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第第3章章 网络的体系结构和协议网络的体系结构和协议 本章主要介绍网络的分层结构、OSI参考模型、TCP/IP体系结构、IP地址与子网划分及IPv6技术等内容。通过本章学习，应达到如下学习目标：（1）了解网络的分层结构、网络协议的基本概念和相关术语；（2）熟悉OSI参考模型的分层结构及各层的功能；（3）熟悉TCP/IP参考模型的分层结构及各层的功能，了解两个参考模型的对应关系；（4）了解IPv6的基本特点及对IPv4的功能扩展。3.1 3.1 基本概念基本概念3.2 3.2 开放系统互连开放系统互连(OSI)(OSI)参考模型参考模型3.3 TCP/IP3.3 TCP/IP体系结构体系结构 3.4 IP3.4 IP地址与子网划分地址与子网划分 3.5 IPV63.5 IPV6简介简介第3章 网络的体系结构和协议 本本本本章章章章主主主主要要要要内内内内容容容容3.1 基本概念基本概念 3.1.1 网络体系结构概述网络体系结构概述实现资源共享，计算机网络系统要完成以下工作：（1）发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活(Activate)。即要发出一些信令，保证要传送的计算机数据能在指定通路上正确发送和接收。（2）要告诉网络如何识别接收数据的计算机。（3）发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据。（4）发起通信的计算机必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好文件接收和存储文件的准备工作。（5）若计算机的文件格式不兼容，则至少其中的一个计算机应完成格式转换功能。（6）对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失，网络中某个节点出现故障等，应当有可靠的措施，保证对方计算机最终能够收到正确的文件。计算机网络由多个互连的结点组成，结点之间需要不断地交换数据与控制信息。要想做到有条不紊地交换数据，网络中的每一个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。通常情况下，人们将为网络数据交换而定制的规则、约定与标准称为网络协议（Protocol）。网络协议主要由语法、语义和时序3个要素组成，下面分别进行介绍。语法 语义 时序 语法语法即用户数据与控制信息的结构与格式，它是规定将若干协议元素和数据组合在一起表示一个更完整的内容所应遵循的格式，也可以说它是对数据结构形式的一种规定。语义 语义是指对构成的协议元素含义的解释，即需要发出何种控制信息，以及完成的动作与作出的响应。时序 时序是对事件实现顺序的详细说明。由此可见，网络协议实际上是计算机网络之间通信时使用的一种语言。这种语言在发送方和接收方要有统一的标准，否则无法进行沟通。3.1.2 网络的分层结构网络的分层结构 基本的网络体系结构模型就是层次结构模型，如图3-1所示。所谓层次结构就是指把一个复杂系统的设计问题分解成多个层次分明的局部问题，并规定每一层次所必须完成的问题。图3-1 【层次模型】采用层次结构模型来描述网络协议可将复杂的网络协议简单化，能够更好地定制并实现网络协议。分层定义网络协议，能够实现在每一层定义了一个或多个协议，以完成相应的通信功能。层次结构模型的概念比较抽象，这里将以日常生活中大家经常使用的邮政特快专递为例，帮助读者理解关于层次结构模型的相关概念。通过邮政特快专递系统传送物品时，一般来说，应涉及发送和接收的通信者、邮局前台、转发部门以及运输部门等环节。具有4个层次的邮政特快专递系统模型 网络协议的层次结构在网络结构模型中，经常出现许多专业的名词和概念，在下面将进行简单的介绍。分层 服务 接口 对等实体 通信协议 分层分层是将整个网络通信系统按逻辑功能分解到若干层次中，每一层均规定了本层要实现的功能。这种“结构化分层”的设计方法，要求各层次相对独立、界限分明，以便网络的硬件和软件分别去实现。实体 每一层中，用于实现该层功能的活动元素被称为实体(Entity)，如果一层中包括两个实体，称为对等实体（Peer Entity）。实体N+1层N+1层协议N+1层实体实体N层N层协议N层实体实体N-1层N-1层协议N-1层实体接口接口接口接口接口 网络分层结构中，相邻层之间都会有一接口，它定义了低层向高层提供的原始操作和服务。接口是相邻层次之间用来交换信息的，为了使两层之间保持其功能的独立性，通常情况下通过接口的信息量很少。服务 u在计算机网络协议的层次结构中，层与层之间具有服务于被服务的单向依赖关系，下层向上层提供服务，而上层调用下层的服务。因此可称任意相邻两层的下层为服务提供者，上层为服务调用者。下层为上层提供的服务可分为两类：面向连接服务（Connection Oriented Service）和无连接服务（Connection Service）。u（1）面向连接的服务。该服务以电话系统为模形，在数据交换之前，必须要求通信双方先建立连接，当数据交换结束后，则必须终止这个连接。u（2）无连接服务。无连接服务以邮政系统为模式。u通常用可靠性这一指标来衡量不同服务类型的质量和特性。面向连接的服务能够提供可靠的交付，但无连接服务则不保证提供可靠的交付，它只是“尽最大努力交付（Best-effort Delivery）”。这两种服务方式都很有用，各有优缺点。服务原语 相邻层之间通过一组服务原语（Service Primitive）建立相互作用，完成服务与被服务的过程。服务原语可通知服务提供者采取某些行动或报告某个对等实体的活动。服务原语可分为四类，分别是请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）、确认（Confirm）。详情请参见表3.1。原原语语功功 能能(含含义义)请求 request服务调用者请求服务提供者提供某种服务指示indication服务提供者告知服务调用者某事件发生响应response服务调用者通知服务提供者响应某事件确认confirm服务提供者告知服务调用者关于它的请求的答复指示原语指示原语指示原语指示原语 用 户实 体第 n 层第 n+1 层用 户请求原语请求原语请求原语请求原语响应原语响应原语响应原语响应原语确认原语确认原语确认原语确认原语实 体系统系统A A系统系统B B邮政系统处理信件的层次结构邮政系统处理信件的层次结构邮政系统处理信件的层次结构邮政系统处理信件的层次结构 A A 写信写信A A 地地邮政局处理邮政局处理转运处转运处转运处转运处邮政局分发邮政局分发B B 看信看信B B 地地通信双方的协议通信双方的协议通信双方的协议通信双方的协议两地邮局的协议两地邮局的协议两地邮局的协议两地邮局的协议两地转运处的协议两地转运处的协议两地转运处的协议两地转运处的协议第一层第一层第一层第一层第一层第一层第一层第一层第二层第二层第二层第二层第二层第二层第二层第二层第三层第三层第三层第三层第三层第三层第三层第三层v 协协 议：议：v 服服 务：务：“水平的水平的水平的水平的”，控制对等实体之间通信的规则。，控制对等实体之间通信的规则。，控制对等实体之间通信的规则。，控制对等实体之间通信的规则。“垂直的垂直的垂直的垂直的”，由下层向上层通过层间接口提供的。，由下层向上层通过层间接口提供的。，由下层向上层通过层间接口提供的。，由下层向上层通过层间接口提供的。网络体系结构u引入分层模型后，人们将计算机网络系统中的层、各层中的协议及层次间接口的集合称为计算机网络体系结构。u网络体系结构是从体系结构的角度来研究和设计计算机网络体系，其核心是网络系统的逻辑结构和各层功能定义，即描述实现不同计算机系统之间互连和通信的方法和结构，是层和协议的集合。通常采用结构化设计方法，将计算机网络系统划分成若干功能模块，形成层次分明的网络体系结构。3.2 3.2 开放系统互联（开放系统互联（OSIOSI）参考模型）参考模型 20世纪80年代初期，国际标准化组织（International Standards nternational Standards OrganizationOrganization ISO）认识到，需要一个网络模式来帮助厂商实现网络间的相互操作，于是ISO和一些科研机构、大的网络公司做了大量的工作，并于1984年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，称为开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Mode，OSI）。这里的“开放”是指任何两个遵守OSI/RM的系统都可以进行互连，当一个系统能按OSI与另一个系统进行通信时，就称该系统为开放系统。3.2.1 OSI的分层结构OSI/RM参考模型采用分层体系结构，它定义了网络体系结构的7层框架。最下层为第1层，依次向上，最高层为第7层。从第1层到第7层分别为：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。开放系统参考模型OSI/RM结构 图3-2 【OSI参考模型】应用层会话层传输层网络层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层接口接口接口接口接口接口报文（M）报文（M）报文（M）报文（M）报文分组（P）帧（F）位（bit）应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议数据链路层表示层网络层协议物理媒介数据链路层协议主机X主机YOSI/RM参考模型中的对等实体和七层协议 OSI/RM参考模型中，每层对等实体之间都存在着通信，因此按照层次的不同分别定义了七层协议，并分别以各自层的名称命名。OSI/RM参考模型的七层协议由上往下依次为应用层协议、表示层协议、会话层协议、运输层协议、网络层协议、数据链路层协议和物理层协议。在各层协议中，分别定义了相应层的协议控制信息的规则和格式。3.2.2 OSI各层功能简介1）物理层（Physical Layer）作为最低层的物理层，它在通信网络中实现透明地传送比特流，为数据链路层提供物理连接服务。2）数据链路层（Data Link Layer）数据链路层在通信的实体之间负责建立、维持和释放数据链路连接。在相邻两个结点间采用差错控制、流量控制的方法，为网络层提供无差错的数据传输服务。3）网络层（Network Layer）网络层的主要功能是为分组选择最适当的路径，并同时实现差错检测、流量控制与网络互联等功能。4）运输层（Transport Layer）运输层是计算机网络体系结构中关键的一层。在运输层中完成了主机到主机的差错控制、流量控制等。运输层为高层提供端到端可靠、透明的数据传输服务，5）会话层（Session Layer）会话层的功能是实现两个会话进程之间的数据传输同步，并管理数据的交换。功能。6）表示层（Presentation Layer）表示层实现了不同语法表示的数据格式转换、数据的加密与解密、数据压缩与恢复等功能。7）应用层（Application Layer）应用层是开放系统与用户应用程序的接口，为用户提供管理和分配网络资源的服务，如传送文件和收发电子邮件等。应用层为用户提供应用程序及网络相互作用的接口：FTP、DNS、Telnet、SMTP等。物理层、数据链路层和网络层物理层、数据链路层和网络层与具体网络有关，实现通信子与具体网络有关，实现通信子网的功能。网的功能。低低3层由硬件实现，高层由层由硬件实现，高层由软件实现。软件实现。3.3 TCP/IP3.3 TCP/IP参考模型参考模型 TCP/IP是一组通信协议的代名词，它是因特网的核心，利用TCP/IP协议可以很方便地实现多个网络的无缝连接，通常所谓的”某台机器在因特网上”，就是指该主机具有一个因特网地址，运行TCP/IP协议，并可向因特网上所有其他主机发送IP数据报。TCP/IP有如下特点：有如下特点：开放的协议标准，可以免费使用，独立于特定的硬件与操作系统。独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，互联网中。统一的地址分配方案，整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址。标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。3.3.1 TCP/IP3.3.1 TCP/IP概述概述 TCP/IP分为四个层次，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。TCP/IP的层次结构与OSI层次结构的对照关系如图3-3所示。图3-3 OSI和TCP/IP模型 网络接口层是TCP/IP模型的最低层，负责接收从网络层交来的IP数据报，并将IP数据报通过底层物理网络发送出去，或者从底层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给网络层。网络接口层使采用不同技术和网络硬件的网络之间能够互连，它包括属于操作系统的设备驱动器和计算机网络接口卡，以处理具体的硬件接口。TCP/IP的网络接口层中包括各种低层协议，例如Ethernet、令牌环、帧中继、ISDN和分组交换网X.25等。3.3.2 3.3.2 网络接口层网络接口层 网际层负责独立地将分组从源主机送往目标主机，涉及为分组提供最佳路径的选择和交换功能，并使这一过程与它们所经过的路径和网络无关。TCP/IP模型的网际层在功能上非常类似于OSI模型中的网络层，即检查网络拓扑结构，以决定传输报文的最佳路由。网际层包括多个重要协议，主要协议有四个：网际互联协议(Internet Protocol，IP)是其中的核心协议，IP协议规定网际层数据分组的格式；因特网控制信息协议(Internet Control Message Protocol，ICMP)：提供网络控制和消息传递功能；地址解释协议(Address Resolution Protocol，ARP)：将逻辑地址解析成物理地址；反向地址解释协议（Reverse Address Resolution Protocol,RARP）:将物理地址解析成逻辑地址 3.3.3 3.3.3 网际层网际层 1、IP协议 IP（Internet Protrol）即网际协议，是应用最广泛的网间互连协议，它定义在网际）即网际协议，是应用最广泛的网间互连协议，它定义在网际层，为上层提供不可靠的、尽最大努力完成的、无连接的数据报传输服务。层，为上层提供不可靠的、尽最大努力完成的、无连接的数据报传输服务。u特点特点:（1）面向无连接的传输服务。无连接表示每个IP数据包都是独立发送的，而且从源节点到目的节点的一系列数据包可能经过不同的传输路径，有的在传输过程还可能丢失。（2）不可靠的数据投递服务。IP协议本身没有能力证实发送的报文是否被正确接受。IP数据包在传输过程中可能丢失、重复、损坏或错序。但IP不检测这些错误。在错误发生时，IP也没有可靠的机制来通知发送方或接受方。（3）尽力发送服务。IP并不随意的丢弃数据包。只有当系统的资源用或底层网络出现故障时，IP才被迫丢弃报文。由IP控制的协议单元称为IP数据报。IP数据报（IPv4）由报头和正文组成，如下图所示:uIPIPIPIP数据报格式数据报格式数据报格式数据报格式可变部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特数 据 部 分首 部传送IP 数据报固定部分可变部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特数 据 部 分首 部传送IP 数据报固定部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特数 据 部 分首 部传送IP 数据报固定部分可变部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分版本占 4 bit，指IP协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4(即 IPv4)首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分首部长度占 4 bit，可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节)因此 IP 的首部长度的最大值是60字节。首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分服务类型占 8 bit，用来获得更好的服务这个字段以前一直没有被人们使用 首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分总长度占 16 bit，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为 65535 字节。总长度必须不超过最大传送单元 MTU。(每一种数据链路层都有其自己的帧格式，其中包括数据字段的最大长度，在IP层为MTU)首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分标识(identification)占 16 bit，它是一个计数器，用来产生数据报的标识。首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分标志(flag)占 3 bit，最地位记为MF=1，表示后面还有分片，MF=0，表示这是数据报片中最后一个。首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分片偏移(12 bit)指出：较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。偏移=0/8=0偏移=0/8=0偏移=1400/8=175偏移=2800/8=350140028003799279913993799需分片的数据报数据报片 1首部数据部分共 3800 字节首部 1首部 2首部 3字节 0数据报片 2数据报片 314002800字节 0IP 数据报分片的举例首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分生存时间(8 bit)记为 TTL(Time To Live)数据报在网络中的寿命，其单位为秒。首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分协议(8 bit)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程运输层网络层首部TCPUDPICMPIGMPOSPF数 据 部 分IP 数据报协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分首部检验和(16 bit)字段只检验数据报的首部不包括数据部分。这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分源地址和目的地址都各占 4 字节uIPIPIPIP数据报的分段和重装数据报的分段和重装数据报的分段和重装数据报的分段和重装 IPIPIPIP层以下是数据链路层，由于在不同的物理网层以下是数据链路层，由于在不同的物理网层以下是数据链路层，由于在不同的物理网层以下是数据链路层，由于在不同的物理网络中数据链路层协议对帧长度的要求有所不同，所络中数据链路层协议对帧长度的要求有所不同，所络中数据链路层协议对帧长度的要求有所不同，所络中数据链路层协议对帧长度的要求有所不同，所以以以以IPIPIPIP协议要根据数据链路层所允许的最大帧长对数协议要根据数据链路层所允许的最大帧长对数协议要根据数据链路层所允许的最大帧长对数协议要根据数据链路层所允许的最大帧长对数据报的长度进行检查，必要时将其分成若干个较小据报的长度进行检查，必要时将其分成若干个较小据报的长度进行检查，必要时将其分成若干个较小据报的长度进行检查，必要时将其分成若干个较小的数据报进行发送。的数据报进行发送。的数据报进行发送。的数据报进行发送。数据报分段时，每个分段前都要加上相应的数据报分段时，每个分段前都要加上相应的数据报分段时，每个分段前都要加上相应的数据报分段时，每个分段前都要加上相应的IPIPIPIP报头，形成新的数据报。这时应注意报头，形成新的数据报。这时应注意报头，形成新的数据报。这时应注意报头，形成新的数据报。这时应注意IPIPIPIP报头的相关报头的相关报头的相关报头的相关字段发生了变化。字段发生了变化。字段发生了变化。字段发生了变化。uIPIPIPIP数据报的封装数据报的封装数据报的封装数据报的封装 表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层上层数据数据数据数据01011101010010000010MAC头LLC头IP头TCP头PDU段包帧数据位FCSFCS上层数据表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层上层数据01011101010010000010LLC头IP头TCP头数据MAC头IP头TCP头数据LLC头IP头TCP头TCP头数据上层数据uIPIPIPIP数据报的解封装数据报的解封装数据报的解封装数据报的解封装 uIPIPIPIP数据报的路由数据报的路由数据报的路由数据报的路由 IP IP IP IP协议最重要的功能之一是路由选择，协议最重要的功能之一是路由选择，协议最重要的功能之一是路由选择，协议最重要的功能之一是路由选择，IPIPIPIP数据数据数据数据报在网络中传输的过程就是路由选择的过程。网络报在网络中传输的过程就是路由选择的过程。网络报在网络中传输的过程就是路由选择的过程。网络报在网络中传输的过程就是路由选择的过程。网络中每个主机和路由器都拥有一个路由表，路由表主中每个主机和路由器都拥有一个路由表，路由表主中每个主机和路由器都拥有一个路由表，路由表主中每个主机和路由器都拥有一个路由表，路由表主要由目的主机所在的网络地址及下一个路由器的地要由目的主机所在的网络地址及下一个路由器的地要由目的主机所在的网络地址及下一个路由器的地要由目的主机所在的网络地址及下一个路由器的地址构成，下一个路由器地址是指址构成，下一个路由器地址是指址构成，下一个路由器地址是指址构成，下一个路由器地址是指IPIPIPIP数据报应发送到数据报应发送到数据报应发送到数据报应发送到的下一个路由器接口的的下一个路由器接口的的下一个路由器接口的的下一个路由器接口的IPIPIPIP地址。地址。地址。地址。uIPIPIPIP数据报的发送数据报的发送数据报的发送数据报的发送uIPIPIPIP数据报的接收数据报的接收数据报的接收数据报的接收2、ARP地址解析协议 在TCP/IP网络环境下，每个主机都分配了一个32位的IP地址，这种互联网地址是在国际范围标识主机的一种逻辑地址。为了让报文在物理网上传送，必须知道彼此的物理地址。这样就存在把互联网地址变换为物理地址的地址转换问题。以以太网（Ethernet）环境为例，为了正确地向目的站传送报文，必须把目的站的32位IP地址转换成48位以太网目的地址DA。这就需要在网络层有一组服务将IP地址转换为相应物理网络地址，这组协议即是ARP。在互联网环境下，为了将报文送到另一个网络的主机，数据报先定向发送方所在网络IP路由器。因此，发送主机首先必须确定路由器的物理地址，然后依次将数据发往接收端。除基本ARP机制外，有时还需在路由器上设置代理ARP，其目的是由IP路由器代替目的站对发送方ARP请求做出响应。子网内ARP解析与子网间ARP解析F0/0 192.168.1.1F0/1 192.168.2.1网络1：192.168.1.0网络2：192.168.2.0主机1 192.168.1.2主机2 主机3 192.168.1.4主机4 192.168.2.2主机5主机6 192.168.2.4主机73、反向地址解析协议 反向地址转换协议用于一种特殊情况，如果站点初始化以后，只有自己的物理地址而没有IP地址，则它可以通过RARP协议，发出广播请求，征求自己的IP地址，而RARP服务器则负责回答。这样，无IP地址的站点可以通过RARP协议取得自己的IP地址，这个地址在下一次系统重新开始以前都有效，不用连续广播请求。RARP广泛用于获取无盘工作站的IP地址。4、ICMP 因特网控制消息协议(Internet Control Message Protocol，ICMP)来检测网络，包括路由、拥塞、服务质量等问题。ICMP有多种形式的ICMP消息类型，每个ICMP消息类型都被封装于IP分组中。网络测试工具“ping”和“tracert”就都是基于ICMP实现的.3.3.4 传输层 TCP/IP在这一层提供了两个主要的协议：传输控制协议（Transport Control Protocol TCP）和用户数据协议（User Datagram Protocol UDP），另外还有一些别的协议，例如用于传送数字化语音的NVP协议。TCP:是面向连接的协议，用三次握手和滑动窗口机制来保证传输的可靠性和进行流量控制。UDP:是面向无连接的不可靠的传输层协议。1、TCP协议 尽管TCP/IP的网络层提供的是一种面向无连接的IP数据报服务,但传输层的TCP旨在向TCP/IP的应用层提供一种端到端的面向连接的可靠的数据流传输服务。TCP常用于一次传输要交换大量报文的情形,如文件传输、远程登录等.为了实现这种端到端的可靠传输,TCP协议必须规定传输层的连接建立与拆除的方式、数据传输的格式、确认的方式、目标应用进程的识别以及差错控制和流量控制机制等。TCP协议的功能由于IP提供的是不可靠的数据报服务。为了保证数据传输的正确性，需要通过TCP协议对IP协议进行“弥补”，以提供一个可靠的、面向连接的、全双工的数据流传输服务。TCP协议的主要功能介绍如下。建立和释放连接：TCP允许在不同主机之间建立连接，以实现全双工数据传输，传输结束后自动释放连接。在连接时，TCP采用著名的“3次握手”技术，释放时采用“文雅释放”技术。基本数据传输：为了方便数据传输，上层数据被TCP分成若干段，每段是一个传输层的协议数据单元。通过TCP将每个段封装在IP数据报中传输。可靠性控制：TCP为了保证数据传输的可靠性，采用了滑动窗口、超时重传、流量控制等技术。多路复用：TCP可以为多个进程提供并行传输连接，实现更大的传输速率。IPH TCPH FTPH IPH TCPH FTPH数据数据TCPH FTPH TCPH FTPH 数据数据FTPH FTPH 数据数据数据数据TCP报文传送 图3.6 TCP的报文传送应用层传输层网络层网络接口层Ethernet用户报文TCP数据报IP数据报以太帧用户数据用户数据以太帧头以太帧头 IPH IPH TCPH TCPHFTPHFTPH数据数据帧头帧头目的地址目的地址 源地址源地址包类型包类型包数据包数据CRCCRC检验检验TCP报文格式 报文格式首部中的主要字段含义如下：源端口和目的端口（各占16 bit）：TCP端口是指TCP与应用层服务的接口，不同的服务其接口也各不相同。序列号（占32 bit）：TCP报文中的数据流是按字节进行编号的。TCP报文中的序列号是指本报文中数据部分的起始字节号。确认号（占32 bit）：TCP报文中的确认号是指接收方希望收到发送方发送的下一个报文中数据部分的第一个字节序号。需要注意与前面的序列号之间的区别。数据偏移（占4 bit）：数据偏移指明了TCP报文首部的长度。TCP报文首部中，通常都有可变长度的选项，因此TCP报文中首部长度也是可变的。窗口大小：窗口大小是指接收方缓存区可用空间的大小，单位是字节，TCP通过可变大小的窗口来进行流量控制。接收方使用窗口通知发送方自己的接收能力，而发送方据此确定发送窗口的大小。校验和（占16 bit）：TCP可以对报文，包括首部和数据两部分进行校验和计算。选项（长度可变）：最大报文段长度是TCP中唯一的选项。该字段指明了接收端缓存区中所能接收的报文中最大的数据字段长度。IP报头 IP数据区UDP报头 UDP数据区2、UDP协议 UDP与TCP最大的不同在于UDP是面向无连接的，不使用流量控制和差错控制。UDP提供的是不可靠的传输服务。由于UDP比TCP简单，因此开销小、效率高。应用层中的简单网络管理协议（SNMP）等都使用UDP。图图图图3.8 UDP3.8 UDP3.8 UDP3.8 UDP数据报的封装数据报的封装数据报的封装数据报的封装UDP报文格式 下面对UDP报文首部中的主要字段加以说明：源端口和目的端口：UDP的端口是指TCP和应用层服务的接口，通常源端口和目的端口各占16bit，不同的服务有不同的端口。长度：该项目指明了UDP报文的长度，通常占16 bit。校验和：UDP可以对报文，包括首部和数据两部分进行校验和计算，通常该字段占据16bit。3、TCP协议和UDP协议的端口号进程通信的首要问题是解决进程标识方法，TCP/IP协议族中用端口号来标识进程。TCP协议和UDP协议端口号长度都是16位，端口号的取值范围是065535之间的整数。UDP端口号分为熟知端口号、注册端口号和临时端口号3类。熟知端口号值的范围是01023，它被统一分配和注册；注册端口号值的范围是102449151，用户根据需要可以在IANA注册，以防止重复；临时端口号值的范围是4915265535，它们之间可由任何进程来使用。TCP协议规定：客户进程由本地主机上的TCP软件随机选取临时端口。运行在远程计算机上的服务器必须使用熟知端口号，其值的范围是01023。UDP协议端口号的分配方法与TCP基本相同。TCP常用的熟知端口号 3.3.5 应用层 应用层是参考模型的最高层，应用层包括了所有高层协议，并且总是不断有新的协议加入。应用层协议可分为三类：一类依赖于面向连接的TCP协议；一类依赖于面向无连接的UDP协议；而另一类则既可依赖于TCP协议，也可依赖于UDP协议。常见的应用协议有：文件传输协议FTPFTP、超文本传输协议HTTPHTTP、简单邮件传输协议SMTPSMTP、虚拟终端TelnetTelnet；常见的应用支撑协议包括域名服务DNSDNS和简单网络管理协议SNMPSNMP等。序号协 议 名 称英 文 描 述功 能 说 明1网络终端协议Telnet用于实现互联网中远程登录功能2文件传输协议FTP,File Transfer Protocol用于实现互联网中交互式文件传输功能3简单邮件传输协议SMTP,Simple Mail Transfer Protocol用于实现互联网中电子邮件传送功能4域名系统DNS,Domain Name System用于实现网络设备名字到IP地址映射的网络服务5简单网络管理协议SMMP,Simple Network Management Protocol用于管理与监视网络设备6路由信息协议RIP,Routing Information Protocol用于在网络设备之间交换路由信息7网络文件系统NFS,Network File System用于网络中不同主机之间的文件共享8超文本传输协议HTTP,Hyper Text Transfer Protocol用于WWW服务3.4 IP地址及子网划分每一个物理网络中的网络设备都有其真实的物理地址，以太网物理地址用48位二进制数编码。因此可以用12个十六进制数表示一个物理地址。一般格式为00-10-5a-63-aa-99。物理地址也叫MAC地址，它是数据链路层地址，即二层地址。物理地址通常是由网络设备的生产厂家直接烧入设备的网络接口卡的EPROM中的，它存储的是传输数据时真正用来标识发出数据的源端设备和接收数据的目的端设备的地址。也就是说，在网络底层的物理传输过程中，是通过物理地址来标识网络设备的，这个物理地址一般是全球唯一的。3.4.1 IP地址的分类 1、物理地址与逻辑地址 当数据需要跨越互联网时，使用逻辑地址标识位于远程目的地的网络设备的逻辑位置。通过使用逻辑地址，可以定位远程的结点。逻辑地址如IP地址则是第三层地址，所以有时又称为网络地址，该地址是随着设备所处网络位置不同而变化的，即设备从一个网络被移到另一个网络时，其IP地址也会相应地发生改变。也就是说，IP地址是一种结构化的地址，其可以提供关于主机所处的网络位置信息。总之，逻辑地址放在IP数据报的首部，而物理地址则放在MAC帧的首部。物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而逻辑地址是网络层和以上各层使用的地址。2、IP地址的结构、分类与表示 IP地址以32位二进制位的形式存储于计算机中。32位的IP地址结构由网络标识和主机号两部分组成，如图3.11所示。其中，网络标识用于标识该主机所在的网络，而主机号则表示该主机在相应网络中的特定主机。网络标识主机标识32 Bits图3.11 IP地址的组成由于32位的IP地址不太容易书写和记忆，通常又采用带点十进制标识法(dotted decimal notation)来表示IP地址。在这种格式下，将32位的IP地址分为四个8位组(octet)，每个8位组以一个十进制数表示，取值范围由0到255；代表相邻8位组的十进制数以小圆点分割。所以点十进制表示的最低IP地址为0.0.0.0，最高IP地址为246.255.255.255。由于32位的IP地址不太容易书写和记忆，通常又采用带点十进制标识法(dotted decimal notation)来表示IP地址。在这种格式下，将32位的IP地址分为四个8位组(octet)，每个8位组以一个十进制数表示，取值范围由0到255；代表相邻8位组的十进制数以小圆点分割。所以点十进制表示的最低IP地址为0.0.0.0，最高IP地址为246.255.255.255。分类：就是将IP地址划分为若干个固定类，每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-id，它