[互联网]网络工程师培训主题07:TCPIP协议族2006-04-02.ppt
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1、主题七,国家信息化工程师认证考试管理中心,TCP/IP协议族,7.1 主要知识点,7.2 协议层次 7.3 网络层协议 7.4 传输层协议 7.5 应用层协议 7.6 IPv6 7.7 典型试题分析,7.2 协议层次,网络层 传输层 应用层,7.2 协议层次,7.3 网络层协议,7.3.1 IP地址 7.3.2 掩码 7.3.3 IP协议 7.3.4 ARP/RARP 7.3.5 ICMP 7.3.6 IGMP 7.3.7 路由协议 7.3.8 移动IP,7.3.1 IP地址,互联网上的每个接口必须有一个唯一的Internet地址(也称作IP地址)。 IP地址长32bit。Internet地址
2、并不采用平面形式的地址空间,如1、2、3等。 IP地址具有一定的结构,五类不同的互联网地址格式如下图所示:,1,A类:,0NNNNNNN,Host,Host,Host,8,9,16,17,24,25,32,Range (1-126),1,B类:,10NNNNNN,Network,Host,Host,8,9,16,17,24,25,32,Range (128-191),1,C类:,110NNNNN,Network,Network,Host,8,9,16,17,24,25,32,Range (192-223),1,D类:,1110MMMM,Multicast Group,Multicast Gro
3、up,Multicast Group,8,9,16,17,24,25,32,Range (224-239),五类不同的互联网地址格式,各类IP地址的范围,这些32位的地址通常写成四个十进制的数,其中每个证书对应一个字节。 区分各类地址的最简单方法是看它的第一个十进制整数。,按目的端分类:三类IP地址,三 类 IP 地 址,单播地址:目的为单个主机。 广播地址:目的端为给定网络上的所有主机。 组播地址:目的端为同一组内的所有主机。,IP地址与MAC地址,IP地址是指Internet协议使用的地址,而MAC地址是Ethernet协议使用的地址。 IP地址与MAC地址之间并没有什么必然的联系,MAC
4、地址是Ethernet NIC(网卡)上带的地址,为48位长。 每个Ethernet NIC厂家必须向IEEE组织申请一组MAC地址,在生产NIC时编程于NIC卡上的串行EEPROM中。因此每个Ethernet NIC生产厂家必须申请一组MAC地址。 任何两个NIC的MAC地址,不管是哪一个厂家生产的都不应相同。Ethernet芯片厂家不必负责MAC地址的申请,MAC地址存在于每一个Ethernet包中,是Ethernet包头的组成部分,Ethernet交换机根据Ethernet包头中的MAC源地址和MAC目的地址实现包的交换和传递。,IP地址与MAC地址,IP地址是Internet协议地址,
5、每个Internet包必须带有IP地址,每个Internet 服务提供商(ISP)必须向有关组织申请一组IP地址,然后一般是动态分配给其用户,当然用户也可向ISP申请一个IP地址(根椐接入方式),这就是为什么在配置Windows NT/95/98的“拨号网络”时,一般让系统给自动分配IP地址。 IP地址现是32位长。IP地址与MAC地址无关,因为Ethernet的用户,仍然可通过Modem连接Internet。IP地址通常工作于广域网,我们所说的Router(路由器)处理的就是IP地址。 MAC地址工作于局域网,局域网之间的互连一般通过现有的公用网或专用线路,需要进行网间协议转换。可以在Eth
6、ernet上传送IP信息,此时IP地址只是Ethernet信息包数据域的一部分,Ethernet交换机或处理器看不见IP地址,只是将其作为普通数据处理,网络上层软件才会处理IP地址。,7.3.2 掩码,掩码的基本知识 VLSM CIDR,掩码的基本知识,任何主机引导时进行的部分配置是指定主机IP地址。大多数系统把IP地址存在一个磁盘文件里供引导时使用。 除了IP地址以外,主机还需要知道有多少比特用于子网号及多少比特用于主机号。这是在引导通过子网掩码来确定的。这个掩码食一个32bit的值,其中值为1的比特留给网络号和子网号,为0的比特留给主机号。,子网掩码,255,255,0,0,Network
7、,Host,Network,Host,Network,Subnet,Host,11111111,11111111,00000000,00000000,从标准的ABC类网的主机部分里借用一定高位来表示子网位,形成新的网络位+子网位+主机位的结构。,默认的 子网掩码,借用8bit 作为子网位,IP地址,8位中每位对应的10进制数的数值,掩码的计算,16,Network,Host,172.16.2.160,255.255.255.0,172,2,0,10101100,11111111,10101100,00010000,11111111,00010000,11111111,00000010,1010
8、0000,00000000,00000000,00000010,Subnet,网络地址,128 192 224 240 248 252 254 255,子网掩码同IP地址进行逐位的“与”运算可得该IP地址所在子网的网络地址,路由器可由此做为转发的依据,区分网络号和主机号,子网 Subnet,使用A、B、C类地址的网络可以进一步划分子网段,称为子网。 子网划分的目的:便于管理。,子网掩码的功能,区分网络ID和主机ID 确定目的地是本地网络还是远程网络,子网的划分方法,用主机号的高位来标识子网号; 其余位表示主机号。,确定IP地址,11111000,IP主机地址: 192.168.5.121 子网
9、掩码: 255.255.255.248,Network,Subnet,Host,192.168.5.121:,11000000,11111111,Subnet:,11000000,10101000,10101000,11111111,00000101,00000101,11111111,01111001,01111000,255.255.255.248:,子网地址 = 192.168.5.120 主机地址 = 192.168.5.121192.168.5.126 子网的广播地址 = 192.168.5.127,Broadcast:,Network,Network,11000000,101010
10、00,00000101,01111111,注意:借用主机地址时至少要留两位主机位,变长子网掩码(VLSM),172.16.14.32/27,172.16.14. 64/27,172.16.14.96/27,172.16.1.0/24,172.16.2.0/24,172.16.0.0/16,172.16.14.136/30,172.16.14.132/30,172.16.14.140/30,A,C,B,HQ,提供了在一个主类(A类、B类、C类)网络内包含多个子网掩码的能力,可以对一个子网再进行子网划分,使得对IP地址的使用更为有效,无类域间路由CIDR,用于帮助减缓IP地址耗尽和路由表增大的问题
11、。 多个C类地址块可以被组合或聚合在一起以生成更大的无类别IP地址集(也就是说,我们可以用一个CIDR的聚合体来表示一组C类地址)。,7.3.3 IP协议,IP数据报结构 版本、长度与服务类型 分片与重组 生存时间、协议类型与校验 选项,IP协议传输机制,IP协议传输机制:,IP数据报传输是一种简洁而有效的分组交换方式,为了达到最高的传输速率,它放弃了可靠性保证(如检错、重传等,数据的可靠性要靠更高层协议,如TCP等来保证),以便尽快将数据报传往目的地。它不保证传输质量,只是尽最大努力来传输要传的数据。 IP数据报传输的关键问题是分片和重组。 分片是为了适应物理网的最大传输单元(MTU); 重
12、组是为了将已分片的数据根据分片规则重新组合起来。 数据报传输的一大特点是随机路由,因而从信源到信宿的时延也是随机的。另外,在路由时数据报还可能进入一条循环路由,IP中采用“生存期”来解决。,IP数据报结构,Bit 0 Bit 15 Bit 16 Bit 31,20 Bytes,IP数据报结构,0,31,版本号 报头长度 TOS 总长度,标识符 标志 分片偏移量,TTL 协议 首部校验和,信源IP地址,目的IP地址,IP选项(若有) 填充,数据,.,4,8,16,19,24,版本、长度与服务类型,版本:V4 报头长度:它是以32比特为单位的。最常见的是5(不含IP选项,20B),也有为6的(含I
13、P选项,24B)。 TOS(服务类型):IP协议是一个不保证质量的协议。它通过 TOS来弥补一下其QOS的不足。其8个比特的含义如下:,优先级 D T R 保留,0,3,5,7,三个比特的优先级指明本数据报的优先级,允许发送方表示数据报的重要程度。优先级从0到7,其中“0”表示普通用户优先级,“7”表示网络控制优先级。 D、T、R表示本数据报希望的传输类型。D=1表示低时延,T=1表示高吞吐量,R=1表示高可靠性。注意,优先级对网络没有强制性,目前大多数网络对此一般不作处理,但为技术的进一步的提供了手段。,版本、长度与服务类型,版本:IPv4、IPv6,IPv4采用32位地址空间,可以提供约4
14、2亿个地址。虽然数目巨大,但该协议的开发人员当时并未料到因特网发展会如此迅速。虽说网络地址转换(NAT)和无类域间路由(CIDR)等技术会使IPv4的使用寿命延长几年,但迟早IPv4会跟不上因特网的发展需求。 IPv6的128位地址空间有望带来大得常人无法想象的空间。那么究竟有多少个地址呢?大约3.4x1038个。如果说这过于抽象,不妨这么去想:IPv6在每平方米地球表面上提供的地址数多达6.5x1023,即655,570,793,348,866,943,898,599个。 除了地址数量多得多外,IPv6还弃用了IPv4采用的熟悉的“点分四元组”格式(如193.10.10.154)。相反,IP
15、v6采用十六进制符号,以冒号取代了圆点。FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210地址结构就是一个例子。,分片与重组,链路层帧在每一种物理网络中都有一个最大长度限制,这个最大长度称为最大传输单元(Maximum Transfer Unit,MTU)。所以虽然IP数据报的最大长度可以达到64k,但在链路上传输的数据帧最大只能达到MTU。所以当IP数据报从IP层传到数据链路层和从一个MTU较大的的物理网络通过路由器达到另外一个MTU较小的网络的时候,主机和路由器先要将IP数据报划分成较小的数据单元,这个过程叫做数据报分片。较小的数据报在达到目的地之前不会进行重组
16、,他们可以自由路由,到达目的地后他们会重新组合成原来的数据报,若在这个过程中,某一个数据报片丢失,整个数据报将无法重组。在实际情况下,接收机在收到初始片后将启动一个重组定时器,如果在收到所有分片之前定时器超时,则接收机丢弃已收到的分片,不对数据报进行进行处理。IP规范要求:路由器必须接收所连网络中MTU大小的数据报;同时必须随时能够处理至少576B的数据报,对主机的要求也是如此。,总长度:指明IP数据报的长度,以字节为单位。数据报最长为216=64k字节 标识符、标志和分片偏移量:它们用于分片和重组,下面一同介绍。,分片与重组,在将数据报分片时,先将原数据报的报头复制到每个数据报片中,然后填入
17、“标志”域,它一共有3个比特,第一个比特指明是否要对数据报分片,为1表明这是一个分片数据报;第二个比特指明该分片是否是这个数据报的最后一个分片,1表示不是最后一个分片,也就是说分片未完;第三个比特未用。其中的标识符指明了它原来属于哪一个数据报。然后填入“偏移量”域,它指明该分片的数据在原来数据只能中从数据头开始的字节偏移量,第一个分片的偏移量为0,这样可以确定数据片在原数据中的位置,以便到终端进行重组。它还要填入“总长度”域,它指明分片的长度。 当各分片通过各种路径到达接收机的时候,通过“标志”域的第一位可以知道这是一个分片,并且由“标识符”知道它属于哪一个数据报;由第二位知道是否收到了最后一
18、个分片,如果收到了最后一个分片,由该分片中的“偏移量”和所有属于该数据报的数据总长度就可以知道是否收到了所有的分片,从而可以进行重组。重组好数据报后就可以交给IP层去处理。,分片和重组的具体过程:,生存时间、协议类型、校验与选项,TTL(Time To Live,生存时间):它用来处理时延。它以秒为单位,指明了数据报在网络中的最长有效时间。路由器处理报头时,从TTL中减1;若数据报在路由器中排队而被延迟;则要从TTL中减去等待时间;若TTL=0则将它从网络中删除。 协议:它指明数据区中的数据格式,说明在IP的上一层(传输层)所采用的协议,如(TCP、UDP)。当IP数据报到达对端以后,将按照“
19、协议”来将数据报交给传输层进行相应处理。 头部校验和:对报头的CRC。,IP选项:包括时间戳、源站路由、路由器路由,IP数据报中可以没有这些选项。,7.3.4 ARP/RARP,静态映射与动态绑定 地址解析协议ARP 逆地址解析协议RARP,静态映射与动态绑定,静态映射是创建一个表,它将一个逻辑地址与物理地址关联起来,这个表就存储在网络上的每一个机器上。 例如,每一个机器,知道其他机器的IP地址但却不知道其物理地址,可通过查表得知该物理地址。这样做有某些局限性,因为物理地址可能会因以下原因而发生变化:一个机器可能会更换其网卡,结果得到了一个新的物理地址。在某些局域网中,如LocalTalk,每
20、当计算机加电时,其物理地址都要改变一次。移动的计算机可以从一个物理网络转移到另一个物理网络,这就引起物理地址的改变。要完成这些变化,静态映射表必须周期性改变,这给网络增加了非常大的开销。,静态映射与动态绑定,在动态映射中,每当一个机器知道两个地址(逻辑地址或物理地址)中的一个时,就可以使用协议将另一个地址找出来。已设计出两个协议来完成动态映射:地址解析协议(ARP)和逆地址解析协议(RARP)。第一个协议将逻辑地址映射为物理地址,而第二个协议将物理地址映射为逻辑地址。,地址解析协议ARP,Map IP Ethernet Local ARP,172.16.3.1,IP: 172.16.3.2 E
21、thernet: 0800.0020.1111,172.16.3.2,IP: 172.16.3.2 = ?,ARP消息格式,以太网,IP协议,ARP协议的规定,ARP地址解析方法,查表: - 地址联编或映射信息存储在内存的一张表中 - 多用于广域网 相近形式计算: - 根据一定的规则为计算机选择协议地址和硬件 地址,可以从协议地址计算出硬件地址 - 适用于动态物理地址的网络 消息交换 - 通过在网络上交换信息来获得硬件地址 - 设计专门的地址解析服务器,完成解析任务 - 所有的计算机都参与地址解析工作,ARP消息的传输和管理,发送一个ARP消息:构造一个ARP帧 请求:构造一个ARP硬件广播帧
22、 - 帧的类型是ARP类型 - ARP消息的操作设成请求 - 帧的目的地地址为全网广播地址 应答:构造一个确定硬件地址的ARP应答帧 - 帧的类型是ARP类型 - ARP消息的操作设成应答 - 帧的目的地地址为发送请求的主机的硬件地址,ARP消息的传输和管理,处理一个ARP消息 根据帧类型判定是一个ARP帧 将消息中的操作类型取出判定是请求还是应答 - 请求:比较请求的协议地址是否与本地的协议地址相同,相同,则将请求方的协议地址和硬件地址存入本地缓存,然后构造一个应答消息; - 应答:将消息中的地址信息记入自己的缓存,解析本地IP地址,ARP Cache,131.107.7.7 08005.
23、. . 131.107.7.28 08004. . .,ARP Cache,131.107.7.7 08004. . .,ARP Broadcast,4,IP Address = 131.107.7.28 Hardware Address = 08004. . .,IP Address = 131.107.7.29 Hardware Address = 08007. . .,3,Hardware Address = 08007. . .,2,1,ping 131.107.7.29,解释远程IP地址,ARP代理: 若ARP请求解析另一个网络上的IP地址,那么,连接这两个网络的路由器将做出应答,路
24、由器称为ARP代理。将路由器设置成ARP代理,可以使原主机误认为目标主机与它在同一网络上。 直接查找网关的硬件地址: 由原主机判定目标所在的网络是在本地还是远程,然后查找自己的缺省网关的硬件地址,将数据发往缺省网关。,解释远程IP地址,ARP Broadcast for Router A,ARP for Router B,IP Address = 131.107.3.24 Hardware Address = 08004. . .,IP Address = 131.107.7.29 Hardware Address = 08009. . .,ARP Cache,131.107.7.7 0800
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