第3章 TCPIP协议1086.docx
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第3章TCPIP协议1086
第3章TCP/IP协议
本章提示:
本章主要介绍TCP/IP参考模型概念,各层的功能和相关协议;IP地址的结构和编码规则,IP地址的分类和特殊IP地址;子网与子网掩码的概念、子网划分的原理和子网划分方法;Internet域名系统的概念、域名系统的结构和中文域名等内容。
教学基本要求如下:
(1)了解TCP/IP参考模型、理解各层功能和有关协议。
(2)理解IP地址结构、编码规则和特殊IP地址。
(3)理解子网划分的原理,掌握子网划分方法。
(4)了解Internet域名系统的结构和中文域名。
TCP/IP协议是Internet中计算机之间进行网络通信所必须共同遵循的一种通信协议,是以传输控制协议(TransmissionControlProtocol,TCP协议)和网际协议(InternetProtocol,IP协议)为核心的一组协议。
TCP/IP协议是开放的协议标准,可以免费使用,并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。
随着网络服务的不断出现,TCP/IP不断补充和发展。
3.1TCP/IP概述
为了能使互联网中的每台主机都能正常通信,就必须有一套网络中各节点共同遵守的规程和约定,这就是网络协议。
TCP/IP是Internet最基本的协议。
TCP协议最早由斯坦福大学的两名研究人员于1973年提出。
1983年,TCP/IP被Unix4.2BSD系统采用,随着后TCP/IP逐步成为Unix系统的标准网络协议。
Internet的前身ARPANET最初使用NCP(NetworkControlProtocol)协议,由于TCP/IP协议具有跨平台特性,ARPANET的实验人员在经过对TCP/IP的改进以后,规定连入ARPANET的计算机都必须采用TCP/IP协议。
随着ARPANET逐渐发展成为Internet,TCP/IP协议就成为Internet的标准连接协议。
TCP/IP具有以下特点:
(1)开放的协议标准,并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。
(2)标准化的高层协议,丰富的功能,提供了多种可靠的用户服务。
(3)统一的地址分配方案,使得整个TCP/IP设备在网络中有一个唯一的地址。
(4)独立于特定的网络硬件,可以运行在局域网、广域网,更适用于网络互连。
3.2TCP/IP参考模型
OSI参考模型研究初衷是希望为网络体系结构与协议的发展提供一个国际标准,但由于OSI参考模型迟迟没有成熟的网络产品,因此这一目标一直没有实现。
而Internet的飞速发展却使Internet所遵循的TCP/IP参考模型得到了广泛的应用,成为了事实上的网络体系标准结构。
TCP/IP的体系结构与OSI的体系结构类似,但它却是在OSI参考模型完成以前设计的。
TCP/IP也是分层进行开发的,每一层分别负责不同的通信功能。
TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统,即网络接口层(也称主机-网络层)、网络层(也称网络互联层)、传输层和应用层,TCP/IP参考模型与OSI参考模型对照如图3-1所示。
其中,TCP/IP参考模型的应用层与OSI参考模型的应用层相对应;TCP/IP参考模型的传输层与OSI参考模型的传输层相对应;TCP/IP参考模型的互连层与OSI参考模型的网络层相对应;TCP/IP参考模型的网络接口层与OSI参考模型的数据链路层和物理层相对应。
在TCP/IP参考模型中,对OSI参考模型的表示层、会话层没有对应的协议。
3.2.1网络接口层
TCP/IP参考模型的网络接口层又被称为网络访问层,从严格意义上来讲,网络接口层不是一个层次,而仅仅是一个接口,它对应OSI的物理层和数据链路层。
TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议,仅定义了如何与不同网络进行接口。
网络接口层是TCP/IP参考模型的最低层,负责通过网络介质发送和接收TCP/IP数据包。
允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议,例如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等,这充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性,也为TCP/IP的成功奠定了基础。
3.2.2网络层
TCP/IP参考模型的网络层主要功能是处理数据分组在网络中的活动,将来自传输层的报文进行分组形成数据包(IP数据包),并为该数据包进行路径选择,最终将数据包从源主机发送到目的主机。
网络层还具有进行流量控制、解决拥塞问题、实现网络互联的功能。
在TCP/IP协议族中,网络层协议包括IP协议(网际协议),ICMP协议(Internet互联网控制报文协议),以及IGMP协议(Internet组管理协议)。
1.IP协议
IP协议作为TCP/IP协议簇中的核心协议,提供了网络数据传输的最基本的服务,同时也是实现网络互联的基本协议。
IP协议的任务是对数据包进行相应的寻址和路由,并从一个网络转发到另一个网络。
向上一层提供统一的IP数据报,屏蔽低层各物理数据帧的差异性。
除了ARP(AddressResolutionProtocol)和RARP(ReverseAddressResolutionProtocol)报文以外的几乎所有数据都要经过IP协议发送。
IP协议具有以下特点:
(1)是点对点协议,虽然IP数据报携带源IP地址与目标IP地址,但进行传输时的对等实体一定是相邻设备(同一网络)中的对等实体。
(2)IP协议不保证传输的可靠性,不对数据进行差错校验和跟踪,当数据报发生损坏时不向发送方通告。
如果要求数据传输具有可靠性,需要在IP上使用TCP协议加以保证。
(3)IP协议提供无连接的数据报服务,各个数据报独立传输,可能沿着不同的路径到达目的地,也可能不会按序到达目的地。
2.ICMP协议
TCP/IP的IP层在完成无连接数据报传输的同时,还实现一些基本的控制功能。
这些控制功能包括:
差错报告、拥塞控制、路径控制以及路由器和主机信息获取等。
实现这些控制功能的协议就是位于IP层的因特网控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)。
通常IP层不提供数据传输的可靠性、TCP/IP的可靠性问题由IP层上面的端到端的协议来解决。
这和IP层的差错控制并不矛盾,IP层的差错控制有以下几个特点:
(1)IP层主要解决信宿机不可到达的问题,由于信宿机本身不可到达,使得信宿机无法参与控制,所以无法通过端到端的方式来解决。
(2)IP层仅仅涉及与路径可达相关的差错问题,而不解决数据本身的差错问题。
(3)IP层的差错与控制由一个独立的协议ICMP完成,IP协议不负责完成差错与控制功能。
(4)控制是建立在对信息了解的基础上,在ICMP中控制方可以通过主动与被动两种方式了解信息。
主动方式是控制方主动向对象发出询问,而被动方式则是被动接收对象所报告的信息。
3.ARP协议与RARP协议
在TCP/IP网络中,每个主机都有一个逻辑地址,即IP地址。
而要想使报文在物理网上传输,就必须将IP地址转变为物理地址,即MAC地址。
ARP协议就是负责将主机的IP转换为物理地址的协议。
反向地址解析RARP协议负责将物理地址转换为IP地址。
3.2.3传输层
传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。
在TCP/IP协议族中,有两个互不相同的传输协议:
传输控制协议(TCP,TransmissionControlProtocol)和用户数据报协议(UDP,UserDatagramProtocol)。
这两种传输层协议在不同的应用程序中有各自的用途。
TCP协议是传输层面向连接的通信协议,为两台主机提供高可靠性的数据通信,它将应用层的数据分成合适的小块交给下面的网络层,确认接收到的分组,设置发送最后确认分组的超时时间等。
由于传输层提供了高可靠性的端到端的通信,因此应用层可以忽略所有这些细节。
UDP协议是一种面向无连接的协议,它不能提供可靠的数据传输,为应用层提供一种非常简单的服务。
它将数据报的分组从一台主机发送到另一台主机,但并不保证该数据报能到达另一端,任何必需的可靠性必须由应用层来提供。
3.2.4应用层
TCP协议的应用层提供了用户访问网络的接口,负责处理特定的应用程序细节。
几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用层协议:
(1)Telnet(远程登录)协议:
远程登录协议是因特网上最为简单的协议之一。
应用Telnet协议能够把本地用户所使用的计算机变成远程主机的一个终端,从而使用远程主机的资源和管理远程主机。
(2)FTP(文件传输)协议:
文件传输协议可以使用户通过网络将远程文件复制到本地系统中,或将本地文件复制到远程系统中。
(3)HTTP(超文传输)协议:
HTTP协议主要于从WWW服务器传输超文本文件到本地浏览器上,超文本环境能实现文档间快速跳转,使用户高效的浏览信息。
HTTP协议是作为一种请求/应答协议来实现的,当客户端请求Web服务器上的一个文件,服务器则以将相应的文件作为应答。
(4)SNMP(简单网络管理)协议:
SNMP协议是对网络管理体系结构和协议进行管理,它提供了一个基本框架用来实现对鉴别、授权、访问控制等。
解决因计算机网络发展规模不断扩大,复杂性不断增加,网络异构程度越来越高引起网络统一管理问题。
(5)DNS(域名服务):
DNS域名服务可以将以字符表示的主机的名字转换以数字表示的IP地址。
这些协议由TCP/IP制定相应协议标准,允许用户在传输层之上自定义应用层协议。
3.3IP地址
连接在Internet上所有计算机,从大型机到微型计算机都是以独立的身份出现,统称为主机(Host)。
为了实现各主机间的通信,每台主机都必须有一个唯一的网络地址,这好比信件的住址一样,邮递员根据地址才能把信送到,而主机发送信息好比邮件,它必须拥有唯一的地址,才不至于把信送错。
Internet的网络地址是指连入Internet网络的计算机的地址编号。
在Internet网络中,网络地址唯一地标识一台计算机。
Internet是由成千上万台计算机互相连接而成的,要确认网络上的每一台计算机,就需要有能唯一标识该计算机的网络地址,该地址称为IP地址,即Internet协议所使用的地址。
3.3.1IP地址格式
目前,Internet地址主要采用的是IPv4的IP地址格式,它由32位(4个字节)的二进制数组成。
为了便于记忆,将其分为4组,每组8位,由小数点分开,用4个十进制数来表示,用点分开的每个十制数的范围是0~255,如210.27.80.4,这种书写方法称为点分十制表示法。
IP地址的32位二进制数表示的意义为:
类型+网络标识+主机标识,如图3-2所示。
<-4字节共32位->
类型
网络标识
主机标识
图3-2IP地址格式
其中:
“类型”用来区分IP地址的类型;“网络标识”表示主机所在的网络编号,简称网络号;“主机标识”表示主机在本网中编号,简称主机号。
在实际应用中,往往把“类型”与“网络标识”看成一个整体,用于标识主机所在的网络。
因此,IP也可看成由两部分组成,即:
网络标识+主机标识。
3.3.2IP地址分类
TCP/IP协议规定了每个IP地址为32位二进制编码。
32位编码中需要描述网络号和主机号。
那么对于一个IP地址,其中网络号和主机号各占多少位?
这个问题看似简单,意义却重大,因为当一个地址确定后,网络号的长度将决定整个Internet中能包含多少个网络,主机号长度则决定每个网络中能容纳主机数量。
从LAN到WAN,不同种类的网络规模相差很大,必须区别对待。
因此,按网络规模大小,将IP地址分为5类,如图3-3所示。
1.A类地址
该类地址主要用于世界上少数具有大量主机的网络,其网络数有限,仅仅有很少的国家和网络组织才可获取此类地址。
A类地址中网络编号为1个字节,其中最高位总设成0,剩余的7位用于网络编号,最多可以有128个A类网络(27即128个网络地址组合);而主机编号为3个字节(即24位表示主机号),每个网络中可以有即16777216个惟一主机标识(实际可用为224-2个地址)。
任何一个0~127的网络地址(不包括0和127)均是一个A类地址。
2.B类地址
此类地址主要用于规模中等的网络,现随着Internet的发展,也很难分配到此类地址。
B类地址编码中用2个字节进行网络编号,用2个字节进行主机编号,其中网络编号的最高两位总为二进制的10,剩余的14位代表网络号,最多有214即16384个网络地址组合;每个网络中主机可以有216即65536个惟一主机号(实际可用为216-2个地址)。
任何一个128~191的网络地址(包括128和191)均是一个B类地址。
3.C类地址
主要用于网络数量众多,而在一个网络中主机数量较少的网络。
C类地址中用3个字节进行网络编号,用1个字节进行主机编号,网络编号的最高三位总为二进制的110,剩余的21位代表网络号,最多有221即2097152个网络地址组合;主机8位二进制编码,每个网络中可以有28即256个主机号(实际可用为254个)。
任何一个192~223的网络地址(包括192和223)均是一个C类地址。
4.D类地址
此类地址是特殊地址,为预留的IP多播地址,是用于与网络上多台主机同时进行通信的地址。
D类地址的最高4位总是二进制的1110,剩下的28位供主机组织者使用,也就是说,最多有228即268435456个多播地址组合。
多播中不使用网络地址的概念,因为任何网络上的主机无论是否属于同一网络均可接收多播。
任何一个在224~239的网络地址(包括224和239)均是一个多播地址。
5.E类地址
此类地址是特殊IP地址,为实验性地址,暂保留,以备将来使用。
E类地址的最高4位的二进制数总为1111。
3.3.3特殊IP地址
在IP地址中,有一些IP地址具有特殊用途,可分配的IP地址总数会进一步减少,下列地址具有特殊用途,不能分配给主机使用。
1.网络地址
TCP/IP网络中,每个网络都有一个IP地址,其主机号部分为“0”。
该地址用于标识网络,不能分配给主机,因此不能作为数据的源地址和目的地址。
2.广播地址
TCP/IP规则,主机号各位全为“1”的IP地址用于广播之用,称为广播地址。
所谓广播,指同时向本网络或其他网络上所有的主机发送报文。
3.有限广播地址
广播地址包含一个有效的网络号和主机号,技术上称为直接广播地址。
在Internet上的任何一点均可向其他任何网络进行直接广播,但直接广播的前提是必须要知道信宿网络的网络号。
当需要在本网络内部广播,但又不知道本网络的网络号,怎么办?
TCP/IP规定,32位编码全为“1”的IP地址(即255.255.255.225)用于本网广播,该地址称为有限广播地址。
主机在启动过程中,往往是不知道本网的Internet地址的,这时候若向本网广播,只能采用有限广播地址。
4.本网络地址
TCP/IP规定,网络号各位全为“0”的地址表示本网络。
本网络地址分为两种:
本网络特定主机地址和本网络本主机地址。
本网络特定主机地址为主机号各位不全为“0”,它只能作为目的地址。
本网络本主机地址的主机号各位也同时为“0”,即它的点分十进制表示为:
0.0.0.0,它只能作为源地址。
5.环回地址
环回地址是用于网络软件测试以及本机进程间通信的特殊地址。
A类网络地址127被用作环回地址。
通常采用127.0.0.1作为环回地址,并将其命名为localhost。
6.保留地址
因特网地址分配机构为私有网络保留了3组IP地址,任何私有网络都可以使用这些地址来进行TCP/IP网络通信。
这3组保留地址如下:
A类:
10.0.0.0~10.255.255.255
B类:
172.16.0.0~172.32.255.255
C类:
192.168.0.0~192.168.255.255
保留地址是专门为没用直接连接到因特网上的网络使用的,使用这些地址的网络并不能直接连接到因特网,但可以借助于代理服务器的网络地址转换(NAT)功能,来实现连接因特网。
使用保留地址不仅可以节省大量的IP地址,缓解IP地址不足的问题,而且还能保证私有网的安全。
3.4IP子网及其划分
如果整个IP地址空间完全按网络号和主机号划分,则存在一些管理使用问题。
例如:
一个单位申请到一个B类地址,该网络可以容纳65534台主机,该单位又没有这么多入网设备,那么就出现网络地址浪费问题,同时,即便有如此多的入网设备,要把这么多的设备放在同一个网络内管理也是非常复杂的。
由此,人们提出将网络再进一步划分为若干子网络。
因此引入了子网的概念。
3.4.1子网概念
无论是A类、B类还是C类网络,为了方便网络管理及合理使用IP地址,可以将其进行分割,使其成为规模更小的网络,称为子网。
子网划分方法是在最初的IP地址分类基础上,将IP地址的主机号划分为两部分,其中前一个部分用于子网编号(标识子网),后一个部分作为主机编号(主机标识),通过编码号形成新的IP地址。
带子网标识的IP地址结构如图3-4所示。
划分子网前
网络号
主机号
划分子网后
网络号
子网号
主机号
图3-4子网划分后IP地址构成
划分后IP地址由三部分组成:
网络号、子网号和主机号。
由于网络号+子网号可以惟一标识一个子网,因此,将这两部分结合起来再加上主机号为“0”的部分称为子网地址。
3.4.2子网掩码
子网掩码(subnetmask)又叫网络掩码、地址掩码,子网掩码是一个32位地址,是与IP地址结合使用的一种技术。
它的主要作用有两个,一是用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识,并说明该IP地址是在局域网上,还是在远程网上。
二是用于将一个大的IP网络划分为若干小的子网络。
子网掩码不能单独存在,它必须结合IP地址一起使用。
子网掩码是一个32位的二进制数据,它可以反映出IP地址中哪些位对应网络号和子网号、哪些位对应主机号。
子网掩码指定了子网号和主机号的分界点,子网掩码中对应网络号和子网号的所有位都被设为1,而对应主机号的所有位都被设为0。
获得子网地址的方法是将子网掩码和IP地址按位进行“与(AND)”运算。
运算实例如图3-5所示。
10101100
00010001
01010001
00010000
(172.17.81.16)
AND
11111111
11111111
11000000
00000000
(255.255.192.0)
10101100
00010001
01000000
00000000
(172.17.64.0)
图3-5由IP地址和子网掩码获取子网地址
同IP地址一样,子网掩码也是一个32位的二进制数,直接用二进制表示不仅仅麻烦,而且容易出错。
为方便表示子网掩码,通常采用如下两种方法:
(1)点分十进制表示法。
点分十制表示法既可以用于表示IP地址,也可用于表示子网掩码。
例如255.255.192.0就是子网掩码“11111111111111111100000000000000”用点分十进制表示法的形式。
这也是最常用的子网掩表示方法。
(2)说明子网掩码中“1”的位数来表示子网掩码。
这种方法比简练,它是在IP地址的后面写上子网掩码中“1”的位数。
因为子网掩码中“1”通常都是连续的,且一定出现在左侧,所以不会造成混乱,如202.1179.186.13/26就表示IP地址是202.117.186.13,子网掩码中“1”的位数是26位,即255.255.255.192。
每类IP地址都有一个标准的子网掩码,或者说是缺省(默认的)子网掩码。
A类地址的标准子网掩码是255.0.0.0,B类地址的标准子网掩码是255.255.0.0,C类地址的标准子网掩码是255.255.255.0。
3.4.3子网划分
1.划分方法
划分子网的主要工作是要确定子网掩码,以便决定要从主机号中分出多少位来表示子网号,这取决于子网的数量和子网的规模。
子网划分步骤如下:
(1)确定要划分的子网数n。
将要划分的子网数n减1,并将其转换为二进制数,此二进制数的比特位数m就是将从主机号中“借”出用于表示子网号的位数。
如要分为4个子网,则4-1=3,将3转换为二制后为“11”,则m=2。
(2)确定子网掩码中“1”的位数。
将网络地址的标准子网掩码中“1”的个数加上m,就是将此IP网络划分后的子网掩码的位数。
可根据二进制再转换为点分十进制表示法表示。
例如,将一个A类网络地址划分为4个子网,则m=2,由于A类网络地址的标准掩码是“255.0.0.0”,其中“1”的个数是8,那么此子网掩码则是“8+2”共10位。
将其转换为点分十进制表示,则为“255.192.0.0”。
同样如果将一个C类地址划分为2个子网,则子网掩码为“255.255.255.192”。
(3)根据子网掩码确定每个子网地址中IP地址范围。
根据子网号,计算出子网地址,并依据每个子网的主机号的最小值和最大取值,计算出每个子网的最小IP地址和最大IP地址,从而得到每个子网的地址范围。
2.子网划分示例
某单位申请到了一个C类IP地址202.117.179.0,现要将其划分为4个子网,请确定子网掩,并列出每个子网的IP地址范围。
计算步骤:
(1)将要划分的子网个数减1,即4-1=3。
(2)将3转换为二进制数:
11。
(3)因为11有2个比特位,所以需要2个比特位来表示子网号。
(4)C类IP地址的标准掩码中比特位“1”的个数是24,所以划分后的子网掩码中“1”的位数是24+2=26位。
子网掩码是255.255.255.192。
(5)确定每个子网地址及每个子网的范围。
由于需要从主机号中从高位“借”出2位用于子网号编码,则子网号编码为为00、01、10、11,由于8位二进制中2位用于子网编码,剩余6位用于主机编码。
由于主机号为“0”的地址表示网络地址,4个子网的子网地址如表3-1,各子网地址范围如表3-2所示。
表3-1各子网的子网地址
子网号
二进制地址
十进制地址
子网0
11001010011101011011001100000000
202.117.179.0
子网1
11001010011101011011001101000000
202.117.179.64
子网2
11001010011101011011001110000000
202.117.179.128
子网3
11001010011101011011001111000000
202.117.179.192
表3-2子网的地址范围
子网号
子网地址
IP地址范围
广播地址
子网0
202.117.179.0
202.117.179.0~202.117.179.63
202.117.179.63
子网1
202.117.179.64
202.117.179.64~202.117.179.127
202.117.179.127
子网2
202.117.179.128
202.117.179.128~202.117.179.191
202.117.179.191
子网3
202.117.179.192
202.117.179.192~202.117.179.255
202.117.179.255
3.5Internet域名系统
IP地址为主机提供了全局惟一的标识,但IP地址用点分十进制表示,难以理解与记忆。
为了方便用户使用Internet,TCP/IP在应用层采用了字符型主机名称机制。
但在计算机进行网络通信时,就需要先将字符型主机名转换成
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