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TCP和IP四层协议
TCP和IP四层协议详解
TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)的简写,中文译名为传输控制协议/因特网互联协议,又叫网络通讯协议,这个协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础,简单地说,就是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成的。
定义
TCP/IP是供已连接因特网的计算机进行通信的通信协议。
TCP/IP指传输控制协议/网际协议(TransmissionControlProtocol
/InternetProtocol)。
TCP/IP定义了电子设备(比如计算机)如何连入因特网,以及数据如何在它们之间传输的标准。
TCP/IP(传输控制协议/网际协议)是互联网中的基本通信语言或协议。
在私网中,它也被用作通信协议。
当你直接网络连接时,你的计算机应提供一个TCP/IP程序的副本,此时接收你所发送的信息的计算机也应有一个TCP/IP程序的副本。
TCP/IP是一个四层的分层体系结构。
高层为传输控制协议,它负责聚集信息或把文件拆分成更小的包。
这些包通过网络传送到接收端的TCP层,
接收端的TCP层把包还原为原始文件。
低层是网际协议,它处理每个包的地址部分,使这些包正确的到达目的地。
网络上的网关计算机根据信息的地址来进行路由选择。
即使来自同一文件的分包路由也有可能不同,但最后会在目的地汇合。
TCP/IP使用客户端/服务器模式进行通信。
TCP/IP通
信是点对点的,意思是通信是网络中的一台主机与另一台主机之间的。
TCP/IP与上层应用程序之间可以说是“没有国籍的”,因为每个客户请求都被看做是与上一个请求无关的。
正是它们之间的“无国籍的”释放了网络路径,才是每个人都可以连续不断的使用网络。
许多用户熟悉使用TCP/IP协议的高层应用协议。
包括万维网的超文本传输协议(HTTP,文
件传输协议(FTP),远程网络访问协议(Telnet)和简单邮件传输协议(SMTP。
这些协议通常和TCP/IP协议打包在一起。
使用模拟电话调制
解调器连接网络的个人电脑通常是使用串行线路接口协议(SLIP)和点对
点协议(P2P)。
这些协议压缩IP包后通过拨号电话线发送到对方的调制
解调器中。
与TCP/IP协议相关的协议还包括用户数据包协议(UDP,它代替TCP/IP协议来达到特殊的目的。
其他协议是网络主机用来交换路由信息的,包括Internet控制信息协议(ICMP),内部网关协议(IGP),外
部网关协议(EGP,边界网关协议(BGP。
基本原理
整体构架概述
TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。
传统的开放式系统互连参考模
构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。
这4层分别为:
应用层:
应用程序间沟通的层,如简单电子邮件传输(SMTP)、文件传输协议
(FTP)、网络远程访问协议(Telnet)等。
传输层:
在此层中,它提供了节点间的数据传送,应用程序之间的通信服务,主
要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。
如传输控制协议(TCP)、用户数据
报协议(UDP)等,TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中,这一层负责传送数据,并且确定数据已被送达并接收。
互连网络层:
负责提供基本的数据封包传送功能,让每一块数据包都能够到达目
的主机(但不检查是否被正确接收),如网际协议(IP)。
网络接口层(主机-网络层):
接收IP数据包并进行传输,从网络上接收物理帧,
抽取IP数据报转交给下一层,对实际的网络媒体的管理,定义如何使用实际网络(如
Ethernet>SerialLine等)来传送数据。
主要协议
以下简单介绍TCP/IP中的协议都具备什么样的功能,都是如何工作的:
1.IP
网际协议IP是TCP/IP的心脏,也是网络层中最重要的协议。
IP层接收由更低层(网络接口层例如以太网设备驱动程序)发来的数据包,并把
该数据包发送到更高层---TCP或UDP层;相反,IP层也把从TCP或UDP层接收来
的数据包传送到更低层。
IP数据包是不可靠的,因为IP并没有做任何事情来确认数
据包是按顺序发送的或者没有被破坏。
IP数据包中含有发送它的主机的地址(源地址)
和接收它的主机的地址(目的地址)。
高层的TCP和UDP服务在接收数据包时,通常假设包中的源地址是有效的。
也
可以这样说,IP地址形成了许多服务的认证基础,这些服务相信数据包是从一个有效
的主机发送来的。
IP确认包含一个选项,叫作IPsourcerouting,可以用来指定一条
源地址和目的地址之间的直接路径。
对于一些TCP和UDP的服务来说,使用了该选
项的IP包好像是从路径上的最后一个系统传递过来的,而不是来自于它的真实地点。
这个选项是为了测试而存在的,说明了它可以被用来欺骗系统来进行平常是被禁止的
连接。
那么,许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。
2.TCP
如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包,那么IP将把它们向,上?
(专送到TCP
层。
TCP将包排序并进行错误检查,同时实现虚电路间的连接。
TCP数据包中包括序
号和确认,所以未按照顺序收到的包可以被排序,而损坏的包可以被重传。
TCP将它的信息送到更高层的应用程序,例如Telnet的服务程序和客户程序。
应
用程序轮流将信息送回TCP层,TCP层便将它们向下传送到IP层,设备驱动程序和
物理介质,最后到接收方。
面向连接的服务(例如Telnet、FTP、rlogin、XWindows和SMTP)需要高度的
可靠性,所以它们使用了TCP。
DNS在某些情况下使用TCP(发送和接收域名数据
库),但使用UDP传送有关单个主机的信息。
3.UDP
UDP与TCP位于同一层,但它不管数据包的顺序、错误或重发。
因此,UDP不
被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务,UDP主要用于那些面向查询---应答的服
务,例如NFS。
相对于FTP或Telnet,这些服务需要交换的信息量较小。
使用UDP
的服务包括NTP(网络时间协议)和DNS(DNS也使用TCP)。
欺骗UDP包比欺骗TCP包更容易,因为UDP没有建立初始化连接(也可以称为
握手)(因为在两个系统间没有虚电路),也就是说,与UDP相关的服务面临着更大
的危险。
4.ICMP
ICMP与IP位于同一层,它被用来传送IP的的控制信息。
它主要是用来提供有关通向目的地址的路径信息。
ICMP的‘Redirect?
信息通知主机通向其他系统的更准确
的路径,而,Unreachable?
信息则指出路径有问题。
另外,如果路径不可用了,ICMP
可以使TCP连接,体面地?
终止。
PING是最常用的基于ICMP的服务。
5.TCP和UDP的端口结构
TCP和UDP服务通常有一个客户/服务器的关系,例如,一个Telnet服务进程开
始在系统上处于空闲状态,等待着连接。
用户使用Telnet客户程序与服务进程建立一
个连接。
客户程序向服务进程写入信息,服务进程读出信息并发出响应,客户程序读出响应并向用户报告。
因而,这个连接是双工的,可以用来进行读写。
两个系统间的多重Telnet连接是如何相互确认并协调一致呢?
TCP或UDP连接
唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认:
源IP地址发送包的IP地址。
目的IP地址接收包的IP地址。
源端口源系统上的连接的端口。
目的端口目的系统上的连接的端口。
端口是一个软件结构,被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。
一个端口对
应一个16比特的数。
服务进程通常使用一个固定的端口,例如,SMTP使用25、
Xwindows使用6000。
这些端口号是,广为人知?
的,因为在建立与特定的主机或服务的连接时,需要这些地址和目的地址进行通讯。
参考模型
TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。
传统的开放式系统互连参考模
型,是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。
该模型
的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。
这7层是:
物理层、数据链路层、网
路层、传输层、话路层、表示层和应用层。
而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结
构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。
这4层分别为:
应用层:
应用程序间沟通的层,如简单电子邮件传输(SMTP)、文件传输协议
(FTP)、网络远程访问协议(Telnet)等。
传输层:
在此层中,它提供了节点间的数据传送服务,如传输控制协议(TCP)、
用户数据报协议(UDP)等,TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一
层中,这一层负责传送数据,并且确定数据已被送达并接收。
互连网络层:
负责提供基本的数据封包传送功能,让每一块数据包都能够到达目
的主机(但不检查是否被正确接收),如网际协议(IP)。
网络接口层:
对实际的网络媒体的管理,定义如何使用实际网络(如Ethernet、
SerialLine等)来传送数据。
IP地址及其分类
在Internet上连接的所有计算机,从大型机到微型计算机都是以独立的身份出现,
我们称它为主机。
为了实现各主机间的通信,每台主机都必须有一个唯一的网络地址。
就好像每一个住宅都有唯一的门牌一样,才不至于在传输资料时出现混乱。
Internet的网络地址是指连入Internet网络的计算机的地址编号。
所以,在Internet
网络中,网络地址唯一地标识一台计算机。
我们都已经知道,Internet是由几千万台计算机互相连接而成的。
而我们要确认
网络上的每一台计算机,靠的就是能唯一标识该计算机的网络地址,这个地址就叫做IP(InternetProtocol的简写)地址,即用Internet协议语言表示的地址。
目前,在Internet里,IP地址是一个32位的二进制地址,为了便于记忆,将它
们分为4组,每组8位,由小数点分开,用四个字节来表示,而且,用点分开的每个字节的数值范围是0~255,女口202.116.0.1,这种书写方法叫做点数表示法。
IP地址可确认网络中的任何一个网络和计算机,而要识别其它网络或其中的计算
机,则是根据这些IP地址的分类来确定的。
一般将IP地址按节点计算机所在网络规
模的大小分为A,B,C三类,默认的网络屏蔽是根据IP地址中的第一个字段确定的。
1.A类地址
A类地址的表示范围为:
1.0.0.1~126.255.255.255,默认网络屏蔽为:
255.0.0.0;
A类地址分配给规模特别大的网络使用。
A类网络用第一组数字表示网络本身的地址,
后面三组数字作为连接于网络上的主机的地址。
分配给具有大量主机(直接个人用户)
而局域网络个数较少的大型网络。
例如IBM公司的网络。
127.0.0.0到127.255.255.255是保留地址,用做循环测试用的。
0.0.0.0到0.255.255.255也是保留地址,用做表示所有的IP地址。
一个A类IP地址由1字节(每个字节是8位)的网络地址和3个字节主机地址
组成,网络地址的最高位必须是“0”即第一段数字范围为1〜127。
每个A类地址理论
上可连接16777214<256*256*256-2>台主机(-2是因为主机中要用去一个网络号和一个广播号),Internet有126个可用的A类地址。
A类地址适用于有大量主机的大型网络。
2.B类地址
B类地址的表示范围为:
128.0.0.1~191.255.255.255,默认网络屏蔽为:
255.255.0.0;
B类地址分配给一般的中型网络。
B类网络用第一、二组数字表示网络的地址,后面
两组数字代表网络上的主机地址。
169.254.0.0至U169.254.255.255是保留地址。
如果你的IP地址是自动获取IP地址,而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器,这时你将会从169.254.0.0到169.254.255.255中临时获得一个IP地址。
一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成,网络地址
的最高位必须是“10”即第一段数字范围为128〜191。
每个B类地址可连接65534(2人16-2,因为主机号的各位不能同时为0,1)台主机,Internet有16383(2人14-1)
个B类地址(因为B类网络地址128.0.0.0是不指派的,而可以指派的最小地址为
128.1.0.0[COME06])。
3.C类地址
C类地址的表示范围为:
192.0.0.1~223.255.255.255,默认网络屏蔽为:
255.255.255.0;C类地址分配给小型网络,如一般的局域网,它可连接的主机数量是最少的,采用把所属的用户分为若干的网段进行管理。
C类网络用前三组数字表示网
络的地址,最后一组数字作为网络上的主机地址。
一个C类地址是由3个字节的网络地址和1个字节的主机地址组成,网络地址的
最高位必须是“110”,即第一段数字范围为192〜223。
每个C类地址可连接254台主
机,Internet有2097152个C类地址段(32*256*256),有532676608个地址
(32*256*256*254)。
RFC1918留出了3块IP地址空间(1个A类地址段,16个B类地址段,256个C类地址段)作为私有的内部使用的地址。
在这个范围内的IP地址不能被路由到
Internet骨干网上;Internet路由器将丢弃该私有地址。
IP地址类别RFC1918内部地址范围
A类10.0.0.0到10.255.255.255
B类172.16.0.0到172.31.255.255
C类192.168.0.0到192.168.255.255
使用私有地址将网络连至Internet,需要将私有地址转换为公有地址。
这个转换
过程称为网络地址转换(NetworkAddressTranslation,NAT),通常使用路由器来执
行NAT转换。
实际上,还存在着D类地址和E类地址。
但这两类地址用途比较特殊,在这里
只是简单介绍一下:
D类地址不分网络地址和主机地址,它的第1个字节的前四位固定为1110。
D
类地址范围:
224.0.0.1到239.255.255.254。
D类地址用于多点播送。
D类地址称为
广播地址,供特殊协议向选定的节点发送信息时用。
E类地址保留给将来使用。
连接到Internet上的每台计算机,不论其IP地址属于哪类都与网络中的其它计算
机处于平等地位,因为只有IP地址才是区别计算机的唯一标识。
所以,以上IP地址
的分类只适用于网络分类。
在Internet中,一台计算机可以有一个或多个IP地址,就像一个人可以有多个通
信地址一样,但两台或多台计算机却不能共享一个IP地址。
如果有两台计算机的IP
地址相同,则会引起异常现象,无论哪台计算机都将无法正常工作。
顺便提一下几类特殊的IP地址:
1.广播地址目的端为给定网络上的所有主机,一般主机段为全1
2.单播地址目的端为指定网络上的单个主机地址
3.组播地址目的端为同一组内的所有主机地址
4.环回地址127.0.0.1在环回测试和广播测试时会使用
子网的划分
若公司不上Internet,那一定不会烦恼IP地址的问题,因为可以任意使用所有的IP
地址,不管是A类或是B类,这个时候不会想到要用子网,但若是上Internet那IP地址便
弥足珍贵了,目前全球一阵Internet热,IP地址已经愈来愈少了,而所申请的IP地址目前
也趋保守,而且只有经申请的IP地址能在Internet使用,但对某些公司只能申请到一个
C类的IP地址,但又有多个点需要使用,那这时便需要使用到子网,这就需要考虑子网的
划分,下面简介子网的原理及如何规划。
1.5.1子网掩码(SubnetMask)的介绍
设定任何网络上的任何设备不管是主机、个人电脑、路由器等皆需要设定IP地
址,而跟随着IP地址的是所谓的子网掩码(NetMask,SubnetMask),这个子网掩码主要
的目的是由IP地址中也能获得网络编码,也就是说IP地址和子网掩码合作而得到网络
编码,如下所示:
IP地址
192.10.10.611000000.00001010.00001010.00000110
子网掩码
255.255.255.011111111.11111111.11111111.00000000
AND
NetworkNumber
192.10.10.011000000.00001010.00001010.00000000
子网掩码有所谓的默认值,如下所示
类IP地址范围子网掩码
A1.0.0.0-126.255.255.255255.0.0.0
B128.0.0.0-191.255.255.255255.255.0.0
C192.0.0.0-223.255.255.255255.255.255.0
在预设的子网掩码(NetMask)都只有255的值,在谈到子网掩码(SubnetMask)
时这个值便不一定是255了。
在完整一组C类地址中如203.67.10.0-203.67.10.255子
网掩码255.255.255.0,203.67.10.0称之网络编码(NetworkNumber,将IP地址和子网
掩码作和),而203.67.10.255是广播的IP地址,所以这两者皆不能使用,实际只能使用
203.67.10.1--203.67.10.254等254个IP地址,这是以255.255.255.0作子网掩码的结果,
而所谓SubnetMsk尚可将整组C类地址分成数组网络编码,这要在子网掩码上作手脚,
若是要将整组C类地址分成2个网络编码那子网掩码设定为255.255.255.128,若是要
将整组C类分成8组网络编码则子网掩码要为255.255.255.224,这是怎么来的,由以上
知道网络编码是由IP地址和子网掩码作AND而来的,而且将子网掩码以二进制表示
法知道是1的会保留,而为0的去掉
192.10.10.193--11000000.00001010.00001010.11000001
255.255.255.0--11111111.11111111.11111111.00000000
192.10.10.0--11000000.00001010.00001010.00000000
以上是以255.255.255.0为子网掩码的结果,网络编码是192.10.10.0,若是使用255.255.255.224作子网掩码结果便有所不同
192.10.10.193--11000000.00001010.00001010.11000001
255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000
192.10.10.192--11000000.00001010.00001010.11000000
此时网络编码变成了192.10.10.192,这便是子网。
那要如何决定所使用的子网掩
码,255.255.255.224以二进制表示法为11111111.11111111.11111111.11100000,变化是在
最后一组,11100000便是224,以三个位(Bit)可表示2的3次方便是8个网络编码子网掩码二进制表示法可分几个网络
255.255.255.011111111.11111111.11111111.000000001
255.255.255.128
11111111.11111111.11111111.100000002
255.255.255.192
11111111.11111111.11111111.110000004
255.255.255.224
11111111.11111111.11111111.111000008
255.255.255.240
11111111.11111111.11111111.1111000016
255.255.255.248
11111111.11111111.11111111.1111100032
255.255.255.252
11111111.11111111.11111111.1111110064
以下使用255.255.255.224将C类地址203.67.10.0分成8组网络编码,各个网络编
码及其广播IP地址及可使用之IP地址序号网络编码广播可使用之IP地址
(1)203.67.10.0--203.67.10.31
203.67.10.1--203.67.10.30
(2)203.67.10.32--203.67.10.63
203.67.10.33--203.67.10.62
(3)203.67.10.64--203.67.10.95
203.67.10.65--203.67.10.94
(4)203.67.10.96--203.67.10.127
203.67.10.97--203.67.10.126
(5)203.67.10.128--203.67.10.159
203.67.10.129--203.67.10.158
(6)203.67.10.160--203.67.10.191
203.67.10.161--203.67.10.190
(7)203.67.10.192--203.67.10.223
203.67.10.193--203.67.10.222
(8)203.67.10.224--203.67.10.255
203.67.10.225--203.67.10.254
可验证所使用的IP地址是否如上表所示
203.67.10.115--11001011.01000011.00001010.01110011
255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000
203.67.10.96--11001011.01000011.00001010.01100000
203.67.10.55--11001011.01000011.00001010.00110111
255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000
203.67.10.32--11001011.01000011.00001010.00100000
其它的子网掩码所分成的网络编码可自行以上述方法自行推演出来。
1.5.3子网的应用
使用子网是要解决只有一组C类地址但需要数个网络编码的问题,并不是解决IP
地址不够用的问题,因为使用子网反而能使用的IP地址会
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