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第5章TCP/IP协议基础Internet无疑是今天使用最广泛的互联网络。Internet中的主要协议是TCP和IP，所以Internet协议也叫TCP/IP协议。5.1TCP/IP协议概述TCP/IP协议可划分为4个层次，它们与OSI/RM的对应关系表示在表5-1中。TCP/IP协议是一个协议簇，即是由很多协议构成。这些协议都是为了完成某一任务而提出的，任务能够完成则协议也就确定下来了。随着功能的完善，任务自然也就越来越多，相关的协议自然也越来越多，最后形成了一个协议簇。既然这个协议簇是发展而来的，自然还会继续发展下去。表5-1TCP/IP协议簇与OSI/RM的比较OSITCP/IP7应用层7应用层6表示层65会话层54传输层4传输层3网络层3互连网络层2数据链路层2网络接口层1物理层1TCP/IP协议簇允许同层的协议实体间互相调用，从而完成复杂的控制功能，也允许上层过程直接调用不相邻的下层过程，甚至在有些高层协议中，控制信息和数据分别传输，而不是共享同一协议数据单元。图5-1画出了因特网主要协议之间的调用关系。TCP/IP协议不包含具体的物理层和数据链路层协议，只定义了TCP/IP与各种物理网络之间的网络接口。这些物理网络可以是各种广域网，如FR、ISDN等，也可以是局域网，例如图5-1Internet的主要协议及调用关系114计算机网络Ethernet、TokenRing、FDDI等IEEE定义的各种标准局域网。网络接口层定义了一种接口规范，任何物理网络只要按照这个接口规范开发网络接口驱动程序，都能够与TCP/IP协议集成起来。互连网络层提供了专门的协议来解决IP地址与网络物理地址的转换问题。5.2互连网络层互连网络层包含有四个重要的协议，即IP、ICMP、ARP和IGMP。互连网络层的主要功能是由IP协议提供的。互连网络层的另一个重要服务是在不同的网络之间建立互连网络。在互连网络中，使用路由器（在TCP/IP中，有时也称为网关）来连接各个网络，网间的分组通过路由器传送到另一个网络，关于网络互连的详细内容见下一章。5.2.1IP协议IP（InternetProtocol）是TCP/IP协议簇的核心协议之一，它提供了无连接的数据报传输和互连网的路由服务。IP不保证传送的可靠性，在主机资源不足的情况下，它可能丢弃某些数据报，同时IP也不检查被数据链路层丢弃的数据报。在传送时，高层协议将数据传给IP，IP将数据封装为IP数据报后通过网络接口发送出去。如果目的主机直接连在本地网中，则IP直接将数据报传送给本地网中的目的主机；如果目的主机是在远程网络上，IP将数据报传送给本地路由器，由本地路由器将数据报传送给下一个路由器或目的主机。这样，一个IP数据报通过一组互连网络从一个IP实体传送到另一个IP实体，直至到达目的地。在互连网体系结构中，每台主机（在TCP/IP中，端节点一般称为主机Host）都要预先分配一个惟一的32位地址作为该主机的标识符，这个主机必须使用该地址进行所有通信活动，这个地址称为IP地址。IP地址通常由网络标识和主机标识两部分组成，可标识一个互连网络中任何一个网络中的任何一台主机。IP地址是一种在互连网络层用来标识主机的逻辑地址。当数据报在物理网络传输时，还必须把IP地址转换成物理地址，由互连网络层的地址解析协议ARP提供这种地址映射服务。1．IP地址的格式与分类IP地址有二进制格式和十进制格式两种表示。十进制格式是由二进制翻译过去的，用十进制表示是为了便于使用和掌握。二进制的IP地址共有32位。例如:10000011011010110000001100011000。每八位一组可用一个十进制数表示，并用“.”进行分隔，上例就变为131.107.3.24。即点分十进制表示的方法是把整个地址划分为4个字节，每个字节用一个十进制数表示，中间用圆点分隔。IP地址一般格式如图5-2所示，其中，M为地址类别号，net-id为网络号（网络地址），host-id为主机号（主机地址）。地址类别不同，这三个参数在32位中所占的位数也不同。需要注意的是，IP地址为两级结构，M只是用来区分IP地址的类别。IP地址分为5类，在图5-3中列出了A、B、C、D和E五类IP地址格式，其中A、B、C三类是常用地址（可以分配给主机的）。图5-2IP地址的一般格式第5章TCP/IP协议基础115在A类地址中，M字段占1位，即第0位为0，表示是A类地址，第1～7位表示网络地址，第8～31位表示主机地址。它所能表示的范围为0.0.0.0～127.255.255.255，即能表示27-2=126个网络地址，224-2=16777214个主机地址（减2的原因是网络号全1、全0的地址以及主机号全1、全0的地址有特殊用途，不能分配）。A类地址通常用于超大型网络的场合。在B类地址中，M字段占2位，即第0、1位为“10”，表示是B类地址，第2～15位表示网络地址，第16～31位表示主机地址。它所能表示的范围为128.0.0.0～191.255.255.255，即能表示16382（214-2）个网络地址，65534（216-2）个主机地址。B类地址通常用于大型网络的场合。在C类地址中，M字段占3位，即第0、1、2位为“110”，表示是C类地址，第3～23位表示网络地址，第24～31位表示主机地址。它所表示的范围为192.0.0.0～223.255.255.255，即能表示2097150（221-2）个网络地址，254（28-2）个主机地址。C类地址通常用于校园网或企业网。此外，还有D类和E类IP地址。前者是多播地址，后者是实验性地址。在使用IP地址时，还要知道下列地址是保留作为特殊用途的，一般不使用。（1）全0的网络号，这表示“本网络”或“我不知道号码的这个网络”。（2）全0的主机号，这表示该IP地址就是网络的地址。（3）全1的主机号，表示广播地址，即对该网络上的所有主机进行广播。（4）全0的IP地址，即0.0.0.0，表本网络上的本主机。（5）网络号码为127.X.X.X.，这里X为0到255之间的整数。这样的网络号码用于本地软件进行回送测试（LoopbackTest）。（6）全1地址255.255.255.255，这表示“向我的网络上的所有主机广播”。在Internet中，IP地址不是任意分配的，必须由国际组织统一分配。其组织机构是:（1）分配A类（最高一级）IP地址的国际组织是国际网络信息中心NIC（NetworkInformationCenter）。它负责分配A类IP地址，授权分配B类IP地址的组织，即自治区系统。它有权重新刷新IP地址。（2）分配B类IP地址的国际组织是InterNIC、APNIC和ENIC。这三个自治区系统组织的分工是：ENIC负责欧洲地址的分配工作；InterNIC负责北美地区；而APNIC负责亚太地区，设在日本东京大学。我国属于APNIC，由它来分配B类地址。例如，APNIC给中国CERNET分配了10个B类地址。（3）分配C类IP地址的组织是国家或地区网络的NIC。例如，CERNET的NIC设在清华图5-3IP地址的分类116计算机网络大学，CERNET各地区的网管中心需向CERNETNIC申请分配C类地址。如果不加入Internet，只是在局域网中使用TCP/IP协议，则可以自己设计4个字节的IP地址，只要网络内部不冲突就可以了。2．IP协议IPv4协议的数据报格式表示在图5-4中，图上的数字的单位是bit。前面5行为20字节的固定头部。其中的字段如下。（1）版本号（4bit）：协议的版本号，固定为4，IPv4是现在的Internet所使用的IP协议。（2）IHL（4bit）：IP头长度，以32位字计数，最小为5，即20个字节。（3）服务类型（8bit）：用于区分不同的优先级（3bit），可靠性（1bit），延迟（1bit），吞吐率（1bit）和成本（1bit）的参数。还有1bit保留。（4）总长度（16bit）：包含IP头在内的数据单元的总长度（字节数）。（5）标识符（16bit）：惟一标识数据报的标识符。（6）标志（3bit）：包括三个标志，一个是M标志，用于分段和重装配；另一个是禁止分段标志，如果认为目标站不具备重装配能力，则可使这个标志置位，这时如果数据报要经过一个最大分组长度较小的网络时，就会被丢弃；还有一个标志当前还没有启用。（7）段偏置值（13bit）：指明该段处于原来数据报中的位置。（8）生存期（8bit）：用经过的路由器个数表示。（9）协议（8bit）：指明所封装数据属于的协议（TCP、UDP、ICMP、IGMP、OSPF等）。（10）头校验和（16bit）：对IP头的校验序列。在数据报传输过程中IP头中的某些字段可能改变（例如生存期，以及与分段有关的字段），所以校验和要在每一个经过的路由器中进行校验和重新计算。校验和是对IP头中的所有16位字进行1的补码相加，然后再对相加后的和取补得到的，计算时假定校验和字段本身为0。048161718192431版本号IHL服务类型总长度标识符0DM段偏置值生存期协议头校验和源地址目的地址可选项+补丁用户数据图5-4IP数据报格式（11）源地址（32bit）：源IP地址。（12）目的地址（32bit）：目的IP地址。（13）可选项：用来提供多种选择性的服务。是头部的一部分，可变长。最大40个字节。（14）补丁：补齐至32位的边界，保证头部是4字节的整数倍。（15）用户数据：以字节为单位的用户数据，和IP头加在一起长度不超过65535字节。第5章TCP/IP协议基础117这些字段的值都是从服务原语的参数产生的。下面结合数据报格式讨论IP协议的两个主要操作。（1）数据报生存期如果使用了动态路由选择算法，或者允许在数据报传送期间改变路由决定，则有可能造成回路。最坏的情况是数据报在网际中无休止地巡回，不能到达目的地并浪费大量的通信资源。解决这个问题的简单办法是规定数据报有一定的生存期（TTL），生存期的长短以它经过的路由器的多少计数。每经过一个路由器，TTL减1，TTL为0，数据报就被丢弃。（2）分段和重装配每个网络可能规定了不同的最大分组长度。当分组在互联网中传送时可能要进入一个最大分组长度较小的网络，这时需要对它进行分段，这又引出了新的问题：在哪里对它重装配？一种办法是在目的地再行装配。但这样只会把数据报越分越小，即使后续子网允许较大的分组通过，但由于途中的短报文（指由分段后形成的较短数据报）无法装配，从而使效率下降。另外一种办法是允许中间的路由器进行组装，这种方法也有缺点。首先是路由器必须提供重装配缓冲区，并且要设法避免重装配死锁；其次是由一个数据报分出的小段都必须经过同一个出口路由器，才能再行组装，这就排除了使用动态路由选择算法的可能性。关于分段和重装配问题的讨论还在继续，已经提出了各种各样的方案。下面介绍在DOD（美国国防部）和ISOIP协议中使用的方法。这个方法有效地解决了以上提出的部分问题。IP协议使用了四个字段处理分段和重装配问题。一个是报文ID（标识符）字段；第二个字段是数据长度，即字节数；第三个字段是偏置值，即分段在原来数据报中的位置，以8个字节（64位）的倍数计数；最后是M标志，表示是否为最后一个分段。当一个站发出数据报时对长度字段的赋值等于整个数据字段的长度，偏置值为0，M标志置False（用0表示）。如果一个IP模块要对该报文分段，则按以下步骤进行：①对数据块的分段必须在64位的边界上划分，因而除最后一段外，其他段长都是64位的整数倍；②对得到的每一分段都加上原来数据报的IP头，组成短报文；③每一个短报文的长度字段置为它包含的字节数；④第一个短报文的偏置值置为0，其他短报文的偏置值为它前边所有报文的数据部分长度之和（字节数）除以8；⑤最后一个报文的M标志置为O（False），其他报文的M标志置为1（True）。下面表5-2给出一个分段的例子。表5-2数据报分段的例子项目长度偏置值M标志原来的数据部分47500第一个分段24001第二个分段235