1第4章網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與TCP/IP協(xié)議2本章內(nèi)容4.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)4.2IPv4協(xié)議4.3TCP協(xié)議4.4UDP協(xié)議4.5其他協(xié)議簡介4.6網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT4.7多播4.8移動IP34.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（internetworking）是指將各種不同類型的物理網(wǎng)連接在一起構(gòu)成一個統(tǒng)一的大網(wǎng)絡(luò)。Internet？4.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)使用多種網(wǎng)絡(luò)底層技術(shù)導(dǎo)致的主要問題是，連接在一個特定網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)只能同連接在同一網(wǎng)絡(luò)中的其他計算機(jī)通信，但不能與使用其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)通信。這是因?yàn)椴煌W(wǎng)絡(luò)所使用的數(shù)據(jù)封裝格式不同，編址方案也不一樣。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)。TCP/IP協(xié)議。44.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)1.物理網(wǎng)1用電纜作為傳輸介質(zhì)，物理網(wǎng)2用光纜作為傳輸介質(zhì)，即一種用電信號表示0和1，另一種用光脈沖表示0和1。

需要通過連接這兩個網(wǎng)絡(luò)的路由器1來幫助解決信號的轉(zhuǎn)換問題，即路由器1連接物理網(wǎng)1的接口必須能收/發(fā)用電信號表示的數(shù)據(jù)，而連接物理網(wǎng)2的接口必須能收/發(fā)用光脈沖表示的數(shù)據(jù)。這樣，通過路由器進(jìn)行不同信號之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)兩個物理網(wǎng)絡(luò)的互連。2.即使兩個物理網(wǎng)絡(luò)使用相同的傳輸介質(zhì)，但由于不同的物理網(wǎng)絡(luò)所用的數(shù)據(jù)鏈路層的幀格式不同，編址方式不同，兩者也無法直接互連。

所有接入Internet的計算機(jī)都使用統(tǒng)一的地址格式，這就是我們在下一節(jié)要介紹的IP地址。Internet上的每一臺計算機(jī)除了有一個在自己所接的物理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用的物理地址以外，還擁有一個全球唯一的IP地址。次要求所有接入Internet的計算機(jī)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)封裝格式，這就是我們在下一節(jié)要介紹的IP數(shù)據(jù)報。54.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)64.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)路由器必須具有路由能力，即它能夠根據(jù)收到的IP數(shù)據(jù)報中的IP目的地地址來決定如何轉(zhuǎn)發(fā)該IP數(shù)據(jù)報。Internet實(shí)際上就是使用了上述這些技術(shù)把各種物理網(wǎng)絡(luò)連接成一個無縫的整體。Internet上任意兩臺計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換都使用統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)報，數(shù)據(jù)在Internet上傳輸時，路由器根據(jù)IP數(shù)據(jù)報中的目的IP地址把數(shù)據(jù)報送到目的地。換句話說，Internet所使用的TCP/IP通信協(xié)議隱蔽了各種底層物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的差異，為用戶提供了一個統(tǒng)一、通用的服務(wù)。74.2IPv4協(xié)議將整個Internet黏合在一起的正是TCP/IP協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，即IP協(xié)議（IP，InternetProtocol）。IP協(xié)議存在兩個版本：IPv4和IPv6。84.2.1IPv4協(xié)議的主要作用IPv4干了些什么？（1）定義了IPv4地址的格式；（2）定義了IPv4數(shù)據(jù)報的格式；（3）提供了一種盡力而為（best-effort）地把數(shù)據(jù)包從源端傳輸?shù)侥康亩说姆椒?，即無連接的IP數(shù)據(jù)報傳輸；（4）實(shí)現(xiàn)了IPv4數(shù)據(jù)報的路由選擇。

除此以外，IPv4協(xié)議還定義了IPv4數(shù)據(jù)報的差錯處理方法、IPv4數(shù)據(jù)報的分段和重組方法、并為上層應(yīng)用提供了不同的服務(wù)類型等。94.2.2IPv4地址為了保證Internet上所有主機(jī)的統(tǒng)一編址，TCP/IP協(xié)議定義了一個與底層物理地址無關(guān)的編址方案，即IP地址方案。用戶、應(yīng)用程序及協(xié)議軟件的高層都使用這個抽象地址進(jìn)行通信。IPv4地址長度為32位，4個字節(jié)，因此共有232個（約40億個）可用IPv4地址。從層次概念上看，32位IPv4地址分成兩部分：網(wǎng)絡(luò)ID（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識或網(wǎng)絡(luò)號）和主機(jī)ID（主機(jī)標(biāo)識或主機(jī)號），如圖所示。網(wǎng)絡(luò)ID稱為地址前綴，主機(jī)ID稱為地址后綴。104.2.2IPv4地址Internet中的每一個物理網(wǎng)絡(luò)被分配一個唯一的值作為網(wǎng)絡(luò)號。因此一臺計算機(jī)的IP地址中的網(wǎng)絡(luò)號確定了該計算機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)號可看作為該網(wǎng)絡(luò)上機(jī)器的編號。114.2.2IPv4地址IPv4地址分類

由于IPv4地址的長度固定，若“網(wǎng)絡(luò)號”部分長一些，則可以分配的網(wǎng)絡(luò)號增加，但每個網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)數(shù)就受限制；若“主機(jī)號”部分長一些，則意味著每個網(wǎng)絡(luò)能包含更多的計算機(jī)，但網(wǎng)絡(luò)號數(shù)量就受到了限制。124.2.2IPv4地址為了表示方便，人們采用“點(diǎn)分十進(jìn)制表示法”（dotteddecimalnotation）來書寫IPv4地址，即將32位數(shù)每8位分為一組，用十進(jìn)制表示，每組數(shù)字的取值范圍為0~255，用點(diǎn)號“.”隔開各個部分。134.2.2IPv4地址特殊的IPv4地址（1）全0地址。全0的IPv4地址主要用于動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP，還沒有獲取IPv4地址的主機(jī)用全0地址作為本機(jī)地址與DHCP服務(wù)器進(jìn)行通信。（2）全1地址。全1地址又稱為有限廣播地址（limitedbroadcastaddress）。它也主要用于動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP，還沒有獲取IPv4地址的主機(jī)用全1地址作為目標(biāo)地址與本網(wǎng)絡(luò)中的DHCP服務(wù)器進(jìn)行通信。（3）直接廣播地址（directedbroadcastaddress）。直接廣播地址的“網(wǎng)絡(luò)號”部分為某個具體網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號，“主機(jī)號”部分用全1表示。Internet上的主機(jī)可以使用直接廣播地址向Internet上的某個網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。例如，某個C類網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號為202.116.36，那么點(diǎn)分十進(jìn)制表示的IPv4地址55就是一個直接廣播地址。從這里的介紹也可以看出，網(wǎng)絡(luò)管理員不能分配全1的主機(jī)號給任何計算機(jī)。144.2.2IPv4地址（4）網(wǎng)絡(luò)地址（networkaddress）：網(wǎng)絡(luò)地址用于表示一個具體的網(wǎng)絡(luò)，它的“網(wǎng)絡(luò)號”部分為某個具體網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號，“主機(jī)號”部分用全0表示。網(wǎng)絡(luò)地址指網(wǎng)絡(luò)本身，而不是指連在網(wǎng)絡(luò)中的某個主機(jī)。（5）回送地址（loopbackaddress）：IPv4協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)號為127的A類地址作為回送地址，其中最常用的回送地址為。這個地址主要用于測試網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序一般都牽涉到兩臺機(jī)器之間的通信。15（a）通過回送地址通信

（b）通過網(wǎng)絡(luò)通信4.2.2IPv4地址私有地址

一個組織可以構(gòu)建自己的私有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，IETF在Ipv4地址中保留了幾段地址范圍專用于私有網(wǎng)絡(luò)使用，這些地址被稱為私有地址（privateaddress）。

當(dāng)私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)要與位于Internet的公共網(wǎng)上的主機(jī)進(jìn)行通信時，必須經(jīng)過地址轉(zhuǎn)換將私有地址轉(zhuǎn)換為合法的公網(wǎng)地址。164.2.2IPv4地址地址不夠用，怎么辦？擴(kuò)展。子網(wǎng)編址。

它允許多個物理網(wǎng)絡(luò)共享一個網(wǎng)絡(luò)號。子網(wǎng)編址的方法是保持原網(wǎng)絡(luò)號部分不變，而從主機(jī)號部分借前面的若干位用于表示子網(wǎng)。例如，若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)為（B類網(wǎng)絡(luò)地址），網(wǎng)絡(luò)管理員決定從主機(jī)號部分借用8位作為子網(wǎng)地址，則B類網(wǎng)絡(luò)地址中第三個字節(jié)的內(nèi)容就是子網(wǎng)的地址。于是，地址是網(wǎng)絡(luò)128.10中的子網(wǎng)1，而地址是網(wǎng)絡(luò)128.10中的子網(wǎng)2，依此類推。

為了指明有多少位用來表示子網(wǎng)的地址，Ipv4協(xié)議定義了子網(wǎng)掩碼（subnetmask）。

子網(wǎng)掩碼的格式與IPv4地址相同，都是32位。它將IPv4地址格式中除了被指定為主機(jī)號之外的所有其他部分均設(shè)置為1，主機(jī)號部分設(shè)置為0。因此，子網(wǎng)掩碼的作用是確定Ipv4地址中哪一部分是網(wǎng)絡(luò)ID，哪一部分是主機(jī)ID。174.2.2IPv4地址子網(wǎng)掩碼有兩種表示法：（1）用點(diǎn)分十進(jìn)制表示，如；（2）用子網(wǎng)掩碼中“1”的位數(shù)來標(biāo)記。這是因?yàn)樵趧澐志W(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID時，網(wǎng)絡(luò)ID總是從最高位以連續(xù)方式選取的，所以我們可以用這種簡單方法來表示子網(wǎng)掩碼。例如，可以表示為“/19”。A、B、C三類網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的掩碼如下所示：A類地址的掩碼：

或 /8B類地址的掩碼：

或 /16C類地址的掩碼：

或 /24184.2.2IPv4地址一般我們有可能會從主機(jī)號部分借用幾位來表示子網(wǎng)。但在劃分子網(wǎng)前我們需要考慮，多少個子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)多少個主機(jī)等。例如我們對C類地址可能的劃分方法。194.2.2IPv4地址提供足夠的IPv4地址（1）提供一個B類網(wǎng)絡(luò)地址（2）提供多個C類網(wǎng)絡(luò)地址無類域間路由（CIDR，ClasslessInter-DomainRouting）

子網(wǎng)編址方法不一樣，CIDR不是擴(kuò)展Ipv4地址的網(wǎng)絡(luò)ID部分，而是縮短它，所以它也被稱為超網(wǎng)（Supernetting）。204.2.2IPv4地址例如，分配16個連續(xù)的C類網(wǎng)絡(luò)地址：，，，，…….給一個組織，這16個C類網(wǎng)絡(luò)地址的二進(jìn)制表示如圖所示。214.2.2IPv4地址如何用一個網(wǎng)絡(luò)地址來表示這塊IP地址空間?

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址的含義，在該網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)都有相同的網(wǎng)絡(luò)前綴，因此只需要對這塊地址空間找出相同的前綴即可。這16個C類網(wǎng)絡(luò)地址都有相同的前20位01100101011100100000，這前20位就是網(wǎng)絡(luò)ID。單一的網(wǎng)絡(luò)ID表示“/20”。224.2.2IPv4地址CIDR并不限制網(wǎng)絡(luò)地址必須為C類地址。IPv4地址傳統(tǒng)的分類方法會造成IPv4地址的浪費(fèi)。CIDR名稱中的“無類”是指它不受IPv4地址類別的約束，是一種無類別的編址方法。采用CIDR后，人們可以根據(jù)實(shí)際需要分配網(wǎng)絡(luò)地址空間，網(wǎng)絡(luò)ID的長度可以是從最高位開始的任意長度，而不是A類的8位，B類的16位、C類的24位等。識別IPv4地址中的網(wǎng)絡(luò)ID僅僅依賴于網(wǎng)絡(luò)掩碼，而不是地址類別。IPv6的地址結(jié)構(gòu)也是無類的。234.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由IPv4數(shù)據(jù)報是放進(jìn)各種物理網(wǎng)絡(luò)的幀內(nèi)進(jìn)行傳輸?shù)摹８鞣N物理網(wǎng)絡(luò)的幀格式不同，但都是由頭部和數(shù)據(jù)區(qū)組成。在IPv4數(shù)據(jù)報中，一個數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)量可以小到只有一個字節(jié)，也可以大到包含64K字節(jié)。數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)可以放置任何數(shù)據(jù)，傳送者并不關(guān)心數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容，它們只是負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)報送到目的地，由目的地來理解數(shù)據(jù)區(qū)中的內(nèi)容。244.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由IPv4數(shù)據(jù)報頭由一個長度為20個字節(jié)的固定項(xiàng)和一個長度可變的可選項(xiàng)組成。固定項(xiàng)部分里的每個字段都有固定的大小。版本字段占4位，指明IP數(shù)據(jù)報的版本，它的值常見的只有兩種：4表示是IPv4，6表示IPv6。頭部長度字段占4位，指明IPv4數(shù)據(jù)報頭的長度?？傞L度字段占16位，它指明整個IPv4數(shù)據(jù)報的字節(jié)長度，包括IPv4數(shù)據(jù)報頭和數(shù)據(jù)區(qū)。從總長度字段可以看出，IPv4數(shù)據(jù)報的最大長度為216-1=65535個字節(jié)。服務(wù)類型字段占8位，它用于區(qū)分不同的服務(wù)種類，包括低延遲數(shù)據(jù)傳輸、高可靠性數(shù)據(jù)傳輸、高吞吐量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。例如，對?shù)字語音通信，需要低延遲；而對文件傳輸，則要求高可靠性。標(biāo)識、標(biāo)志、分段偏移三個字段分別占16位、3位和13位。它們用于當(dāng)IPv4數(shù)據(jù)報很大，而物理幀較小時，必須將IPv4數(shù)據(jù)報分成若干個分段進(jìn)行傳輸?shù)那闆r。254.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由生存期字段（TimeToLive）占8位，它用于阻止數(shù)據(jù)報在一條包含環(huán)路的路徑上永遠(yuǎn)地傳送。為了避免IPv4數(shù)據(jù)報無限制地在一個環(huán)路中傳輸，發(fā)送方負(fù)責(zé)初始化生存期字段，設(shè)置它為1到255之間的一個整數(shù)。IPv4數(shù)據(jù)報經(jīng)過每個路由器時，路由器將該值減1，如果達(dá)到0，將丟棄該IPv4數(shù)據(jù)報，返回一個出錯消息給發(fā)送者。協(xié)議字段占8位，它僅在IPv4數(shù)據(jù)報到達(dá)其最終目的地才會用到。該字段值指明IPv4數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分應(yīng)交給上層哪個傳輸層協(xié)議來處理。例如，值為6表示數(shù)據(jù)部分要交給TCP協(xié)議，而值為17表示數(shù)據(jù)部分要交給UDP協(xié)議。頭部校驗(yàn)和字段占16位，它是為了確保IPv4數(shù)據(jù)報頭部在傳輸過程中不被改變。當(dāng)發(fā)送方創(chuàng)建IPv4數(shù)據(jù)報時，對除了校驗(yàn)和字段的頭部數(shù)據(jù)求校驗(yàn)和，將和的反碼放入頭部校驗(yàn)和字段中。為了驗(yàn)證IPv4數(shù)據(jù)報在傳輸過程中的正確性，路由器或主機(jī)接收到IPv4數(shù)據(jù)報時，進(jìn)行同樣的計算，但計算時包括了校驗(yàn)和字段，如果校驗(yàn)和正確，則結(jié)果應(yīng)為1。選項(xiàng)字段的長度是可變的，它主要用于控制和測試兩大目的。264.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由IP數(shù)據(jù)報的路由

TCP/IP協(xié)議的設(shè)計者提供了兩種基本的通信服務(wù)類型：無連接服務(wù)和面向連接的服務(wù)，并且他們在網(wǎng)絡(luò)層選擇無連接服務(wù)作為基本的傳送服務(wù)。

所謂無連接服務(wù)是指，每個IP數(shù)據(jù)報獨(dú)立地在網(wǎng)上傳送，因?yàn)樗旧戆私邮辗降腎P地址。

發(fā)送方創(chuàng)建一個IP數(shù)據(jù)報，把目的地IP地址放入IP數(shù)據(jù)報頭中，然后將數(shù)據(jù)報送往鄰近的路由器（在同一物理網(wǎng)上）。當(dāng)路由器收到一個IP數(shù)據(jù)報時，先從頭部取出目的地IP地址，根據(jù)這個地址來選擇去往目的地通路上的下一個路由器，并將數(shù)據(jù)報傳給它。最終IP數(shù)據(jù)報會到達(dá)這樣一個路由器，這個路由器能夠直接將IP數(shù)據(jù)報傳給它的最終目的地。

274.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由路由器是如何選擇一條最佳路徑把IP數(shù)據(jù)報送往主機(jī)B的呢？答案是，每個路由器都有一張路由表（routingtable），在表中指定了到達(dá)所知網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑。284.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由294.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由那路由器中的路由表是怎么得來的呢？對于小型網(wǎng)絡(luò)，也許可以通過人工手段來填寫路由器中的路由表。但對于大型網(wǎng)絡(luò)，由于涉及到的物理網(wǎng)絡(luò)較多，連接的網(wǎng)絡(luò)可能出故障、暫時斷開，新的物理網(wǎng)絡(luò)可能隨時加入，人工的手段不足以及時地反映這些變化，因此，路由器的路由表是通過路由算法自動生成的。這些內(nèi)容將在第8章中介紹。304.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由Internet設(shè)計者引入了自治系統(tǒng)（AS，AutonomousSystem）的概念。處于一個管理機(jī)構(gòu)控制之下的所有網(wǎng)絡(luò)和路由器構(gòu)成一個自治系統(tǒng)。314.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由在一個自治系統(tǒng)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)不會很多，因此可以用前面介紹過的路由條目來進(jìn)行本自治系統(tǒng)內(nèi)不同網(wǎng)絡(luò)之間的路由選擇。但當(dāng)一個IP數(shù)據(jù)報是發(fā)往其他自治系統(tǒng)的時候，該IP數(shù)據(jù)報將會送往本自治系統(tǒng)的邊界路由器，由它再轉(zhuǎn)發(fā)給其他自治系統(tǒng)的邊界路由器，最終送到目的地。將發(fā)往其他自治系統(tǒng)的IP數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)到本自治系統(tǒng)的邊界路由器的方法就是通過路由表中的默認(rèn)路由（defaultrouting）來完成的。324.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由33R6的路由表當(dāng)路由器R6接收到的IP數(shù)據(jù)報的目的地不是本自治系統(tǒng)內(nèi)的主機(jī)時，該IP數(shù)據(jù)報將匹配路由表中最后一項(xiàng)default（即默認(rèn)路由），于是R6將它轉(zhuǎn)發(fā)給邊界路由器R2。同樣，R7、R8和R9的路由表的最后一項(xiàng)也都是default，但這些default對應(yīng)的下一站不是R2，而都是R6。4.2.3IPv4數(shù)據(jù)報和路由每一種網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)都規(guī)定了一個幀所能攜帶的最大數(shù)據(jù)量，稱為最大傳輸單元（MTU，MaximumTransmissionUnit）。若網(wǎng)絡(luò)1的MTU為1500個字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)2的MTU為1000個字節(jié)，則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)1的幀傳給連接兩個網(wǎng)絡(luò)的路由器后，若該幀攜帶的數(shù)據(jù)量超過網(wǎng)絡(luò)2的MTU大小，路由器就必須將幀中包含的IPv4數(shù)據(jù)報分成兩個數(shù)據(jù)報，分別裝入兩個物理網(wǎng)2的幀內(nèi)，這稱為IPv4數(shù)據(jù)報的分段。34IPv4協(xié)議規(guī)定只有在最終目的地的主機(jī)上才能對分段進(jìn)行重組，即重新產(chǎn)生原IPv4數(shù)據(jù)報。4.3.1TCP協(xié)議的主要作用傳輸控制協(xié)議（TCP，TransmissionControlProtocol）提供可靠的、端到端的傳輸服務(wù)。它在源結(jié)點(diǎn)（發(fā)送數(shù)據(jù)的計算機(jī)）和目的結(jié)點(diǎn)（接收數(shù)據(jù)的計算機(jī)）上的兩個進(jìn)程之間建立一條直接的通信連接，數(shù)據(jù)在這條通信連接上按序正確傳輸。354.3.2傳輸層端口為了提供兩臺計算機(jī)上的進(jìn)程之間的通信功能，TCP協(xié)議提出了端口（port）的概念，用于標(biāo)識通信的進(jìn)程。端口實(shí)際上是一個抽象的軟件結(jié)構(gòu)，類似于硬件的端口接一個外設(shè)，傳輸層端口用于建立一條通信連接，它包括通信緩沖區(qū)和一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個端口都有一個端口號，用于區(qū)分不同的端口。端口分為兩類：一類是保留端口，保留給這些標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)程序使用；另一類是自由端口，用于分配給需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的其他應(yīng)用程序。應(yīng)用程序可以通過系統(tǒng)調(diào)用獲取一個端口，并與該端口建立關(guān)聯(lián)，或稱綁定（binding）。端口中保留端口只占一小部分，它以全局方式進(jìn)行分配。364.3.2傳輸層端口374.3.2傳輸層端口38端口、應(yīng)用程序和計算機(jī)之間的關(guān)系4.3.3TCP段格式TCP協(xié)議的傳輸單位是段（segment）。發(fā)送方的TCP收到它上面應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)后，將其分段，并在每個分段前加一個TCP的頭。因此，TCP段由頭部和數(shù)據(jù)組成。394.3.3實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸可靠性涉及到發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)包有無丟失、包在傳輸過程中有無出錯、一系列包是否按序傳送等。像郵寄信件一樣，通過接收確認(rèn)（acknowledgement）和重發(fā)(retransmission)來解決數(shù)據(jù)包的丟失。問題：TCP在重發(fā)之前應(yīng)該等待多長時間？適應(yīng)性重發(fā)算法。

TCP監(jiān)視每一個連接的性能，由此推算出合適的超時時限，設(shè)置重發(fā)定時器來適應(yīng)條件的變化。當(dāng)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時，TCP就啟動這個定時器，在定時器超時時，如果沒有收到一個確認(rèn)，則發(fā)送方重發(fā)數(shù)據(jù)。404.3.3實(shí)現(xiàn)可靠性TCP把數(shù)據(jù)看成是有序的字節(jié)流，序號是建立在傳輸?shù)淖止?jié)流之上，而不是傳送的段之上。段頭中的序號是該段首字節(jié)的字節(jié)流編號。41關(guān)于數(shù)據(jù)包正確性的驗(yàn)證，TCP是通過校驗(yàn)和字段來檢驗(yàn)TCP段（包括頭部和數(shù)據(jù)）在傳輸中有無出錯。關(guān)于數(shù)據(jù)包失序的問題，兩種選擇：（1）接收方丟棄失序段；（2）接收方保留失序的段。由于后一種選擇對于網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用更有效，因此通常是實(shí)現(xiàn)中采用的方法。4.3.5流量控制TCP的流量控制主要是通過滑動窗口（slidingwindow）協(xié)議來完成。滑動窗口協(xié)議不僅用于流量控制，也用于解決傳輸效率問題。一個TCP連接的雙方主機(jī)都設(shè)置有窗口，發(fā)送方可以將發(fā)送窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)連續(xù)地發(fā)送出去，而不必等待接收方的確認(rèn)，以利于充分地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬來傳輸數(shù)據(jù)，提高傳輸效率。接收窗口給出了接收方最多還可存放多少發(fā)送方發(fā)來的數(shù)據(jù)。如果接收方根據(jù)自己的接收能力，隨時把接收窗口的大小通知發(fā)送方，就能實(shí)現(xiàn)流量控制。424.3.5流量控制43發(fā)送方發(fā)出第1個段后，并沒有等收到對方發(fā)來確認(rèn)后再發(fā)第2個段，而是馬上連續(xù)發(fā)送第2、3個段，以提高發(fā)送速度，讓網(wǎng)絡(luò)一直處于忙的狀態(tài)。TCP使用的滑動窗口協(xié)議在解決流量控制問題的同時也提高了傳輸效率。4.3.5流量控制44滑動窗口協(xié)議的工作原理4.3.6擁塞控制TCP的擁塞控制方法也是基于滑動窗口協(xié)議。它通過限制發(fā)送方向網(wǎng)絡(luò)注入數(shù)據(jù)報的速率而達(dá)到擁塞控制的目的。具體說，TCP通過控制發(fā)送窗口的大小來響應(yīng)擁塞的出現(xiàn)?？刂瓢l(fā)送窗口大小的一個因素是接收方發(fā)來的窗口通告。那么為了擁塞控制，又增加一個因素稱作擁塞窗口限制，又叫擁塞窗口。發(fā)送窗口的大小取窗口通告和擁塞窗口二者之中的較小者。在沒有擁塞的情況下，發(fā)送方的擁塞窗口和窗口通告大小相等。一旦發(fā)生擁塞，發(fā)送方的TCP將減小擁塞窗口一半。擁塞窗口隨擁塞不斷的出現(xiàn)，不斷地減小。那么TCP是怎么發(fā)現(xiàn)擁塞的呢？一般有兩條途徑：一是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)報丟失，一是來自ICMP報文。為了迅速抑制擁塞，TCP一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)報丟失，立即將擁塞窗口大小減半，稱作快速遞減。擁塞結(jié)束之后，TCP采用稱作慢啟動恢復(fù)的算法使窗口慢慢變大。454.3.7TCP連接的建立和關(guān)閉三次握手46建立TCP連接的三次握手4.3.7TCP連接的建立和關(guān)閉TCP連接是雙向的，因此關(guān)閉TCP連接需交換四次報文。47關(guān)閉TCP連接的報文交換4.4UDP協(xié)議用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP，UserDatagramProtocol）和TCP都屬于傳輸層協(xié)議，它們都建立在IP協(xié)議之上。UDP與IP相比，它唯一增加的功能是，在UDP的報頭中增加了源端口和目的地端口。為什么傳輸層有了TCP協(xié)議之后，還要UDP協(xié)議？484.4.1UDP段格式UDP報文段由兩部分組成：頭部和數(shù)據(jù)區(qū)。49

每個字段都是兩個字節(jié)。源端口字段表示源端口號，目的端口字段表示目的端口號，段長度字段給出頭部和數(shù)據(jù)部分總的字節(jié)數(shù)。因?yàn)轭^部的長度是固定的，所以該字段主要用來指出可變長的數(shù)據(jù)部分。校驗(yàn)和字段是保證UDP數(shù)據(jù)段正確性的唯一手段，但該字段是可選的，如果該字段的值是0就說明不進(jìn)行校驗(yàn)。UDP校驗(yàn)和的計算還涉及到UDP的偽頭部。4.4.2UDP偽頭部為了保證數(shù)據(jù)正確性，校驗(yàn)和必須覆蓋數(shù)據(jù)區(qū)。為了保證報文段正確到達(dá)目的地，檢驗(yàn)和必須包含目的IP地址和目的端口等內(nèi)容。但目的IP地址超出了UDP報文段本身的覆蓋范圍，它是在IP數(shù)據(jù)報頭中。為此，UDP引入了UDP偽頭部。504.4.3UDP端口UDP可使用的端口數(shù)和TCP一樣，都是216-1=65535個。目前已分配的部分UDP端口號如表所示。514.5.1ARP協(xié)議ARP協(xié)議524.5RARP協(xié)議RARP協(xié)議 20世紀(jì)90年代中期，有一種組網(wǎng)方式十分流行，即構(gòu)建支持無盤作站的網(wǎng)絡(luò)。無盤工作站沒有硬盤，它無處保存自己的IPv4地址，但它至少有一塊帶有基本輸入輸出系統(tǒng)的ROM芯片和一塊網(wǎng)卡，網(wǎng)卡上有MAC地址。于是無盤工作站獲取它的IP地址的方法如下所示：（1）無盤工作站啟動時由ROM使用其MAC地址廣播發(fā)送RARP請求報文。（2）物理網(wǎng)絡(luò)上的RARP服務(wù)器獲取該請求后查詢自己維護(hù)的<MAC地址，IP地址>映射表，向無盤工作站返回與其MAC地址對應(yīng)的IP地址。

目前，RARP協(xié)議已基本被BOOTP、DHCP所替代，后兩種協(xié)議除了和RARP協(xié)議一樣提供IP地址信息以外，還提供如默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器等信息。534.5ICMP協(xié)議ICMP協(xié)議（1）目的地機(jī)器與網(wǎng)絡(luò)斷開或目的地機(jī)器發(fā)生故障（2）通信線路故障（3）網(wǎng)絡(luò)擁塞或路由器故障設(shè)計者在TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層中專門加入一個輔助控制協(xié)議：Internet控制報文協(xié)議（ICMP，InternetControlMessageProtocol）。544.5ICMP協(xié)議ICMP有三種報文類型，分別為差錯報文、控制報文和請求/應(yīng)答報文。差錯報文用于告知發(fā)送方數(shù)據(jù)報不能送到目的地機(jī)器的原因，它分為三種：目的地不可達(dá)報文、超時報文和參數(shù)出錯報文?？刂茍笪挠袃煞N：源抑制報文和重定向報文，分別用于擁塞控制和路徑控制。請求/應(yīng)答報文有3種：回應(yīng)請求/應(yīng)答報文、時間戳請求/應(yīng)答報文和地址掩碼請求/應(yīng)答報文。ICMP報文是利用IP數(shù)據(jù)報承載的，如圖所示。頭部指明報文類型及子類，數(shù)據(jù)區(qū)給出所需信息。554.5ICMP協(xié)議差錯報文 ICMP差錯報文用于路由器或接收方主機(jī)向發(fā)送方主機(jī)報告數(shù)據(jù)報出錯情況。（1）目的地不可達(dá)報文：如果路由器判斷不能把IP數(shù)據(jù)報送達(dá)目的地主機(jī)，就會向發(fā)送方主機(jī)返回“目的地主機(jī)不可達(dá)”報文。此外，目的地主機(jī)如果找不到對應(yīng)協(xié)議或上層訪問服務(wù)點(diǎn)，它也會返回這種報文。（2）超時報文：路由器發(fā)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)報的生存期（TTL）已超時，或目的地主機(jī)在一定時間內(nèi)無法完成分段重組，就會向源主機(jī)發(fā)送超時報文。（3）參數(shù)出錯報文：當(dāng)路由器或目的地主機(jī)發(fā)現(xiàn)收到的IP數(shù)據(jù)報頭中有不正確的參數(shù)時，向源主機(jī)發(fā)送參數(shù)出錯報文。564.5ICMP協(xié)議控制報文 ICMP控制報文用于網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制和IP數(shù)據(jù)報傳輸路徑的控制。（1）源抑制報文：當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時，路由器通過發(fā)送源抑制報文要求發(fā)送者降低發(fā)送速率。（2）重定向報文：路由器通過發(fā)送該報文告訴主機(jī)發(fā)往相應(yīng)目的地的最優(yōu)路徑。當(dāng)路由器收到一個IP數(shù)據(jù)報，而它知道有更好的路徑傳輸該數(shù)據(jù)報，它就向主機(jī)發(fā)送一個重定向報文，請求該主機(jī)改變路由。574.5ICMP協(xié)議請求/應(yīng)答報文 ICMP差錯報文和控制報文的共同特點(diǎn)是單向傳輸，而ICMP的請求/應(yīng)答報文是雙向傳輸?shù)?，其目的在于獲得某些網(wǎng)絡(luò)信息。（1）回應(yīng)請求/應(yīng)答報文：用于測試兩個主機(jī)之間的通信線路是否暢通。收到回應(yīng)請求的主機(jī)必須返回應(yīng)答報文。網(wǎng)絡(luò)用戶常用的ping命令就是利用該報文來測試兩個主機(jī)的連通性。（2）時間戳請求/應(yīng)答報文：用于Internet上各個主機(jī)之間進(jìn)行時鐘同步。請求主機(jī)向另一臺主機(jī)發(fā)送一個時間戳請求報文，要求它返回當(dāng)前時間。接收主機(jī)返回一個時間戳應(yīng)答報文。同步時間時需要估計報文傳輸?shù)臅r延。（3）地址掩碼請求/應(yīng)答報文：用于主機(jī)向路由器獲取它所在網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)掩碼。主機(jī)發(fā)送一個地址掩碼請求報文，路由器收到后返回一個地址掩碼應(yīng)答報文，其中包含了本網(wǎng)使用的32位子網(wǎng)掩碼。584.6網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT，NetworkAddressTranslation）594.6網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT若NAT主機(jī)具有K個全球有效IP地址，并且執(zhí)行這種1對1的IP地址映射，則它最多允許內(nèi)部網(wǎng)上K臺計算機(jī)同時訪問Internet。這種NAT方式稱作多地址NAT。如果NAT主機(jī)只有1個全球有效IP地址，那么內(nèi)部網(wǎng)上多臺計算機(jī)能否通過它同時訪問Internet。這時，NAT主機(jī)需要通過使用協(xié)議、端口號加上它的有效IP地址來區(qū)分內(nèi)部網(wǎng)中不同的計算機(jī)。這種技術(shù)稱為網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換（NAPT，NetworkAddressPortTranslation）。604.6網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT614.6網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT為了實(shí)現(xiàn)這樣的網(wǎng)絡(luò)端口轉(zhuǎn)換，NAT主機(jī)需要使用NAPT轉(zhuǎn)換表。624.7多播一個發(fā)送方只向一個接收方傳輸數(shù)據(jù)。這稱為點(diǎn)對點(diǎn)通信，也稱單播（Unicast）。很多應(yīng)用（如視頻會議、流媒體、交互式游戲、數(shù)據(jù)共享應(yīng)用等）需要一個發(fā)送方同時向多個接收方傳輸數(shù)據(jù)，這稱為多播（Multicast）。這些應(yīng)用實(shí)際上都是參與者形成一個組，發(fā)送者要把數(shù)據(jù)同時發(fā)送給組內(nèi)所有成員，因此多播也稱為組播。634.7.1IPv4多播地址D類地址D類地址的范圍是到55，與一個D類地址相關(guān)聯(lián)的一組接收方稱為一個多播組。雖然多播在概念上很簡單，但是它要處理的問題不少，可歸結(jié)為兩類：多播組的管理；多播數(shù)據(jù)報如何從發(fā)送方傳輸?shù)蕉嗖ソM的所有成員（這些成員可能在同一個網(wǎng)絡(luò)上，也可能分布在相距很遠(yuǎn)的不同網(wǎng)絡(luò)上）。644.7.2IGMP協(xié)議和多播路由協(xié)議Internet組管理協(xié)議（IGMP，InternetGroupManagementProtocol）運(yùn)行在主機(jī)與其直接相連的路由器之間。IGMP為主機(jī)提供一種手段，可讓主機(jī)通知與其直接相連的路由器，在本機(jī)上運(yùn)行的一個應(yīng)用程序要加入一個特定的多播組。654.7.2IGMP協(xié)議和多播路由協(xié)議路由器通過兩種方法獲得它所接網(wǎng)絡(luò)上主機(jī)參加多播組的信息。第一種方法是路由器通過周期性地向所有直接相連的主機(jī)發(fā)送成員關(guān)系查詢（membership-query）報文，要求主機(jī)回答其所參加的多播組。如果報文中多播組地址為0，則查詢所有多播組成員；如報文中多播組地址為特定的多播組地址，則查詢該多播組成員。主機(jī)用成員關(guān)系報告（membership-report）報文來響應(yīng)成員關(guān)系查詢報文，告之路由器該主機(jī)參加的多播組。第二種方法是由主機(jī)主動向直接相連的路由器報告它參加的多播組，即當(dāng)一個主機(jī)上的一個應(yīng)用程序首次加入一個多播組時，該主機(jī)立即向直接相連的路由器發(fā)送一個成員關(guān)系報告報文。664.7.2IGMP協(xié)議和多播路由協(xié)議IGMP定義的第三種報文是離組（leave_group）報文。當(dāng)主機(jī)要離開某個多播組時，便向路由器發(fā)離組報文。但離組報文是可選的，若某主機(jī)不發(fā)離組報文，路由器也可以檢測到一個相連接口上已無任何主機(jī)加入某給定組。這是因?yàn)槁酚善髦芷谛缘叵蚱渌薪涌诎l(fā)送含有給定多播組地址的成員關(guān)系查詢報文。若一個接口上無主機(jī)響應(yīng)這個報文，則表明該接口上沒有主機(jī)加入給定的多播組。IGMP報文也是通過IP數(shù)據(jù)報進(jìn)行傳輸?shù)?。從IP數(shù)據(jù)報頭中的TTL值為1可知，IGMP報文只是在同一個子網(wǎng)內(nèi)傳送。674.7.2IGMP協(xié)議和多播路由協(xié)議IGMP的工作機(jī)制是，一個路由器只管理它的每個接口的多播組情況。IGMP沒有涉及路由器之間多播數(shù)據(jù)報傳輸?shù)膯栴}。要實(shí)現(xiàn)Internet上的多播數(shù)據(jù)報的傳輸，僅有IGMP是不夠的，因?yàn)樗唇鉀QInternet中（多播）路由器如何交換多播組成員的信息，如何將多播數(shù)據(jù)報傳送到位于不同網(wǎng)絡(luò)上的所有多播組成員的問題。要解決這些問題，還需要有多播路由（multicastrouting）協(xié)議的支持。在Internet上有效地傳輸多播數(shù)據(jù)報是一個很有挑戰(zhàn)性的問題，目前開發(fā)人員已設(shè)計出了多個多播路由協(xié)議。距離矢量多播路由協(xié)議（DVMRP，DistanceVectorMulticastRoutingProtocol）、OSPF多播擴(kuò)展（MOSPF，MulticastextensiontoOSPF）、協(xié)議無關(guān)多播（PIM，ProtocolIndependentMulticast）等。684.8移動IP移動IP（MobileIP）是一種在Internet上提供移動功能的方案。它使移動節(jié)點(diǎn)在切換鏈路時仍然可保持現(xiàn)有通信，并且，移動IP提供了一種IP路由機(jī)制，可以使移動節(jié)點(diǎn)以一個永久的IP地址連接到任何鏈路上。694.8移動IP的有關(guān)概念移動IP技術(shù)，是指移動用戶離開原網(wǎng)絡(luò)，在基于IP的不同網(wǎng)絡(luò)鏈路中自由移動和漫游時，不需要修改移動設(shè)備原有的IP地址，仍能繼續(xù)享有原網(wǎng)絡(luò)中一切權(quán)限和服務(wù)的技術(shù)。事實(shí)上，移動IP可以看作是一個路由協(xié)議，只是與傳統(tǒng)意義上的路由協(xié)議OSPF、RIP、BGP相比，它具有特殊的功能，即將數(shù)據(jù)報路由到那些可能一直在快速地改變位置的移動節(jié)點(diǎn)上。704.8移動IP的有關(guān)概念移動IP協(xié)議定義了一些常用術(shù)語：（1）家鄉(xiāng)地址（HomeAddress）、家鄉(xiāng)鏈路（HomeNetwork）（2）隧道（Tunnel）（3）轉(zhuǎn)交地址（Care-ofAddress）714.8移動IP的有關(guān)概念移動IP協(xié)議定義了三種必須實(shí)現(xiàn)移動協(xié)議的功能實(shí)體：（1）移動節(jié)點(diǎn)（MN，MobileNode）：可以將接入Internet的位置從一條鏈路切換到另一條鏈路上，而仍然保持所有正在進(jìn)行的通信，并且只使用它的家鄉(xiāng)地址的那些節(jié)點(diǎn)。（2）家鄉(xiāng)代理（HA，HomeAgent）：是指位于移動節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)鏈路上的路由器。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)離開家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時，它負(fù)責(zé)截獲所有發(fā)往移動節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包，并通過隧道將它們轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)，并且維護(hù)移動節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的信息。（3）外地代理（FA，F(xiàn)oreignAgent）：是指位于移動節(jié)點(diǎn)所訪問網(wǎng)絡(luò)（外地鏈路）上的路由器，為注冊的移動節(jié)點(diǎn)提供路由服務(wù)。它接受移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)代理通過隧道發(fā)來的報文，進(jìn)行拆封后發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)。對于移動節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報文，外地代理提供普通路由器的服務(wù)。724.8.2移動IP工作原理第一種情況，A與B的通信就像固定主機(jī)H與B通信一樣，數(shù)據(jù)報在Internet上路由到家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)，見圖中①。第二種情況，A移動到外地網(wǎng)絡(luò)。734.8.3一些主要技術(shù)（1）代理發(fā)現(xiàn)（2）向家鄉(xiāng)代理注冊（3）轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報給移動計算機(jī)1．代理發(fā)現(xiàn)一個移動計算機(jī)要發(fā)現(xiàn)是否移動到外地網(wǎng)絡(luò)，就必須與當(dāng)前它所處的網(wǎng)絡(luò)的某個移動管理者通信聯(lián)系。一般有兩種方法：一是網(wǎng)絡(luò)的移動管理者（通常是路由器）周期性地發(fā)廣播通告（稱為“路由器通告”消息），指明它是什么網(wǎng)絡(luò)、路由器的IP地址、可用的轉(zhuǎn)交地址等。當(dāng)移動計算機(jī)收到此通告后，比較路由器通告的網(wǎng)絡(luò)號和自己的家鄉(xiāng)地址的網(wǎng)絡(luò)號是否一致，就可以知道它是在某個外地網(wǎng)絡(luò)，還是在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)；二是，移動計算機(jī)主動發(fā)請求廣播，要求當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)的移動管理者告之是什么網(wǎng)絡(luò)。744.8.3一些主要技術(shù)2．向家鄉(xiāng)代理注冊

移動計算機(jī)收到一個外地代理通告以后，需立即向外地代理發(fā)送一個移動IP“注冊報文”。注冊報文包含有外地代理通告中的轉(zhuǎn)交地址、家鄉(xiāng)代理的地址、移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址等。

外地代理收到注冊報文后，記錄下移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址，為以后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報做準(zhǔn)備。然后外地代理向家鄉(xiāng)代理發(fā)送一個“注冊報文”。該報文包含轉(zhuǎn)交地址、家鄉(xiāng)代理地址、移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址等。

家鄉(xiāng)代理接收到注冊報文后，把移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址和轉(zhuǎn)交地址綁定在一起。以后當(dāng)它截獲到發(fā)給移動計算機(jī)的家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)報時，就以隧道方式轉(zhuǎn)發(fā)到移動計算機(jī)的轉(zhuǎn)交地址。家鄉(xiāng)代理返回一個“注冊回答”報文給外地代理。

外地代理接收到“注冊回答”報文后，將其轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)，到此注冊便完成。75習(xí)題1．IP地址由哪兩部分組成？2.實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵