TCPIP协议与子网规划

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1、封面作者： PanHongliang仅供个人学习TCP/IP协议与子网规划目录课程说明 1课程介绍 1课程目标 1相关资料 1第 1章 TCP/IP 协议 21.1 TCP/IP 协议与 OSI 参考模型 21.2 应用层 31.3 传输层 41.4 网络层 6第 2章 子网规划 82.1 IP 地址介绍 82.2 子网规划 11课程介绍课程目标相关资料本课程主要介绍 TCP/IP 协议的基础知识课程说明完成本课程的学习后，您应该能够：理解 TCP/IP 分层模型理解 IP 地址的分类与应用运用 IP 子网的规划原则对简单网络进行规划第1章 TCP/IP 协议1.1 TCP/IP 协议与 OS

2、I 参考模型与 OSI 参考模型一样， TCP （Transfer Control Protocol ）/IP （ Internet Protocol ）协议（传输控制协议 /网际协议）也分为不同的层次开发，每 一层负责不同的通信功能 . 但是， TCP/IP 协议简化了层次设计，只有五 层：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层. 从上图可以看出， TCP/IP 协议栈与 OSI 参考模型有清晰的对应关系，覆盖了 OSI 参 考模型的所有层次 .应用层包含了 OSI 参考模型所有高层协议 . 因为 TCP/IP 协议栈支持所有的标准的物理层和数据链路层协议，而且 物理层和数据链路层在前面

3、已经做过简述，所以本章不对 TCP/IP 协议 的物理层和数据链路层做进一步的描述. 关于这两层协议和标准的深入细节，在后续章节会有讲解 .物理层和数据链路层涉及到在通信信道上传输的原始比特流，它实现传 输数据所需要的机械、电气、功能性及过程等手段，提供检错、纠错、 同步等措施，使之对网络层显现一条无错线路；并且进行流量调控 . 网 络层检查网络拓扑，以决定传输报文的最佳路由，执行数据转发 . 其关 键问题是确定数据包从源端到目的端如何选择路由 . 网络层的主要协议 有 IP、 ICMP （ Internet Control Message Protocol ，互联网控制报文协 议）、 IGM

4、P （ Internet Group Management Protocol ，互联网组管理协 议）、 ARP （ Address Resolution Protocol ，地址解读协议）和 RARP （ Reverse Address Resolution Protocol ，反向地址解读协议）等 . 传输层的基本功能是为两台主机间的应用程序提供端到端的通信 . 传输 层从应用层接受数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给 网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误 . 传输层的主要协议有 TCP 、 UDP （ User Datagraph Protocol ，用户数据报协议） .

5、应用层负责处理特定的应用程序细节 . 应用层显示接收到的信息，把用 户的数据发送到低层，为应用软件提供网络接口 . 应用层包含大量常用 的应用程序，例如 HTTP （ HyperText Transfer Protocol 文本传输协 议）、 Telnet （远程登录）、 FTP （ File Transfer Protocol ）等 . 同 OSI 参考模型数据封装过程一样， TCP/IP 协议在报文转发过程中， 封装和去封装也发生在各层之间 .发送方，加封装的操作是逐层进行的 . 各个应用程序将要发送的数据送 给传输层；传输层（ TCP/UDP ）对数据分段为大小一定的数据段，加上 本层的

6、报文头 .发送给网络层 . 在传输层报文头中，包含接收它所携带的 数据的上层协议或应用程序的端口号，例如， Telnet 的端口号是 23. 传 输层协议利用端口号来调用和区别应用层各种应用程序 .网络层对来自传输层的数据段进行一定的处理（利用协议号区分传输层 协议、寻找下一跳地址、解读数据链路层物理地址等），加上本层的 IP 报文头后，转换为数据包，再发送给链路层（以太网、帧中继、 PPP 、 HDLC 等）；链路层依据不同的数据链路层协议加上本层的帧头，发送给物理层以比 特流的形式将报文发送出去 .在接收方，这种去封装的操作也是逐层进行的 . 从物理层到数据链路 层，逐层去掉各层的报文头部

7、，将数据传递给应用程序执行 .1.2 应用层应用层为用户的各种网络应用开发了许多网络应用程序，例如文件传 输、网络管理等，甚至包括路由选择 . 这里我们重点介绍常用的几种应 用层协议 .FTP （文件传输协议、File Transfer Protocol）是用于文件传输的 In ternet标准.FTP支持一些文本文件（例如 ASCII、二进制等等）和面 向字节流的文件结构 .FTP 使用传输层协议 TCP 在支持 FTP 的终端系统 间执行文件传输，因此， FTP 被认为提供了可靠的面向连接的服务，适 合于远距离、可靠性较差线路上的文件传输 .TFTP （ Trivial File Tran

8、sfer Protocol ，简单文件传输协议）也是用于文 件传输，但 TFTP 使用 UDP 提供服务，被认为是不可靠的，无连接 的.TFTP通常用于可靠的局域网内部的文件传输SMTP （ Simple Mail Transfer Protocol . 简单邮件传输协议）支持文本邮 件的 Internet 传输 .POP3 （ Post Office Protocol ）是一个流行的 Internet 邮件标准 .SNMP （ Simple Network Management Protocol . 简单网络管理协议）负 责网络设备监控和维护，支持安全管理、性能管理等 .Telnet 是客户

9、机使用的与远端服务器建立连接的标准终端仿真协议 .Ping 命令是一个诊断网络设备是否正确连接的有效工具 .Tracert 命令和 Ping 命令类似， tracert 命令可以显示数据包经过的每一 台网络设备信息，是一个很好的诊断命令 .HTTP 协议支持 WWW （World Wide Web ，万维网）和内部网信息交 互，支持包括视频在内的多种文件类型 . HTTP 是当今流行的 Internet 标 准.DNS （ Domain Name System ，域名系统）把网络节点的易于记忆的名 字转化为网络地址 .WINS （ Windows Internet Name Server ，W

10、indows Internet 命名服务 器），此服务可以将 NetBIOS 名称注册并解读为网络上使用的 IP 地址 .BootP （ Bootstrap Protocol ，引导协议）是使用传输层 UDP 协议动态 获得 IP 地址的协议 .1.3 传输层传输层位于应用层和网络层之间，为终端主机提供端到端的连接，以及 流量控制（由窗口机制实现）、可靠性（由序列号和确认技术实现）、 支持全双工传输等等 .传输层协议有两种： TCP 和 UDP. 虽然 TCP 和 UDP 都使用相同的网络层协议 IP ，但是 TCP 和 UDP 却为应用层提供 完全不同的服务 .传输控制协议 TCP ：为应用

11、程序提供可靠的面向连接的通信服务，适用 于要求得到响应的应用程序 . 目前，许多流行的应用程序都使用 TCP . 用户数据报协议 UDP ：提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠 的保证 . 适合于一次传输小量数据，可靠性则由应用层来负责 .TCP 协议通过以下过程来保证端到端数据通信的可靠性：1、TCP 实体把应用程序划分为合适的数据块，加上TCP 报文头，生成数据段；2、当 TCP 实体发出数据段后，立即启动计时器，如果源设备在计时器 清零后仍然没有收到目的设备的确认报文，重发数据段；3、当对端 TCP 实体收到数据，发回一个确认 .4、TCP 包含一个端到端的校验和字段，检测数据传输

12、过程的任何变化.如果目的设备收到的数据校验和计算结果有误， TCP 将丢弃数据段，源 设备在前面所述的计时器清零后重发数据段 .5、由于 TCP 数据承载在 IP 数据包内，而 IP 提供了无连接的、不可靠 的服务，数据包有可能会失序 .TCP 提供了重新排序机制，目的设备将 收到的数据重新排序，交给应用程序 .6、TCP 提供流量控制 . TCP 连接的每一端都有缓冲窗口 . 目的设备只允 许源设备发送自己可以接收的数据，防止缓冲区溢出 .7、TCP 支持全双工数据传输 .TCP 协议为终端设备提供了面向连接的、可靠的网络服务， UDP 协议 为终端设备提供了无连接的、不可靠的数据报服务 .

13、 从上图我们可以看 出， TCP 协议为了保证数据传输的可靠性，相对于 UDP 报文， TCP 报 文头部有更多的字段选项 .首先让我们来看一下 TCP 的报文头部主要字段：每个 TCP 报文头部都包含源端口号（ source port ）和目的端口号（ destination port ），用于标识和区分源端设备和目的端设备的应用进 程. 在 TCP/IP 协议栈中，源端口号和目的端口号分别与源 IP 地址和目 的 IP 地址组成套接字（ socket ），唯一的确定一条 TCP 连接 . 序列号（ Sequence number ）字段用来标识 TCP 源端设备向目的端设 备发送的字节流，

14、它表示在这个报文段中的第一个数据字节 . 如果将字 节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 TCP 用序列号对每个字节 进行计数 . 序列号是一个 32bits 的数 .既然每个传 输的字 节都被计数，确 认序号（ Acknowledgement number ， 32bits ）包含发送确认的一端所期望接收到的下一个序号 . 因 此，确认序号应该是上次已成功收到的数据字节序列号加 1.TCP 的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小（ windows size ） 来提供 . 窗口大小用数据包来表示，例如 Windows size=3, 表示一次可 以发送三个数据包 . 窗口大小起始于确认

15、字段指明的值，是一个 16bits 字段 .窗口大小可以调节 .校验和（ checksum ）字段用于校验 TCP 报头部分和数据部分的正确性 最常见的可选字段是 MSS （ Maximum Segment Size ，最大报文大 小） . MSS 指明本端所能够接收的最大长度的报文段 . 当一个 TCP 连接 建立时，连接的双方都要通告各自的 MSS 协商可以传输的最大报文长 度. 我们常见的 MSS 有 1024 （以太网可达 1460 字节）字节 .相对于 TCP 报文， UDP 报文只有少量的字段：源端口号、目的端口 号、长度、校验和等，各个字段功能和 TCP 报文相应字段一样 .UD

16、P 报文没有可靠性保证和顺序保证字段，流量控制字段等，可靠性较 差.当然，使用传输层 UDP 服务的应用程序也有优势 .正因为 UDP 协议 较少的控制选项，在数据传输过程中，延迟较小，数据传输效率较高， 适合于对可靠性要求并不高的应用程序，或者可以保障可靠性的应用程 序像DNS、TFTP、SNMP等；UDP协议也可以用于传输链路可靠的网 络.TCP 协议和 UDP 协议使用 16bits 端口号（或者 socket ）来表示和区别 网络中的不同应用程序，网络层协议 IP 使用特定的协议号（ TCP 6， UDP 17 ）来表示和区别传输层协议 .任何 TCP/IP 实现所提供的服务都是 11023 之间的端口号，这些端口 号由 IANA （ Internet