TCPIP协议教学讲解课件

第4章TCP/IP协议

4.1OSI参考模型

4.2

TCP/IP体系结构

4.3TCP/IP协议集

4.4IP地址

小结

习题与思考

4.1OSI参考模型

1.物理层ISO提出OSI参考模型的目的，就是要使在各种终端设备之间、计算机之间、网络之间、操作系统进程之间以及用户之间互相交换信息的过程中，能够逐步实现标准化。采用这种分层的模型能够将复杂的网络划分成简单的独立组成部分，这样便能够定义标准的接口。OSI参考模型由七层组成，从最底层到最高层依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图1.1所示。

图1.1OSI/RM和对应的数据流层关系

物理层的协议可以分为LAN和WAN两种，常见的LAN物理层协议有IEEE802.3、令牌环、FDDI等；而WAN协议主要有EIA/TIA-232、EIA/TIA-449、V.35等。

2．数据链路层(DataLinkLayer)数据链路层负责在两个相邻节点间的链路上无差错地传送数据(传输单位为帧)，并提供有关目的地址和如何处理的信息。该层的主要网络设备为网桥和第二层交换机。

IEEE将数据链路层分为两个子层：

(1)介质访问控制(MAC)子层(IEEE802.3)：该子层负责指定如何通过物理线路进行传输，并定义与物理层通信。它定义了诸如物理编址、网络拓扑、线路规范、错误通知、流量控制等功能。

(2)逻辑链路控制(LLC)子层(IEEE802.2)：该子层负责识别协议类型，并对数据进行封装以便通过网络进行传输，具有帧发送及接收、帧序列控制和流量控制等功能。

3．网络层(NetworkLayer)网络层独立于数据链路层，可用于连接位于不同物理介质上的设备，这是通过网络的逻辑编址来完成的。这种逻辑编址诸如IP、IPX等。网络层可完成异种网络之间的互联，实现路径选择功能，支持LAN和WAN组建的各种物理标准。

4．传输层(TransportLayer)

传输层是通信子网和高层之间的接口层，其任务是根据通信子网的特性，最佳地利用网络资源，并以可靠而经济的方式，为两个端系统(也就是源终端和目的终端的传输层之间)的会话层之间提供建立、维护和取消传输连接的功能，传输层协议负责可靠或不可靠地传输数据。在这一层，信息的传送单位是报文。该层主要采用TCP、UDP和SPX等传输协议。

5．会话层(SessionLayer)会话层也可以称为会晤层。会话层不参与具体的传输，但是它提供包括访问验证和会话管理在内的建立、组织和协调实体之间通信的机制。比如，数据库服务器和用户登录之间形成的会话。

6．表示层(PresentationLayer)表示层主要提供具体的数据格式编码和转换问题，可完成视频、图像的公用压缩编码格式转换以及对应用层数据的公用加密、公用解密等任务。

7．应用层(ApplicationLayer)应用层是OSI/RM的最高层，是用户和应用程序与网络访问协议之间的接口。该层可完成HTTP、POP和SMTP等服务。从图1.1中可以得到，下四层形成了数据流层，并规定为终端之间如何建立连接以及交换数据；上三层负责规定如何通过物理线路传输，经由网络互联设备到达目的终端，并最终到达应用程序。

4.2TCP/IP体系结构

TCP/IP体系已成为Internet的主流，局域网、城域网几乎都采用了兼容性强的TCP/IP体系。与OSI/RM不同，OSI/RM在解释互联网络通信机制上有更强的能力，TCP/IP模型更侧重于互联设备间的数据传送，而不是严格的功能层次划分，但是现今TCP/IP已经在互联网络中担当了一个重要的角色，成为了市场的标准。

TCP/IP协议是一个总称，它代表了一个协议集，其中典型的协议就是TCP和IP协议。TCP/IP协议体系结构与OSI/RM之间的对比如图1.2所示。

图1.2TCP/IP与OSI/RM对比图

由图1.2可知TCP/IP体系结构共有四个层次，每层具体任务和功能描述如下。

1．应用层(ApplicationLayer)应用层对应OSI/RM中的上三层，负责处理用户界面、数据格式化和应用程序访问。当前应用层的Web应用服务的应用最为广泛，主要采用HTTP协议完成应用层之间的通信。

2．传输层(TransportLayer)传输层与OSI/RM中的传输层实现的功能相似，负责上层的数据封装，实现数据传递。该层的主要协议有传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。TCP协议是一种面向连接的可靠传输协议，实现了三次握手机制；而UDP协议是一种无连接的不可靠传输协议。TCP和UDP协议与上层进行数据交换的时候，需要借助服务端口来判别与应用层中的哪种服务进行通信。

3．网络互联层(NetworkLayer)网络互联层与OSI/RM中的网络层具有相似的功能，主要进行路由选择。该层由ICMP、IP、IGMP、RIP、OSPF和用于边界路由的EGP协议组成，这些协议的主要功能是保证数据包能被成功传递。其中IP是主要的协议，被称为网际互联协议；IP定义了地址，让网络上每台主机或网络设备都有不同的逻辑地址，当IP地址在不同的子网网段中时，需要RIP、OSPF等路由协议完成IP路由，此时IP被称为被路由协议。

4．网络接口层(NetworkInterfaceLayer)网络接口层对应OSI/RM中的物理层和数据链路层。网络接口层定义了主机如何通过物理网络传送数据，也定义了所需的协议和硬件。例如，以太网网络处于TCP/IP网络接口层，定义了组建LAN和WAN的布线方式、编址方法、电缆型号和协议等。要实现以太网LAN和LAN之间的互联通信，可通过WAN的连接标准PPP(点到点协议)和帧中继来完成。图1.3体现了网络接口层标准、数据封装和拆分的过程。

图1.3提供给IP的PPP服务和以太网服务

4.3TCP/IP协议集

1．地址解析协议ARP

IP网络数据包能够在网络中正常传输，都需使用网络介质访问控制子层的MAC地址，通过这种物理地址来确定发送的目的地。因此需要通过ARP和RARP协议来动态发现48位的二进制MAC地址。在TCP/IP网络中，网络接口层主要采用以太网技术，以太网技术在同一个局域网中具有网络广播的能力，通过发送带有ARP广播请求的网络数据，当局域网中所有主机都可以收到这个请求时，便根据ARP协议解析来获取对方主机IP对应的MAC地址，然后将结果返回给带有MAC地址的源主机，最终完成在物理网中传输逻辑数据的目的。

2．反向地址解析协议RARP

RARP实现的是将主机的MAC地址映射为对应的IP地址，通过这种RARP请求方式可以从服务器上获取IP地址。在无盘工作站中通过BOOTP协议方式发送RARP广播请求来实现RARP解析。

3．网际控制报文协议ICMP

ICMP是一种面向连接的协议，用于传输错误报告控制信息。由于IP协议提供了无连接的数据报传输服务，在传输过程中若发生差错或意外，比如目的不可到达，这就需要ICMP来向源节点报告差错情况，以便源节点对此做出相应的处理。

4．传输控制协议TCP

TCP是在IP提供的基础服务上，支持面向连接的、可靠的、面向数据流的传输服务。两个使用TCP进行通信的对等实体的一次通信，一般需要经过建立连接、维持连接和数据传输、终止连接三个阶段。在建立连接阶段实现TCP的三次握手协议，根据序列号和确认号保证实体间数据传输的可靠性。TCP模块以IP模块为传输基础，同时可以面向多种应用程序提供传输服务：一种是服务程序；另外一种是客户程序。比如实现Web服务器和客户IE浏览器之间的通信服务。常见的服务默认端口有：Telnet服务端口23、Web服务端口80、SMTP服务端口25、POP3服务端口110、FTP服务端口21和20等。

5．用户数据报协议UDP

UDP协议是建立在传输层的一种简单的、无连接的、不可靠的数据传输服务，没有确认号和序列号。在多媒体应用中采用UDP服务是一种比较理想的方法，可提高视频与音频的传输速率。使用UDP服务的应用程序有：DNS(端口号53)、SNMP(端口号161)、TFTP(端口号69)、DHCP服务器(端口号67)等。

6．网际互联协议IP

IP协议称为网际互联协议，实现网络互联层IP寻址、IP数据转发等功能。IP提供的主要功能有三种：

u

无连接、不可靠的数据转发；

u

数据包分组和重组；

u

路径选择。

IP协议不仅仅解决了同一网络之间的数据包基础服务，而且还解决了不同物理网络和不同逻辑网络之间的数据转发功能。

4.4IP地址目前在TCP/IP网络中使用了两种IP地址版本：IPv4和IPv6。其中，IPv4为32位二进制的地址，被广泛使用；而IPv6为128位二进制的地址，是下一代Internet网络采用的地址分配方案。

1) IPv4地址及其表示方法

IPv4版本采用32位二进制描述，IP地址由两部分组成：网络号字段(net-id)和主机号字段(host-id)。IP地址的分类如图1.4所示。

图1.4IP地址的五种类型

将IP地址每8位二进制看成一组，并换成十进制数，用点“.”分开，形成4组的点分十进制，这是常用方式。例如11000000100000011100000000000001，换成点分十进制IP地址表示为：，这样看起来更为方便。通过图1.4的描述可以得到A、B、C三类IP地址的使用范围如下：A类：～55 默认子网掩码：；B类：～55默认子网掩码：；C类：～55 默认子网掩码：。

目前作为私有网络中的IP地址，不作为Internet公有IP地址的使用范围如下：A类：～55默认子网掩码：；B类：～55默认子网掩码：；C类：～55默认子网掩码：。在IP地址使用中，某个网络主机字段的二进制全1时，表示某个网络中的广播地址，比如55；而某个网络需要表示单个网络的地址时，该IP地址的主机号应该全0，比如(A类)，(C类)。因此，要满足主机IP地址的基本要求，就要使网络号或主机号不能出现全1或全0的情况。

在使用IP地址的时候，有一些特殊的IP地址是不能作为主机的IP地址的，但是这些特殊地址可以出现在网络数据包中，如表1.1所示。

表1.1不作为主机的特殊IP地址

2) IP地址子网划分

IP的原始划分并不是很科学，当一个单位使用同一个网络号，且单位的主机较多并分布在很大的地理范围时，就需要网桥或交换机(不是路由器)来连接同一个网络的主机。但这样会产生广播风暴，而且一旦网络出现故障也不太容易隔离和管理。因此，为了方便管理单位的同一网络号的主机，可以将单位所属的主机划分成若干个子网(subnet)，利用IP地址中的主机号字段中前若干连续的比特位作为子网号字段，将剩下的作为主机号字段。这样就可以实现各个子网由路由器来互联，从而便于管理。在子网划分的时候需要通过子网掩码来判断，采用子网掩码就相当于采用三级寻址。

一个被子网化的IP地址包含三部分：网络号、子网号和主机号。子网由子网掩码标识，采用32位二进制的点分十进制格式，并且掩码从左到右二进制数据连续为1。而A、B、C三类网络的默认掩码为网络号字段的二进制位连续为1，主机号