《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》專業(yè)課程PPT課件-第4章 TCP IP協(xié)議簇（修訂）

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)中國(guó)工信出版集團(tuán)人民郵電出版社FoundationsofComputerNetworkTechnologyTCP/IP協(xié)議簇——第4章CONTENTSCONTENTS01網(wǎng)際協(xié)議02網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議03用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議04傳輸控制協(xié)議05IPv606TCP/IP實(shí)用工具一、網(wǎng)際協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議（InternetProtocol，IP）是TCP/IP體系中最常用的網(wǎng)際層協(xié)議。設(shè)計(jì)IP的目的是提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性：一是解決大規(guī)模、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通問(wèn)題；二是分割頂層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和低層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間的耦合關(guān)系，以利用兩者獨(dú)立發(fā)展。根據(jù)端到端的設(shè)計(jì)原則，IP只位主機(jī)提供一種無(wú)連接、不可靠、盡力而為的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。一、網(wǎng)際協(xié)議與IP配套使用的協(xié)議IP是整個(gè)TCP/IP協(xié)議簇的核心，也是構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。IP位于TCP/IP參考模型的網(wǎng)際層（相當(dāng)于OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層)，對(duì)上可傳送傳輸層各種協(xié)議（如TCP、UDP等）的信息；對(duì)下通過(guò)以太網(wǎng)、令牌環(huán)（TokenRing）網(wǎng)絡(luò)等各種結(jié)束將IP數(shù)據(jù)報(bào)傳送到鏈路層。與IP配套使用的協(xié)議由4種：地址解析協(xié)議（AddressResolutionProtocol，ARP）、反向地址解析協(xié)議（ReverseAddressResolutionProtocol，RARP）、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議（InternetControlMessageProtocol，ICMP）和網(wǎng)際組管理協(xié)議（InternetGroupManagementProtocol，IGMP）。一、網(wǎng)際協(xié)議IP數(shù)據(jù)報(bào)格式IP數(shù)據(jù)報(bào)的完整格式一、網(wǎng)際協(xié)議IP地址的表示形式

根據(jù)TCP/IP協(xié)議規(guī)定，IP地址由32bit組成，它包括3個(gè)部分：地址類別、網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)。一、網(wǎng)際協(xié)議IP地址的表示形式

由于IP地址是以32位二進(jìn)制數(shù)的形式表示的，這種形式非常不適合閱讀和記憶，因此，為了便于用戶閱讀和理解IP地址，Internet管理委員會(huì)采用了一種“點(diǎn)分十進(jìn)制”表示方法來(lái)表示IP地址。也就是說(shuō)，將IP地址分為4個(gè)字節(jié)（每個(gè)字節(jié)為8bit），且每個(gè)字節(jié)用十進(jìn)制表示，并用點(diǎn)號(hào)“.”隔開，如圖：一、網(wǎng)際協(xié)議IP地址分類IP協(xié)議規(guī)定：IP地址的長(zhǎng)度為四個(gè)字節(jié)（32位），其格式分為五種類型，見(jiàn)表：地址類第1個(gè)8位位組的格式可能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)目網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目地址范圍A類0xxxxxxx27-2224-21.0.0.1～126.255.255.254B類10xxxxxx214-1216-2128.1.0.1～191.255.255.254C類110xxxxx221-128-2192.0.1.1～223.255.255.254D類1110xxxx1110后跟28比特的多路廣播地址224.0.0.0～239.255.255.255E類1111xxxx1111開始，為將來(lái)使用保留240.0.0.0～255.255.255.254（255.255.255.255為廣播地址）一、網(wǎng)際協(xié)議IP地址分類

A類地址首位為“0”，網(wǎng)絡(luò)號(hào)占8位，主機(jī)號(hào)占24位，可指派的網(wǎng)絡(luò)號(hào)是126個(gè)（即27-2），每一個(gè)A類網(wǎng)絡(luò)中的最大主機(jī)數(shù)是224-2，即16777214。A類網(wǎng)絡(luò)適用于大型網(wǎng)絡(luò)；B類地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)占16位，但前面兩位(10)已經(jīng)固定了，只剩下14位可以進(jìn)行分配。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)號(hào)字段后面的14位無(wú)論怎樣取值也不可能出現(xiàn)使整個(gè)2字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)字段成為全0或全1，因此這里不存在網(wǎng)絡(luò)總數(shù)減2的問(wèn)題。但實(shí)際上B類網(wǎng)絡(luò)地址128.0.0.0是不指派的，而可以指派的B類最小網(wǎng)絡(luò)地址是128.1.0.0。所以B類地址可指派的網(wǎng)絡(luò)數(shù)為214-1，即16383。主機(jī)號(hào)占16位，所以B類地址的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的最大主機(jī)數(shù)為216-1，即65534。B類網(wǎng)絡(luò)適用于中型網(wǎng)絡(luò)；一、網(wǎng)際協(xié)議IP地址分類C類地址前3位為“110”，網(wǎng)絡(luò)號(hào)占24位。C類網(wǎng)絡(luò)地址192.0.0.0也是不指派的，可以指派的的C類最小網(wǎng)絡(luò)地址是192.0.1.0，因此C類地址可指派的網(wǎng)絡(luò)總數(shù)是221-1，即2097151。主機(jī)號(hào)占8位，所以C類地址的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的最大主機(jī)數(shù)為28-1。C類網(wǎng)絡(luò)適用于小型網(wǎng)絡(luò)；D類地址前4位為“1110”，用于多路廣播；E類地址前4位為“1111”，為將來(lái)使用保留，通常不用于實(shí)際工作環(huán)境。各類IP地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)字段和主機(jī)號(hào)字段如圖4-4所示。一、網(wǎng)際協(xié)議特殊IP地址IP地址空間中的某些地址已經(jīng)為特殊目的而保留，而且通常并不允許作為主機(jī)地址，見(jiàn)表：網(wǎng)絡(luò)號(hào)主機(jī)號(hào)源地址使用目的地址使用代表的意思全0全0可以不可以本網(wǎng)絡(luò)中的本主機(jī)全0特定可以不可以本網(wǎng)絡(luò)中特定的主機(jī)全1全1不可以可以只在本網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播（各路由器均不轉(zhuǎn)發(fā)）特定全1不可以可以對(duì)特定所有主機(jī)進(jìn)行廣播特定全0不可以不可以用于識(shí)別網(wǎng)絡(luò)號(hào)為特定的網(wǎng)絡(luò)127非全0全1可以可以用作本地軟件環(huán)回測(cè)試之用一、網(wǎng)際協(xié)議私用地址

為了節(jié)約IP地址空間，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性，一些IP地址被保留作為私網(wǎng)的IP地址。私有IP地址不能再Internet中使用，處于私有IP地址的網(wǎng)絡(luò)稱為內(nèi)網(wǎng)或私網(wǎng)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的公用地址不足時(shí)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址翻譯（NAT），利用少量的公用地址把大量的配有私用地址的機(jī)器連接到公用網(wǎng)上。下列地址作為私用地址：（1）A類地址中：10.0.0.1~10.255.255.254，只有1個(gè)網(wǎng)段。（2）B類地址中：172.16.0.1~172.31.255.254，有16個(gè)網(wǎng)段。（3）C類地址中：192.168.0.1~192.168.255.254，有256個(gè)網(wǎng)段。一、網(wǎng)際協(xié)議物理地址與IP地址

理解主機(jī)的物理地址（也稱硬件地址）和IP地址在學(xué)習(xí)IP地址時(shí)非常重要。互聯(lián)網(wǎng)時(shí)由路由器將一些物理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)而成的邏輯網(wǎng)絡(luò)。從源主機(jī)發(fā)送的分組在達(dá)到目的主機(jī)之前可能要經(jīng)過(guò)許多不同的物理網(wǎng)絡(luò)。在邏輯的互聯(lián)網(wǎng)上，主機(jī)和路由器使用它們的邏輯地址進(jìn)行標(biāo)識(shí)；而在具體的物理網(wǎng)絡(luò)上，主機(jī)和路由器必須使用他們的物理地址進(jìn)行標(biāo)識(shí)Internet采用一種全局通用的地址格式，為全網(wǎng)的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和每一臺(tái)主機(jī)分配一個(gè)Internet地址，以此屏蔽物理網(wǎng)絡(luò)地址的差異。IP協(xié)議的一項(xiàng)重要功能就是專門處理這個(gè)問(wèn)題，即通過(guò)IP協(xié)議把主機(jī)原來(lái)的物理地址隱藏起來(lái)，在網(wǎng)絡(luò)層中使用統(tǒng)一的IP地址。一、網(wǎng)際協(xié)議地址解析協(xié)議1.MAC地址

在局域網(wǎng)中，物理弟子已固化在網(wǎng)卡上的只讀存儲(chǔ)器（Read-OnlyMemory，ROM）中，因此常常將物理弟子稱為硬件地址。因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)MAC幀中的源地址和目的地址都是硬件地址，所以硬件地址又稱為MAC地址。MAC地址長(zhǎng)度為48位。其中1~23位位組織標(biāo)識(shí)符，代表網(wǎng)卡生產(chǎn)廠商，24~47位時(shí)由廠商自己分配。例如，MAC地址00-90-27-99-11-cc的前6個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字（即二進(jìn)制的0~23位）00-90-27表示該網(wǎng)卡由Intel公司生產(chǎn)，相應(yīng)的網(wǎng)卡序列號(hào)為99-11-cc（24~47位）。MAC地址就如同人們的身份證號(hào)碼一樣，具有全球唯一性。世界上任何我兩塊網(wǎng)卡MAC地址都是不一樣的。MAC地址時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層使用的地址。一、網(wǎng)際協(xié)議地址解析協(xié)議2．ARP工作原理ARP（AddressResolutionProtocol），即地址解析協(xié)議，實(shí)現(xiàn)通過(guò)IP地址得知其物理地址（MAC地址）。

在以太網(wǎng)協(xié)議中規(guī)定，同一局域網(wǎng)中的一臺(tái)主機(jī)要和另一臺(tái)主機(jī)進(jìn)行直接通信，必須要知道目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。

在每臺(tái)安裝有TCP/IP協(xié)議的計(jì)算機(jī)中都有一個(gè)ARP緩存表，表里的IP地址與MAC地址是一一對(duì)應(yīng)的。一、網(wǎng)際協(xié)議地址解析協(xié)議3．主機(jī)ARP緩存

當(dāng)主機(jī)A第一次訪問(wèn)主機(jī)B時(shí)，先需要通過(guò)ARP將主機(jī)B的IP地址解析為相應(yīng)的MAC地址，再封裝并發(fā)送MAC幀（幀的目的MAC地址為主機(jī)B的MAC地址），同時(shí)主機(jī)A會(huì)把解析的結(jié)果放在本機(jī)的緩存中，這樣主機(jī)A再次訪問(wèn)主機(jī)B時(shí)，就不需要通過(guò)ARP再次進(jìn)行解析了?？梢酝ㄟ^(guò)ARP命令查看并編輯本機(jī)ARP緩存內(nèi)容，但主機(jī)重啟后緩存會(huì)被清空。二、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP協(xié)議IP協(xié)議在傳送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，如果路由器不能正確地傳送或者檢測(cè)到異常現(xiàn)象影響其正確傳送，路由器就需要通知傳送的源主機(jī)或路由器采取相應(yīng)的措施，因特網(wǎng)控制消息協(xié)議ICMP（InternetControlMessageProtocol，ICMP）為IP協(xié)議提供了差錯(cuò)控制、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制和路由控制等功能。主機(jī)、路由器和網(wǎng)關(guān)利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層信息的交互，ICMP中最多的用途就是錯(cuò)誤匯報(bào)。ICMP信息是在IP數(shù)據(jù)報(bào)內(nèi)部被傳輸。三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議TCP/IP協(xié)議族支持一個(gè)無(wú)連接的傳輸層協(xié)議，該協(xié)議提供面向事物的、簡(jiǎn)單的、不可靠信息的傳送服務(wù)，被稱為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）。RFC768描述了UDP。UDP為應(yīng)用程序提供了一種無(wú)需建立連接就可以發(fā)送封裝的IP數(shù)據(jù)包的方法。UDP不確認(rèn)報(bào)文是否到達(dá)，不對(duì)報(bào)文進(jìn)行排序，也不進(jìn)行流量控制，因此UDP報(bào)文可能會(huì)出現(xiàn)隊(duì)是、重復(fù)和失序等現(xiàn)象。三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP的主要特點(diǎn)如下UDP是無(wú)連接的。UDP使用盡最大努力交付。UDP是面向報(bào)文的。由于UDP沒(méi)有擁塞控制，因此網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會(huì)使源主機(jī)的發(fā)送速率降低。UDP支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一和多對(duì)多的交互通信。UDP概述三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP報(bào)文由兩個(gè)字段，即數(shù)據(jù)字段和頭部字段。頭部字段很簡(jiǎn)單，只有8字節(jié)，由4個(gè)字段組成，每個(gè)字段都是2字節(jié)，各字段的含義如下。

源端口表示源端口號(hào)，在需要對(duì)方回信時(shí)選用，不需要時(shí)全部為0。目的端口表示目的端口號(hào)。長(zhǎng)度表示UDP報(bào)文（用戶數(shù)據(jù)報(bào)）的長(zhǎng)度，最小值時(shí)8（僅有頭部）。校驗(yàn)和時(shí)可選字段。UDP的頭部字段三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議傳輸層端口Internet傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層在功能上最大區(qū)別時(shí)前者可提供進(jìn)程間的通信能力。因此，TCP/IP提出端口的概念，用于標(biāo)識(shí)通信的進(jìn)程。TCP和UDP都使用應(yīng)用層接口處的端口和上層的應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行通信。也就是說(shuō)，應(yīng)用層的各種進(jìn)程時(shí)通過(guò)相應(yīng)的端口與傳輸實(shí)體進(jìn)行交互的。三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP端口UDP報(bào)文頭部最重要的字段就是源端口和目的端口，它們用來(lái)標(biāo)識(shí)UDP報(bào)文的發(fā)送方和接收方。用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議實(shí)際上，UDP通過(guò)二元組（目的IP地址，目的端口號(hào)）來(lái)定位一個(gè)接收方應(yīng)用程序，而用二元組（源IP地址，源端口號(hào)）來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)發(fā)送方進(jìn)程。二元組（IP地址，端口號(hào)）被稱為套接字（Socket）地址。三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議TCP和UDP的保留端口如圖：四、傳輸控制協(xié)議TCP報(bào)文格式TCP只有一種類型的TPDU，叫做TCP段。一個(gè)TCP段由段頭（稱TCP頭或傳輸頭）和數(shù)據(jù)流兩部分組成，段頭的格式如圖：四、傳輸控制協(xié)議TCP可靠傳輸TCP是利用網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議提供的不可靠的通信服務(wù)，為應(yīng)用進(jìn)程提供可靠的、面向連接的、端到端的基于字節(jié)流的傳輸服務(wù)。TCP提供面向連接的、可靠的字節(jié)流傳輸。TCP連接是全雙工和點(diǎn)到點(diǎn)的。全雙工意味著可以同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸，點(diǎn)到點(diǎn)的意思是每個(gè)連接只有兩個(gè)端點(diǎn)，TCP不支持組播或廣播。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，TCP使用三次握手的方法來(lái)建立和釋放傳輸?shù)倪B接，并使用確認(rèn)和重傳機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸差錯(cuò)的控制，另外TCP采用窗口機(jī)制以實(shí)現(xiàn)流量控制和擁塞控制。四、傳輸控制協(xié)議TCP連接的建立與釋放

為確保連接建立和釋放的可靠性，TCP使用了“三次握手”機(jī)制。TCP利用三次握手建立連接的正常過(guò)程如圖所示。四、傳輸控制協(xié)議TCP的差錯(cuò)控制（確認(rèn)和重傳）TCP的差錯(cuò)控制機(jī)制如圖所示。四、傳輸控制協(xié)議流量控制

連接建立起來(lái)后，通信雙方就可以在該連接上傳輸數(shù)據(jù)了。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，TCP協(xié)議提供一種基于動(dòng)態(tài)滑動(dòng)窗口協(xié)議的流量控制機(jī)制，使接收方TCP實(shí)體能夠根據(jù)自己當(dāng)前的緩沖區(qū)容量來(lái)控制發(fā)送方TCP實(shí)體傳送的數(shù)據(jù)量。假設(shè)接收方現(xiàn)有2048B的緩沖區(qū)空間，如果發(fā)送方傳送了一個(gè)1024B的報(bào)文段并被正確接收到，那么接收方要確認(rèn)該報(bào)文段。然而，因?yàn)樗F(xiàn)在只剩下1024B的緩沖區(qū)空間（在應(yīng)用程序從緩沖區(qū)中取走數(shù)據(jù)之前），所以，它只聲明1024B大小的窗口，期待接收后續(xù)的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送方再次發(fā)送了1024B的TCP報(bào)文段后，由于接收方無(wú)剩余的緩沖區(qū)空間，所以，最終的確認(rèn)其聲明的滑動(dòng)窗口大小為0。五、IPV6IPV6的地址結(jié)構(gòu)IPv6地址結(jié)構(gòu)如圖IPv6的地址長(zhǎng)度是IPv4的4倍，表達(dá)起來(lái)的復(fù)雜程度也是IPv4地址的4倍。其基本的表達(dá)方式是：X:X:X:X:X:X:X:X，其中X是一個(gè)4位十六進(jìn)制整數(shù)（16位），共128位（16╳8=128）五、IPV6配置IPV61.手工簡(jiǎn)易配置IPv6協(xié)議2.使用程序配置IPv6協(xié)議六、TCP/IP實(shí)用工具ping命令的使用ping命令是利用回應(yīng)請(qǐng)求/應(yīng)答ICMP報(bào)文來(lái)測(cè)試目的主機(jī)或路由器的可達(dá)性的。選項(xiàng)含義-t連續(xù)地ping目的主機(jī)，直到手動(dòng)停止（按Ctrl+C）-a將IP地址解析為主機(jī)名-ncount發(fā)送回送請(qǐng)求ICMP報(bào)文的次數(shù)（默認(rèn)值為4）-lsize定義echo數(shù)據(jù)報(bào)的大?。J(rèn)值為32B）-f不允許分片（默認(rèn)為允許分片）-iTTL指定生存周期-vTOS指定要求的服務(wù)類型-rcount記錄路由-scount使用時(shí)間戳選項(xiàng)-jhost-list使用松散源路由選項(xiàng)-khost-list使用嚴(yán)格源路由選項(xiàng)-wtimeout指定等待每個(gè)回送應(yīng)答的超時(shí)時(shí)間（以ms為單位，默認(rèn)值為1000，即1s）六、TCP/IP實(shí)用工具

ipconfig命令的使用ipconfig命令可以查看主機(jī)當(dāng)前的TCP/IP配置信息（如IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等）、刷新動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）和域名系統(tǒng)（DNS）設(shè)置。選項(xiàng)含義/all顯示所有適配器的完整TCP/IP配置信息/renew[adapter]更新所有適配器或特定適配器的DHCP配置/release[adapter]發(fā)送DHCPRELEASE消息到DHCP服務(wù)器，以釋放所有適配器或特定適配器的當(dāng)前DHCP配置并丟棄IP地址配置/flushdns刷新并重設(shè)DNS客戶解析緩存的內(nèi)容/displaydns顯示DNS客戶解析緩存的內(nèi)容，包括從LocalHosts文件預(yù)裝載的記錄，以及最近獲得的針對(duì)由計(jì)算機(jī)解析的名稱查詢的資源記錄/registerdns初始化計(jì)算機(jī)上配置的DNS名稱和IP地址的手工動(dòng)態(tài)注冊(cè)/showclassidadapter顯示指定適配器的DHCP類別ID/setclassidadapter[ClassID]配置特定適配器的DHCP類別ID/?在命令提示符下顯示幫助信息六、TCP/IP實(shí)用工具arp命令的使用arp命令用于查看、添加和刪除緩存中的ARP表項(xiàng)。ARP表可以包含動(dòng)態(tài)（Dynamic）和靜態(tài)（Static）表項(xiàng)，用于存儲(chǔ)IP地址與MAC地址的映射關(guān)系。

動(dòng)態(tài)表項(xiàng)隨時(shí)間推移自動(dòng)添加和刪除。而靜態(tài)表項(xiàng)則一直保留在高速緩存中，直到人為刪除或重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)為止。

每個(gè)動(dòng)態(tài)表項(xiàng)的潛在生命周期是10min，新表項(xiàng)加入時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，如果某個(gè)表項(xiàng)添加后2min內(nèi)沒(méi)有被再次使用，則此表項(xiàng)過(guò)期并從ARP表中刪除。如果某個(gè)表項(xiàng)始終在使用，則它的最長(zhǎng)生命周期為10min。六、TCP/IP實(shí)用工具tracert命令的使用Tracert（跟蹤路由）是路由跟蹤實(shí)用程序，用于獲得IP數(shù)據(jù)報(bào)訪問(wèn)目標(biāo)時(shí)從本地計(jì)算機(jī)到目的主機(jī)的路徑信息。選項(xiàng)含義-d防止tracert試圖將中間路由器的IP地址解析為它們的名稱-hMaximumHops指定搜索目標(biāo)（目的）的路徑中“跳數(shù)”的最大值。默認(rèn)“跳數(shù)”值為30-jHostList指定“回顯請(qǐng)求”消息將I