后一个路由路与目的主机的网络层之间的交付为直接交付。否则为间接交付，通过连接在同一网络中的路由器的网络层之间进行交付。,计算机网络应用技术教程（第三版）,（3）向传输层屏蔽了物理网络的差异 IP协议面对的是各种异构的网络和协议，因此IP协议应该能够统一不同的网

15、络帧，对于传输层来说，底层是透明的。,计算机网络应用技术教程（第三版）,4.2.2 IPv4地址与地址技术发展,连入Internet网络的每个节点都必须有一个由授权机构分配的全球唯一的地址-IP地址。 IP地址类似于电话号码的构成，也采用分层结构。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,计算机网络应用技术教程（第三版）,一、IPv4地址的表示方法,目前使用的IP地址为IPv4，每个IP地址由32个二进制位构成。例如： 00001010 00000010 00000000 00000001 为了方便记忆，采用了点分十进制(dotted decimal)的格式来

16、表示IP地址。即以字节为单位将IP地址分成4组，每组转换成对应的十进制数，组与组之间采用“.”分隔。具体格式为x.x.x.x，每个x为0255 之间的值 例如：00001010 00000010 00000000 00000001 记为 10. 2. 0. 1,计算机网络应用技术教程（第三版）,二、IPv4地址的分类,根据IP地址中网络地址与主机地址位数的不同，IP地址分为A、B、C、D、E五类。 （1）A类地址 A类地址的网络地址位为8位，主机地址位为24位。,计算机网络应用技术教程（第三版）,从网络地址位，可以算出所有可能的A类网络的地址和数量。 A类网络的第一个字节的取值为0127，但地

17、址0保留，127作为回送地址，用于主机的自我诊断，所以A类网络的有效地址为1126，共126个。,0000000,最小网络号：0,1111111,最大网络号：127,计算机网络应用技术教程（第三版）,从主机地址位，可以算出所有每个A类网络可容纳的主机的数量和地址。,计算机网络应用技术教程（第三版）,对每一个A类网络x，其内的主机IP地址的取值范围为： x.0.0.0 x.255.255.255 总共224=16,777,216个。 但地址x.0.0.0作为该网络的网络地址，而x.255.255.255作为该网络的广播地址不分配给网络内的计算机，所以每个A类网络实际能容纳的主机数量为： 224-

18、2=16,777,214个,计算机网络应用技术教程（第三版）,（2）B类地址 B类地址的网络地址位为16位，主机地址位为16位。,计算机网络应用技术教程（第三版）,从网络地址位，可以算出所有可能的B类网络的地址和数量。 所以B类网络的有效地址为128.0191.255，共214=16，384个。,000000. 00000000,最小网络号：128.0,111111. 11111111,最大网络号：191.255,计算机网络应用技术教程（第三版）,从主机地址位，可以算出所有每个B类网络可容纳的主机的数量和地址。,00000000. 00000000,11111111. 11111111,最小主

19、机号：0.0 最大主机号：255.255,计算机网络应用技术教程（第三版）,对每一个B类网络x.y，其内的主机IP地址的取值范围为： x.y.0.0 x.y.255.255 总共216=65,536个。 但地址x.y.0.0作为该网络的网络地址，而x.y.255.255作为该网络的广播地址不分配给网络内的计算机，所以每个B类网络实际能容纳的主机数量为： 216-2=65,534个,计算机网络应用技术教程（第三版）,（3）C类地址 C类地址的网络地址位为24位，主机地址位为8位。,计算机网络应用技术教程（第三版）,从网络地址位，可以算出所有可能的C类网络的地址和数量。 所以C类网络的有效地址为1

20、92.0.0223.255.255，共221=2,097,152个。,00000. 00000000. 00000000,最小网络号：192.0.0,11111. 11111111. 11111111,最大网络号：223.255.255,计算机网络应用技术教程（第三版）,从主机地址位，可以算出所有每个C类网络可容纳的主机的数量和地址。,00000000,最小主机号：0 最大主机号：255,11111111,计算机网络应用技术教程（第三版）,对每一个C类网络x.y.z，其内的主机IP地址的取值范围为： x.y.z.0 x.y.z.255 总共28=256个。 但地址x.y.z.0作为该网络的网络

21、地址，而x.y.z.255作为该网络的广播地址不分配给网络内的计算机，所以每个B类网络实际能容纳的主机数量为： 28-2=254个,计算机网络应用技术教程（第三版）,（4）D类地址 D类地址的取值范围为 55。用作其他特殊用途，如多播（multicasting）等。,计算机网络应用技术教程（第三版）,（5）E类地址 E类地址的取值范围为 55。用作实验及将来使用。,计算机网络应用技术教程（第三版）,三、IP地址的申请与管理,（1）申请IP地址 Internet最高级的维护机构为网络信息中心，它负责分配最高级

22、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,计算机网络应用技术教程（第三版）,（2）专用网络 如果一个组织要组建一个专用网络，不准备连接到Internet，但需要运行TCP/IP协议，可有三种方法： 一是向Internet管理部门申请唯一的IP地址；二是正常使用IP地址，但不到管理部门申请IP地址；三是使用预留的专用网络地址。,计算机网络应用技术教程（第三版）,四、IP地址技术的发展,（1）

23、标准分类的IP地址 在IPv4协议制定的初期，即1981年左右，网络规模小，用户数量少，各类IP地址加起来总数超过20亿，IP地址采用正常分配使用的方式。即采用“网络号-主机号”的两级层次结构。,计算机网络应用技术教程（第三版）,（2）划分子网的三级地址结构,在标准分类的IP地址的使用过程中，显现出地址有效利用率低的问题：A类与B类地址设计不合理。 1991年人们提出子网(subnet)和掩码(mask)的概念。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,计算机网络应用技术教程（第三版）,（3）无类域间路由技术,In

24、ternet的扩展带来了2大问题：一是IP地址的馈乏；二是越来越多的网络地址使得主干网的路由表增大，路由器负荷增加，服务质量下降。 1993年，提出无类域间路由(classless inter domain Routing，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,计算机网络应用技术教程（第三版）,（4）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(network address translation，NAT)技术。 网络地址转换的

25、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。 解决IP地址短缺的另一个方法是动态分配IP地址。,计算机网络应用技术教程（第三版）,4.2.3 IP分组传输与路由器原理,一、IP分组的传输 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。,计算机网络应用技术教程（第三版）,二、路由器的主要功能,（1）路由选择功能 路由选择是路由器

26、根据待传分组的目的网络地址，通过路由选择算法确定一条从源节点到目的节点的合适的路径的过程。 路由器会维护一个路由表，记录目的网络地址、下一跳路由器地址及目的端口信息。路由器之间还要定期交换网络通信量、网络结构与网络链路状态等信息，自动更新路由表。 （2）分组转发功能 根据选择好的路由，将分组传送给下一跳的路由器或目的主机。,计算机网络应用技术教程（第三版）,三、默认路由的概念 （1）主机默认路由 配置每台主机的TCP/IP设置时，需要配置主机的默认路由或默认网关（default gateway）。 默认网关是与主机在同一个子网中的路由器的端口IP地址，也称为缺省路由。,计算机网络应用技术教程（

27、第三版）,计算机网络应用技术教程（第三版）,（2）路由器默认路由 每台路由器的路由表中都需要包含默认路由信息，以便在一个分组的目的网络地址在路由表中查不到时，交由默认路由器转发。,计算机网络应用技术教程（第三版）,四、路由器的基本结构,路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口、转发分组的专用计算机系统。它是由路由选择部分和分组转发部分组成。 （1）路由选择处理机 路由选择部分也叫控制部分，其核心部件是路由选择处理器。其任务是根据所选定的路由选择协议构造路由表，同时从相邻路由器交换路由信息、更新和维护路由表。,计算机网络应用技术教程（第三版）,（2）分组转发 由三部分组成：交换结构、一组输入端

28、口和一组输出端口,交换结构的作用是根据转发表对分组进行处理，将某个输入端进入的分组从一个合适的输出端口转发出去。转发表是根据路由表来形成的。,路由器的每个输入端口和输出端口里都各有三个模块，对应于物理层、数据链路层和网络层的处理模块。,计算机网络应用技术教程（第三版）,（3）路由器的外形结构,第一代是单总线单CPU结构的路由器，第二代是多总线多CPU结构的路由器，第三代是交换结构的Gbps路由器，第四代是多级交换路由器。,计算机网络应用技术教程（第三版）,4.2.4 地址解析协议ARP,地址解析协议(address resolution protocol，ARP)，根据IP地址确定对应端口的M

29、AC地址,计算机网络应用技术教程（第三版）,4.2.5 IPv6协议的基本特征,一、IPv4面临的问题： （1）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 （2）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 （3）对IP安全性的需求越来越高 （4）对网络层实时数据传送的服务质量QoS提出更高要求,计算机网络应用技术教程（第三版）,二、IPv6的主要特征,（1）新的协议头格式 IPv6的协议头采用了新的格式，将一些非根本性和可选择的字段移到了因定协议头之后，网络中的转发路上器在处理这种IPv6报头时，效率更高。 （2）巨大的地址空间 IPv6地址长度为128位，可以提供多达3.41038 个IP地址,计算机网络应用技术教程（第三版）,（3）有效的分级寻址和路由结构 将128位的IPv6地址分为两部分：前64位作为子网地址空间，后64位作为局域网硬件MAC地址空间 （4）内置的安全性 IPv6支持网络层的IPSec(IP security)安全协议，为分组提供了数据完整性、数据验证和重放保护功能。 （5）更好地支持QoS IPv6协议头的新字段定义了如何识别和处理通信流。通信流使用通信流类型字