1、第6章 TCP/IP網絡互聯,6. IP地址,在 TCP/IP 網絡中，每次通信需傳送源和目的網絡以及與每個終端用戶或主機相連網絡內的特定機器的地址，該地址稱之為 IP 地址。對于 IPv4，IP 地址為32位，分為兩部分：其中一部分用來識別網絡，另一部分用來識別該網絡中的特定機器或主機。組織可使用部分機器地址或主機地址位來識別某特定子網。 IP 地址由三部分構成：網絡號、子網號和主機號。,1. IP地址 主機與主機之間的通信必須有3個橋梁：IP地址、子網掩碼、IP路由器。 IP地址-授權機構對每臺計算機或路由器分配的號碼，由網絡號與主機號兩部分組成，網絡號用來標識一個邏輯網，主機號用來標識網

2、絡中的一臺主機。 IP地址結構：網絡號 +主機號 IP地址的組成：IP地址長為32個比特，4個字節，用x.x.x.x來表示，每個x為8位，x的值為0255。,IP地址的格式如圖所示。連接于多個網絡的機器在各個網絡上有不同的IP地址。 IP地址格式,IP Address Table,第A類地址格式允許最多有126個網絡，每個網絡可有1600多萬個主機； 第B類地址格式允許最多有16382個網絡，每個網絡可有65534個主機； 第C類地址格式允許最多有200多萬個網絡，每個網絡可有254個主機。 網絡號由網絡信息中心NIC（Network Information Center）分配，以避免沖突。

3、32位的網絡地址通常用帶點十進制標記法書寫。在這種格式下，每字節以十進制記錄，從0到255。例如，十六進制地址C0290614被記為0。最低的IP地址是，最高為55。,幾個特殊的IP地址,1）私有地址上面提到IP地址在全世界范圍內唯一，看到這句話你可能有這樣的疑問，像這樣的地址在許多地方都能看到，并不唯一，這是為何？Internet管理委員會規定如下地址段為私有地址，私有地址可以自己組網時用，但不能在Internet網上用，Internet網沒有這些地址的路由，有這些地址的計算機要上網必須轉換成為合法的IP地址，

4、也稱為公網地址，這就像有很多的世界公園，每個公園內都可命名相同的大街，如香榭麗舍大街，但對外我們只能看到公園的地址和真正的香榭麗舍大街。下面是A、B、C類網絡中的私有地址段。自己組網時就可以用這些地址了。555555,2）回送地址A類網絡地址127是一個保留地址，用于網絡軟件測試以及本地機進程間通信，叫做回送地址（loopbackaddress）。無論什么程序，一旦使用回送地址發送數據，協議軟件立即返回之，不進行任何網絡傳輸。含網絡號127的分組不能出現在任何網

5、絡上。【小技巧】Ping,如果反饋信息失敗,說明IP協議棧有錯,必須重新安裝TCP/IP協議。如果成功,ping本機IP地址,如果反饋信息失敗,說明你的網卡不能和IP協議棧進行通信。如果網卡沒接網線，用本機的一些服務如SqlServer、IIS等就可以用這個地址。,3）廣播地址TCP/IP規定，主機號全為“1”的網絡地址用于廣播之用，叫做廣播地址。所謂廣播，指同時向同一子網所有主機發送報文。4）網絡地址TCP/IP協議規定，各位全為“0”的網絡號被解釋成“本”網絡。由上可以看出：（1）含網絡號127的分組不能出現在任何網絡上；（2）主機和網關不能為該地址廣播

6、任何尋徑信息。由以上規定可以看出，主機號全“0”全“1”的地址在TCP/IP協議中有特殊含義，一般不能用作一臺主機的有效地址。3）廣播地址TCP/IP規定，主機號全為1的網絡地址用于廣播之用，叫做廣播地址。所謂廣播，指同時向同一子網所有主機發送報文。4）網絡地址TCP/IP協議規定，各位全為0的網絡號被解釋成本網絡。由上可以看出：（1）含網絡號127的分組不能出現在任何網絡上；（2）主機和網關不能為該地址廣播任何尋徑信息。由以上規定可以看出，主機號全0全1的地址在TCP/IP協議中有特殊含義，一般不能用作一臺主機的有效地址。,例如： 代表網絡號為20的一個A類網絡，也可稱之為是

7、一個A類網絡地址， 55代表網絡號為20的網絡中的所有主機，也可稱之為是一個A類廣播地址。 所有形如127.x.y.z的地址都保留作回路（loopback）測試。發 送到這個地址的分組不輸出到線路上，它們被內部處理并當作輸入 分組。這一特性也用來為網絡軟件查錯。 在每一類地址中還有一些內部保留的私有IP地址供用戶的內部 局域網使用。 如：10.x.y.z，172.16.y.z 172.31.y.z，192.168.y.z。用戶在其 內部局域網中使用這些地址不會與因特網發生沖突。,2.子網和掩碼,子網: 指一個組織中相連的網絡設備的邏輯分組。一般，子網可表示為某地理位置內

8、（某大樓或相同局域網中）的所有機器。網絡設計師將網絡劃分成一個個邏輯段（即子網），以便于更好地管理網絡，同時提高網絡性能，增強網絡安全性。另外，將一個組織內的網絡劃分成各個子網，只需要通過單個共享網絡地址，即可將這些子網連接到互聯網上，從而減緩了互聯網 IP 地址的耗盡問題。,掩碼 告訴設備，IP地址的那一部分是網絡地址，那一部分是主機地址。掩碼也是一個32比特的數據，分成4個8位組。 A、B、C類地址的標準掩碼分別為： ；；。 IP地址與掩碼地址相與，得到子網地址； IP地址與掩碼的反碼相與，得到主機地址。,每類地址都有缺省的

9、子網掩碼。,1）標準子網掩碼 A類網絡（1126）缺省子網掩碼：255000255000換算成二進制為11111111000000000000000000000000 可以清楚地看出前8位是網絡地址，后24位是主機地址，也就是說，如果用的是標準子網掩碼，看第一段地址即可看出是不是同一網絡的。如.1和，第一段為21屬于A類，如果用的是默認的子網掩碼，那這兩個地址就是一個網段的。 B類網絡（128191）缺省子網掩碼：25525500 C類網絡（192223）缺省子網掩碼：2552552550 B類、C類分析同上。,2）特殊的子網掩碼標準子網掩碼出現的都是2

10、55和0的組合，在實際的應用中還有下面的子網掩碼255128002551920025525519202552552400255255255248255255255252這些子網掩碼又是什么意思呢？這些子網掩碼的出現是為了把一個網絡劃分成多個網絡。,例如：19216801和1921680200如果是默認掩碼兩個地址就是一個網絡的，如果掩碼變為92這樣各地址就不屬于一個網絡了。 下面的子網劃分將作詳細介紹。: 11000000.10101000.00000000.0000000100: 11000000

11、.10101000.00000000.11001000: 11111111.11111111.11111111.00000000: 11000000.10101000.00000000.0000000100: 11000000.10101000.00000000.1100100092: 11111111.11111111.11111111.11000000,3.網絡地址,1) 為什么要計算網絡地址 就是讓網絡中的計算機能夠相互通訊。先看看最簡單的網絡，用網線（交叉線）直接將兩臺計算機連起來。下面是幾

12、種IP地址設置，看看在不同設置下網絡是通還是不通。(1）設置1號機的IP地址為子網掩碼為，2號機的IP地址為00子網掩碼為，這兩臺計算機就能正常通訊。(2）如果1號機地址不變，將2號機的IP地址改為00子網掩碼還是為，那這兩臺就無法通訊。(3）設置1號機的IP地址為子網掩碼為92，2號機的IP地址為00子網掩碼為92，注意和第1種情況的區別在于子網掩碼，1為

13、本例是92這兩臺計算機就能正常通訊。,第1種情況能通是因為這兩臺計算機處在同一網絡，所以能通，而2、3種情況下兩臺計算機處在不同的網絡，所以不通。這里先給個結論：用網線直接連接的計算機或是通過HUB或普通交換機間接的計算機之間要能夠相互通，計算機必須要在同一網絡，也就是說它們的網絡地址必須相同，而且主機地址必須不一樣。如果不在一個網絡就無法通。這就像我們上面舉的例子，同是北大街的住戶由于街道名稱都是北大街，且各自的門牌號不同，所以能夠相互找到對方。計算網絡地址就是判斷網絡中的計算機在不在同一網絡，在就能通，不在就不能通。

14、注意，這里說的在不在同一網絡指的是IP地址而不是物理連接。那么如何計算呢？,2)如何計算網絡地址要計算網絡地址，必須借助子網掩碼。計算過程是這樣的，將IP地址和子網掩碼都換算成二進制，然后進行與運算，結果就是網絡地址。與運算如下所示，上下對齊，1位1位的算，1與1=1，其余組合都為0。 與運算_,例如：計算IP地址為：0子網掩碼是的網絡地址步驟如下：(1）將IP地址和子網掩碼分別換算成二進制0換算成二進制為11001010011000111010000000110010255.2

15、55.255.0換算成二進制為11111111111111111111111100000000(2）將二者進行與運算 1100101001100011101000000011001011111111111111111111111100000000與運算 _11001010011000111010000000000000,(3)將運算結果換算成十進制，這就是網絡地址。11001010011000111010000000000000換算成十進制就是 4) 解答上面三種情況的通與不通的問題(1)從下面運算結果可以看出二臺計算機的網絡地址都為且IP地址不同

16、，所以可以通。: 11000000.10101000.00000000.00000001 11111111.11111111.11111111.00000000 與運算_ 11000000.10101000.00000000.00000000,00 11000000.10101000.00000000.11001000 11111111.11111111.11111111.00000000 與運算:_ 11000000.10101000.00000000.00000000,(2

17、)從下面運算結果可以看出1號機的網絡地址為，2號機的網絡地址為不在一個網絡，所以不通。 00 : 11000000.10101000.00000001.11001000 :11111111.11111111.11111111.00000000與運算_ : 11000000.10101000.00000001.00000000,(3)從下面運算結果可以看出1號機的網絡地址為，2號機的網絡地址為92不在一個網絡，所以不通 192.168.0.

18、1: 11000000.10101000.00000000.00000001 92:11111111.11111111.11111111.11000000 與運算_11000000.10101000.00000000.00000000 00:11000000.10101000.00000000.11001000 9211111111.11111111.11111111.00000000 與運算_192.168.010101000.00000000.11000000,4.計算

19、相關地址通過IP地址和子網掩碼與運算計算相關地址,知道IP地址和子網掩碼后可以算出：網絡地址廣播地址地址范圍本網有幾臺主機,【例】下面例子IP地址為1921681005子網掩碼是2552552550。算出網絡地址、廣播地址、地址范圍、主機數。,1、分步驟計算1）將IP地址和子網掩碼換算為二進制，子網掩碼連續全1的是網絡地址，后面的是主機地址。虛線前為網絡地址，虛線后為主機地址11000000.10101000.01100100.0000010111111111.11111111.11111111.00000000,2）IP地址和子網掩碼進行與

20、運算，結果是網絡地址 :11000000.10101000.01100100.00000101 :11111111.11111111.11111111.00000000與運算 _ :11000000.10101000.01100100.00000000,3）將上面的網絡地址中的網絡地址部分不變，主機地址變為全1，結果就是廣播地址。 網絡地址為：11000000.10101000.01100100.00000000_將主機地址變為全1 廣播地址為：55 1100000

21、0.10101000.01100100.11111111,4）地址范圍就是含在本網段內的所有主機網絡地址+1即為第一個主機地址，廣播地址-1即為最后一個主機地址，由此可以看出地址范圍是：網絡地址+1至廣播地址-1本例的網絡范圍是：1921681001至192168100254也就是說下面的地址都是一個網段的。1921681001、1921681002.19216810020. 192168100111.192168100254 5）主機的數量主機的數量=2二進制的主機位數-2減2是因為主機不包括網絡地址和廣播地址。本例二進制的主機位數是8位。主機的數量=256-2=254,例如： 如果我們原來

22、用的是B類地址，當第二個局域網加入時，可將16位的主 機號分成一個6位的子網號和一個10位的主機號，如下圖所示。這種分解 法可以使用62個局域網，每個局域網最多有1022個主機。 將B類網分成若干子網的一種方法,子網尋址 對于一個很大的網絡來說，廣播信息消耗了網絡的可用帶寬。需要將一個網絡劃分成幾個較小的網絡，這樣可以控制廣播域 。分割成的較小部分叫子網。子網地址是由本網絡段內的網絡管理員來分配。子網地址是A類、B類或C類網絡段一部分。,子網的劃分,借用8位主機地址時子網地址的計算,例：有個B類網，分別借用8位主機地址和3位主機地址作為子網地址來劃分子網。,借用3位主機地址時子網地址的計算,借

23、用3位主機地址時子網的劃分,6.2 IP數據報,1 IP數據報,一個IP數據報由一個頭部和一個正文部分構成。頭部有一個20字 節的固定長度部分和一個可選任意長度部分。頭部格式如圖所示。 IP頭部的組成,版本字段記錄了數據報屬于哪個版本的協議。 IHL字段是IP分組頭部長度字段。 服務類型字段使主機可以告訴子網它想要什么樣的服務。 總長包括數據報中的所有信息（頭部和數據）的長度。 標識字段用來讓目的主機判斷新來的分段屬于哪個分組，所有屬于同一分組的字段包含有同樣的標識值。 緊跟著的是2個未用的位，然后是2個1位字段。DF代表不要分段。 MF代表還有進一步的分段。除了最后一個分段外，所有的分段都設

24、置了這一位。它是用來標志是否所有分組都已到達。,分段偏移說明分段在當前數據報的什么位置。 生命期字段是同一個用來限制分組生命周期的計數器。推薦以秒來 計數，最長生命周期是255秒。 協議字段便是說明將它送給哪個傳輸進程的。協議的編號在整個因 特網上是全球通用的。 頭部校驗和僅用來校驗頭部。 源地址和目標地址指明了網絡號和主機號。 可選項是用來提供一個余地，以允許后續版本的協議中引入最初版 本中沒有的信息，以及避免為很少使用的信息分配頭部位。,2 IP封裝、分片與重組,數據封裝 一臺計算機要發送數據到另一臺計算機，數據首先必須打包，打包的過程稱為封裝。而相對應，當目的主機收到信息后，必須將包打開

25、，得到所需信息，這個過程叫拆封。 封裝就是在數據前面加上特定的協議頭部。,發送郵件的例子：信裝入寫有源地址和目的地址的信封中發送，還要寫明用航空或掛號。,數 據,網絡體系結構中每一層都要依靠下一層提供的服務。 為了提供服務，下層把上層的PDU作為本層的數據封裝，然后加入本層的頭部（和尾部）。頭部中含有完成數據傳輸所需的控制信息。 這樣，數據自上而下遞交的過程實際上就是不斷封裝的過程。到達目的地后自下而上遞交的過程就是不斷拆封的過程。由此可知，在物理線路上傳輸的數據，其外面實際上被包封了多層“信封”。 但是，某一層只能識別由對等層封裝的“信封”，而對于被封裝在“信封”內部的數據僅僅是拆封后將其提

26、交給上層，本層不作任何處理。,數據,數據 段 數據包 幀 比特 電脈沖,011101000011000010100101111010110,數據多層封裝,TCP頭,應用層數據,應用層數據,TCP頭,應用層數據,IP頭,幀頭,TCP頭,應用層數據,IP頭,幀尾,實際例子：TCP/IP協議的封裝,應用層,傳輸層,網際層,數鏈層,例如：一個IP數據報的報頭長20個字節，數據部分長度為800個字節，現經過4個網絡發往目的主機，這4個網絡允許的IP數據報最大長度分別是820個字節、520個字節、320個字節和620個字節。請問：該數據報發往目的主機時分成了幾個數據報？各包含多少字節的數據？,答： 第1個

27、網絡：1個數據包，大小：800個字節 第2個網絡：2個數據包，大小：500個字節、300個字節 第3個網絡：3個數據包，大小：300個字節、200個字節、300個字節 第4個網絡：3個數據包，大小：300個字節、200個字節、300個字節,6.3 因特網傳輸協議,在了解TCP和UDP之前，先了解倆個概念：面向連接的服務和無連接的服務。 應用面向連接的服務時，客戶和服務器在進行數據發送前，彼此向對方發送控制分組，這就是所謂的握手過程，使得客戶和服務器都做好分組交換準備。這個準備是很松散的，面向連接服務與很多其他的服務捆綁在一起，包括可靠的數據傳輸，流量控制和擁塞控制等，依賴連接以正確的順序無錯地

28、傳遞所有數據。還要使用確認和重傳機制實現來可靠性。 無連接服務側是沒有握手過程的，當一方想發送數據時就直接了當地發送，因為沒有握手過程也就沒有什么流量控制和擁塞控制，這樣數據可能傳輸得更快，但是，由于也沒有確認過程，源端就不知道那些分組到達了目的端。因此可能在傳輸過程中丟失數據，不適合用在一些文件的傳輸，可以用在因特網電話，視頻會議什么的。,因特網在傳輸層有兩種主要的協議：一種是面向連接的 協議TCP，另一種是無連接的協議UDP。 傳輸控制協議TCP（Transmission Control Protocol）是 專門設計用于在不可靠的因特網上提供可靠的、端到端的字節 流通信的協議。 IP層并

29、不能保證將數據報正確地傳送到目的端，因此TCP 實體需要判定是否超時并且根據需要重發數據報。到達的數據 報也可能是按錯誤的順序傳到的，這也需要由TCP實體按正確 的順序重新將這些數據報組裝為報文。TCP協議提供了用戶所 要的可靠性，而這是IP層所未提供的。,1TCP服務模型 通過在發送方和接收方分別創建一個稱為套接字（socket）的通信端點，可以獲得TCP服務。每個套接字有一個套接字序號（地址），它包含主機的IP地址以及一個主機本地的16位號碼，稱為端口（port）。總共可有65536（216）個端口號。 應用程序間的通信具體由多個進程實現，在多用戶多任務的網絡中要求一臺主機能并發處理多個進

30、程。TCP/IP協議在傳輸層頂端提供了多個端口的服務，一個端口對應一個進程，從而使一臺主機能同時并發處理多個進程。TCP/IP端口的概念在通常網絡中稱為服務訪問點，亦即本層與上層的層間接口。在TCP/IP中，網絡層（IP層）不設多個服務訪問點（多端口），傳輸層（TCP層或UDP層）上設立多端口是對IP層的功能的一種補充和加強。 在TCP/IP中進程采用“客戶服務器”模式，這是一種不對等的主客模式。在該模式中進程總是由客戶機（即客戶程序）發起，而服務器（服務程序）總是隨時等待客戶機進程要求，并予以響應提供相應進程服務。,TCP/IP為服務器規定了一組標準的端口號，把該組端口的每個端口分給一個固定

31、的標準服務進程。例如，對應TCP協議上Telnet（遠程登錄）規定使用端口號23，FTP（文件傳輸）規定使用端口號21，SMTP（簡單電子郵件傳輸）規定使用端口號25等等。在傳輸層的UDP協議上也規定了一組固定的端口號，如TFTP（簡單文件傳輸）規定使用端口號69等。 TCP和UDP是傳輸層兩個平等的協議，它們固定的標準端口號是各自獨立編號的，互不相干。在TCP和UDP中這兩組固定的標準端口號被保留作為標準服務進程專用并公布于眾。規定凡是采用TCP/IP通信的標準服務器必須遵循這種端口分配標準。這就使得這類端口成為全局性的公認端口，也稱“保留端口”，保留端口的值小于256。 除“保留端口”外，

32、應用程序還需使用到的其他大量端口稱為“自由端口”。保留端口是固定的全局性的，而自由端口則是本地機隨機動態分配的。 所有的TCP連接均是全雙工的和點到點的。點到點的意思是每個連接只有兩個端點。TCP不支持多點播送和廣播。,2TCP協議格式 TCP連接上的每個字節均有它自己的32位順序號。 發送和接收方TCP實體以數據段的形式交換數據。 TCP軟件決定數據段的大小。每個網絡都存在最大傳送單位MTU（Maximun Transfer Unit），要求每個數據段必須適合MTU。實踐中，MTU一般為幾千字節，由此便決定了數據段大小的上界。 TCP實體所用的基本協議是滑動窗口協議。當發送方傳送一個數據段時

33、，它還要啟動計時器。,3.TCP數據段頭 下圖表示了TCP頭數據段的布局格式。不帶任何數據的數據段也是合法的，一般用于確認報文和控制報文。,TCP頭數據段布局格式,下面介紹TCP頭中每個字段的意義。 源端口和目的端口字段標識出本地和遠端的連接點。 順序號和確認號字段執行它的通常功能。注意，后者指希望接收的下一個字節，而不是前面已正確收到的字節。 TCP頭長表明在TCP頭中包含多少個32位字。 接下來的6位未用。 6個1位的標志。 如果用到了應急指針，那么URG位置1。 應急指針指從當前順序號到緊急數據位置的偏移量。,ACK位置1表明確認號是合法的。 PSH位表示是帶有PUSH標志的數據。 RS

34、T位用于復位。 SYN位用于建立連接。 FIN位用于釋放連接。 TCP中的流量控制是通過使用可變大小的滑動窗口來處理的。窗口大小字段表示在確認了字節之后還可以發送多個字節。,校驗和也是為了確保高可靠性而設置的。它校驗頭部、數據和下圖3所示的概念上的偽TCP頭（Pseudoheader）之和。,包括在TCP校驗和中的偽頭 在校驗和計算中包括了偽TCP頭，有助于檢驗傳輸的分組是否正確，但這樣做卻違反了協議的分層規則，因為其中的IP地址是屬于IP層而非TCP層。 選項字段用于提供一種增加額外設置的方法，而這種設置在常規的TCP頭中并不包括。,4TCP協議功能,可靠的面向連接服務首先是要在信源機與信宿

35、機之間 建立一條連接，然后才能進行實際數據傳輸，并以“確認 和超時重傳”機制保證其可靠性。,（1）確認和超時重傳機制 確認和超時重傳機制的基本思想是：信源機在收到每一正確分組時向信宿機回送一個確認，信源機在某個時間片內沒收到確認時，則重傳該分組。 隨之產生的問題是重傳，即可能導致某個報文重復出現。IP數據報在網上都有一個生命期TTL，當TTL減為0時該IP數據報被拋棄。但當IP數據報被存儲在某網關而未到生命期時，而信源機的時間片已到，則也對其認為超時而重傳，導致有兩個相同的報文在網上重傳，致使信宿機難以判斷和處理重復的報文。信源機重傳機構中的時間片大小是很難確定的。 由于重傳機制的重復報文存在

36、，TCP中的確認機制不是針對段而是采用以字節為單位的“累計確認”方法，在n字節累計確認后，前面字節的確認丟失就不需再重傳。 另外，在最初端到端間建立連接時采用“三次握手”方法，以識別重復的報文。,（2）TCP連接的建立與拆除 TCP連接的建立 TCP采用“三次握手”建立連接的基本思想是：信源機發一個帶本次連接序號的請求（第一次握手）；信宿機收到請求后如同意連接則發回一個帶本次連接序號的確認應答，應答還包含信源機連接序號（第二次握手）；信源機收到應答（含兩個初始序號）后再向信宿機發一個含兩個序號的確認（第三次握手），信宿機收到后確認，則雙方連接建立。由于連接雙方都以序號確認本次連接，使過時的（以前序號的）報文不會重復建立連接，只有在TCP建立端到端連接后，才能進入數據真正傳輸階段。,連接的拆除 由于TCP連接是一個全雙工的數據通道，在一方發起拆除連接后，連接依然存在，所以，TCP采用三次握手方法拆除兩個“半連接”。 （3）TCP的滑動窗口機制 TCP滑動窗口用于控制流量 TCP滑動窗口用于控制擁塞,5UDP協議功能,UDP是在傳輸層上與TCP并行的