IP协议的研究报告及实现

.z---..--总结资料**文理学院课程设计报告课程名称：IP协议的研究与实现系部：电气与信息工程学院专业班级：通信工程 学号:学生**：指导教师：完成时间：报告成绩：评阅意见：评阅意见：评阅教师日期IP协议的研究与实现一、设计要求……………….…………..…….2二、设计目的…………….…2三、所用仪器设备…………2四、具体设计过程………21、TCPIP协议族………...22、IP报文……………………33、三次握手……………..………….54、IP协议……………..…65、工作流程图………116、源程序……………13五、设计心得体会…………….….……….….16六、参考文献

……………….…..……………16一、设计要求1、这个协议是TCP/IP协议族的组成局部，通过网络、图书馆等途径了解整个协议族，了解彼此之间的关系。

2、清楚所研究协议的重要性，在整个协议族中的地位，作用，应用场所。

3、掌握所研究协议的工作流程，画出流程图。

4、在流程图根底上用C语言编写程序实现IP协议，能读懂，写出注释。

5、报告按格式书写，字迹工整，作图规*。二、设计目的了解TCP/IP协议族，IP在整个协议族中的地位，研究IP协议的工作流程，并画出流程图，能读懂C语言编写的实现IP协议的程序，并写上注释。三、所用仪器设备互联网，Word文档，以及相关计算机书。具体设计过程TCP/IP协议族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*一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在一样的层次上相互通信。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通讯协议采用了四层的层级构造，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需。这四层分别为：应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子传输〔SMTP〕、文件传输协议〔FTP〕、网络远程协议〔Telnet〕等。传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送效劳，如传输控制协议〔TCP〕、用户数据报协议〔UDP〕等，TCP和UDP给数据包参加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：负责提供根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。TCP/IP协议族的协议有很多,下面简单介绍IP、TCP、UDP以为ICMP协议。〔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效劳在接收数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。也可以这样说，IP地址形成了许多效劳的认证根底，这些效劳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的效劳来说，使用了该选项的IP包好象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展平常是被制止的连接。则，许多依靠IP源地址做确认的效劳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，则IP将把它们向‘上’传送到TCP层。TCP将包排序并进展错误检查，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的效劳程序和客户程序。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。面向连接的效劳〔例如Telnet、FTP、rlogin、*Windows和SMTP〕需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在*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〕.UDPUDP与TCP位于同一层，但对于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效劳，UDP主要用于那些面向查询应答的效劳，例如NFS。相对于FTP或Telnet，这些效劳需要交换的信息量较小。使用UDP的效劳包括NTP〔网落时间协议〕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相关的效劳面临着更大的危险。〔4〕.ICMPICMP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的效劳。2、IP报文IP报文格式如下：普通的IP头部长度为20个字节，不包含IP选项字段。版本号〔Version〕字段标明了IP协议的版本号，目前的协议版本号为4。下一代IP协议的版本号为6。报文长度指IP**部长度，占4位。8位的效劳类型〔TOS，TypeofService〕字段包括一个3位的优先权字段〔COS，ClassofService〕，4位TOS字段和1位未用位。4位TOS分别代表最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。总长度〔Totallength〕是整个IP数据报长度，包括数据局部。标识符〔Identification〕字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加1.生存时间〔TTL，TimetoLive〕字段设置了数据包可以经过的路由器数目。一旦经过一个路由器，TTL值就会减1，当该字段值为0时，数据包将被丢弃。协议字段确定在数据包内传送的上层协议，和端口号类似，IP协议用协议号区分上层协议。TCP协议的协议号为6，UDP协议的协议号为17。报头校验和〔Headchecksum〕字段计算IP头部的校验和，检查报文头部的完整性。源IP地址和目的IP地址字段标识数据包的源端设备和目的端设备。3、三次握手所谓的“三握手〞：对每次发送的数据量是怎样跟踪进展协商使数据段的发送和接收同步，根据所接收到的数据量而确定的数据确认数及数据发送、接收完毕后何时撤消联系，并建立虚连接。为了提供可靠的传送，TCP在发送新的数据之前，以特定的顺序将数据包的序号，并需要这些包传送给目标机之后确实认消息。TCP总是用来发送大批量的数据。当应用程序在收到数据后要做出确认时也要用到TCP。SYN:请求同步/同步序列号ACK:应答同步/确认字段在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接效劳，采用三次握手建立一个连接。三次握手连接如下列图：具体工作过程：第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到效劳器，并进入SYN_SEND状态，等待效劳器确认；第二次握手：效劳器收到syn包，必须确认客户的SYN〔ack=j+1〕，同时自己也发送一个SYN包〔syn=k〕，即SYN+ACK包，此时效劳器进入SYN_RECV状态；第三次握手：客户端收到效劳器的SYN＋ACK包，向效劳器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端三次握手协议和效劳器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。完成三次握手，客户端与效劳器开场传送数据，在上述过程中，还有一些重要的概念：未连接队列：在三次握手协议中，效劳器维护一个未连接队列，该队列为每个客户端的SYN包〔syn=j〕开设一个条目，该条目说明效劳器已收到SYN包，并向客户发出确认，正在等待客户确实认包。这些条目所标识的连接在效劳器处于Syn_RECV状态，当效劳器收到客户确实认包时，删除该条目，效劳器进入ESTABLISHED状态。SYN-ACK重传次数：效劳器发送完SYN－ACK包，如果未收到客户确认包，效劳器进展首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进展第二次重传，如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意，每次重传等待的时间不一定一样。半连接存活时间：是指半连接队列的条目存活的最长时间，也即效劳从收到SYN包到确认这个报文无效的最长时间，该时间值是所有重传请求包的最长等待时间总和。有时我们也称半连接存活时间为Timeout时间、SYN_RECV存活时间。4、IP协议IP协议实际上是一套由软件程序组成的协议软件，它把各种不同“帧〞统一转换成“IP数据包〞格式，这种转换是因特网的一个最重要的特点，使所有各种计算机都能在因特网上实现互通。IP地址：IP协议中还有一个非常重要的内容，那就是给因特网上的每台计算机和其它设备都规定了一个唯一的地址，叫做“IP地址〞。由于有这种唯一的地址，才保证了用户在连网的计算机上操作时，能够高效而且方便地从千千万万台计算机中选出自己所需的对象来。现在电信网正在与IP网走向融合，以IP为根底的新技术是热门的技术，如用IP网络传送话音的技术〔即VoIP〕就很热门，其它如IPoverATM、IPoverSDH、IPoverWDM等等，都是IP技术的研究重点。IPV4地址：公用IP地址：所谓IP地址就是给每个连接在Internet上的主机分配的一个32bit地址。IP地址就好象：有了*人的，你就能与他通话了。同样，有了*台主机的IP地址，你就能与这台主机通信了。按照TCP/IP〔TransportControlProtocol/InternetProtocol，传输控制协议/Internet协议〕协议规定，IP地址用二进制来表示，每个IP地址长32bit，比特换算成字节，就是4个字节。例如一个采用二进制形式的IP地址是“0001〞，这么长的地址，人们处理起来也太费力了。为了方便人们的使用，IP地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号“.〞分开不同的字节。于是，上面的IP地址可以表示为“.1〞。IP地址的这种表示法叫做“点分十进制表示法〞，这显然比1和0容易记忆得多。有人会以为，一台计算机只能有一个IP地址，这种观点是错误的。我们可以指定一台计算机具有多个IP地址，因此在互联网时，不要以为一个IP地址就是一台计算机；另外，通过特定的技术，也可以使多台效劳器共用一个IP地址，这些效劳器在用户看起来就像一台主机似的。将IP地址分成了网络号和主机号两局部，设计者就必须决定每局部包含多少位。网络号的位数直接决定了可以分配的网络数〔计算方法2^网络号位数〕；主机号的位数则决定了网络中最大的主机数〔计算方法2^主机号位数-2〕。然而，由于整个互联网所包含的网络规模可能比拟大，也可能比拟小，设计者最后聪明的选择了一种灵活的方案：将IP地址空间划分成不同的类别，每一类具有不同的网络号位数和主机号位数。IP地址是IP网络中数据传输的依据，它标识了IP网络中的一个连接，一台主机可以有多个IP地址。IP分组中的IP地址在网络传输中是保持不变的。根本地址格式：现在的IP网络使用32位地址，以点分十进制表示，如。地址格式为：IP地址=网络地址＋主机地址或IP地址=网络地址＋子网地址＋主机地址。网络地址是因特网协会的ICANN〔theInternetCorporationforAssignedNamesandNumbers〕分配的，下有负责北美地区的InterNIC、负责欧洲地区的RIPENIC和负责亚太地区的APNIC目的是为了保证网络地址的全球唯一性。主机地址是由各个网络的系统管理员分配。因此，网络地址的唯一性与网络内主机地址的唯一性确保了IP地址的全球唯一性。保存地址的分配根据用途和平安性级别的不同，IP地址还可以大致分为两类：公共地址和私有地址。公用地址在Internet中使用，可以在Internet中随意。私有地址只能在内部网络中使用，只有通过代理效劳器才能与Internet通信。IP地址的分类网络号:用于识别主机所在的网络；主机号：用于识别该网络中的主机。IP地址分为五类，A类保存给政府机构，B类分配给中等规模的公司，C类分配给任何需要的人，D类用于组播，E类用于实验，各类可容纳的地址数目不同。A、B、C三类IP地址的特征：当将IP地址写成二进制形式时，A类地址的第一位总是0，B类地址的前两位总是10，C类地址的前三位总是110。A类地址：〔１〕A类地址第1字节为网络地址，其它3个字节为主机地址。它的第1个字节的第一位固定为0.〔２〕A类地址*围：.154〔３〕A类地址中的私有地址和保存地址：①10.*.*.*是私有地址〔所谓的私有地址就是在互联网上不使用，而被用在局域网络中的地址〕。*围〔.055〕②127.*.*.*是保存地址，用做循环测试用的。B类地址：〔１〕B类地址第1字节和第2字节为网络地址，其它2个字节为主机地址。它的第1个字节的前两位固定为10.〔２〕B类地址*围：54。〔３〕B类地址的私有地址和保存地址①55是私有地址②169.254.*.*是保存地址。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效劳器。就会得到其中一个IP。C类地址：〔１〕C类地址第1字节、第2字节和第3个字节为网络地址，第4个字节为主机地址。另外第1个字节的前三位固定为110。〔２〕C类地址*围：54。〔３〕C类地址中的私有地址：192.168.*.*是私有地址。(55)D类地址：〔１〕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。〔２〕D类地址*围：54E类地址：〔１〕E类地址不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前五位固定为11110。〔２〕E类地址*围：54IP地址如果只使用ABCDE类来划分，会造成大量的浪费：一个有500台主机的网络，无法使用C类地址。但如果使用一个B类地址，6万多个主机地址只有500个被使用，造成IP地址的大量浪费。因此，IP地址还支持VLSM技术，可以在ABC类网络的根底上，进一步划分子网。IP的概念是非常广泛的，包括品牌、商标、，还有很重要的就是商业秘密、商业模式、商业标准等。IP拥有量的多少，是区分制造与创造的最主要标志，一个国家拥有的IP太少，它的产业或者企业在国际分工中就只能扮演初级加工者的角色。无类地址除ABCDE以外的IP地址段划分方式，如：52等非成C段划分的地址特殊的IP地址组播地址：在IP地址空间中，有的IP地址不能为设备分配的，有的IP地址不能用在公网，有的IP地址只能在本机使用，诸如此类的特殊IP地址众多：注意它和播送的区别。从到55都是这样的地址。特指所有主机，特指所有路由器。这样的地址多用于一些特定的程序以及多媒体程序。如果你的主机开启了IRDP〔Internet路由发现协议，使用组播功能〕功能，则你的主机路由表中应该有这样一条路由。169.254.*.*如果你的主机使用了DHCP功能自动获得一个IP地址，则当你的DHCP效劳器发生故障，或响应时间太长而超出了一个系统规定的时间，Windows系统会为你分配这样一个地址。如果你发现你的主机IP地址是一个诸如此类的地址，很不幸，十有八九是你的网络不能正常运行了。受限播送通信：播送通信是一对所有的通信方式。假设一个IP地址的2进制数全为1，也就是55，则这个地址用于定义整个互联网。如果设备想使IP数据报被整个Internet所接收，就发送这个目的地址全为1的播送包，但这样会给整个互联网带来灾难性的负担。因此网络上的所有路由器都具有阻止这种类型的分组被转发出去，使这样的播送仅限于本地网段。直接播送地址：一个网络中的最后一个地址为直接播送地址，也就是HostID全为1的地址。主机使用这种地址把一个IP数据报发送到本地网段的所有设备上，路由器会转发这种数据报到特定网络上的所有主机。注意：这个地址在IP数据报中只能作为目的地址。另外，直接播送地址使一个网段中可分配给设备的地址数减少了1个。假设IP地址全为0，也就是.0，则这个IP地址在IP数据报中只能用作源IP地址，这发生在当设备启动时但又不知道自己的IP地址情况下。在使用DHCP分配IP地址的网络环境中，这样的地址是很常见的。用户主机为了获得一个可用的IP地址，就给DHCP效劳器发送IP分组，并用这样的地址作为源地址，目的地址为55〔因为主机这时还不知道DHCP效劳器的IP地址〕。NetID为0的IP地址当*个主机向同一网上的其他主机发送报文时就可以使用这样的地址，分组也不会被路由器转发。比方.0/24这个网络中的一台主机/24在与同一网络中的另一台主机/24通信时，目的地址可以是。环回地址127网段的所有地址都称为环回地址，主要用来测试网络协议是否工作正常的作用。比方使用ping就可以测试本地TCP/IP是否已正确安装。另外一个用途是当客户进程用环回地址发送报文给位于同一台机器上的效劳器进程,比方在浏览器里输入，这样可以在排除网络路由的情况下用来测试IIS是否正常启动。专用地址IP地址空间中，有一些IP地址被定义为专用地址，这样的地址不能为Internet网络的设备分配，只能在企业内部使用，因此也称为私有地址。假设要在Internet网上使用这样的地址，必须使用网络地址转换或者端口映射技术。这些专有地址是：10/8地址*围：.0到55共有2的24次方个地址172.16/12地址*围：至55共有2的20次方个地址192.168/16地址*围：至55共有2的16次方个地址IPv6中指定了支持认证、数据完整性和〔可选的〕数据**性的扩展功能。IPV6开展及其特点IPv6是"InternetProtocolVersion6"的缩写，也被称作下一代互联网协议，它是由IETF小组(Internet工程任务组InternetEngineeringTaskForce)设计的用来替代现行的IPv4(现行的IP)协议的一种新的IP协议。我们知道，Internet的主机都有一个唯一的IP地址，IP地址用一个32位二进制的数表示一个主机，但32位地址资源有限，已经不能满足用户的需求了，因此Internet研究组织发布新的主机标识方法，即IPv6。在RFC1884中〔RFC是RequestformentsDocument的缩写。RFC实际上就是Internet有关效劳的一些标准〕，规定的标准语法建议把IPv6地址的128位〔16个字节〕写成8个16位的无符号整数，每个整数用四个十六进制位表示，这些数之间用冒号〔：〕分开，例如：3ffe:3201:1401:1280:c8ff:fe4d:db39IPv6特点：〔1〕扩展的寻址能力IPv6将IP地址长度从32位扩展到128位，支持更多级别的地址层次、更多的可寻址节点数以及更简单的地址自动配置。通过在组播地址中增加一个“*围〞域提高了多点传送路由的可扩展性。还定义了一种新的地址类型，称为“任意播地址〞，用于发送包给一组节点中的任意一个；〔2〕简化的报头格式一些IPv4报头字段被删除或变为了可选项，以减少包处理中例行处理的消耗并限制IPv6报头消耗的带宽；〔3〕对扩展报头和选项支持的改良IP报头选项编码方式的改变可以提高转发效率，使得对选项长度的限制更宽松，且提供了将来引入新的选项的更大的灵活性；〔4〕标识流的能力增加了一种新的能力，使得标识属于发送方要求特别处理〔如非默认的效劳质量获“实时〞效劳〕的特定通信“流〞的包成为可能；〔5〕认证和加密能力IPv6中指定了支持认证、数据完整性和〔可选的〕数据**性的扩展功能。代理IP：代理IP就是代理效劳器，英文全称是Pro*yServer，其功能就是代理网络用户去取得网络信息。形象的说：它是网络信息的中转站。在一般情况下，我们使用网络浏览器直接去连接其他Internet站点取得网络信息时，须送出Request信号来得到答复，然后对方再把信息以bit方式传送回来。代理效劳器是介于浏览器和Web效劳器之间的一台效劳器，有了它之后，浏览器不是直接到Web效劳器去取回网页而是向代理效劳器发出请求，Request信号会先送到代理效劳器，由代理效劳器来取回浏览器所需要的信息并传送给你的浏览器。而且，大局部代理效劳器都具有缓冲的功能，就好象一个大的Cache，它有很大的存储空间，它不断将新取得数据储存到它本机的存储器上，如果浏览器所请求的数据在它本机的存储器上已经存在而且是最新的，则它就不重新从Web效劳器取数据，而直接将存储器上的数据传送给用户的浏览器，这样就能显著提高浏览速度和效率。更重要的是：Pro*yServer(代理效劳器)是Internet链路级网关所提供的一种重要的平安功能，它的工作主要在开放系统互联(OSI)模型的对话层。主要的功能有：〔1〕.突破自身IP限制，国外站点。教育网、169网等网络用户可以通过代理国外。〔2〕.一些单位或团体内部资源，如*大学FTP(前提是该代理地址在该资源的允许*围之内)，使用教育网内地址段免费代理效劳器，就可以用于对教育网开放的各类FTP下载上传，以及各类资料查询共享等效劳。〔3〕.突破中国电信的IP封锁：中国电信用户有很多是被限制的，这种限制是人为的，不同Serve对地址的封锁是不同的。所以不能时可以换一个国外的代理效劳器试试。〔4〕.提高速度：通常代理效劳器都设置一个较大的硬盘缓冲区，当有外界的信息通过时，同时也将其保存到缓冲区中，当其他用户再一样的信息时，则直接由缓冲区中取出信息，传给用户，以提高速度。〔5〕.隐藏真实IP：上网者也可以通过这种方法隐藏自己的IP，免受攻击。5、IP协议工作流程图：发送端开场发送端开场分成诸多个小单元做成数据包网关检查IP构造、校验和和交换字远程地址给出字型形式、源IP地址及以太网地址是否比最大传输单元大结点数据是否与目的IP地址构造相匹配检查是否在子网给出IP不符合符合否否是是否，并到其它网络是是6、IP协议的C语言源程序：*include"armnet.h"*include"..\inc\44blib.h"*include<string.h>/*检查构造是IP，校验和和交换字节，返回数据len*/{shortver,dlen=0,hlen;unsignedshortsum;IPKT*ip;if(efp->e.ptype==PCOL_IP&&len>=sizeof(IPHDR)){ip=(IPKT*)(efp->edata); /*给出IP的构造的指针*/ver=ip->i.vhl>>4; /*给出IP的版本*/hlen=(ip->i.vhl&0*f)<<2;sum=~csum((unsignedchar*)&ip->i,(unsignedshort)hlen); /*校验和*/if(ver==4&&len>=hlen&&sum==0) /*检查后并符合上面的条件，往下执行*/{ SwapIp(efp);dlen=min(ip->i.len,len);dlen-=hlen;if(hlen>sizeof(IPHDR)) /*如果当前IP所选择的项是，往下执行*/{ /*如果不是，则删除，跳到数据*/memmove((unsignedchar*)ip->ipdata,(unsignedchar*)&ip->ipdata[hlen-sizeof(IPHDR)],len);dlen-=hlen-sizeof(IPHDR);}}}return(dlen);}/*做一个IP数据包，如果比最大传输单元还大，则就分成诸多个小单元来传输，否则回到这个帖和子帖的总长度*/shortMakeIp(ETHERFRAME*efp,NODE*srcep,NODE*destp,unsignedcharpcol,unsignedshortdlen){IPKT*ip;staticunsignedshortident=1;ip=(IPKT*)(efp->edata);/*定义IP数据包的指针*/ip->i.ident=ident;/*设置识别数据包*/ip->i.frags=0; ip->i.vhl=0*40+(sizeof(IPHDR)>>2); /*IP第四个版本，头部长5个字节*/ip->i.service=0;/*程序信息*/ ip->i.ttl=IP_TTL;/*存活时间*/ ip->i.pcol=pcol;/*设置IP协议*/ ip->i.sip=srcep->ip;/*源地址、的IP地址*/ ip->i.dip=destp->ip;ip->i.len=dlen+sizeof(IPHDR);/*数据长度*/ SwapIp(efp);ip->i.check=0;/*清空校验和*/ ip->i.check=~csum((unsignedchar*)ip,sizeof(IPHDR)); ident++; /*增加数据鉴别*/return(MakeFrame(efp,srcep->mac,destp->mac,PCOL_IP,(unsignedshort)dlen+sizeof(IPHDR)));}/*交换IP头部的整形数据〔字节〕*/voidSwapIp(ETHERFRAME*efp){IPKT*ip;ip=(IPKT*)(efp-