計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)6.1TCP/IP協(xié)議概述6.2Internet概述6.3Internet網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議6.4Internet傳輸層協(xié)議6.5Internet的服務(wù)和應(yīng)用第6章TCP/IP協(xié)議與Internet

【本章內(nèi)容簡(jiǎn)介】本章主要介紹TCP/IP協(xié)議和Internet的服務(wù)與應(yīng)用。TCP/IP協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議也是最重要的協(xié)議，通過(guò)本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)將會(huì)對(duì)Internet的組織結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)认嚓P(guān)知識(shí)有更深的理解和認(rèn)識(shí)，并能夠更好地、靈活地運(yùn)用nternet的相關(guān)服務(wù)和應(yīng)用。首先介紹TCP/IP協(xié)議的基本概念，按照TCP/IP協(xié)議棧的層次分別介紹網(wǎng)際互聯(lián)層協(xié)議、傳輸層協(xié)議、應(yīng)用層協(xié)議、TCP/IP協(xié)議模型的各個(gè)層次所包含的概念和應(yīng)用以及Internet的服務(wù)和應(yīng)用。【本章重點(diǎn)難點(diǎn)】重點(diǎn)掌握TCP/IP協(xié)議體系的基本概念，TCP/IP協(xié)議模型中各個(gè)層次包含的協(xié)議的基本概念和功能。第6章TCP/IP協(xié)議與Internet6.1TCP/IP協(xié)議概述

TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)協(xié)議是當(dāng)今技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，并擁有完整的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

TCP/IP是一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它起源于美國(guó)ARPANET網(wǎng)，由它的兩個(gè)主要協(xié)議即傳輸控制協(xié)議TCP和網(wǎng)際協(xié)議IP而得名。

1．TCP/IP概述2．TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)

TCP/IP分成4層，分別是網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際互聯(lián)層(IP)、傳輸層和應(yīng)用層，與OSI/RM的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6-1所示。圖6-1TCP/IP與OSI的對(duì)應(yīng)關(guān)系6.1TCP/IP協(xié)議概述

在TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)中，雖然包括4個(gè)層次，但實(shí)際上只有3個(gè)層次包含了實(shí)際的協(xié)議。TCP/IP中各層對(duì)應(yīng)的協(xié)議主要如圖6-2所示。TCPUDP應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)接口層傳輸層網(wǎng)際互聯(lián)層TelnetFTPDNSSMTPHTTPEthernetIPARPRARPIGMPICMPIPARPRARPIGMPICMPATMTokenRingFrameRelay……圖6-2TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中的協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)6.1TCP/IP協(xié)議概述1．Internet的定義Internet又稱國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)，是采用網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)建立起來(lái)的、世界上唯一的、主要用于共享網(wǎng)絡(luò)信息資源的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。Internet是由成千上萬(wàn)的不同類型，不同規(guī)模的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)主機(jī)組成的覆蓋世界范圍的巨型網(wǎng)絡(luò)。6.2Internet概述6.2Internet概述2．Internet原理

（1）通過(guò)全球性的唯一的地址邏輯地鏈接在一起。這個(gè)地址是建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)或今后其他協(xié)議基礎(chǔ)之上的。（2）可以通過(guò)傳輸控制協(xié)議和互聯(lián)協(xié)議(TCP/IP)，或者今后其他接替的協(xié)議或與互聯(lián)協(xié)議(IP)兼容的協(xié)議來(lái)進(jìn)行通信。（3）可以讓公共用戶或者私人用戶使用高水平的服務(wù)。這種服務(wù)是建立在上述通信及相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施之上的。（1）收發(fā)電子郵件（2）小型家庭辦公室（3）上網(wǎng)瀏覽（4）查詢信息（5）電子商務(wù)（6）豐富人們的閑暇生活方式（7）其他應(yīng)用。6.2Internet概述3．Internet應(yīng)用

網(wǎng)際層是在Internet標(biāo)準(zhǔn)中正式定義的第l個(gè)層,網(wǎng)際層所執(zhí)行的主要功能是處理來(lái)自傳輸層的分組,將分組形成數(shù)據(jù)包(IP數(shù)據(jù)包),并為該數(shù)據(jù)包進(jìn)行路徑選擇,最終將數(shù)據(jù)包從源主機(jī)發(fā)送到目的主機(jī).在網(wǎng)際層中,包含的協(xié)議主要有網(wǎng)際協(xié)議

(InternetProtocol,IP),網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議

(InternetControlMessageProtocol,ICMP),網(wǎng)際主機(jī)組管理協(xié)議(InternetGroupManagementProtocol,IGMP),地址解析協(xié)議

(AddressResolutionProtocol,ARP)和逆向地址解析協(xié)議

(ReverseAddressResolution,RARP)等.最常用的協(xié)議是網(wǎng)際協(xié)議IP,其他一些協(xié)議用來(lái)協(xié)助IP的工作.6.3Internet網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議1.IP的主要功能

IP協(xié)議的基本功能是對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的尋址和路由，并從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。IP協(xié)議在每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包前加入一個(gè)控制信息，其中包含了源主機(jī)的IP地址和其他一些信息。

6.3.1IP

IP是一個(gè)無(wú)連接的協(xié)議。無(wú)連接是指主機(jī)之間不建立用于可靠通信的端到端的連接，源主機(jī)只是簡(jiǎn)單地將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，而IP數(shù)據(jù)包可能會(huì)丟失、重復(fù)、延遲時(shí)間長(zhǎng)或者順序混亂。因此，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的可靠性傳輸，就必須依靠高層的協(xié)議或應(yīng)用程序，如傳輸層的TCP協(xié)議。2.IP的特性6.3.1IP3.IP數(shù)據(jù)報(bào)格式IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到以太網(wǎng)的MAC數(shù)據(jù)幀，與一般網(wǎng)絡(luò)層分組格式相似，IP數(shù)據(jù)報(bào)也分為兩部分：首部和數(shù)據(jù)。4bit4bit8bit16bit版本首部長(zhǎng)服務(wù)類型總長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)符標(biāo)志片偏移生存時(shí)間協(xié)議首部校驗(yàn)和源IP地址目的IP地址任選項(xiàng)填充字段…數(shù)據(jù)…圖6-3IP數(shù)據(jù)報(bào)格式6.3.1IP6.3.2IP地址1．物理地址與邏輯地址一臺(tái)Internet主機(jī)至少有一個(gè)IP地址，而且這個(gè)IP地址是全網(wǎng)惟一的。圖6-6IP地址的結(jié)構(gòu)6.3.2IP地址

2．IP地址的分類

IP協(xié)議把IP地址分成5類，包括A類、B類、C類、D類和E類。5類IP地址的格式如圖6-7所示。圖6-7

IP地址的分類3．特殊IP地址對(duì)于任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào),其全為“0”或全為“l(fā)”的主機(jī)地址均為特殊的IP地址.例如,和55都是特殊的IP地址.特殊的IP地址有特殊的用途,不分配給任何用戶使用,如表6-2所示.

6.3.2IP地址表6-2特殊IP地址表網(wǎng)絡(luò)地址主機(jī)地址地址類型用途全0全0本機(jī)地址啟動(dòng)時(shí)使用有網(wǎng)絡(luò)號(hào)全0網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有網(wǎng)絡(luò)號(hào)全1直接廣播地址在特殊網(wǎng)上廣播全1全1有限廣播地址在本地網(wǎng)上廣播127任意環(huán)回地址環(huán)回測(cè)試6.3.2IP地址4．IP地址的管理

Internet的IP地址是全局有效的，因而對(duì)IP地址的分配與回收等工作需要統(tǒng)一管理。IP地址的最高管理機(jī)構(gòu)稱為“Internet網(wǎng)絡(luò)信息中心”，即InternetNIC（InternetNetworkInformationCenter）,它專門負(fù)責(zé)向提出IP地址申請(qǐng)的組織分配網(wǎng)絡(luò)地址，然后，各組織再在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對(duì)其主機(jī)號(hào)進(jìn)行本地分配。6.3.3子網(wǎng)技術(shù)

出于對(duì)管理、性能和安全方面的考慮，許多單位把單一網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，并使用路由器將它們連接起來(lái)。子網(wǎng)劃分技術(shù)能夠使單個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址橫跨幾個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，如圖6-11所示，這些物理網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為子網(wǎng)。

圖6-1l一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)可劃分為若干個(gè)子網(wǎng)互連6.3.3子網(wǎng)技術(shù)1．劃分子網(wǎng)的原因

(1)充分使用地址(2)劃分管理職責(zé)(3)提高網(wǎng)絡(luò)性能

2．劃分子網(wǎng)的方法為了劃分子網(wǎng)，可以將單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)號(hào)分為兩個(gè)部分，其中，一部分用于子網(wǎng)號(hào)編址，另一部分用于主機(jī)號(hào)編址。6.3.3子網(wǎng)技術(shù)圖6-13子網(wǎng)的劃分3．子網(wǎng)掩碼一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)有沒(méi)有劃分成子網(wǎng)，子網(wǎng)號(hào)有幾位，是通過(guò)子網(wǎng)屏蔽碼來(lái)識(shí)別的。子網(wǎng)屏蔽碼也稱作子網(wǎng)掩碼。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)子網(wǎng)掩碼。圖6-14所示給出了兩個(gè)地址，其中一個(gè)是未劃分子網(wǎng)中的主機(jī)lP，而另一個(gè)是子網(wǎng)中的IP地址。這兩個(gè)地址從外觀上沒(méi)有任何差別，但可以利用子網(wǎng)掩碼區(qū)分這兩個(gè)地址。6.3.3子網(wǎng)技術(shù)圖6-14使用未使用子網(wǎng)劃分的IP地址4．劃分子網(wǎng)的規(guī)則5．子網(wǎng)劃分實(shí)例

(1)確定需要多少子網(wǎng)號(hào)來(lái)唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)子網(wǎng)。

(2)確定需要多少主機(jī)號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)每一個(gè)子網(wǎng)上的每一臺(tái)主機(jī)。

(3)定義一個(gè)符合網(wǎng)絡(luò)要求的子網(wǎng)掩碼。

(4)確定標(biāo)識(shí)每一個(gè)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址。

(5)確定每一個(gè)子網(wǎng)所使用的主機(jī)地址范圍。6．可變長(zhǎng)子網(wǎng)劃分(VLSM)7．超網(wǎng)和無(wú)類域間路由CIDR6.3.3子網(wǎng)技術(shù)6.3.4網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議

網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議（InternetControlMessageProtocol，ICMP）作為IP協(xié)議的補(bǔ)充，為IP協(xié)議提供差錯(cuò)報(bào)告。用于傳送這方面的控制信息或差錯(cuò)信息。因?yàn)檫@些信息可能需要穿過(guò)幾個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)才能到達(dá)它們的最終報(bào)宿，因而只靠物理層傳遞是不能實(shí)現(xiàn)的，需要將它們封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中才能進(jìn)行傳遞。這時(shí)被封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)的ICMP報(bào)文不能看作是高層協(xié)議，而只是IP需要的一部分。顯然載有ICMP報(bào)文的IP數(shù)據(jù)報(bào)也有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。為此規(guī)定，對(duì)載送ICMP報(bào)文的數(shù)據(jù)報(bào)，若出現(xiàn)差錯(cuò)，不產(chǎn)生ICMP報(bào)文，否則就要引起遞歸了。IP協(xié)議只是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸，而點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸則要依靠網(wǎng)際主機(jī)組管理協(xié)議(InternetGroupManagementProtocol，IGMP)來(lái)完成。它主要負(fù)責(zé)報(bào)告主機(jī)組之間的關(guān)系，以便相關(guān)的設(shè)備(路由器)可支持多播發(fā)送。

6.3.5網(wǎng)際主機(jī)組管理協(xié)議6.3.6地址解析協(xié)議

在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配有一個(gè)32bit的IP地址。通過(guò)這個(gè)IP地址在節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)報(bào)文分組。使用IP地址，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的表面就像是一個(gè)單個(gè)的虛擬網(wǎng)絡(luò)。但信息是通過(guò)真正的物理網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳遞的。而在物理網(wǎng)絡(luò)上，兩臺(tái)機(jī)器只有彼此知道物理地址時(shí)才能進(jìn)行通信。因此，使用IP地址通信最終還是要把IP地址轉(zhuǎn)換成物理地址。當(dāng)然這項(xiàng)工作對(duì)用戶來(lái)講是透明的。

主機(jī)節(jié)點(diǎn)的IP地址與硬件是無(wú)關(guān)的，因此一般是保存在磁盤中的。機(jī)器啟動(dòng)后即從磁盤中取出IP地址，然后與別的主機(jī)進(jìn)行通信。但如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)無(wú)盤工作站，它無(wú)處保存自己的IP地址，這就要依靠無(wú)盤工作站的物理地址了。因?yàn)闊o(wú)盤工作站自己的物理地址它是知道的，因此就可以廣播一個(gè)報(bào)文分組給本地的文件服務(wù)器，讓文件服務(wù)器告訴它的IP地址。這就是由物理地址向IP地址的轉(zhuǎn)換。描述該轉(zhuǎn)換的協(xié)議是反向地址解析協(xié)議（ReverseAddressResolutionProtocol,RARP）。

6.3.7反向地址解析協(xié)議6.3.8Ipv6

IP協(xié)議是因特網(wǎng)的關(guān)鍵協(xié)議。IPv6是下一代IP協(xié)議，相對(duì)于IPv6來(lái)說(shuō)現(xiàn)在使用的IP協(xié)議是IPv4。IPv6所引進(jìn)的主要變化如下：（1）更大的地址空間。（2）靈活的首部格式。（3）簡(jiǎn)化了協(xié)議，加快了分組的轉(zhuǎn)發(fā)。（4）允許對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的預(yù)分配，支持實(shí)時(shí)視頻流等要求，保證一定的帶寬和時(shí)延的應(yīng)用。（5）允許協(xié)議繼續(xù)演變和增加新的功能，使之適應(yīng)未來(lái)技術(shù)的發(fā)展。

數(shù)據(jù)通信的本質(zhì)活動(dòng)是要完成兩個(gè)進(jìn)程之間信息的傳遞。IP協(xié)議可以使信息從一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，在此基礎(chǔ)上，傳輸層的作用便是要提供實(shí)現(xiàn)進(jìn)程到進(jìn)程的通信服務(wù)。由于它通常支持端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，因此傳輸層的協(xié)議有時(shí)也稱為端到端協(xié)議。

TCP/IP協(xié)議簇在傳輸層主要包括兩個(gè)協(xié)議：傳輸控制協(xié)議(TransmissionControlProtocol，TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UserDatagramProtocol，UDP)。

6.4Internet傳輸層協(xié)議6.4.1傳輸控制協(xié)議TCP協(xié)議是傳輸層的一種面向連接的通信協(xié)議，它向高層提供了面向連接的可靠報(bào)文段的傳輸服務(wù)。該服務(wù)是建立在IP所提供的不可靠報(bào)文分組傳輸服務(wù)的基礎(chǔ)上的。可靠性的問(wèn)題由TCP協(xié)議解決。每當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)段之前，TCP協(xié)議都必須保證先建立可靠的連接，然后通過(guò)確認(rèn)重發(fā)和窗口機(jī)制等對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)段進(jìn)行有效控制，以達(dá)到高可靠性的目的。6.4.1傳輸控制協(xié)議1．端口在TCP/IP協(xié)議中，用端口號(hào)識(shí)別不同的應(yīng)用進(jìn)程。為每一端口分配一個(gè)端口號(hào)，它是應(yīng)用進(jìn)程的惟一標(biāo)識(shí)，TCP和UDP協(xié)議中規(guī)定端口采用16bit二進(jìn)制數(shù)表示，因此一臺(tái)主機(jī)同時(shí)可使用216個(gè)端口號(hào)，UDP和TCP分別使用各自獨(dú)立的端口號(hào)，互相沒(méi)有關(guān)聯(lián)。圖6-23主機(jī)A和B與主機(jī)C的FTP連接6.4.1傳輸控制協(xié)議2．TCP的主要機(jī)制（1）編號(hào)、確認(rèn)與重發(fā)（2）擁塞控制（3）傳輸連接的管理

3．TCP的報(bào)文格式信源端口信宿端口發(fā)送序號(hào)確認(rèn)序號(hào)數(shù)據(jù)偏移保留碼位窗口校驗(yàn)和緊急指針選項(xiàng)和填充數(shù)據(jù)圖6-24TCP報(bào)文格式6.4.2用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UserDatagramProtocol，UDP)是一種面向無(wú)連接的協(xié)議，因此，它不能提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而且UDP不進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)，必須由應(yīng)用層的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠性機(jī)制和差錯(cuò)控制，以保證端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。雖然UDP與TCP相比顯得非常不可靠，但在一些特定的環(huán)境下還是非常有優(yōu)勢(shì)的。

UDP數(shù)據(jù)報(bào)文包括首部和數(shù)據(jù)字段兩部分，封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中傳輸，如圖6-26所示。

UDP數(shù)據(jù)報(bào)文包括首部和數(shù)據(jù)字段兩部分，封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中傳輸，如圖6-26所示。如圖6-27所示為UDP數(shù)據(jù)報(bào)。圖6-26報(bào)文的封裝

圖6-27UDP報(bào)文格式

6.4.2用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議

在TCP/IP模型中，應(yīng)用層包括了所有的高層協(xié)議，而且總是不斷有新的協(xié)議加入。本節(jié)主要介紹用于Internet中的客戶機(jī)與WWW服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸超文本傳輸協(xié)議HTTP、遠(yuǎn)程訪問(wèn)主機(jī)的Telnet協(xié)議、遠(yuǎn)程文件傳輸?shù)腇TP協(xié)議、電子郵件的發(fā)送與接收協(xié)議、域名解析DNS協(xié)議、動(dòng)態(tài)主機(jī)地址分配DHCP協(xié)議。6.5Internet的服務(wù)和應(yīng)用

在WWW瀏覽器與WWW服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)的通信協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議HTTP(HyperTextTransferProtocol)協(xié)議。HTTP協(xié)議屬于TCP/IP協(xié)議中的應(yīng)用層，它定義了瀏覽器與WWW服務(wù)器之間的通信交換機(jī)制、請(qǐng)求及響應(yīng)消息的格式等。6.5.1WWWHTTP是一個(gè)使用請(qǐng)求/響應(yīng)模型的客戶機(jī)/服務(wù)器協(xié)議，一個(gè)HTTP客戶機(jī)或用戶通過(guò)使用URL與一個(gè)HTTP服務(wù)器相連接并請(qǐng)求資源，例如一個(gè)HTML文檔。在HTTP工作過(guò)程中，使用MIME來(lái)壓縮所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，以MIME格式傳輸數(shù)據(jù)。6.5.2DNS1．域名結(jié)構(gòu)及其命名規(guī)則

cn代表中國(guó)，fr代表法國(guó)，uk代表英國(guó)，ca代表加拿大，au代表澳大利亞等。頂級(jí)域名域名類型com商業(yè)組織edu教育機(jī)構(gòu)gov政府部門int國(guó)際組織mil軍事部門net網(wǎng)絡(luò)支持中心org各種非贏利性組織國(guó)家代碼各個(gè)國(guó)家表6-10頂級(jí)域名分配(1)域名服務(wù)器(2)域名解析的過(guò)程