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1、2.2 任务12 TCP/IP协议分析,2.2.1 任务描述2.2.2 任务实施2.2.3任务扩展,2.2.1 任务描述,1. 学习型工作任务,学生通过教师讲解和查阅相关资料，认真学习图2-2-1，要求： (1) 设置IP地址，能进行子网划分和网掩码的设置； (2) 正确理解TCP/IP各层的功能、服务； (3) 识别主要协议（TCP、UDP、IP、ICMP、ARP、RARP）。 根据图2-2-1填写下列表格：,2. 技能目标(1) 能设置IP地址，能进行子网划分和网掩码的设置；(2) 识别主要协议（TCP、UDP、IP、ICMP、ARP、RARP）；(3) 能自学网络新知识。3. 教学组织形
2、式(1) 学生角色：网络公司职员或网络管理人员。(2) 教学过程：在网络工程实训室或网络公司或某小型企业进行教学，学生扮演网络公司职员或网络管理人员寻求所需知识，教师扮演技术顾问和学生进行交流，针对TCP/IP协议进行认知训练。,1.2.2 任务实施,1. TCP/IP层次结构 TCP/IP是Transmission Control Protocol/Internet Protocol（传输控制协议互联网协议）的缩写。美国国防部高级研究计划局DARPA为了实现异种网络之间的互连与互通，大力资助互联网技术的开发，于1977年到1979年间推出TCP/IP体系结构和协议。到20世纪90年代初期，I
3、nternet已逐渐流行开来，并得到了广泛的支持和应用。而OSI正在制定，OSI所定义的网络体系结构虽然从理论上比较完整，是国际公认的标准，但是由于其实现起来过分复杂，而且OSI标准的制定周期较长，导致世界上没有哪个产家生产出符合OSI标准的商品化产品。因此TCP/IP是目前异种网络通信使用的唯一协议体系，适用于连接多种机型，多种操作系统，既可用于局域网，又可用于广域网，许多厂商的计算机操作系统和网络操作系统产品都采用或含有TCP/IP协议。TCP/IP协议已成为目前事实上的国际标准和工业标准。,TCP/IP协议在硬件基础上分为四个层次，自下而上依次是：网络接口层、网际层、传输层和应用层。它与
4、前面讨论的OSI参考模型有着很大的区别，图2-2-2是TCP/IP与OSI的对应关系。,图2-2-2 TCP/IP和OSI模型的对比,(1) 网络接口层 TCPIP与各种网络的接口称为网络接口层，与OSI数据链路层和物理层相当，是最底层的网际协议软件。它负责接收数据报，并把数据报发送到指定网络上。实际上，TCPIP体系结构中并没有真正描述这一部分的内容，只是指出其主机必须使用某种协议与网络连接，以便能传递IP分组。 (2) 网络层 网络层与OSI网络层相当，整个TCPIP体系结构的关键部分，它解决两个不同IP地址的计算机之间的通信问题。该层最主要的协议就是无连接的互联网协议IP。,(3) 传输
5、层 对应于OSI的传输层，它的功能是使源端和目标端主机上的对等实体可以进行会话。传送层有两个端到端的协议：面向连接的传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）和面向无连接的用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）。TCP提供了一种可靠的数据传输服务，具有流量控制、拥塞控制、按序递交等特点。而UDP的服务是不可靠的，但其协议开销小，在流媒体系统中使用较多。(4) 应用层,TCPIP高层协议大致与OSI参考模型的会话层、表示层和应用层对应，它们之间没有严格的层次划分，这些协议已被广泛地使用。在这一层中有许多著名协议，如远程终端通信协
6、议TELNET （Telecommunication Network）、文件传送协议FTP（File Transfer Protocol）、简单邮件传送协议SMTP（simple mail transfer Protocol）和域名服务DNS (Domain Name Service)等。分层的概念在实际的应用中非常的重要，在进行网络设置和排除故障时，若对网络层次理解得很透，将对工作有很大帮助。例如：设置路由是网络层IP协议的事，要查找MAC地址是链路层ARP的事，常用的Ping命令由ICMP协议来做的。,2. TCP/IP协议簇 TCP/IP是一个协议簇，它包括许多协议，如图2-2-3所示的
7、。,图2-2-3 TCP/IP协议簇,图2-2-4显示了各层协议的关系，理解它们之间的关系对下面的协议分析非常重要。,图2-2-4 TCP/IP协议模块关系,3. TCP/IP各层协议(1) 网络接口层 它是TCP/IP赖以存在的各种通信网和TCP/IP之间的接口，这些通信网包括多种广域网如ARPANFT、MILNET和X.25公用数据网，以及各种局域网，如Ethernet、IEEE的各种标准局域网等。IP层提供了专门的功能，解决与各种网络物理地址的转换。 SLIP协议 SLIP提供在串行通信线路上封装IP分组的简单方法，用以使用远程用户通过电话线和MODEM能方便地接入TCP/IP网络。,
8、PPP协议 为了解决SLIP存在的问题，在串行通信应用中又开发了PPP协议。PPP协议是一种有效的点一点通信协议，它，由串行通信线路上的组帧方式，用于建立、配制、测试和拆除数据链路的链路控制协议LCP及一组用以支持不同网络层协议的网络控制协议NCPs三部分组成。 由于PPP帧中设置了校验字段，因而PPP在链路层上具有差错检验的功能。PPP中的LCP协议提供了通信双方进行参数协商的手段，并且提供了一组NCPs协议，使得PPP可以支持多种网络层协议，如IP、IPX、OSI等。另外，支持IP的NCP提供了在建立连接时动态分配IP地址的功能，解决了个人用户上Internet网的问题。,(2) 网络层
9、IP协议 IP协议位于网络层，是Internet中最重要的协议。IP是不可靠的无连接数据报协议，提供尽力而为的传输服务，也就是说IP仅提供最好的传输服务但不保证IP数据报能成功地到达目的地。 IP协议有两个特点： 一是，不可靠(unreliable):它不能保证IP数据报能成功地到达目的地，IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP）。,二是，无连接(connectionless):这个术语的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个
10、数据报的处理是相互独立的。这也说明，IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。 IP协议的主要功能包括数据报的传输、数据报的路由选择和拥塞控制。IP协议用统一的IP数据报格式在帧格式不同的物理网络之间传递数据。IP数据报非常简单，就是在数据块(称为净荷)的前面加上一个包头。IP数据报中的数据(包括包头中的数据)以32位(4字节或4个八位组)的方式来组织。图2-2-5中展示了IP头字段的排列。从中可以看出，所有IP数据报头最小长度是5个字(20字节)，如果有其
11、他选项的话，包头可能会更长,其中： 版本（Version）字段：占4比特。用来表明IP协议实现的版本号，当前一般为IPv4，即0100。,图2-2-5 IP头部格式,报头长度（Internet Header Length，IHL）字段：占4比特。是头部占32比特的数字，包括可选项。普通IP数据报（没有任何选项），该字段的值是5，即160比特=20字节。此字段最大值为60字节。 服务类型（Type of Service ，TOS）字段：占8比特。其中前3比特为优先权子字段（Precedence，现已被忽略）。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费。当它们取值为1时分别
12、代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。这4比特的服务类型中只能置其中1比特为1。可以全为0，若全为0则表示一般服务。服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。例如：TELNET协议可能要求有最小的延迟，FTP协议（数据）可能要求有最大吞吐量，SNMP协议可能要求有最高可靠性，NNTP（Network News Transfer Protocol，网络新闻传输协议）可能要求最小费用，而ICMP协议可能无特殊要求（4比特全为0）。实际上，大部分主机会忽略这个字段，但一些动态路由协议如OSPF（Open Shortest Path First Protocol）、IS-I
13、S（Intermediate System to Intermediate System Protocol）可以根据这些字段的值进行路由决策。,总长度字段：占16比特。指明整个数据报的长度（以字节为单位）。最大长度为65535字节。 标志字段：占16比特。用来唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发一份报文，它的值会加1。 标志位字段：占3比特。标志一份数据报是否要求分段。 段偏移字段：占13比特。如果一份数据报要求分段的话，此字段指明该段偏移距原始数据报开始的位置。 生存期（TTL：Time to Live）字段：占8比特。用来设置数据报最多可以经过的路由器数。由发送数据的源主机设置，通常
14、为32、64、128等。每经过一个路由器，其值减1，直到0时该数据报被丢弃。,协议字段：占8比特。指明IP层所封装的上层协议类型，如ICMP（1）、IGMP（2）、TCP（6）、UDP（17）等。 头部校验和字段：占16比特。内容是根据IP头部计算得到的校验和码。计算方法是：对头部中每个16比特进行二进制反码求和。（和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不对头部后的数据进行校验）。 源IP地址、目标IP地址字段：各占32比特。用来标明发送IP数据报文的源主机地址和接收IP报文的目标主机地址。 可选项字段：占32比特。用来定义一些任选项：如记录路径、时间戳等。这些选项很少被使用，同时并不
15、是所有主机和路由器都支持这些选项。可选项字段的长度必须是32比特的整数倍，如果不足，必须填充0以达到此长度要求。,理解数据报的转移过程意味着要理解IP寻址方案和IP数据报头字段。发送数据报的IP主机为数据报建立的IP头中包含自己的地址作为源地址，并包含目的主机IP地址。当这个数据报沿着网络协议栈到达链路层后，链路层必须确定向“同一个本地网络”上哪一台主机发送。换句话说，即便目的地在另一个网络上，数据报也必须发送给与发送方主机在同一个网络上的主机。 发送主机将检查目的地址。如果在同一个IP网络和子网上，该主机将使用地址解析协议( A R P )向本地网络发送广播，并把IP地址映射到链路层(如以太
16、网)地址，然后将该数据报封装到数据链路层帧中并直接发送到目的地。但是，如果目的地在不同的网络或子网上，发送者必须确定向何处发送数据，使之可以转发到正确的网络。,这就是路由器的作用。发送方主机了解本地主机，也了解路由器。一般来说，一个子网上有一个或两个路由器用来转发包。发送主机把 I P数据报(由初始发出，目的地址为最终目的地)封装在链路层帧中，该帧直接发给默认路由器，由此路由器把该帧拆开并检查IP数据报头。 路由器还会检查目的地址以确定它是否属于路由器直接连接的任一本地网络。如果是，路由器将使用ARP确定目的地的数据链路层地址，然后把该数据报封装在数据链路层帧中发送。如果不属于该路由器直接连接
17、的任何网络，则将数据报转发给另一个路由器。继续此过程，直到数据报到达其目的网络为止。,图2-6中展示了这个工作过程。图中包含有两个不同机构，它们均连接在Internet上，且各自有三个网络。每个网络连接到一个路由器上，每个路由器同时连接三个网络和Internet。当主机X向主机Y发送数据时，该数据将首先被发送到网络A上以到达路由器A。当路由器A收到该数据报后，此路由器将该数据报拆开，确定其目的地不在与自己连接的任何网络(A、B或C)上。然后此路由器将该数据报转发到另一个路由器上(在本例中位于Internet中某处)，该路由器将继续通过I n t e r n e t转发数据报直至到达路由器B为止。一旦路由器B收到该数据报，该路由器拆包后发现其目的地址在自己的一个本地网络上，于是这个路由器使用ARP来查询网络以确定正确的数据链路层地址并将数据发送至该主机。,
