计算机网络通信协议.ppt

计算机网算机网络通信通信协议教师：谢先忠计算机网算机网络通信通信协议关于通信关于通信协议通信协议就是通信标准，它能实现不同结构的设备之间的通信。有了通信协议，就可以在同一网络中使用各种硬件和不同的应用程序，也可以在运行不同操作系统的计算机之间进行通信。TCP/IP是发展至今最成功的通信协议。刚开始时TCP/IP是美国国防部高等研究计划局开发研究计划的一部分，其原始目的是为DARPA提供通信，现在它已被广泛应用于全球最大的开放式网络系统internet之上，使全球计算机得以互通联系。TCP/IP的应用层协议介绍的应用层协议介绍 TCP/IP应用用层对应了了OSI参考模型的上三参考模型的上三层，它包括了一，它包括了一些服些服务。这些服些服务是与是与终端用端用户相关的相关的认证、数据、数据处理及理及压缩，应用用层还要告要告诉传输层哪个数据流是由哪个哪个数据流是由哪个应用程用程序序发出的。出的。应用用层主要包括以下主要包括以下协议：文件传输类：HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、TFTP（简单文件传输协议）远程登录类：Telnet电子邮件类：SMTP域名解析类：DNS下面将对以上协议进行详细介绍。HTTPHTTP是一个应用层的、面向对象的协议，它适用于分布式超媒体信息系统。WWW服务器使用的主要协议就是HTTPWEB服务器WEB服务器FTP服务器WEB客户机TCP端口80TCP端口23TCP端口80超文本链接超文本链接FTPFTP是一个用于简化IP网络上系统之间文件传送的协议。采用FTP协议，用户可以高效地从Internet上的FTP服务器下载大量的数据文件，以达到资源共享和传递信息的目的。一个FTP站点可以是公用的、私有的、或者两者兼有之，用户可以为FTP账号定义权限，让它们可以访问整个FTP服务的目录结构，或者只是特定的区域。FTP服务的主动模式和被动模式服务的主动模式和被动模式FTP包含两种连接模式：控制连接和数据连接控制连接 用于传递客户端的命令和服务器端对命令的响应，它使用服务器的21端口数据连接 数据连接用于传输文件和其他数据，如目录列表等。这种连接在需要数据传输时建立，而一旦数据传输完毕就关闭，每次使用的端口也不一定相同。而且，数据连接既可能是客户端发起的，也可以是服务器端发起的。FTP数据连接主动模式和被动模式数据连接主动模式和被动模式主动模式是从服务器端向客户端发起连接客户端FTP服务器请求建立控制连接Port:21接受请求我打开了9999端口，你来连接我好的，建立连接Port:20控制连接数据连接FTP的主动模式FTP数据连接主动模式和被动模式数据连接主动模式和被动模式被动模式是客户端向服务器发起连接客户端FTP服务器请求建立控制连接Port:21接受请求我打开了9999端口，你来连接我好的，建立连接Port:9999控制连接数据连接FTP的被动模式FTP数据连接主动模式和被动模式数据连接主动模式和被动模式当进行FTP连接时，IE通常被设置为被动模式，而FTP客户端软件（如：FlashFXP、cutFTP等）一般为主动模式。如果服务器和客户端之间存在防火墙，主动模式经常会引起一些麻烦。如：客户端位于防火墙之后，通常防火墙允许所有内部向外部连接通过，但是对于外部访问内部发起的连接却有很多限制。在这种情况下，客户端可以正常地和服务器建立控制连接，而如果使用主动模式的数据连接，一些数据传输命令就很难成功运行，因为防火墙会阻塞从服务器向客户发起的数据传输连接。因此在使用主动模式的FTP数据连接时，防火墙上的配置会比较麻烦。TFTPTFTP是基于UDP的应用特点：用于小文件传输对内存和处理器要求很低，速度快不具备FTP的许多功能，它只能从文件服务器上获得或写入文件，不能列出目录，也不能进行认证。应用实例：使用TFTP服务器来备份或恢复Cisco路由器、Catalyst交换机的IOS镜像和配置文件 DNS域名管理系统DNS是一台域名解析服务器在互联网中通常用域名来代替难记的IP地址以定位计算机和服务。DNS服务器中包含了域名和相应的IP地址映射。DNS作用是把域名转换成网络可以识别的IP地址。在windows中可以使用nslookup命令查询对应某个域名的IP地址。TCP/IP的传输层协议的传输层协议问题：当在windows xp中同时运行多个网络应用程序时，每个程序都会产生自己的数据流，传输层用什么方法区分不同应用程序的数据流呢？在数据流被分段以后，传输层依靠什么来重新组装这些数据段呢？如果某个数据段在传输过程中丢失了或重复了，可靠的传输协议依据什么去要求重传这些数据或丢弃多余的数据呢？TCP/IP的传输层协议的传输层协议传输层的主要功能：分割并重新组装上层提供的数据流为数据流提供端到端的传输服务在TCP/IP协议中，有两个传输层协议：传输控制协议TCPTCP是一个可靠的面向连接的协议（如：打电话的双方在正式通话之前都会说“喂”，确定对方在线以后才开始通话。会话结束时都要说“再见”，然后才挂电话。）用户数据报协议UDPUDP是不可靠的或非连接的协议（如：寄明信片，寄出去了，但不管对方是否收到。）TCP/IP的传输层协议的传输层协议端口号：每个应用程序都会产生自己的数据流，这些数据流可以把目标主机上相应的服务程序看作自己的目的地。对于传输层来说，它只需要知道目标主要上的哪个服务程序来响应这个应用程序，而不需要知道这个服务程序具体是干什么的。因此，传输层使用一个抽象的端口标识这些应用程序和服务程序。TCP/IP的传输层协议的传输层协议端口号的功能及应用特点：端口号用来跟踪网络间同时发生的不同会话。TCP和UDP可以同时接收多个应用程序送来的数据流，用端口号来标识它们，然后把它们送给网际层处理：同时TCP和UDP接受来自网际层送来的数据包，用端口号来区分它们，然后送给适当的应用程序处理。这是多路分解技术的体现，它可以确保正确的用户程序收到正确的数据。因此，每个应用程序在发送数据前都会与操作系统进行协商，获得相应的源端口号和目标端口号。多路分解多路分解多路分解进程1进程2进程3基于端口分解IP数据报应用层传输层网际层TCP/IP的传输层协议的传输层协议在主机发送应用程序的数据之前，都必须确认端口号，如何分配这些端口号呢？使用中央管理机构统一分配的端口号应用程序开发者都默认在RFC1700中定义的特殊端口号，在进行软件设计时，都要遵从RFC1700中定义的规则，不能随便使用已定义的端口号。如：任何telnet应用中的会话都要用标准端口号23。使用动态绑定如果一个应用程序的会话没有涉及到特殊端口号，那么系统将在一个特定的取值范围内随机为应用程序分配一个端口号。在应用程序进行通信之前，如果不知道对方的端口号，就必须发送请求以获得对方的端口号。TCP/IP的传输层协议的传输层协议常有端口号介绍：小于255的端口号用于公共应用2551023是特定供应商应用程序的注册端口号高于1023的端口号未作规定常用端口号常用端口号的使用情况常用的应用程序协议或应用程序端口号UDPTCPFTP-21Telnet-23SMTP-25DNS53-TFTP69-SNMP161-HTTP-80DHCP-67RPC(远程过程调用)-135端口号的使用过程主机A要Telnet到主要B。主机A首先向TCP请求一个可用端口，TCP分配一个为1088的端口号给它，主机A将目标端口号置为23。A和B通信后，B看到A过来的端口号为23，就知道这是一个Telnet应用，它会为它创建一个Telnet会话。108823.AB我要Telnet B，请给我一个源端口号目标端口为23，它发给我的是Telnet应用TCP给你1088端口创建telnet会话本地端口:23远程端口:1088SportDport端口号的使用过程假如同一系统中有多个Telnet用户,会发生什么情况呢?当主机A上第二个用户要Telnet到主机B时(其实是在主机A与主机B之间建立第二个Telnet进程),主机A的第二个用户向TCP发出请求时,TCP会选出另一个可使用的端口号,如1099给第二个Telnet用户。主机B上便会创建第二个Telnet会话BTCP用户1的会话：本地端口：23 远程端口：1088用户1的会话：本地端口：23 远程端口：1099创建新的Telnet会话所以在同一IP地址上具有不同端口号的两个连接是不同的。IP地址和端口号被用来惟一地确定数据连接的途径。UDPUDP提供主机之间的不可靠数据传输，它的特点如下：无连接不可靠传输报文，即用户数据报不为报文发送提供软件级的检查，即不可靠对接收到的报文不进行重组不使用确认技术不提供流量控制技术使用UDP的协议有：TFTP（简洁文件传输协议）SNMP（简单网络管理协议）DHCP（动态主机控制协议）DNS（域名系统）BOOTPUDP头格式UDP数据域的头格式源端口目标端口报文长度校验和数据UDP数据域的头格式描述名称描述源端口（Source Port）调用的端口号目的端口(Desination Port)被调用的端口号报文长度(HLEN)记录UDP数据包中的八位组数目，它包括UDP头及UDP数据的长度。最小值为8（UDP数据部分长度为0时）校验和(Checksum)头标和数据域计算的校验和，这一项是可选的，为的是在高可靠性的网络上尽量减少开销数据(Data)上层协议的数据TCP传输控制协议在终端用户的应用程序之间提供一个虚电路，它有如下特点：面向连接的是可靠的可将发出的报文分成段在目的节点把进入的段重组为报文对任何没有收到的信息进行重传TCP头格式源端口（16）目标端口（16）序号（32）应答号（32）头长度（4）保留（6）编码位（6）窗口（16）校验和（16）紧急（16）可选项（如果有，0或32）数据（可变）名称名称描述描述源端口调用的端口号目的端口被调用的端口号序号确保数据到达序列正确的编号应答号期望的下一个TCP数据段头长度以32位字为单位的报头长度保留置为0编码位开始、终止会话之类的控制功能窗口用来控制流量校验和头标和数据域计算的校验和紧急指示紧急据的末端可选项当前定义项：TCP段的最大值数据上层协议的数据TCP数据域的头格式描述建立TCP连接：三次握手AB发送SYN（seq=X）主机A发送SYN给主机B：我的序号seq是X主机B发送SYN、ACK给主机A：我的序列号seq是Y，应答号ack是X+1主机A发送SYN、AC给主机：我的序列号seq是+1，应答号ack是Y+1接收SYN（seq=X）发送SYN（seq=Y ACK=x+1）N（seq=Y ACK=x+1）发送确认（ack=x+1）接收确认（ACK=x+1）关闭TCP连接：改进的三次握手对于一个已经建立的连接，TCP使用改进的三次握手来结束通话（使用一个带有FIN（finish）附加标记的报文段。）当主机A的应用程序通知TCP数据已经发送完毕时，TCP向主机B发送一个带有FIN附加标记的报文段主机B收到这个FIN报文段之后，并不立即用FIN报文段回复主机A，而是先向主机A发送一个确认ACK，同时通知自己相应的应用程序：对方要求关闭连接（先发送ACK为了防止在这段时间内，对方重传FIN报文段）主机B的应用程序告诉TCP：我要彻底的关闭连接，TCP向主机A发送第二个FIN报文段主机A收到第二个FIN报文段后，向主机B发送一个ACK表示连接彻底关闭AB发送FIN（seq=X）发送ACK（ACK=x+1）发送确认（ack=x+1）接收确认（ACK=x+1）发送FIN（seq=Y），ACK（ACK=x+1）应用程序关闭连接通知自己的应用程序：对方要求关闭连接应用程序关闭连接TCP的可靠性发送方等待每个数据段的确认信息ABSeq=10 ack=1Seq=1 ack=11Seq=11 ack=2Seq=2 ack=12我发送了10#数据段期望收到你的1#我收到了10#数据段期望收到你的11#超时与重传AB发送seq=X,ack=Y数据段丢失数据段没有到达ACK不会被发送正常情况下ACK应该到达发送seq=X,ack=Y定时器超时重发接收到数据段发送ACK发送seq=Y,ack=X+1接受到ACK继续发送下一段Seq序列号的作用重组数据段在一个高速链路和低速链路并存的网络上，可能会出现高速链路上的数据段比低速链路提前到达的情况，此时就必须依靠序列号来重组数据段。消除网络中的重复包在网络拥塞时，发送端迟迟没有收到接收端发来的某个数据段的ACK包，它可能会认为这个序列号的数据丢失了，于是它会重新发送，这种情况可能导致接收端在网络恢复正常后收到两个同样序列号的数据段，此时接收端会自动丢弃第二个一样的数据段。序列号和应答号为TCP提供了一种纠错机制，提高了TCP的可靠性窗口技术前面介绍了可靠性的实现方法是：发送方发出一个数据段之后要等待接收方相应的确认信息，而不是直接发送下一个分组，那么吞吐量就会变低。TCP使用窗口技术来改善流量控制，以便通信双方能够充分利用带宽。窗口大小决定了在收到接收方确认之前，一次可以传送的数据段的最大数目。窗口超大，主机一次可以传输的数据段就越多。AB89101112138910111213窗口窗口.ACK=11Windows=3流量控制窗口的大小在通信双方连接期间是可变的，通信双方可以通过协商动态地修改窗口大小。在TCP的每个确认中，除了指出希望收到的下一个数据段的序列号之外，还包括一个窗口通告，通告中指出了接收方还能再接收多少数据段（可以把通告看成接收缓冲区大小）。如果通告值增大，窗口大小也相应增大。这种机制也可以防止网络拥塞。如：当网络拥塞导致数据包丢失时，窗口大小自动减小一半，以保证数据传输。AB89101112138910111213窗口窗口.ACK=10Windows=2Windows=2ACK=128910111213窗口TCP的应用特点TCP的连接分为3个阶段：三次握手、数据传输、结束通话。其中“三次握手”和“结束通话”过程就需要交换不少数据，如果中间的“数据传输”只传输几个字节的信息，这种开销将显得十分昂贵。如：在进行DNS域名查询时，中间只要传输几个字节的消息，些时“三次握手”和“结束通话”的开销就显得非常大了，因此DNS使用UDP作为其传输层协议，而不是TCP像DNS这种需要传输很少字节的通信被称为轻权通信，轻权通信一般交由UDP来完成。TCP/IP的网际层协议TCP/IP协议栈的网际层提供寻址和路由选择协议，路由器协议栈的网际层提供寻址和路由选择协议，路由器主要工作在该层。主要工作在该层。TCP/IP协议栈的网际层对应协议栈的网际层对应OSI参考模型参考模型的网络层，该层主要运行以下几个协议：的网络层，该层主要运行以下几个协议：网际协议（IP）：对数据包进行非连接的最佳路由选择，它不关心数据包的内容，只选择一个路径将数据包送到目的地。网际报文控制协议（ICMP）：提供控制和传递消息的功能。地址解析协议（ARP）：由已知的IP地址确定数据链路层的MAC地址。反向地址解析协议（RARP）：由已知的数据链路层和MAC地址确定IP地址。动态主机配置协议（DHCP）：将IP地址和一些TCP/IP配置分配给网络中的计算机的一项服务和协议。IP在TCP/IP协议栈中，IP主要负责逻辑寻址。通过相应管理机制，可以使不同的设备之间利用IP地址进行通信。IP数据包由IP头和数据组成。版本（4）头长度（4）服务类型（8）总长度（16）标识（16）标志（3）段位移（13）生存期（8）协议（8）头校验和（16）源IP地址（32）目标IP地址（32）IP选项（如果有，0或32）数据IP头格式什么是最大传输单元（MTU）？TCP/IP怎样选择数据包的MTU？数据包的分片数据包是被封装在物理帧中传输的，对于网络硬件来说，它们对一个物理帧的可传输数据量都规定了一下上限值，这个上限值就是最大传输单元（MTU）例如，源于令牌环网的数据包最大传输单元为4500字节，而以太网的数据包最大传输单元为1500字节，FDDI的数据包最大传输单元为4770字节。如果数据包的大小比互联网的最大网络的MTU要大，它是无法被封装到帧中去的；相反如果数据包的大小被限制为互联网中最小网的的MTU，这种做法也不是很经济的（因为在大的MTU的网络上，会造成带宽浪费）。TCP/IP怎样选择数据包的MTUTCP/IP怎样选择数据的MTUTCP/IP选择接近相连网络的MTU值为初始数据包大小，如：某台主机连接在以太网上，那么TCP/IP会选择某个接近1500字节的值为初始值（如1400 1440 1480等）。TCP/IP同时也提供一种机制：在MTU较小的网络上，可以把大数据包划分成更小的数据包片（分片），即如果TCP选择初始数据包大小为1500字节，在中途有个MTU为620的网络，处于两种网络分界处的路由器会对数据包进行分片操作如图ABMTU=1500IP报头数据1480ByteIP报头数据600ByteIP报头数据600ByteIP报头数据280Byte原始数据包：分片以后的数据包：段位移0段位移600段位移1200数据包分片数据包需要分片MTU=620数据包分片后的重组数据包分片以后的重组是发生在分片到达目标主机之后，而不是在通过MTU较小的网络之后的路由器上。一但数据包分片之后，每个数据包片将被作为独立的数据包传输，即使遇到具有大MTU的网络，重组依然发生在分片到达目标主机之后。如果在传输过程中某个分片丢失了，目标主机将会丢弃整个数据包，所以分片增加了数据包的丢失概率，应尽量避免数据包分片。虽然在目标主机上重组数据包存在缺点，但是每个数据包片可以像数据包一样选择路由可以在多路环境下实现负载平衡。ICMP 设计ICMP协议的目的 ICMP的特点：qICMP本身是网络层的一个协议；但报文 不是直接传给链路层，而是要封装成IP 数据报，然后再传给数据链路层。q从协议体系上看，ICMP的差错和控制信息 传输只是要解决IP协议可能出现的不可靠 问题，它不能独立于IP协议而单独存在，因此我们把它看作是IP协议的一个部分归于IP协议的体系。qICMP差错报告采用路由器 -源主机的模式，路由器在 发现数据报传输出现错误时 只向源主机报告差错原因；qICMP不能纠正差错，它只是 报告差错。差错处理需要由 高层协议去完成。ICMP不可到达的原因及分析AB192.168.1.0/24网络不可到达192.168.1.2RtA.1.1192.168.2.0/24.2.1192.168.3.0/24192.168.3.2/24RtBE0E1192.168.1.0E0192.168.2.0E1192.168.3.0E1AB192.168.1.0/24192.168.1.2RtA.1.1192.168.2.0/24.2.1192.168.3.0/24192.168.3.2/24RtBE0E1主机不可到达ICMP不可到达的原因及分析禁止分割在前面介绍IP层的数据包大小时，曾提到在MTU较小的网络上，需要把大数据包划分成更小的数据包（分片），以保证数据包正常通过网络。假如路由器A在将客户机的数据发往服务器时，需要分割客户机的数据包，但是数据包的IP头中却设置了拒绝分片位，哪么路由器会向客户机返回一个代码为4的“禁止分割”的ICMP消息。协议不可到达如果数据包成功到达了WEB服务器，但是服务器上没有运行TCP或者UDP协议，哪么WEB服务器将返回一个代码为2的“协议不可到达”的ICMP消息端口不可到达如果数据包成功到达了WEB服务器，服务器上也运行有TCP协议，但是服务器上的相关软件没有运行，无法处理客户机连接，于是服务器上的TCP/IP将返回一个代码为3的“端口不可到达”的ICMP消息ICMP不可到达消息总结代码描述代码描述场场 合合发送方发送方目标网络不可到达路由表中无目标网络路由器目标主机不可到达主机无响应路由器禁止分割需要进行分割但设置不了分割比特位路由器协议不可到达主要上无相关的传输层协议（TCP、UDP）主机端口不可到达目标端口没有被应用程序打开主机ICMP超时的原因分析超时ICMP报文与IP报头中的TTL字段一起使用。当数据包到达路由器时，路由器都需要把数据包IP头中的TTL值减1。当TTL值被减到0时，数据包就会被丢弃。TTL值可以防止数据包在网络上被循环反复地传输。Windows操作系统中的tracert（traceroute）命令可以让用户看到IP数据包从一台主机传输到另一台主机的过程中所经过的路由。Traceroute命令利用了“TTL超时”的报文。当使用Traceroute命令时，发送方使用UDP故意发送一份TTL为1的IP数据包给目标主机，处理这份数据包的第一个路由器将TTL值减1，然后丢弃数据包，并向发送方返回一份超时ICMP报文。这样trace命令就得到了该路径中的第一个路由器地址。然后Traceroute命令发送一份TTL值为2的数据包，第一个路由器将数据包转发给第二个路由器。而在第二个路由器上，数据包的TTL值会被减为0，因此这个路由器将丢弃这个数据包并向发送方返回ICMP超时消息，这样就可以得到第二个路由器地址。ICMP超时消息的应用AB10.21.3.90/1610.21.0.1/16192.168.12.1/24192.168.12.2/24192.168.11.2/24192.168.11.1/24202.119.230.10ICMP重定向功能及应用当主机向非本地子网当主机向非本地子网发送数据包送数据包时，TCP/IP会会自自动将数据包将数据包发送送给它的默它的默认网关。但是如果网关。但是如果网网络中中还存在一个相存在一个相对来来说更好的本地路由器更好的本地路由器时，ICMP重定向功能会通知主机以后将重定向功能会通知主机以后将这些数些数据包据包发送送给那个更好的路由器。那个更好的路由器。主机使用路由器B作为默认网头，但是对于到某个子网的路由器（如：192.168.3.0/24），路由器A才是最好的选择。默认情况下，主机还是会将数据包转发给路由器B。路由器B从E0口收到主机发来的数据包并且检查自已的路由表，它发现路由器A是去往目标地址的下一跳，于是路由器B又从E0口把数据包转发给路由器A。此时路由器B会检测到它正在发送数据的接口和此数据包到达的接口是同一个接口路由器B发送一份ICMP重定向报文给主机，告诉它以后把这类数据包发送给路由器A而不是它自已。RtARtCRtB192.168.3.0/24192.168.1.253/24192.168.1.254/24 E0ARP介质访问控制层地址对于每一台设备是全球唯一的，该地址被烧录在网卡的硬件电路上。MAC地址由12位十六进制数表示，其中前6位标识网卡的制造商，后6位是网卡的序列号。在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须知道目标主机的MAC地址。什么是ARPARP用来将IP地址映射到MAC地址，以便设备能在多路访问介质上通信。ARP工作原理举例说明：老师要将一封信交线路教室里的某个学生，但是老师并不认识这个学生，他只知道这个学生的姓名（IP地址），于是她对教室里所有的人说：“谁是张XX，有你的信！”（ARP请求），当张XX听到这个消息时（地址匹配），他站起来回答，然后老师就知道了他坐在几排几座（MAC地址），最后把信送到他座位上。ARP协议注意事项每台计算机上都有一个ARP缓冲，它保存了一定数量的从IP地址到MAC地址的映射，同时当一个ARP广播到来时，虽然这个ARP广播可能与它无关，但ARP协议软件也会把其中的物理地址与IP地址的映射记录下来，这样做的好处是能够减少ARP报文在局域网上发送的次数。ARP高速缓存中的项目是动态的，ARP缓冲中IP地址与物理地址之间的映射并不是一旦生成就永久生效，每一个ARP映射表项都有自己的寿命，如果在一段时间内没有使用，哪么这个ARP映射就会从缓冲中被删除。老化机制ARP请求ARP请求ABCD192.168.1.1192.168.1.2192.168.1.3192.168.1.4我的IP地址是:192.168.1.1我的MAC地址是：11-11-11-11-11-11我需要192.168.1.3的MAC地址广播ABCD192.168.1.1192.168.1.2192.168.1.3192.168.1.4单播我是192.168.1.3我的MAC地址为：22-22-22-22-22-22ARP table11-11-11-11-11-11192.168.1.1ARP回应ARP请求在PC机上使用ARP命令ARP a或ARP g:用于查看高速缓存中的所有项目。ARP a IP:如果有多个网卡，那么使用arp a加上接口的IP地址，就可以只显示与该接口相关的ARP缓存项目。ARP s IP MAC:你可以向ARP高速缓存中人工输入一个静态项目。ARP d IP:使用本命令人工删除一个静态项目。IP地址冲突的问题及解决方法ARP产生的问题中最常见的是IP地址冲突，这是由于两个不同的主机使用相同的IP地址而产生的，在任何互联网络中，IP地址必须是唯一的。当接口初始化时，它发送一个含有其IP地址的ARP请求，如果收到回应，windows就会向用户报告这个IP地址已经被别人占用；如果没有收到回应，它就认为该IP地址没有被使用。Windows对待IP地址是以先来后到的顺序分配的，如果已经有人先占了，那么本机的网络接口就会被禁用。RARP