第6章协议

TCP/IP协议第6章TCP/IP协议TCP/IP协议TCP/IP协议概述IP编址与子网划分TCP/IP网络层协议TCP/IP传输层协议本章主要内容：TCP/IP协议重难点•TCP/IP协议层次结构•IP编址方法•子网划分方法•TCP/IP网络层协议•TCP/IP传输层协议TCP/IP协议1．ARPAnet是世界上第一个分组交换网2．20世纪70年代中期，ARPA（美国国防部高级研究计划局）开始着手研究如何把不同的网络系统互连问题3．1973年9月美国斯坦福大学的文顿.瑟夫与鲍伯.卡恩在“国际网络工作小组”的特别会议上提交了一份关于TCP/IP协议的草稿4．ARPA于1977年至1979年研制成功了TCP/IP协议5．到1983年，ARPAnet已全部转换成了TCP/IP协议一、TCP/IP起源TCP/IP协议概述TCP/IP协议TCP/IP协议也是分层的体系结构，但TCP/IP分成4层，分别是网络接口层、互联网层（IP）、传输层（TCP）和应用层，与OSI的对应关系如下图所示。二．TCP/IP体系结构应用层（A）表示层（P）会话层（S）传输层（T）网络层（N）数据链路层（D）物理层（P）应用层传输层互联网层网络接口层OSI参考模型TCP/IP体系结构TCP/IP协议概述TCP/IP协议1.网络接口层是通信子网层，TCP/IP在设计时考虑到要与具体的物理传输媒体无关，因此在TCP/IP协议标准中没有对最低两层做出规定。2.互联网层负责将源主机的报文分组发送到目的主机。这一层由多个协议组成，主要是网际协议IP，还有三个辅助协议，即Internet控制报文协议ICMP，地址转换协议ARP和反向地址转换协议RARP。TCP/IP协议概述TCP/IP协议3.传输层负责实现应用进程间的端到端通信。在这一层有两个协议，传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。4.应用层是协议的最高层，相当于OSI七层参考模型的高三层。在这层中，包含有一些著名的应用层协议，如远程登录协议Telnet、文件传输协议FTP、简单邮件传输协议SMTP、简单网络管理协议SNMP等。TCP/IP协议概述TCP/IP协议当前使用的IP协议是IPv4，这个协议是在1981年由RFC791标准化的。IPv4使用32位的IP地址，共有232个地址，但随着Internet的迅速发展，网络上的主机数不断增加，32比特的IP地址空间即将被用尽，另外IPv4的其他方面也出现了很多不足，因此，Internet工程任务组（IETF）于1992年6月提出并制定下一代IP协议标准，即IPv6。IPv6主要的特点：•地址长度扩大到128位•简化了IP报头•对服务质量（QoS）作了定义•提供了比IPv4更好的安全性保证三．下一代IP协议IPv6返回TCP/IP协议概述TCP/IP协议互联网通过路由器实现了各个通信子网的互连。通信子网又称为物理网络，在物理网络内的结点都存在一个物理地址，这是各个结点的惟一标识。在互联网中，不同的物理地址连成虚拟网后必须有一个统一的地址，以便在整个网络上有一个惟一的结点标识，这就是IP地址（即逻辑地址）。IP地址对各个物理网络地址的统一是通过上层软件的逻辑编址进行的，这种编址没有改变任何物理地址，而是实现了物理地址的屏蔽，建立了一种IP地址与物理地址之间的映射关系。一．IP地址的作用IP编址与子网划分TCP/IP协议1.IP地址的组成IP地址由网络号（Net_ID）和主机号（Host_ID）两个部分组成，如下图所示。网络号用于区别连接到互联网中的无数个网络，主机号用于区分同一网络中的主机。IP地址的编址方式明显地携带了位置信息，如果给出了一个具体的IP地址，马上就能识别它位于哪个网络，这给IP互联网的路由选择带来很大好处。二．IP编址策略网络号主机号IP编址与子网划分TCP/IP协议2.IP地址的表示IP地址为一个32位的无符号二进制数，但用二进制数表示的IP地址不便于阅读和理解，所以，IP协议规定了一种分段的表示方法。它将32位地址分为4段，其中每8位构成一段，一般用十进制表示，段与段之间用小数点“.”分隔。例如：11001010110010100001101011001010可以写成202.202.26.202就是一个合法的IP地址。IP编址与子网划分TCP/IP协议3.IP地址的分类IP地址根据适用范围的不同分成5类，IP地址第一个字节的高位段是地址分类的标志。如下图所示：0网络号主机号A类地址10网络号B类地址110网络号C类地址1110多点传送地址（组播地址）D类地址主机号主机号11110保留地址E类地址32bitIP编址与子网划分TCP/IP协议•A类地址第一段高位为0，用7位表示网络号，用24位表示主机号。这样就允许有27个网络，每个网络包含224个主机，总共可以分配20多亿个地址，地址范围0.0.0.0—127.255.255.255，适用于大规模的网络。•B类地址第一段高位为10，用14位表示网络号，用16位表示主机号。这样就允许有214个网络，每个网络包含216个主机，总共可以分配10多亿个地址，地址范围128.0.0.0—191.255.255.255，适用于中等规模的网络。IP编址与子网划分TCP/IP协议•C类地址第一段高位为110，用21位表示网络号，用8位表示主机号。这样就允许有221个网络，每个网络包含28个主机，总共可以分配5亿多个地址，地址范围192.0.0.0—223.255.255.255，适用于较小规模的网络。•D类地址第一段高位为1110，用于多点传送（组播）功能的地址，地址范围224.0.0.0—239.255.255.255。•E类地址第一段高位为11110，地址范围240.0.0.0—255.255.255.255，是暂时保留地址，用于某些实验和将来使用。IP编址与子网划分TCP/IP协议4.IP地址中的特殊地址•广播地址IP地址中，如果主机号全为1，代表广播地址。广播地址是针对某一网络中所有主机的地址。如128.2.255.255就是一个B类广播地址，其中128.2.0.0为网络号。32位全为1的IP地址用于本网广播，称为有限广播地址。有限广播不需要知道网络号，因此，在主机不知道本机所处的网络时（如主机的启动过程中），只能采用有限广播方式。IP编址与子网划分TCP/IP协议•全0地址IP地址中，如果主机号全为0，代表本主机地址，如果网络号全为0，代表本网络。当主机需要与一个网络进行通信，但不知道网络的IP地址时，它可以用网络号为全0的地址来发送报文，网络上的其他主机会把这个地址解释为本网络，它们在应答时则包含完全合法的网络地址，发送端记录这个应答网络地址供以后使用。•回送地址A类地址中网络号127是一个保留地址，称为回送地址，即任何分组都不发向网络，而是又回到应用程序中。因此，含有网络号127的数据报不可能出现在任何网络上。这个地址主要用于对安装的TCP/IP软件是否配置合理进行测试，最常用的是127.0.0.1。IP编址与子网划分TCP/IP协议三．子网划分1.子网层次结构与子网掩码•子网的层次结构将原主机号中的部分位作为子网号，其余部分再作为子网中的主机号，如下图所示：网络号子网号主机号•子网掩码其作用是区分网络，它可以指出地址中哪些部分是网络地址，哪些是主机地址。子网掩码的长度与IP地址一样，也为32位。在子网掩码中，二进制位“1”表示网络地址位，二进制位“0”表示主机地址位。IP编址与子网划分TCP/IP协议•传统的各类地址对应的子网掩码：A类——255.0.0.0B类——255.255.0.0C类——255.255.255.0注：在实际应用中，要判断两个IP地址是否在同一个网络中，只需要判断这两个IP地址分别与其子网掩码所作的逻辑“与”运算结果是否相等。如果相等则说明在同一网络中。IP编址与子网划分TCP/IP协议2.子网划分通过子网的划分可使IP地址的分配更符合实际网络环境的需要。为了理解子网划分的过程，将子网掩码的描述为“/x”形式。例如，某一地址202.202.26.202按照C类网络的地址描述为202.202.26.0/24，这里的“/24”指示出32比特中最左方的24比特定义为网络地址，即这个地址所在的网络号为202.202.26.0（子网掩码255.255.255.0），网内主机号为202。IP编址与子网划分TCP/IP协议子网划分过程中，用户需要明确机构需要的子网数、每个子网中的主机数以及将来网络的发展等情况。例如某一机构申请到一个B类网络130.57.0.0，缺省的网络掩码为255.255.0.0，如果这个机构中有254个部门，用户需要将此网络划分为254个子网。要实现这一点，用户就需要从原主机号（16位）中取出8位（28=256）用于子网号，这样网络掩码255.255.0.0就变为子网掩码255.255.255.0，即B类网络130.57.0.0/16被划分为256个子网络130.57.0.0/24（C类网络），如下图所示。IP编址与子网划分TCP/IP协议返回32bit10000010001110010000000000000000130.57.0.0/16网络号主机号10000010001110010000000100000000130.57.1.0/24网络号子网号子网掩码主机号10000010001110011111111000000000130.57.254.0/24网络号子网号主机号...254个子网11111111111111111111111100000000网络号子网号主机号IP编址与子网划分TCP/IP协议一．IP协议IP协议定义了IP数据报格式，并且对数据报寻址和路由、数据报分片和重组、差错控制和处理等做出了具体规定。IP数据报格式如下图所示。版本报头长度服务类型数据报长度（字节）标识符标志分片偏移量生存时期上层协议报头校验和源IP地址目的IP地址IP选项填充数据（有效载荷）32bitTCP/IP网络层协议TCP/IP协议•版本：给出了该数据报的IP协议的版本。•报头长度：由于IPv4数据报可以包含可变数量的IP选项，所以这4比特用来确定IP数据报中的数据的起始位置。大多数IP数据报不包含IP选项，所以通常的IP数据报都有一个20字节长度的报头。•服务类型（TOS）：服务类型字段使得不同服务要求的报文在传送过程中可以区别处理，特别是在网络发生超载时。•数据报长度：是以字节为单位的IP数据报的总长度（即报头长度+数据长度）。数据报一般都小于1500字节。TCP/IP网络层协议TCP/IP协议•标识符、标志和分片偏移量：这三个字段与IP分片有关。•生存时期（TTL）：TTL字段用来保证数据报不会在网络中永远传播。当每次数据报经过一个路由器的处理时，TTL值就会减少。如果TTL值变为0，该数据报就被抛弃。•上层协议：该字段仅仅当IP数据报到达最终目的地时才被使用，其值给出了本IP数据报中的数据部分将被传送到的目的地的传输层协议（或上层协议）。•报头校验和：该字段可以帮助路由器发现接收到的IP数据报中的比特错误，它将报头中的每两个字节作为一个数字并用反码的形式计算这些数字的和。TCP/IP网络层协议TCP/IP协议•源端和目的端的IP地址：IP数据报中的这两个字段携带着源端和目的端的32比特IP地址。•选项字段：选项字段允许IP报头被扩充。该字段时可选的，它导致了数据报报头长度的不确定性，使得在路由器中对IP数据报的处理所需要的时间差别很大。为了提高路由器和主机上的IP数据报处理性能，IPv6报头中舍弃了IP选项字段。•数据（有效载荷）：该字段是IP数据报中的最重要的字段——数据。在大多数环境下，IP数据报的数据字段包含着传输层的要发送到目的端的数据段（TCP或UDP）。数据字段也可以携带其他类型的数据，例如ICMP信息。TCP/IP网络层协议TCP/IP协议IP互联网层提供的服务有如下三个特点：（1）不可靠的数据投递服务。（2）面向无连接的传输服务。（