《网络互联技术》第02章：TCP(IP)协议模型

1、主讲教师：彭 祺江西工业职业技术学院 第二章 TCP/IP协议（理论课时长：6节）【教学目的】：通过本章的学习，使学生能够了解TCP/IP协议模型的结构及各层的功能、IP地址的分类入特殊IP地址的使用；明确ARP协议和RARP协议的必要性、ICMP协议的作用；掌握子网掩码的作用、子网掩码的计算、主机地址和网络地址的计算、TCP协议头结构及其功能、TCP与UDP区别。学会多级子网划分的步骤和方法。【重点难点】重点：子网掩码、ARP协议、TCP协议、ICMP协议。难点：子网划分及VLSM可变长子网掩码的实际应用。第二章：TCP/IP协议【教学内容】TCP/IP概述TCP/IP参考模型简介IP地址分

2、类子网掩码子网划分地址解析协议ICMP协议TCP和UDP协议第二章：TCP/IP协议【教学方法】教学方式：多媒体教学教学方法：对比分析+案例分析+视频教学通过对比分析让学生了解OSI参考模型与TCP/IP协议模型的不同。通过案例的讲解让学生掌握子网掩码的计算、主机地址和网络地址的计算、TCP/UDP的区别与联系、ARP和ARPA协议的原理等。通过录像视频详细讲解子网划分的过程及VLSM可变长子网掩码的实际应用。第二章：TCP/IP协议一、OSI和TCP/IP参考模型1、OSI层次模型结构图示一、OSI和TCP/IP参考模型2、TCP/IP参考模型一、OSI和TCP/IP参考模型3、TCP/IP

3、参考模型简介（1）网络接入层：TCP/IP没有真正描述这一部分，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便能在其上传递IP数据报。（2）互联网层：规定季互联网中传输的包格式以及从一台计算机通过一个或多个路由器到最终目标的包转发机制。互联网层定义了正式的数据报格式的和协议，即IP协议。互联网层的功能就是把IP数据报发送到该去的地方。（3）传输层：规定了怎样处理可靠的传输。它的功能是使源端和目标主机上的对等实体可以进行会话，和OSI的传输层一样，这里也定义了两个协议：TCP传输控制协议和UDP用户数据报协议。（4）应用层：规定了应用程序怎么使用网络。二、IP协议 IP是TCP/IP协议簇中最核心

4、的协议，所有的TCP、UDP、ICMP和IGMP数据都以IP数据报格式传输。 IP是一种无连接不可靠的协议，主要负责给数据包分配IP地址，给它们在网络连接的计算机之间选择路由。虽然IP总是试图投递数据包，但这个数据包可能丢失、被损坏和未顺序到达。然而，IP协议不试图更改这些错误，这些恢复工作由高层协议TCP负责。 在TCP/IP协议中，编址由互联网协议规定。协议规定每台主机分配一个32位的二进制数作为该主机的互联网协议地址，简称IP地址。概念上，每个32位IP地址被分割成两部分：网络地址和主机地址。这样的两级层次结构设计使寻址更加有效，网络地址部分确定了计算机从属的物理网络，主机地址部分确定了

5、该网络上的一台计算机。二、IP协议1、IP地址 因为 TCP/IP 网络是为大规模的互联网络设计的，所以我们不能用全部的 32 位来表示网络上主机的地址，我们需要使用 IP 地址的一部分来标识网络，剩下的部分用于标识网络中的设备（主机）。因此，IP地址由两部分组成：网络地址和主机地址。用来标识设备所在网络的部分叫做网络 ID 标识网络设备的部分叫做主机 ID 2、IP地址的表示每个字节以十进制数表示（最小为0，最大为255）4个十进制数之间用小数点分隔抽象表示方法：w.x.y.z，如：9二、IP协议3、二进制和十进制之间的转换二、IP协议4、IP地址的分类二、IP协议二、IP协议（1）A类地址

6、 A 类地址是为非常大型的网络而提供的。对于 A 类网络来说，其 IP 地址的第一个字节介于 1 和 126 之间，表示网络号（而不是1-127，因为网络号为127是一个特殊IP地址，有特殊用途），其余三个字节则标识了该网络的成员，表示主机号。全世界总共只有 126 个可用的 A 类地址，每个 A 类网络在其每个具体的网络内，可有 16777214 (256*256*256-2，或2的24次方-2 ) 台计算机（减2的目的，是因为：后三个字节全为0的表示网络号不可使用；后三个字节全为1的表示网络广播地址不可使用）。 例如， 1812838188 即是一个 A 类地址，其中，18 为网络号，12

7、838188 为主机号。二、IP协议（2）B类地址 B 类地址用于大中型规模网络中。 B 类地址用两个字节表示网络号，第一字节是一个位于 128 和 191 之间的数字，该类地址以 IP 地址的第 1 、 2 两个 8 位数作为网络号，后两个 8 位数作为主机号。 B 类地址共有 16384（64*256） 个网络号，每个网络中最多可以容纳 65534（256*256-2）台主机，B 类地址通常用于各地区的网管中心。 例如，88 就是一个 B 类地址，其中 168.254 为网络号，119.188 为主机号。 二、IP协议（3）C类地址 C 类地址：C 类地址用于小型网络。 在 C 类网络的

8、IP 地址中，第一个 8 位数组介于 192 和 223 之间，第二和第三个 8 位数组进一步定义了网络地址，即第 1 、 2 、 3 个 8 位数组作为网络号，最后一个 8 位数标识该网络上的计算机，作为主机号。 C 类地址共有 2097152（32*256*256） 个网络号，并且每个网络中都可以有 254(256-2) 台计算机。C 类地址通常用于校园网或企业网。 例如，88 就是一个 C 类地址，其中 198.168.119 为网络号， 188 为主机号。 二、IP协议（4）D类地址 D 类地址用于多路广播组用户。这些组可以有一台或多台主机。 D 类地址的高 4 位被设置为 1110

9、，因此第一个 8 位数组介于 224 和 239 之间。其余位用于指明客户机所属的组。在多路广播操作中没有表示网络或主机的位，数据包将传送给网络中选定的主机子集，该子集的地址就是多播地址，只有在该多播地址中注册的主机才能接收到数据包。 （5）E 类地址：E 类是一个通常不用的实验性地址，它保留作为以后使用。E类地址的前导位为 11110，因此第一个八位组合是 240-247。248-254暂时无规定。二、IP协议5、特殊的IP地址(1)主机号全为0的IP地址表示网络地址，用于标识一个网络，不能分配给一台主机。（某台主机的IP地址是 8，则当前主机所在网络的网络地址为：）(2)网络地址部分全0表

10、示本网的某台主机，不可作为有效目的地址使用 （例如：某台主机的IP地址是 8，则其网络地址为：，主机地址为：8）二、IP协议(3)全0地址表示本主机， 不可作为有效目的地址使用。 (4) 回送地址(loopback address)：任何一个以数字127开头的IP地址。任何程序用回送地址作为目的地址时，计算机上的协议软件不会把该数据报向网络上发送，而是把数据直接返回给本主机。不可作为有效地址出现在网络上。(5)有限广播地址(limited broadcast address) 不可作为源主机地址 二、IP协议(6)直接广播地址(direct broadcast) 不可作为源主机地址：直接广播地

11、址=网络号+主机地址部分为全“1”，（例如：某台主机的IP地址是 6，则当前主机所在的网络的网络地址是：，当前网络的直接广播地址是：55）(7)有限广播地址和直接广播地址的的区别 有限（受限）广播地址被用做在本网络内部广播，它不会被路由，有限广播地址是55;直接广播地址可以被路由，一台主机可以用直接广播地址向任何指定的网络直接广播它的数据报。例如：55 即为网络的直接广播地址。二、IP协议6、私有地址 在 A、B、C 3 类地址中各有一段地址作为保留地址不在全网分配，而作为私有地址。在一个网络内部可随意使用私有地址。私有地址范围：1个A类地址： -55 16个B 类地址： -55 256个C类

12、地址： - 55 这些地址只可在一个网络内部使用，不可进入外网，如，互联网。私有地址的合理使用可一定程度上缓解IP地址短缺的矛盾；使用私有IP地址的主机要访问互联网需经过代理服务器，或经过地址转换（NAT）将私有地址映到公有IP地址上。三、IP编址1、子网掩码 (Subnet Mask) 子网掩码是指可以从IP地址中识别出网络ID的连续多个以“.”符号分隔的二进制数。子网掩码的编址格式与IP地址完全相同。在子网掩码中，使用连续多个“1”标识网络地址,使用连续多个“0”标识主机地址。(主机所在网络的网络地址由子网掩码决定)（1）子网掩码的作用如下：可以从IP地址中识别网络地址和主机地址 当TCP

13、/IP网络上的主机相互通信时，可利用子网掩码得知这些主机是否在相同的网络区段内（2）A、B、C三类网络的默认子网掩码（也称标准子网掩码）A类网络的标准子网掩码是 B类网络的标准子网掩码是 C类网络的标准子网掩码是 三、IP编址（3）子网掩码的具体操作用子网掩码与IP地址进行“与”操作，从而可以得出主机所在的网络ID号） 在“与”操作过程中，0 和任何数进行“与”操作的的结果还是 0，1和1进行“与”操作的结果还是1 标准子网掩码的“与”运算三、IP编址（4）非标准子网掩码 当一个组织申请了一段IP地址后，可能需要对IP地址进行进一步的子网划分。例如，某规模较大的公司申请了一个B类IP地址。如果

14、采用标准子网掩码而不进一步划分子网，那么网络中的所有主机（最多共65534台）都将处于同一个广播域下，网络中充斥的大量广播数据包将导致网络最终不可用。解决方案是进行非标准子网划分。非标准子网划分的策略是借用主机号的一部分充当网络号。此时用以区分IP地址中网络地址和主机地址的子网掩码发生了变化，而不再是默认的子网掩码，此子网掩码称为非标准子网掩码。 三、IP编址（5）非标准子网掩码的计算和表示 某主机IP地址为9(为C类地址,默认子网掩码为)，如果当前主机IP中表示主机所在网络的网络位为定为27位,请计算其子网掩码、主机地址和网络地址。当前非标准子网掩码为 24当前主机所处的网络的网络地址(ID

15、)是：6当前主机在当前网络的主机地址(ID)是：三、IP编址（6）非标准子网掩码的“与”运算 地址+掩码的表示（0，24）可以确定当前主机所在的网络，当前表示也可写成更简洁的形式： 0/27，其中27表示掩码中1的个数。三、IP编址2、子网划分(1)子网划分的必要性 在指定的网络中,随着网络容量的增加,通信量会急剧增加,这会使网络通信效率下降,网络拥塞的机会增加。通过观察我们可以发现,往往会有一些主机之间的通信频率相当高，而这些主机和其他主机之间的通信频率相对要低许多。为了合理规划网络，我们需要将当前网络划分多个子网（不同子网之间使用路由器进行连接），将通信频繁的主机组放在同一个子网中，这样可

16、以达到充分的利用网络资源合理规划网络结构的目的。（2）为什么不直接使用多个标准网络，而是将当前网络划分为多个子网呢？ IP地址已经成为当前Internet中最宝贵的资源，不可能为企业分配太多的公网地址，企业只能在申请的IP范围内进行子网划分，以将企业内的主机按照用途分别规划到不同的子网中，以提高网络通信的效率。三、IP编址(3)子网划分的必要性（示意图） 看以下图示，一个路由器的每一个端口应连接一个不同的网络，然后通过制定路由计划，让不同网络内的计算机之间进行相互通信。但从下图得知，每一个网络中的计算机主机数目很少，虽然主机很少，但也必须占用一个网络地址，这样在组建企业网络时，就会浪费很多宝贵

17、的P地址。 三、IP编址 造成这种局面的原因就在于IPv4(Internet协议的第四版)的地址分级过于死板，将网络规模强制在A类、B类和C类这三个级别上，而在实际应用中，公司或者机构的网络规模往往是灵活多变的。解决这个问题的办法是将规模较大的网络内部划分成多个部分，对外像一个单独网络一样运作，这在因特网上称做子网（Subnet）。对于网络外部来说，子网是不可见的，因此分配一个新子网不必与NIC联系或改变程序外部数据库。（4）子网划分以形成三维地址结构 原有地址结构是二维的，即任何一个IP地址由网络地址和主机地址两部分组成。通过增加地址空间的维数可提高地址分配中的灵活性和可用性。三维结构由网络

18、地址、子网地址和主机地址三部分组成。在一个 C 类地址中仅主机地址可由网管人员自主分配，通过向主机地址段借位组成子网地址，可以形成三维地址结构。三、IP编址（5）子网地址位数的确定（对于C类地址，至少两位，最多六位）。 前面讲述网络地址时提过：网络地址全为0（代表一个主机）不能构成一个有效的IP地址，网络地址全为1也不能组成一个有效的IP地址；因此，子网地址全为0时不能构成有效的IP地址（不可用）；子网地址全为1时也不能组成一个有效的IP地址（不可用）（为路由软件所限制，但目标已经克服）。三、IP编址 向主机地址借一位形成子网地址（分成两个子网） 子网地址 = 0 ：表示本子网主机，不可作为有

19、效目的地址使用， 子网地址 = 1 ：子网地址全 1 ，不可用， 结论：向主机地址借位形成子网地址时，至少需要借两位 。 三、IP编址向主机地址借7位形成子网地址 主机地址 = 0 ：子网地址， 不可作为地址分配 主机地址 = 1 ：广播地址， 不可分配 结论：对于C类地址，向主机地址借位形成子网地址时，最多只能借六位。三、IP编址（6）C类IP地址子网借位一览表（7）、子网划分的原则一个 C 类地址子网划分可借位数在 2-6 位之间；每种子网划分方案中有 2 个子网地址不可分配（子网地址 = 全 0 ，子网地址 = 全 1 ）；每个子网中至少有 2 个地址不可分配，（主机地址 = 全 0 ，

20、主机地址 = 全 1 ）；借的位数越多，子网中主机数越少，而且划分子网后也会浪费一些 IP 地址（为什么？），因此子网划分既要考虑对子网数的实际需求，同时又要顾及地址空间的有效利用。三、IP编址（8）如何考虑借位的个数假设已知每个子网的最大容纳主机数 y ，求需要的借位数：m，则y和n的关系如下：假设已知需要划分n个子网，求需要的借位数 m，则m和n的关系如下（每种子网划分方案中有2个子网地址不可用）：三、IP编址（9）子网借位例题一 如需要在C类IP地址中创建 3 个子网，则需要向主机位借 3 位，共有 个有效子网每个子网中最多可有 台主机地址（如下图所示） 三、IP编址（10）现要求将网络

21、“203.66.77“划分成四个子网，如何确定其子网掩码？确定需要的借位数：需要向主机地址借三位形成新的网络地址，其子网掩码为：24确定每个子网的起始和终止地址：A、第一个子网：2，有效IP范围：3 到 2（其中33之前所有主机地址和63主机地址不可用） B、第二个子网：4，有效IP范围：5 到 4（其中64和95主机地址不可用） C、第三个子网：6，有效IP范围：7 到 26（其中96和127主机地址不可用） D、第四个子网：28，有效IP范围：29 到 58（其中128和159主机地址不可用） E、第五个子网：60，有效IP范围：61 到 90（其中160和191主机地址不可用） F、第六

22、个子网：92，有效IP范围：93 到 22（其中192和223主机地址不可用） 三、IP编址（11）例三：网络 ，子网掩码为：。问，这个子网可划分为几个子网，每个子网的主机ID范围值是多少？A、第一个子网：，有效IP范围： 到 54 B、第二个子网：，有效IP范围： 到 54 C、第三个子网：，有效IP范围： 到 54 D、第四个子网：，有效IP范围： 到 54 E、第五个子网：，有效IP范围： 到 54 F、第六个子网：，有效IP范围： 到 54 补充：VLSM可变长子网掩码 VLSM的全称是Variable Length Subnet Mask,中文名字叫”可变长子网掩码“。这是一种产生不

23、同大小子网的网络分配机制。它将一个标准网络分成不同大小的多个子网，从而使得一个标准网络内可以配置多个不同长度的子网掩码。 开发可变长度子网掩码的想法就是在每个子网上保留足够的主机数的同时，把一个子网进一步分成多个小子网时有更大的灵活性。如果没有VLSM，一个子网掩码只能提供给一个网络。 VLSM技术对高效分配IP地址(较少浪费)以及减少路由表大小都起到非常重要的作用。但是需要注意的是使用VLSM时，所采用的路由协议必须能够支持它。 补充：VLSM可变长子网掩码例如：某公司有两个主要部门：市场部和技术部。技术部又分为硬件部和软件部两个部门。该公司申请到了一个完整的C类IP地址段：，子网掩码。为了

24、便于分级管理，该公司采用了VLSM技术，先将原主网络划分称为两级子网（全0和全1的子网可用）。 市场部分得了一级子网中的第1个子网，即，子网掩码28，该一级子网共有126个IP地址可供分配。技术部将所分得的一级子网中的第2个子网28，子网掩码28又进一步划分成了两个二级子网。其中第1个二级子网 28，子网掩码92划分给技术部的下属分部-硬件部，该二级子网共有60个IP地址可供分配。技术部的下属分部-软件部分得了第2个二级子网92，子网掩码92，该二级子网共有60个IP地址可供分配。四、地址解析协议1、地址解析技术 工作于网络层的路由器根据路由表和目的主机的IP地址对接收的数据包进行路由（即路径

25、选择）。路径确定后，就需要在节点间使用帧的方式传送数据。为正确进行数据包在节点间的发送和接收，必须在帧头中绑定源节点主机和目标节点主机的的MAC物理地址。（1）什么是地址解析 将一台计算机的IP地址转换成相应的硬件地址（物理地址，MAC地址）的过程称为地址解析（Address Resolution）。地址解析是一个网络内的局部过程，即一台计算机能够解析另一台计算机地址的充分必要条件是两台计算机都连在同一物理网络中（一台计算机无法解析远程网络上的计算机地址）（2）地址解析的常用方法查表：地址绑定信息存储在内存当中的一张表里报文交换法：为了解析一个地址，计算机通过网络交换报文。四、地址解析协议2、

26、ARP地址解析协议 以太网设备并不识别32位的IP地址，它们是以48位以太网地址传输以太网数据包的。因此，必须把IP地址转换成硬件地址。地址解析协议就是用来进行地址转换的协议。3、地址解析协议的原理 ARP协议精确地定义了ARP消息在网络上的传递。一个ARP请求消息应被放入一个硬件帧，广播给网上的所有计算机。每台计算机收到这个请求后都会检测其中的IP地址。与该IP地址相匹配的计算机发送一个应答，而其他的计算机则会丢弃收到的请求，不发任何应答。当一台计算机发送一个ARP应答时，这个应答消息不在全网广播，而是被放进一个帧中直接发回给请求者。 一台计算机在回答了一个ARP请求之后，将请求消息中的发送

27、方的地址映射加入自己的高速缓存中，以便以后加以利用。4、ARP高速缓存：ARP高效运行的关键是由于每台计算机上都有一个ARP高速缓存。这个高速缓存存放了最近IP地址到硬件地址的映射记录。四、地址解析协议5、arp -a或arp g（查看Arp高速缓存中的所有项目） 6、arp -a Ip（显示Arp缓存中与当前IP相对应的物理MAC地址）四、地址解析协议7、主机 A 如何通过主机 B 的 IP 地址解析得到主机 B 的 MAC 地址？（源主机 A 与目的主机 B 位于同一物理网段） 8、 主机 A 如何通过主机 B 的 IP 地址解析得到主机 B 的 MAC 地址？（源主机 A 与目的主机 B

28、 位于不同物理网段） 四、地址解析协议9、反向地址解析协议 RARP （1）、主要功能：RARP（ Reverse Address Resolution Protocol ）根据给定主机的 MAC 地址获取该主机的 IP 地址（2）、适用范围： RARP一般仅适用于无盘工作站在启动时获取自身IP地址。通常主机将自己的 IP 地址存放在硬盘中，无盘工作站因为没有磁盘无法记忆自己的IP地址。所有无盘工作站的 IP 地址由 RARP 服务器集中保存，无盘工作站启动时通过发送 RARP 请求，从 RARP 服务器获得自己的 IP 地址（3）限制条件： RARP 的应用仅局限在一个物理网段内（不能跨越路

29、由器等第三层设备），因无盘工作站和 RARP 服务器之间的通信仅依赖于双方的 MAC 地址，故无盘工作站和 RARP 服务器必须位于同一子网内。五、ICMP控制信息协议1、ICMP协议概述 IP数据报的传送不保证不丢失，为了减少数据报的丢失，就要使用Internet控制消息协议，提供对数据包投递的诊断和错误报告（ICMP只负责诊断和报告错误，恢复工作还是由TCP来负责）。ICMP使用IP作为底层支持，好像它是一个高层协议，而实际上它是IP的一部分。2、ICMP消息在以下几种情况下发送：当数据报不能到达目的地时当网关已经失去缓存功能当网关能够引导主机在更短路由上发送3、提示：ICMP协议的目的是

30、为了当网络出现问题的时候返回控制信息，而不是使IP协议变得绝对可靠，并不保证数据报或控制信息能够返回。上层协议必须使用自己的差错控制程序来判断通信是否正确。五、ICMP控制信息协议4、ICMP工具程序（1）Ping：Ping工具程序可用来发出ICMP响应请求信息包。网络管理人员可以利用Ping命令来发出响应请求给特定的主机或路由器，来诊断网络故障。如果Ping不成功，则可以预测故障出现在几个方面：网线是否连通、网卡配置是否正确、IP地址是否可用等。如果指定的网络不可到达（网络距离为无限远），网关会向发送源数据的主机发送目的不可到达消息如果网关在处理数据报时发现生存周期域为零，此数据报必须丢失。

31、网关同时必须将超时信息通知源主机。如果网关接收的数据报太多无法处理（缓存已满），网关会抛弃数据报，并发送源抑制消息给发送主机，要求发送方减少发送速率。ICMP重定向消息是由网关发给主机的，此消息建议发送主机改变数据报的网头地址，指向另一个更近的网关。（2）Tracert：Tracert工具程序用于找出到目的地IP地址所经过的路由器。这个应用程序主要用于显示数据包到达目的主机所经过的路径。五、TCP传输控制协议1、TCP传输控制协议简介 TCP是传输层协议，它使用IP并提供可靠的应用数据传输。TCP在两个或多个主机之间建立面向连接的通信。2、TCP报文首部格式（由20字节的固定部分和可选项组成）

32、六、TCP传输控制协议3、TCP协议头字段简介（1）TCP源端口和TCP目的端口（各占2字节）。端口为应用程序地址接口。（2）TCP序列号（4字节）。由接收端计算机使用，重组分段的报文成最初形式（3）TCP确认号（4字节）。TCP使用32位的确认（ACK）域标识下一个希望收到的报文的第一个字节。（4）首部长度（4位）。它指出TCP首部的长度。正常的TCP首部长度是20字节。（5）保留（6位）：为将来定义新的用户保留。（6）标志字段（码元比特，占6位）：紧急标志、有意义的应答标志、推、重置连接标志、同步序列标志和完成发送标志。（7）窗口大小（占2字节）。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。（8）检验和（占2字节）。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。源主机基于数据内容计算一个数值，目标主机要进行相同的计算，如果数据没有变化，则结果相同。（9）紧急指针。在源和目的主机之间网络中的设