第4章TCP/IP协议

4.
1OSI参考模型4.
2TCP/IP体系结构4.
3TCP/IP协议集4.
4IP地址小结习题与思考4.
1OSI参考模型1.
物理层ISO提出OSI参考模型的目的,就是要使在各种终端设备之间、计算机之间、网络之间、操作系统进程之间以及用户之间互相交换信息的过程中,能够逐步实现标准化.
采用这种分层的模型能够将复杂的网络划分成简单的独立组成部分,这样便能够定义标准的接口.
OSI参考模型由七层组成,从最底层到最高层依次为:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层,如图1.
1所示.

图1.
1OSI/RM和对应的数据流层关系物理层的协议可以分为LAN和WAN两种,常见的LAN物理层协议有IEEE802.
3、令牌环、FDDI等;而WAN协议主要有EIA/TIA-232、EIA/TIA-449、V.
35等.

2.
数据链路层(DataLinkLayer)数据链路层负责在两个相邻节点间的链路上无差错地传送数据(传输单位为帧),并提供有关目的地址和如何处理的信息.
该层的主要网络设备为网桥和第二层交换机.

IEEE将数据链路层分为两个子层:(1)介质访问控制(MAC)子层(IEEE802.
3):该子层负责指定如何通过物理线路进行传输,并定义与物理层通信.
它定义了诸如物理编址、网络拓扑、线路规范、错误通知、流量控制等功能.

(2)逻辑链路控制(LLC)子层(IEEE802.
2):该子层负责识别协议类型,并对数据进行封装以便通过网络进行传输,具有帧发送及接收、帧序列控制和流量控制等功能.

3.
网络层(NetworkLayer)网络层独立于数据链路层,可用于连接位于不同物理介质上的设备,这是通过网络的逻辑编址来完成的.
这种逻辑编址诸如IP、IPX等.
网络层可完成异种网络之间的互联,实现路径选择功能,支持LAN和WAN组建的各种物理标准.

4.
传输层(TransportLayer)传输层是通信子网和高层之间的接口层,其任务是根据通信子网的特性,最佳地利用网络资源,并以可靠而经济的方式,为两个端系统(也就是源终端和目的终端的传输层之间)的会话层之间提供建立、维护和取消传输连接的功能,传输层协议负责可靠或不可靠地传输数据.
在这一层,信息的传送单位是报文.
该层主要采用TCP、UDP和SPX等传输协议.

5.
会话层(SessionLayer)会话层也可以称为会晤层.
会话层不参与具体的传输,但是它提供包括访问验证和会话管理在内的建立、组织和协调实体之间通信的机制.
比如,数据库服务器和用户登录之间形成的会话.

6.
表示层(PresentationLayer)表示层主要提供具体的数据格式编码和转换问题,可完成视频、图像的公用压缩编码格式转换以及对应用层数据的公用加密、公用解密等任务.

7.
应用层(ApplicationLayer)应用层是OSI/RM的最高层,是用户和应用程序与网络访问协议之间的接口.
该层可完成HTTP、POP和SMTP等服务.

从图1.
1中可以得到,下四层形成了数据流层,并规定为终端之间如何建立连接以及交换数据;上三层负责规定如何通过物理线路传输,经由网络互联设备到达目的终端,并最终到达应用程序.

4.
2TCP/IP体系结构TCP/IP体系已成为Internet的主流,局域网、城域网几乎都采用了兼容性强的TCP/IP体系.
与OSI/RM不同,OSI/RM在解释互联网络通信机制上有更强的能力,TCP/IP模型更侧重于互联设备间的数据传送,而不是严格的功能层次划分,但是现今TCP/IP已经在互联网络中担当了一个重要的角色,成为了市场的标准.

TCP/IP协议是一个总称,它代表了一个协议集,其中典型的协议就是TCP和IP协议.
TCP/IP协议体系结构与OSI/RM之间的对比如图1.
2所示.

图1.
2TCP/IP与OSI/RM对比图由图1.
2可知TCP/IP体系结构共有四个层次,每层具体任务和功能描述如下.

1.
应用层(ApplicationLayer)应用层对应OSI/RM中的上三层,负责处理用户界面、数据格式化和应用程序访问.
当前应用层的Web应用服务的应用最为广泛,主要采用HTTP协议完成应用层之间的通信.

2.
传输层(TransportLayer)传输层与OSI/RM中的传输层实现的功能相似,负责上层的数据封装,实现数据传递.
该层的主要协议有传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP).
TCP协议是一种面向连接的可靠传输协议,实现了三次握手机制;而UDP协议是一种无连接的不可靠传输协议.
TCP和UDP协议与上层进行数据交换的时候,需要借助服务端口来判别与应用层中的哪种服务进行通信.

3.
网络互联层(NetworkLayer)网络互联层与OSI/RM中的网络层具有相似的功能,主要进行路由选择.
该层由ICMP、IP、IGMP、RIP、OSPF和用于边界路由的EGP协议组成,这些协议的主要功能是保证数据包能被成功传递.
其中IP是主要的协议,被称为网际互联协议;IP定义了地址,让网络上每台主机或网络设备都有不同的逻辑地址,当IP地址在不同的子网网段中时,需要RIP、OSPF等路由协议完成IP路由,此时IP被称为被路由协议.

4.
网络接口层(NetworkInterfaceLayer)网络接口层对应OSI/RM中的物理层和数据链路层.
网络接口层定义了主机如何通过物理网络传送数据,也定义了所需的协议和硬件.
例如,以太网网络处于TCP/IP网络接口层,定义了组建LAN和WAN的布线方式、编址方法、电缆型号和协议等.
要实现以太网LAN和LAN之间的互联通信,可通过WAN的连接标准PPP(点到点协议)和帧中继来完成.
图1.
3体现了网络接口层标准、数据封装和拆分的过程.

图1.
3提供给IP的PPP服务和以太网服务4.
3TCP/IP协议集1.
地址解析协议ARPIP网络数据包能够在网络中正常传输,都需使用网络介质访问控制子层的MAC地址,通过这种物理地址来确定发送的目的地.
因此需要通过ARP和RARP协议来动态发现48位的二进制MAC地址.
在TCP/IP网络中,网络接口层主要采用以太网技术,以太网技术在同一个局域网中具有网络广播的能力,通过发送带有ARP广播请求的网络数据,当局域网中所有主机都可以收到这个请求时,便根据ARP协议解析来获取对方主机IP对应的MAC地址,然后将结果返回给带有MAC地址的源主机,最终完成在物理网中传输逻辑数据的目的.

2.
反向地址解析协议RARPRARP实现的是将主机的MAC地址映射为对应的IP地址,通过这种RARP请求方式可以从服务器上获取IP地址.
在无盘工作站中通过BOOTP协议方式发送RARP广播请求来实现RARP解析.

3.
网际控制报文协议ICMPICMP是一种面向连接的协议,用于传输错误报告控制信息.
由于IP协议提供了无连接的数据报传输服务,在传输过程中若发生差错或意外,比如目的不可到达,这就需要ICMP来向源节点报告差错情况,以便源节点对此做出相应的处理.

4.
传输控制协议TCPTCP是在IP提供的基础服务上,支持面向连接的、可靠的、面向数据流的传输服务.
两个使用TCP进行通信的对等实体的一次通信,一般需要经过建立连接、维持连接和数据传输、终止连接三个阶段.
在建立连接阶段实现TCP的三次握手协议,根据序列号和确认号保证实体间数据传输的可靠性.
TCP模块以IP模块为传输基础,同时可以面向多种应用程序提供传输服务:一种是服务程序;另外一种是客户程序.
比如实现Web服务器和客户IE浏览器之间的通信服务.
常见的服务默认端口有:Telnet服务端口23、Web服务端口80、SMTP服务端口25、POP3服务端口110、FTP服务端口21和20等.

5.
用户数据报协议UDPUDP协议是建立在传输层的一种简单的、无连接的、不可靠的数据传输服务,没有确认号和序列号.
在多媒体应用中采用UDP服务是一种比较理想的方法,可提高视频与音频的传输速率.
使用UDP服务的应用程序有:DNS(端口号53)、SNMP(端口号161)、TFTP(端口号69)、DHCP服务器(端口号67)等.

6.
网际互联协议IPIP协议称为网际互联协议,实现网络互联层IP寻址、IP数据转发等功能.
IP提供的主要功能有三种:u无连接、不可靠的数据转发;u数据包分组和重组;u路径选择.
IP协议不仅仅解决了同一网络之间的数据包基础服务,而且还解决了不同物理网络和不同逻辑网络之间的数据转发功能.

4.
4IP地址目前在TCP/IP网络中使用了两种IP地址版本:IPv4和IPv6.
其中,IPv4为32位二进制的地址,被广泛使用;而IPv6为128位二进制的地址,是下一代Internet网络采用的地址分配方案.

1)IPv4地址及其表示方法IPv4版本采用32位二进制描述,IP地址由两部分组成:网络号字段(net-id)和主机号字段(host-id).
IP地址的分类如图1.
4所示.

图1.
4IP地址的五种类型将IP地址每8位二进制看成一组,并换成十进制数,用点".
"分开,形成4组的点分十进制,这是常用方式.
例如11000000100000011100000000000001,换成点分十进制IP地址表示为:192.
129.
192.
1,这样看起来更为方便.
通过图1.
4的描述可以得到A、B、C三类IP地址的使用范围如下:A类:1.
0.
0.
0~126.
255.
255.
255默认子网掩码:255.
0.
0.
0;B类:128.
0.
0.
0~191.
255.
255.
255默认子网掩码:255.
255.
0.
0;C类:192.
0.
0.
0~223.
255.
255.
255默认子网掩码:255.
255.
255.
0.
目前作为私有网络中的IP地址,不作为Internet公有IP地址的使用范围如下:A类:10.
0.
0.
0~10.
255.
255.
255默认子网掩码:255.
0.
0.
0;B类:172.
16.
0.
0~172.
31.
255.
255默认子网掩码:255.
255.
0.
0;C类:192.
168.
0.
0~192.
168.
255.
255默认子网掩码:255.
255.
255.
0.

在IP地址使用中,某个网络主机字段的二进制全1时,表示某个网络中的广播地址,比如222.
18.
134.
255;而某个网络需要表示单个网络的地址时,该IP地址的主机号应该全0,比如10.
0.
0.
0(A类),222.
18.
134.
0(C类).
因此,要满足主机IP地址的基本要求,就要使网络号或主机号不能出现全1或全0的情况.

在使用IP地址的时候,有一些特殊的IP地址是不能作为主机的IP地址的,但是这些特殊地址可以出现在网络数据包中,如表1.
1所示.

表1.
1不作为主机的特殊IP地址2)IP地址子网划分IP的原始划分并不是很科学,当一个单位使用同一个网络号,且单位的主机较多并分布在很大的地理范围时,就需要网桥或交换机(不是路由器)来连接同一个网络的主机.
但这样会产生广播风暴,而且一旦网络出现故障也不太容易隔离和管理.
因此,为了方便管理单位的同一网络号的主机,可以将单位所属的主机划分成若干个子网(subnet),利用IP地址中的主机号字段中前若干连续的比特位作为子网号字段,将剩下的作为主机号字段.
这样就可以实现各个子网由路由器来互联,从而便于管理.
在子网划分的时候需要通过子网掩码来判断,采用子网掩码就相当于采用三级寻址.