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1、 第七讲网络体系结构 TCP IP协议模型 一 TCP IP参考模型 众所周知 ARPANET是国际互联网的前身 它的主要目的是为了应付战时的需要 希望一旦受到部分破坏 其他部分仍然能够工作 当时已经实现了异种机互连 而且数据传输方式也多种多样 最初 它的网络连接方式只有租用线路一种 后来随着卫星等通信手段的加盟 最初的协议出现了问题 因此 一种灵活的 可靠的 能够对异种网络实现无缝连接的体系结构出现了 它就是TCP IP参考模型 如图2 4所示 TCP IP模型包含了一族网络协议 TCP和IP是其中最重要的两个协议 TCP IP参考模型中的各个协议在RFC文档中都有详细的定义 RFC的全称是
2、InternetRequestForComments 主要是关于国际互联网协议标准以及建议草案等的介绍 它由两千多个较为独立的文档组成 目前数量还在不断增加 这些文档有些是建议 有些是对早期文档的补充 有些已经形成了标准 TCP IP也是一种分层协议 这一点与OSI协议层次有些类似 但是并不完全相同 TCP IP大约包含近100个非专有的协议 通过这些协议 可以高效和可靠地实现计算机系统之间的互连 TCP IP协议簇中的核心协议主要有 传输控制协议 TCP 用户数据报协议 UDP 网际协议 IP 对主要协议起补充作用的协议有五个 它们是通过TCP IP提供的五个应用服务 文件传输协议 FTP
3、远程登录协议 TELNET 简单邮件传输协议 SMTP 域名服务 DNS 简单网络管理协议 SNMP 和远程网络监测 RMON 1 网络接口层网络接口层 Host to networkLayer 也有翻译成主机 网络层的 在TCP IP参考模型中并没有详细定义这一层的功能 只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上 并且能够传输网络数据分组 具体使用那种协议 在本层里并没有规定 实际上根据主机与网络拓扑结构的不同 局域网基本上采用了802系列的协议 如802 3以太网协议 802 5令牌环网协议 广域网较常采用的协议有帧中继 X 25等 2 互联层互连层 InternetLayer 的主要功
4、能是负责在互连网上传输数据分组 互连层与OSI参考模型的网络层相对应 相当于OSI参考模型中网络层的无连接网络服务 互连层是TCP IP参考模型中最重要的一层 它是通信的枢纽 从底层来的数据包要由它来选择继续传给其他网络结点或是直接交给传输层对从传输层来的数据包 要负责按照数据分组的格式填充报头 选择发送路径 并交由相应的线路发送出去 在互连层 主要定义了互连协议 IP 以及数据分组的格式 它的主要功能是路由选择和拥塞控制 另外 本层还定义了地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP以及ICMP协议 互联层的协议 互联层的主要协议 IP 本层提供无连接的传输服务 不保证送达 不保序 本层的主
5、要功能是寻找一条能够把数据报送到目的地的路径 互联层的PDU称为IP数据报 ICMP InternetControlMessageProtocol 提供控制和传递消息的功能 ARP AddressResolutionProtocol 为已知的IP地址确定相应的MAC地址 RARP ReverseAddressResolutionProtocol 根据MAC地址确定相应的IP地址 TCP IP网际层的四个主要协议 TCP UDP 6 17 IP 传输层 网际层 IP数据报的协议域确定目的端的上层协议 网际协议 IP IP的基本功能是提供数据传输 包编址 包寻径 分段和简单的包错误检测 通过IP编
6、址约定 可以成功地将数据传输和路由到正确的网络或者子网 每个网络结点具有一个32位的IP地址 它和48位的MAC地址一起协作 完成网络通信 该地址不但标识了一个既定的网络 而且还指明了是该网络上的哪个结点 在后面会进行详细的阐述 尽管在设计上并没有和OSI兼容 但是事实上IP工作在OSI模型的第三层 网络层 它具有第三层的路由功能特征 IP也是一种无连接的协议 因为其主要任务是提供网络到网络的寻址以及路由信息 当信息包从一个网络到达另外一个网络时 改变包的大小 例如 从一个以太网到FDDI 或者相反 IP包图IP包头由如下的域 或者称之为字段 组成 版本 该字段包含的是IP的版本号 当前 IP
7、的版本为4 Ipv4 该版本形成于80年代早期 在许多网络上使用的都是该版本的IP协议 IP版本6 IPv6 是一个新出现的标准 它主要面向Internet和多媒体 总长度 该字段用以指示整个IP包的长度 最长为65535个字节 标识符 当包在不同的网络之间进行传输时 IP可以将包从一种尺寸转换为另外一种尺寸 例如 以太网包的长度范围为64到1518个字节 而FDDI包最大可以为4472个字节 16Mbps的令牌环包在长度上可以达到17800个字节 IP可以将包传输到不同类型的网络 在包尺寸不匹配时通过分段操作做到正确传输 例如可以把一个FDDI包进行分段 使分段后的包可以满足以太网上1518
8、个字节的包长度限制 当IP对包进行分段的时候 它将给所有的段分配一组编号 然后将这些编号放入标识符字段 保证分段不会被错误地进行重组 IP包头长度 IHL IP包头最短为20个字节 但是其长度是可变的 具体长度取决于选项字段的长度 服务类型 TOS 该域指示的是包内容的优先权或者优先级 路由协议 例如OSPF等 可以根据该域的值按照代价进行计算后确定发送该包的路径类型 例如 一个正常的数据包和一个多媒体包在吞吐率上的要求是不相同的 TOS规定了一系列的优先级 根据TOS域中不同位置上的比特值 将优先级别分为了常规 低延迟 高吞吐率 代价最小和高可靠性等 例如 如果指示的是常规路由 那么可能选择
9、一个10Mbps的路径 而不管在到达目的结点之前需要经过多少个结点 如果指示的是代价最小而且要求具有较高的吞吐率 则需要选择100Mbps并且经过的路由器个数最少的那条路径 标志 标志和分段一起被用来传递信息 例如 对当前的包不能进行分段 当该包从一个以太网发送到另外一个以太网时 或者 当一个包被分段后 用以指示在一系列的包片段中 最后一个片段是否发出了 段偏移量 段偏移量中包含的信息指示的是在一个分段组序列中如何将各片段重新连接起来 生命周期 TTL 该字段包含的信息可以防止一个包在网络中无限地循环转发下去 TTL值的意义是一个包可以经历的最大周转时间 s 该包经过的每一个路由器都会检查该字
10、段中的值 当TTL的值为0的时候 该包将被丢弃 路由器的时候 该路由器将减少TTL中的值 减少的值取决于路由器或者根据由网络管理员设置的值 协议 该字段用以指示在IP包中封装的是哪一个协议 TCP还是UDP 校验和 该校验和是一个16位的循环冗余校验码 其值等于IP头内每一个字段中包含的所有值的和 IP校验和的计算方法和TCP校验和的计算方法相同 使用的都是布尔取补的计算方法 但是 在计算中不包含数据报中负载数据字段 TCP段 中的值 校验和用于确定IP头在传输中没有发生错误 IP包所经过的每个路由器都会检查该校验和的值 就像接收结点所做的那样 当一个包被一个路由器检查的时候 校验和将被更新
11、因为其TTL字段中的值发生了变化 源地址 这是一个网络地址 指的是发送该包的设备的网络地址 目标地址 该字段中包含的也是网络地址 但指的是接收结点的网络地址 选项 可以和IP一起使用的选项有多个 例如 可以输入创建该包的时间 对于军队和政府的数据可以实现特殊的安全 填充 因为IP头的长度必须能够被32整除 所以当没有足够的数据可以填满所分配的区域时 需要用填充符填满选项字段 IP包中的负载数据其实就是TCP 或者对于完全的无连接服务 使用的是UDP而不是TCP 头和应用数据 IP地址 IP网络中每台主机都必须有一个惟一的IP地址 IP地址是一个逻辑地址 与MAC地址比较一下 因特网上的IP地址
12、具有全球唯一性 32位 4个字节 常用点分的十进制标记法 如00001010000000100000000000000001记为10 2 0 1IP地址划分为五类 A E类 常用的为A B C类注 D类地址为组播地址 E类地址为将来使用的保留地址 A类地址 A类地址 允许27个网络 每个网络允许224 2个主机 0 网络号 主机号 7bits24bits A类 A类地址的网络范围 0 127 0和127保留 所以实际使用的只是1 126 共126个A类网络 A类地址的每个网络的主机范围 0 0 0 255 255 255 主机号全0即0 0 0属于该网络的网络地址 主机号全1即255 255
13、255属于该网络的广播地址 所以实际能使用的主机地址是0 0 1 255 255 254 即224 2个主机 大约1600万台 所以单个A类地址构成的网络是非常巨大的 A类地址的范围 1 0 0 0 126 255 255 255 0 xxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx 保留的IP地址 11 11 1111 1111 本机 本网中的主机 局域网中的广播 对指定网络的广播 回路 以下这些IP地址具有特殊的含义 一般来说 主机号部分为全 1 的IP地址保留用作广播地址 主机号部分为全 0 的IP地址保留用作网络地址 0000 0000 网络号 网络地址 B类地址
14、B类地址 允许214个网络 每个网络允许216 2个主机 10 网络号 主机号 14bits16bits B类 B类地址的网络范围 128 0 191 255 共214个B类网络 B类地址的每个网络的主机范围 0 0 255 255 主机号全0即0 0属于该网络的网络地址 主机号全1即255 255属于该网络的广播地址 所以实际能使用的主机地址是0 1 255 254 即216 2个主机 大约65000台 B类地址的范围 128 0 0 0 191 255 255 255 10 xxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx C类地址 C类地址 允许221个网络 每个网络允
15、许28 2个主机 110 网络号 主机号 21bits8bits C类 C类地址的网络范围 192 0 0 223 255 255 共221个C类网络 大约200万个 C类地址的每个网络的主机范围 0 255 主机号全0即0属于该网络的网络地址 主机号全1即255属于该网络的广播地址 所以实际能使用的主机地址是1 254 即28 2个主机 即254台 所以单个C类地址构成的局域网络大小是比较合适的 C类地址的范围 192 0 0 0 223 255 255 255 110 xxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx D类和E类地址 D类地址 E类地址 1110 组播地址
16、28bits D类 1110 xxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx即224 0 0 0 239 255 255 255 11110 组播地址 27bits E类 11110 xxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx即240 0 0 0 247 255 255 255 私有地址 规定 只能用于内联网A10 0 0 0 10 255 255 255B169 254 0 0 169 254 255 255172 16 0 0 172 31 255 255C192 168 0 0 192 168 255 255 IP地址分类 A类1 0 0 0 126 255 255 255B类128 0 0 0 191 255 255 255C类192 0 0 0 223 255 255 255 地址范围 子网 Subnet 划分 1 为什么要划分子网 IP分类不合理 地址空间利用率低美国的某些机构拥有的地址空间甚至比其他一些国家的全部地址空间还大IP地址数量不够每个网络都指定一个网络地址将使路由表太大增加了路由器成本查找路由耗时增加路由器之间交换的路由信息增加
