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1、第9章 Internet原理及应用,9.1 Internet的通行证-TCP/IP协议,9.1.1 TCP/IP基本概念及协议集协议是对网络中的设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合。ISO制定的一系列网络协议就是对这些不同网络层次的行为规范，其中作为规范Internet行为的协议就是TCP/IP协议。,TCP/IP作为Internet的协议集，已成为Internet的标准，应用最为广泛。 TCP/IP协议集包括有多种协议:,9.1.2 TCP/IP各层功能与协议,TCP/IP的层次模型只有4层，它们分别是：应用层、传输层、网际层和网络-接口层。 从某种角度讲，OSI模型是独立完成特定任务，
2、而TCP/IP协议是在完成自身任务时，会需要它下一层所提供的网络服务。1.网络-接口层它对应于OSI参考模型中的数据链路层和物理层，负责接收IP数据包并且通过网络发送，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据包，再交给IP层。,2.网际层 网际层对应与OSI参考模型中的网络层，它定义了IP地址格式，使得不同应用类型的数据能在Internet上传输。网际层负责基本的数据包传输功能，让每一个数据包都能够到达目的主机。网络层的另一个重要服务是在互相独立的局域网上建立互联网络，即IP地址通过路由器传到另一网络。这一层中包含有4个重要的协议，分别是：网际协议IP、互联网控制报文协议ICMP、地址解析协议AR
3、P、反向地址解析协议RARP。,（1）网际协议IPIP协议负责通过互联网传送数据报并向传输层提供服务。将数据封装为互联网数据报，并交给数据链路层协议通过局域网传送。（2）互联网控制报文协议ICMPICMP协议传送各种信息，包括与包交付有关的错误报告。ICMP数据报通过IP传送，因此，它在功能上属于网络第三层。ICMP用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。 （3）地址解析协议ARP （4）反向地址解析协议RARP,3.传输层TCP/IP 在这一层对应于OSI参考模型中的传输层。传输层的功能主要是提供应用程序间的通信，常称为端对端的通信。 传输层提供了两个主要的协议：传输控制协议(TCP)和用户
4、数据报协议(UDP)。 （1）传输控制协议TCP TCP协议应于OSI模型的传输层，在IP协议的基础上提供一种端到端的面向连接的可靠数据流服务，TCP连接的建立采用“三次握手”的机制。,图9-2 TCP连接的三次握手过程,（2）用户数据报协议UDPUDP协议是对IP协议组的扩充，它增加了一种可以让发送方区分一台计算机上的多个接收者的机制。 UDP是依靠IP协议来传送报文的，因而它的服务和IP一样是不可靠的。UDP提供的是非连接的数据报服务，因此，UDP无法保证任何数据报的传递和验证。UDP和TCP传递数据的差异类似于电话和明信片之间的差异。,UDP和TCP传递数据的比较：,4.应用层TCP/I
5、P的应用层是最高层，它是所有用户所面向的应用程序的统称，也就是应用程序用来交换信息的一层，对应于OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层。 TCP/IP的应用层定义了大量的TCP/IP协议，包括：文件传输FTP、远程登录Telnet、简单邮件传输协议SMTP、域名服务DNS、超文本传输协议HTTP等。当然，呈现给用户的是软件构筑的图形化操作界面，而实际后台运行的是上述协议。,9.1.3 服务端口与通信协议,1.IP通信协议的作用IP协议是TCP/IP的核心，也是网络层中最重要的协议。IP协议的基本功能是提供无连接的数据报传送服务和数据报路由选择服务，但不保证服务的可靠性。概括地讲，IP协议提供
6、以下几项功能： （1）IP地址寻址指出发送和接收IP数据报的源IP地址及目的IP地址。 （2）IP数据报的分段和重组不同网络的数据链路层可传输的数据帧的最大长度（MTU）不一样， IP协议要对数据报进行分段封装，使得很大的IP数据报能以较小的分组在网上传输。,（3）IP数据报的路由转发 根据IP数据报中接收方的目的IP地址，确定是本网传送还是跨网传送。若目的主机在本网中，可在本网中将数据报传给目的主机；若目的主机在别的网络中，则通过路由器将数据报转发到另一个网络或下一个路由器，直至转发到目的主机所在的网络。2.TCP通信协议的作用TCP协议负责对数据包查序并检查错误，同时实现虚电路间的连接。T
7、CP数据包中包含序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。3.UDP通信协议的作用UDP主要用于面向查询应答的服务，如：NFS。与FTP或Telnet相比，这些服务需要交换的信息量较小。使用UDP的服务还包括：NTP、SNMP、DNS和TFTP（通用文件传输协议）等。,4.TCP与UDP的比较TCP提供IP环境下的数据可靠传输，提供服务包括数据流传送、高可靠性、有效流控、多路复用、面向连接、端到端和可靠的数据包发送。而UDP则不为IP提供可靠服务、流控或差错恢复功能。 TCP对应的是可靠性要求高的应用；而UDP对应的是可靠性低，传输经济的应用。 5.通信端口“端口”是
8、指进程连接的端口，它实际上是一种软件端口，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。 一个端口对应一个16bit的数字，称为“端口号”。端口号是唯一的，最大为65535，最小为0。其中01024称为低端端口，1024以上称为高端端口。,9.2.1 IP地址与子网掩码1.IP地址不同的物理网络技术有不同的编址方式，不同物理网络中的主机有不同的物理网络地址。 （1）什么是IP地址IP层所用到的地址就叫做IP地址，也叫网间网地址。IP地址由网络号和主机号两部分组成。,9.2 IP地址与域名系统,网络号 主机号,A类：首位为0，网络地址7位，主机地址24位，地址范围从1.0.0.0127.255.255
9、.255。A类地址结构适用于网络数少（最多27个），但有大量主机（大约224台）的大型网络。 B类：首位为10，网络地址14位，主机地址16位，地址范围从192.0.0.0223.255.255.255。B类地址结构适用于中型网络（如：大型企业或政府机构）。 C类：首位为110，网络地址21位，主机地址8位，地址范围从1.0.0.0127.255.255.255。C类地址结构适用于网络数多，只有少量主机（28=256台）的小型网络 （如：一般校园网或中小型企业网）。,（2）IP地址的分类按网络规模大小，IP地址可以分为5类：,IP地址除了以上A、B、C三类外，还有两类地址，分别是：D类（多播地
10、址）和E类（实验室用）地址。其中多播地址（multicast address）是比广播地址稍弱的多点传送地址，用于支持多目传输技术。E类地址则用于实验室和将来的扩展之用。,（3）TCP/IP规定的其它地址广播地址 TCP/IP规定，主机号全为“1”的网络地址用于广播之用，叫做广播地址。所谓广播，指同时向网上所有主机发送报文。有限广播地址TCP/IP规定，32bit全为“1”的网间网地址用于本网广播，这种地址就叫做有限广播地址。“本”网地址TCP/IP协议规定，所有位均为“0”的网络号被解释成“本”网络。所以“本”网地址又称做“0”地址。回送地址 在A类地址中，有一个“127”是一个保留地址，主
11、要用于网络软件测试以及本地机进程间通信，也叫做回送地址。,2.子网掩码一种IP网络地址复用技术叫做子网编址，又称子网寻径技术。32位IP地址中的网络号和主机号又叫做IP地址的“网间网部分”和“本地部分”。子网编址技术将本地部分进一步划分为“物理网络”部分和“主机”部分。,网间网部分 物理网络 主机 |网间网部分|本地部分|,11111111 11111111 11111111 00000000中，前三个字节全1，代表对应IP地址中最高的三个字节为网络地址；后一个字节全0，代表对应IP地址中最后的一个字节为主机地址。这种位模式叫做“子网掩码”。为了使用的方便，常使用“点分整数表示法”来表示一个I
12、P地址和子网掩码，例如：B类地址子网掩码（11111111 11111111 11111111 00000000）为255.255.255.0。,3.IP地址的转换（1）地址解析在一个以太网上，每台主机都要维护一个IP地址到MAC的转换表，该表称为ARP表。在主机启动时，ARP表为空。（2）反向地址解析反向地址解析是指从MAC地址到IP地址的转换，是上述地址解析的逆过程。,9.2.2 域名 1.DNS域名DNS服务器执行相关解析操作，然后把解析后的IP地址返回给Web浏览器。一旦Web浏览器知道了该页注册的IP地址，它就可以开始连接到该Web页的过程。DNS域名可分为组织模式和地理模式两种。其
13、中美国作为Internet的发源地，它拥有大量的组织模式域名，域名资源丰富，而其他国家既有组织模式域名，又有地理模式域名。,顶级域名的分配表,2.DNS的查询过程一个名字空间中的区域有两种类型：主要区域和次要区域。区域文件存储在DNS 服务器上，区域里包含所有以根域名结尾的域名信息，如果一个DNS服务器有包含相应域名的区域，就进行解析。查询DNS服务器的方法有两种：一种是递归查询，另一种是迭代查询。当DNS服务器处理递归查询时，DNS服务器须与其他的DNS服务器通信，本地区域文件不能进行查询的解析，查询就会转到根DNS服务器。,9.2.3 网络地址转换NAT1.NAT的定义所谓NAT（Netw
14、ork Address Translation）全称“网络地址转换”。它允许一个机构以一个地址的形式出现在Internet上。NAT负责把局域网节点的地址转换成一个IP地址，反之亦然。 2.NAT的基本原理 其具体原理是：在内部网络中使用内部地址，通过NAT把内部地址翻译成合法的IP地址在Internet上使用。做法是把IP包内的地址用合法的IP地址来替换。,3.NAT的分类NAT现有三种类型：静态NAT(Static NAT)、动态地址NAT(Pooled NAT)、网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）。 其中SNAT设置起来最为简单和
15、最容易实现，三种NAT方案各有利弊。,9.2.4 新一代IPIPv61.IPv6概述IETF从1995年开始，着手研发下一代的IP协议，即IPv6。IPv6的地址空间长达128位，可以彻底解决IPv4地址不足的问题。此外，IPv6还采用了分级地址模式、高效IP包头、认证和加密等多项新技术。2.IPv6的地址配置（1）全状态自动配置（2）无状态自动配置,9.3 Internet概述9.3.1 什么是InternetInternet是全球成千上万的计算机相互联结在一起形成的，可以相互通信的计算机网络系统，它是当今最大的和最著名的国际性资源网络。9.3.2 Internet的起源与发展Interne
16、t最早起源于美国国防部高级研究计划局（ARPA）于1968年主持研制的计算机实验网络ARPAnet。,Internet的真正发展是从NSFnet的建立开始的。上世纪80年代美国国家科学基金会（NSF）提出了NSFnet的发展计划。1988年底，NSF把在全国建立的五大超级计算机中心用通信干线连接起来，组成基于IP协议的计算机通信网络NSFnet，并以此作为Internet的基础，实现与其他网络的连接。NSFnet至今仍是Internet最重要的主干网，它连接了全美上千万台计算机，拥有几千万用户，是Internet最主要的成员网。,9.3.3 Internet的组织与管理,Internet作为一个全球性的国际互联网络，没有专门的机构进行集中的管理。Internet的管理由一些民间组织进行，主要有以下3个组织：（1）Internet协会（Internet Society，ISOC）。该协会属民间组织，由志愿者组成，主要负责技术管理和指导工作。（2）Internet组织委员会（Internet Architecture Board，IAB）。由志愿者组成，负责指定标准和分配资源（如：IP地址）。（3）Internet工程任务组。,
