《网络工程导论》课件第4章 TCPIP协议簇

新型IP协议IPv6的数据报首部结构如图4-5所示：
版本: 4位，说明对应IP协议的版本号（此处取 值为6）。
流量类型:8位， 用于区别不同的IPv6数据报的 类型或优先级。
流标号:20位，“流”是互联网络上从特定源点到 特定终点的一系列数据报， “流”所经过的路径 上的路由器都保证指明的服务质量。所有属于 同一个流的数据报都具有同样的流标号。
而尽力的数据报投递服务是指IP数据报的投递利 用了物理网络的传输能力，网络接口模块负责将IP 数据报封装到具体网络的帧（LAN）或者分组（ X.25网络）中的信息字段。
2． IPv4与 IPv6
目前因特网上广泛使用的IP协议为IPv4， IPv4的IP地址是由32位的二进制数组成的。
IPv4协议的设计目标是提供无连接的数据报 尽力投递服务。
由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同 的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必 须进行非常复杂的硬件地址转换工作，这几乎是不 可能的事，而逻辑地址的使用屏蔽了这些低层的差 异，使得全球网络看起来像是同一个虚拟的IP网络， 从而给广大的计算机用户带来很大的方便。所以， 在数据通信过程中，要同时用到逻辑地址与物理地 址，需要实现二者之间的映射。地址解析协议（ARP ）与逆地址解析协议（RARP）就是来完成逻辑地址 与物理地址的映射任务的。
这种位模式叫做“子网掩码”。
默认子网掩码
为了使用方便，常常使用“点分十进制表示法” 来表示一个子网掩码。由此可以得到A、B、C三 大类IP地址的默认（标准）子网掩码。
A类地址：255.0.0.0 B类地址：255.255.0.0 C类地址：255.255.255.0
示例：已知一个IP地址为202.168.73.5，其默认的子网掩码 为255.255.255.0。求其网络号及主机号。
图4-4为IPv4的数据报结构。
来自百度文库
版本：占4位，指IP协议的版本。通信双方使用的IP 协议的版本必须一致。
首部长度：占4位，以32位（4字节）为单位的IP数 据报的报头长度。
区分服务：占8位，用于规定优先级、传送速率、吞 吐量和可靠性等参数。
总长度：占16位，指以字节为单位的数据报首部和 数据两部分的总长度。
通常TCP/IP是指TCP/IP协议族（如图4-1所 示），而不单单是TCP协议和IP协议。
TCP/IP协议簇
应用层 SMTP FTP HTTP DNS ... DHCP
传输层
TCP
UDP
IGMP ICMP
网络层
IP
ARP RARP
网络接口层
底层的LAN或WAN技术
4.1 网络层协议
4.1.1 IP 1.概述 网际协议IP (Internet Protocol) 是因特网中的基础
子网掩码
子网不仅仅单纯地将IP地址加以分割，其关键在 于分割后的子网必须能够正常地与其它网络相互 连接，也就是在路由过程中仍然能识别这些子网 。
问题是，子网分割后如何判断原主机地址中的前 几位是哪个子网地址？
子网掩码正是解决这一问题的技术。
子网掩码
IP协议标准规定：每一个使用子网的网点，都选 择一个32位的位模式。
第4章 TCP/IP协议簇
本章学习目标
通过本章的学习，读者应该掌握以下内容： TCP/IP协议簇的组成； 网络层协议:IP、ARP、RARP、ICMP、IGMP； 运输层协议：TCP、UDP； 应用层协议：DNS、HTTP、FTP、SMTP、POP3
、DHCP。
TCP/IP协议簇
TCP/IP是不基于任何特定硬件平台的网络协 议，既可用于局域网(LAN)，又可用于广域 网(WAN)。
相反，上层的数据经IP协议形成IP数据报。IP 数据报的投递利用了物理网络的传输能力，网 络接口模块负责将IP数据报封装到具体网络的 帧（LAN）或者分组（X.25网络）中的信息字 段。
如图4-3所示，将IP数据报封装到以太网的 MAC数据帧。
IP数据报封装到以太网的MAC 数据帧
IP协议提供不可靠的、 无连接的、尽力的数据报 投递服务。
所谓不可靠的投递服务是指IP协议无法保证数据 报投递的结果。在传输过程中，IP数据报可能会 丢失、重复传输、延迟、乱序，IP服务本身不关 心这些结果，也不将结果通知收发双方。
所谓无连接的投递服务是指每一个IP数据报是独立 处理和传输的，由一台主机发出的数据报，在网 络中可能会经过不同的路径，到达接收方的顺序 可能会乱，甚至其中一部分数据还会在传输过程 中丢失。
IP将多个网络连成一个互联网，可以把高层的 数据以多个数据报的形式通过互联网分发出去 ，它的基本任务是屏蔽下层各种物理网络的差 异，向上层（主要是TCP层或UDP层）提供统一 的IP数据报，各个IP数据报之间是相互独立的 。
IP协议在TCP/IP协议族中的核 心地位
IP协议屏蔽下层各种物理网络的差异，向上层 （主要是TCP层或UDP层）提供统一的IP数据 报。
标识：占16位，它是数据报的唯一标识，用于数据 报的分段和重装。
标志：占3位，是数据报是否分片的标志。
片偏移：占13位，以64位（8字节）为单位表示 的分片偏移。
生存时间：占8位，指允许数据报在互联网中传输 的存活期限。
协议:占8位，指发送数据报的上层协议。
首部检验和：占16位，用于对首部的正确性检验 。
但现在网络构建需求，却为分布于5个不同地点的 不同网络段。此时，如果将子网掩码设为 255.255.255.224，与255.255.255.0不同的是该子 网掩码的最后一个字节为224，而不是0。224所对 应的二进制值为11100000，它表示原主机地址的 最高三位是现在所划分出的子网的个数。也就是可 将主机ID中最高的三位用于子网分割。
若位模式中的某位为1，则对应IP地址中的某位为 网络地址（包括类别、网络地址和子网地址）中 的一位；若位模式中某位置为0，则对应IP地址中 的某位为主机地址中的一位。
子网掩码与IP地址结合使用，可以区分出一个网 络地址的网络号和主机号。
例如：位模式11111111 11111111 00000000 00000000(255.255.0.0)中，前两个字节全为1， 代表对应IP地址中最高的两个字节为网络号，后 两个字节全0，代表对应IP地址中后面的两个字节 为主机地址。
有效负载长度:16位，它指明 IPv6 数据报除基本首部 以外的字节数（所有扩展首部都算在有效载荷之内） ，其最大值是 64 KB。
下一个首部：8位，它指明其有效载荷中下一个首部的 类型，作用相当于 IPv4 的协议字段或可选字段。
跳数限制:8位，限制数据报经过路由器的个数，其功能 类似于IPv4的生存时间。
3.子网及子网掩码
为了更好地理解子网的概念，假设有一个B类地址 的IP网络，该网络中有两个或多个物理网络，只有 本地路由器能够知道多个物理网络的存在，并且 进行路由选择，因特网中别的网络的主机和该B类 地址的网络中的主机通信时，它把该B类网络当成 一个统一的物理网络来看待。
如图4-6所示，一个B类地址为128.10.0.0的网络由两个子网组 成。
源地址:128位，是数据报的发送站的 IP 地址。
目的地址:128位，是数据报的接收站的 IP 地址。
IPv6特点
①扩展地址和路由的能力。 ②简化了IP数据报首部的格式。 ③支持扩展选项的能力。 ④支持对数据的确认和加密。。 ⑤支持自动配置。 ⑥支持源路由。 ⑦定义服务质量的能力。 ⑧IPv4的平滑过渡和升级。
最后，将子网掩码取反再与二进制的IP地址进行逻辑与运算 ，得出的结果即为主机号。结果为0.0.0.5，即主机号为5。
下面来看一个实例，具体分析子网掩 码的用法
例如，某单位需要构建5个分布于不同地点的局 域网络，每个网络有10到25台不等的主机，而 其仅向NIC申请了一个C类的网络ID号，其号码 为192.65.126.0。正常情况下，C类IP地址的子 网掩码应该设为255.255.255.0。这种情况下，C 类网络的254台主机必然属于同一个网络段内。
1．地址解析协议ARP
IP地址是不能直接进行通信的，这是因为IP地址只 是主机在抽象的网络层中的地址。若要将网络层中 传送的数据报交给目的主机，还要传到链路层转变 成MAC帧后才能发送到实际的网络上。
不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路 上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。
地址解析协议ARP解决了由IP地址向MAC地址的映 射。
到128.10.0.0的分组 Internet
网络128.10.1.0
128.10.1.1 128.10.1.2
H
H
R
网络128.10.2.0 128.10.2.1
128.10.2.2
H
H
图4-6 一个B类地址网络被分为两个子网
使用子网技术，原先的IP地址中的主机地址被分 成两个部分：子网地址部分和主机地址部分。 子网地址部分和不使用子网标识的IP地址中的网 络号一样，用来标识该子网，并进行互联的网 络范围内的路由选择，而主机地址部分标识是 属于本地的哪个物理网络以及主机地址。子网 技术使用户可以更加方便、灵活地分配IP地址空 间。
首先，将IP地址202.168.73.5转换为二进制11001010 10101000 01001001 00000101。
其次，将子网掩码255.255.255.0转换为二进制11111111 11111111 11111111 00000000。
然后将两个二进制数进行逻辑与（AND）运算，得出的结果 即为网络号。结果为，202.168.73.0。
除了路由器R外，因特网中的所有路由器都把该网络当成一个 单一的物理网络对待。一旦R收到一个分组，它必须选择正确 的物理网络发送。网络管理人员把其中一个物理网络中主机的 IP地址设置为128.10.1.X，另一个物理网络设置为128.10.2.X ，其中X用来标识主机。
为了有效的进行选择，路由器R根据目的地址的第三个十进制 数的取值来进行路由选择，如果取值为1，则送往标记为 128.10.1.0的网络；如果取值为2，则送往标记为128.10.2.0的 网络。
主机ID中用于子网分割的这三位共有000、001、 010、011、100、101、110、111这8中组合，除 去不可使用的代表本身的000及代表广播的111外 ，还剩余6种组合，也就是说它共可提供6个子网。 而每个子网都可以最多支持30台主机，满足构建需 求。
4.1.2 ARP与RARP协议
TCP/IP本身就是在物理（X.25、PDN、LAN、 WAN等）上的一组完整的网络协议。
TCP/IP协议簇
从字面上看，TCP/IP包括两个协议，传输控 制协议（TCP）和网际协议（IP）， 但 TCP/IP实际上是一组协议，它包括诸多具有 不同功能且互为关联的协议， 而TCP和IP是 保证数据完整传输的两个基本的重要协议。
1．地址解析协议ARP
每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache) ，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地 址到硬件地址的映射表。
协议，由IP协议控制传输的协议单元称为IP数据 报。
从如图4-2所示的漏斗形结构中可以看出，IP协议 在整个协议族中处于核心地位：IP协议可以为各 式各样的应用提供服务（everything over IP）， 同时也可以连接到各式各样的网络上（IP over everything）。
4.1 网络层协议
源地址：占32位，指出发送数据报的源主机IP地 址。
目的地址：占32位，指出接收数据报的目的主机 IP地址。
可选字段：可变长度，提供任选的服务，如错误 报告和特殊路由等。
填充：可变长度，保证IP首部以32位边界对齐。
IPv6
ETF的IPNG工作组在1994年9月提出了一个正式 的草案“The Recommendation for the IP Next Generation Protocol”，1995年底确定了IPNG的 协议规范，并称为“IP版本6”（IPv6），同现在 使用的版本4相区别；1998年作了较大的改动。