internet 体系结构 tcp-ip 协议

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1、第 6 章 TCP/IP 协议 本章要点：本章介绍了 TCP/IP 协议集的层次结构、协议分类，按照层次分别介绍了各层中主要的协议，并介绍了当前常用的网络工具和网络命令，其中 IP 协议、TCP 协议和各应用层协议是掌握的重点。6.1 TCP/IP 概述尽管 ISO 的 OSI 7 层模型详细刻画了网络当中各层的功能以及它们之间的接口规范，但实际上Internet 采用的标准却是 TCP/IP 协议。TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网际协议，是一个工业标准的协议集。 TCP/IP 最初是为广域网设计的

2、，是由 ARPANET 网的研究机构发展起来的。Internet 标准由 Internet 结构委员会 IAB 负责制定，IAB 又分成两个工作组：Internet 研究部 IRTF 和 Internet 工程部 IETF，目前 Internet 上的协议都是由 IETF 来制定和标准化的。有关 Internet 工作的文档、新协议或修改过的协议以及 TCP/IP 协议标准都出现在一系列技术报告中，这些报告称为 Internet RFC。RFC 可长可短，可以覆盖很多概念或细节，也可以是标准，或仅仅是新协议的建议。正如 OSI 7 层模型一样，TCP/IP 协议栈分成四层，自下向上分别是链路层

3、（网络接口层） 、网络层、运输层、应用层，如图 6.1 所示。应当说明的是，TCP/IP 协议栈是一个庞大的协议族，TCP 和 IP 只是这个协议集中的典型代表，图 6.1 中列出的只是最常用到的一些协议。关于 OSI 7 层模型与 TCP/IP 协议栈对应关系如图 6.2 所示。图 6.1 TCP/IP 协议栈图 6.2 TCP/IP 协议栈与 OSI 七层模型对应关系图 6.3 所示是一个典型的采用 TCP/IP 通信的实例，从中我们可以看到： 数据通信在逻辑上是对等层之间的通信； 数据报文仍然要经过逐层封装和逐层拆解的过程； 不同网络之间通信需要经过路由器进行路由转发。图 6.3 一个

4、TCP/IP 的通信实例图 6.4 给出了一个数据流经各层的封装与拆解过程，我们可以看到，这个过程与第三章中介绍的 OSI 7 层模型类似，只不过此处不再是七层而是四层。以下的各节中，我们将按照层次的顺序重点讲述TCP/IP 协议栈中最常用的一些协议。6.2 网际协议 IPIP 协议在 OSI 7 层模型中对应网络层，因此 IP 协议的主要作用就是网络层的功能。在网络层当中很重要的一项就是对各节点进行地址标示。6.2.1 IP 地址及其分类IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器接口）分配一个全球唯一的 32bit（4 字节）的标识符，目前所用的版本是 IPv4。IP 地址结构分为两

5、部分，即，具体分类如图6.5 所示。图 6.4 TCP/IP 协议的数据分装图 6.5 IP 地址分类从图中可以看到： A、B、C 类地址的网络号分别为 1、2、3 字节长，而在网络号字段的最前面有 1-3 位的类别比特，其数值分别是 0，10，110。 A、B、C 类地址的主机号字段长度分别是 3、2、1 字节长。 D 类用于组播地址，E 类是保留地址。在整个地址分配空间当中，并非所有地址都可以分配，还有一些特殊地址用作特殊用途，如表 6.1 所示。一般来讲，因特网把全“0”字段解释成“本” （this ） ，把全“1”字段解释成“所有” （all） 。因此，主机号为“0”的 IP 地址指的

6、是“本”主机，而网络号为“0”的地址指的是“本”网络，例如，如图 6.6所示。当目的地址为：255.255.255.255：称为有限广播地址或本地网广播地址，它表示所有本子网的主机都要接收此数据包，这种广播不会跨过路由器。 172.16.3.255：称为定向广播地址，表示向子网 172.16.3.0 子网内所有主机发送数据包。172.16.255.255：所有子网广播，表示向系统默认子网 172.16.0.0 内所有主机的广播。127.0.0.1：称为本地回环地址，它一般用于检查本地主机的 TCP/IP 协议栈是否正确加载。表 6.1 特殊地址Net.id Host.id 源地址使用 目的地址

7、使用 含义0 0 可以 可以 在本网络（子网）上的本主机0 Host.id 可以 不可以 在本网络（子网）上的某台主机全 1 全 1 不可以 可以 只在本网络（子网）上进行的广播Net.id 全 1 不可以 可以 对 Net.id 上的所有主机进行广播127 任意数 可以 可以 用作测试本地回环地址图 6.6 IP 广播地址考虑到以上这些特殊地址，A 、B、C 类地址的实际分配范围如表 6.2 所示。事实上，这种分类方法并不合适，例如对于 A 类地址，每个网络中有将近 1600 万个地址，这么大的地址空间任何一个单独的机构都是用不了的。但事实的情况恰恰相反，像 IBM 公司、麻省理工学院等分别

8、拥有一个单独的 A 类地址，因此造成了巨大的浪费。事实上，目前 IPv4 地址枯竭的一个重要原因就是分配不合理。在整个可分配的地址范围当中，还有一部分保留地址用作各单位内部使用，这部分地址是不能在 Internet 中直接使用的，因此把这部分地址称为私有地址（private address） ，而其他可在 Internet 中直接使用的部分称为公共地址（public address） ，如表 6.3 所示。拥有私有地址的主机要接入 Internet 就必须经过地址转换 NAT，将私有地址转换为公共地址，这方面的知识我们将在后面的章节中详细介绍。表 6.2 IP 地址分配范围类别 最大网络数 第

9、一个可用网络号 最后一个可用网络号 每个网络中的最大 主机数A 126 1 126 16,777,214B 16,384 128.0 191.255 65,534C 2,097,152 192.0.0 223.255.255 254注意：全 0 或全 1 不能表示主机地址。6.2.2 子网划分与构造超网我们将具有相同网络号的 IP 地址范围称为一个逻辑的子网，子网就是 IP 广播可以通达的范围。在这里，应当将逻辑的子网和物理的网段进行区分。一个物理的网段就是数据链路层数据帧的广播能够通达的范围，一般我们认为它们是在路由器同一端口下面（参见图 4.8） 。逻辑的子网和物理的网段之间一般是一一对应

10、的关系，也就是说一个物理的网段就是一个逻辑的子网，即同一物理网段内的所有主机的 IP地址的网络号是一致的。如果不一致，那它们之间的第三层通信就不能建立起来，因此需要路由器才能够通信。表 6.3 私有 IP 地址地址类 起始范围A 类 10.0.0.010.255.255.255B 类 172.16.0.0172.31.255.255C 类 192.168.0.0192.168.255.255事实上，将 40 亿个 IP 地址划分为 A、B 、C、D、E 五类的确不够合理。这是因为在一个子网当中，由于 IP 广播的影响，如果主机数量过多，就会大大影响网络性能。因此，尽管一个 A 类或 B 类地址

11、主机数量很大，在一个此类子网中，也不能分配过多的主机。这样，就需要将一个大的标准地址段划分成更小的地址段，即子网划分。同时，如果路由器当中路由条目过多过细，就会使得路由效率低下，直接影响路由器性能，这样就需要在路由器当中将小的分散的路由条目合并成较大的条目，以提高路由效率，我们把这个过程称为构造超网。在后面的学习中，我们把标准的 A、B、C、D、E 类地址称为有类地址（classful） ，而把不符合标准地址的地址称为无类地址（classless） 。前面讲过，IP 地址结构分为网络号和主机号，那么对于一台具体的主机而言，如果它分配的是无类地址，那么它怎么区分哪是网络号，哪是主机号呢？这就需要

12、引入一个新的概念“子网掩码” 。 1. 子网掩码子网掩码实际上就是由连续的 1 或者 0 组成的 32bit 的序列，它通过与 IP 地址进行逻辑“与”（AND ）运算来决定网络号和主机号。对于标准的 A、B 、C 类有类地址，它的默认掩码用点分十进制表示分别是 255.0.0.0，255.255.0.0，255.255.255.0。例如，对于 B 类地址 172.16.2.160，它的掩码是 255.255.0.0，那么经过“与”运算之后，得到的网络号就是 172.16.0.0，如图 6.7 所示。图 6.7 网络号的计算有类 IP 地址采用两级的地址结构，即其结构为，这种分类方法使得地址的

13、利用率太低，而且不够灵活。因此，从 1985 年起，IP 地址结构中又增加了一个“子网号”字段，其结构变为， ，这种做法称为划分子网。2. 划分子网（subnet）划分子网的方法是从主机号部分借用若干个比特作为子网号 subnet.id，而主机号 host.id 也就相应减少了若干个比特。例如，对于 B 类地址的默认掩码为 255.255.0.0，我们可以借用一个整字节的主机号作为子网号，因此子网掩码就变成了 255.255.255.0。当然不一定非得要借用整数倍的字节，如图 6.8 所示，如果地址为 172.16.2.160，掩码为 255.255.255.192，则它们相“与”后得到的网络

14、号为 172.16.2.128。在这个例子中，就是借用了原先主机号的 10 位作为子网号。表 6.4 是 B 类地址的子网划分选择，在该表中，子网数是根据子网号 subnet.id 计算出来的，若 subnet.id 由 n 位，则共有 2n 种可能的排列，除去全 0 和全1 这两种情况，就得出表中的子网数。例如对于掩码为 255.255.255.192，则子网数为 210_2=1022，这样就把原来一个网络划分成了 1022 个子网，每个子网当中的主机数量是 62，这些子网之间通信需要路由器。由此可以看到，子网的出现很好的解决了标准地址分类方法带来的问题。图 6.8 子网长度为 10 位的掩

15、码表 6.4 B 类地址的子网划分子网号的比特数 子网掩码 CIDR 前缀长度 子网数 主机数/子网2 255.255.192.0 /18 2 16，3823 255.255.224.0 /19 6 81904 255.255.240.0 /20 14 40945 255.255.248.0 /21 30 20466 255.255.252.0 /22 62 10227 255.255.254.0 /23 126 5108 255.255.255.0 /24 254 2549 255.255.255.128 /25 510 12610 255.255.255.192 /26 1022 6211

16、 255.255.255.224 /27 2046 3012 255.255.255.240 /28 4094 1413 255.255.255.248 /29 8190 614 255.255.255.252 /30 16，38223. 构造超网（supernet）前面我们讲过，路由器依靠路由表进行路由，如果路由表当中条目过细就会造成路由表过大，使得路由效率降低。因此，需要将路由器中路由表“合并同类项” ，这就可能将几个较小的网络合并成为一个较大的网络，这个过程称为构造超网，这实际上就是地址的“路由聚合” （route aggregation ）过程。为此，IETF 制定了“变长子网掩码 VLSM”（Variable Length Mask） 。VLSM 提供了在一个网络当中包含多个不同长度的子网掩码的能力，如图 6.9 所示。路由器 A、B、C 上分别包含两种长度的掩码，在图中 IP 地址后面“/”所跟的数字表示掩码长度。在 VLSM 的基础之上