TCPIP协议中数据封装及层次功能Word文件下载.docx

1、第二节 IGMP 13第六章 ARP RARP 协议 14第一节 ARP 14第二节 RARP 15第七章 应用层协议 15第一节 SNMP 简单网络管理协议 15第二节 FTP 文件传输协议 15第三节 SMTP 简单邮件传输协议 15致谢 16参考文献： 17前言现在不同生产厂商生产的不同型号的计算机，它们运行完全不同的操作系统，但是 TCP/IP 协议族能让它们相互连接进行通信。在这一点上，它的作用已远远超出了起初的设想，到 90 年代已发展成为计算机之间最常用的组网形式， 也因为它是一个开放系统， 协议族的定义及其多种实现可以很轻松的公开得到。协议族被称作“全球互联网”或者“因特网”的

2、基础。第一章 协议层次图 1-1 协议分层1.网络协议通常分不同的层次，每一层分别负责不同的通信功能，TCP/IP 协议族是一组不同层次上的多个协议的组合，它通常被分成四个层次：链路层、网络层、运输层、应用层，各自负责不同的功能。2.链路层， 也被称作数据链路层或者网络接口层，通常包括操作系统中的网络连接设备的驱动程序和计算机中应对的网络接口卡，它们一起处理与传输媒介的物理接口细节。3.网络层，也被称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的路由选择。在TCP/IP 协议族中，网络层协议包括 IP 协议（网际协议）， ICMP（Internet 互联网控制报文协议），以及 IGMP 协议（

3、Internet 组管理协议）。4. 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在 TCP/IP 协议族中，有两个互不相同的传输协议： TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）。TCP 为两台主机提供面向连接的高可靠性的数据通信，它的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适数据报交给下层的网络层， 确认收到的分组， 设置发送最后确认分组的超时时钟等， 由于运输层提供了高可靠性的数据通信，因此应用层可以忽略所有细节。UDP 则为应用层提供一种非常简单的服务， 它只是把数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端，任何必需的可靠性必须有应用层来提供供.5.

4、应用层负责处理特定的应用程序细节 , 几乎所有的 TCP/IP 实现都会提供下面这些通用的应用程序 :Telnet 远程登陆、 FTP 文件传输协议、 SMTP 简单邮件传送协议、 SNMP 简单网络管理协议。图 1-2 TCP/IP 协议族中不同层次的协议第二章数据封装第一节 数据封装当应用程序用 TCP 传送数据时， 数据被送入协议栈中，送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息。然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流TCP 传给 IP 数据单元称作 TCP 报文段。IP传给网络接口层的数据单元称作IP 数据报（IP datagram）。通过以太网传输的比特流称作帧（ Frame

5、）。图 2-1 数据封装过程图中帧头和帧尾下面所标注的数字是典型以太网帧首部的字节长度。 以太网数据帧的物理特性是其长度必须在 46-1500 字节之间。 图 1-3 中 IP 和网络接口层之间传送的数据单元应该是分组 （packet） 。分组既可以是一个 IP 数据报，也可以是 IP 数据报的一个片 （fragment） 。在传输层数据包称作段（ segent），在网络层叫做数据报（ datagram），在链路层叫做帧（ frame ）。数据封装成帧后发送到传输介质上， 到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部， 最后将应用层数据交给应用程序处理。由于 TCP，UDP ，ICMP ，IGMP

6、都要向 IP 传送数据，因此 IP 必须在生成的 IP 首部中加入标识，以表明数据属于哪一层。为此， IP 在首部中存入一个 8bit 的数值，称作协议域。其中 1 标识 ICMP 协议，2 标识 IGMP 协议， 6 标识为 TCP 协议， 17 标识为 UDP 协议。同样，应用程序都可以使用 TCP 或 UDP 来传送数据。运输层协议在生成报文首部时要存入一个应用程序的标识符， TCP 和 UDP 都用一个 16bit 的端口号来表示不同的应用程序，它们把源端口号和目的端口号分别存入报文首部中。网络层接口分别要发送和接收 IP，ARP 和 RARP 数据，因此也必须在以太网的帧首部中加入标

7、识符，以指明生成数据的网络层协议。以太网的帧首部也有一个 16bit 的帧类型域。第二节： TCP/IP 协议链路层数据封装从图 1-2 中可以看出，在 TCP/IP 协议族中，链路层主要有三个目的：（ 1）为 IP 模块发送和接收 IP 数据报；（ 2）为 ARP 模块发送 ARP 请求和接收 ARP 应答；（ 3）为 RARP 发送 RARP 请求和接收 RARP 应答。 TCP/IP 支持多种不同的链路层协议，这取决于网络所使用的硬件。2.1：以太网和 IEEE 802 封装在 TCP/IP 协议中，以太网 IP 数据报的封装是在 RFC894Hornig 1984 中定义的， IEEE

8、802 网络的数据报封装在 RFC1042Postel and Reynolds 1988 中定义。1. 必须能发送和接收采用 RFC894 （以太网）封装格式的分组。2.应该能接收与 RFC894 混合的 RFC1042 （ IEEE802 ）封装格式的分组。3.也许能够发送采用 RFC1042 封装的分组，如果主机能够同时发送两种类型的分组数据，那么发送的分组必须是可以设置的，而且默认条件下必须是 RFC894 分组。图 2-2 IEEE 802.2/802.3 （ RFC 1042 ）和以太网的封装格式（ RFC 894 ）以上为两种不同形式的封装格式，两种帧格式都采用48bit （6

9、字节）的目的地址和源地址（802.3 允许使用 16bit 的地址，但是一般是 48bit 地址），这就是硬件地址。ARP 和 RARP 协议对 32bit 的 IP 地址和 48bit 的硬件地址进行映射。后面的两字节在两种帧格式中互不相同，在 802 标准定义的帧格式中，长度字段是指它后续数据的字节长度，但不包括 CRC 检验码。 以太网的类型字段定义了后续数据的类型。在 502 标准定义的帧格式中，类型字段则由后续的子网接入协议（Sub-network Access Protocol ， SNAP ）的首部给出，802 定义的有效长度值与以太网的有效类型值无一相同，这样就区分看两种帧格式

10、。在以太网帧格式中，数据字段之后就是数据，而在802 帧格式中，跟随在后面的是3 字节的 802.2LLC和 5 字节的 802.2SNAP 。目的服务访问点（ Destination ServiceAccess Point DSAP ）和源服务访问点（ Source Service Access Point SSAP ）的值都设为 0xaa。Ctrl为 0。再接下来的 2 字节类型字段和以太网帧格式一样。字段的值设为3.随后三个字节org code 都置CRC 字段用于帧内后续字节差错的循环冗余码检验（检验和）， 802.3 标准定义的帧和以太网帧格式都最小长度要求， 802.3 规定数据部

11、分必须至少为 38 字节，而对于以太网，则要求最少要有 46 字节，为保证这点，必须在不足的空间插入填充（ pad）字节。2.2 SLIP串行线路SLIP 的全称是 Serial Line IP 。它是一种在串行线路上对 IP 数据报进行封装的简单形式，在RFC1055Romkey 1988 中的详细描述， SLIP 适用于家庭中每台计算机几乎都有的 RS-232 串行端口和高速调制解调器接入 Internet。 SLIP 协议的帧格式：1.IP 数据报以一个称作 END （ 0xc0）的特殊字符结束，同时，为了防止数据报到来之前的线路噪声，那么 END 字符将结束这份错误的报文，这样当前的报

12、文得以正确地传输，而前一个错误报文交给上层后，会发现其内容毫无意义而被丢弃。如果 IP 报文中某个字符为END ，那么就要连续传输两个字节0xdb 和 0xdc 来取代它， 0xdb 这个特殊字符被称作 SLIP 的 ESC 字符，但是它的值与 ASCII 码的 ESC 字符（ 0x1b）不同。SLIP 的 ESC 字符，那么就要连续传输两个字节0xdb 和 0xdd 来取代它。下图为一个含有一个 END 字符和一个 ESC 字符的 IP 报文：图2-3 SLIP报文的封装由于串行线路的速率通常较低而且通信经常是交互式的，交换。于是人们提出了一个被称作 CSLIP 即压缩 SLIP 缩到 3

13、或 5 个字节，它能在 CSLIP 的每一端维持多达因此在 SLIP 线路上有许多小的 TCP 分组进行的新协议。 CSLIP 一般能把上面的 40 个字节压16 个 TCP 连接，并且知道其中连接的每个首部中某些被压缩的首部大大地缩短了交互响应时间。2.3： PPP 点对点协议PPP，点对点协议修改了 SLIP 协议中所有缺陷：1. 在串行链路上封装 IP 数据报的方法， PPP 既支持数据为 8 位和无奇偶检验的异步模式， 还支持面向比特的同步链接。2.建立、配置及测试数据链路的链路控制协议（ LCP:Link Control Protocol ）。它允许通信双方进行协商，以确定不同的选项

14、。3.针对不同网络层协议的网络控制协议（ NCP Network Control Protocol ）体系，当前 RFC 定义的网络层有 IP、OSI 网络层、 DECnet 以及 AppleTalk 。RFC1548Simpson 1993 描述了报文封装的方法和数据控制协议。下图为 PPP 数据帧的格式：2-4PPP 数据帧封装格式接下来是协议字段，类似与以太网中类型字段的功能，当它的值为 0x0021 时，表示信息字段是一个 IP数据报，值为 0xc021 时，它表示信息字段是链路控制数据，它的值为 0x8021 时，表示信息字段是网络控制数据。CRC 字段是一个循环冗余检验码，以检测数

15、据帧中的错误。由于标志字符的值是 0x7e，因此当该字符出现在信息字段中时， PPP 需要对它进行转义。在同步链路中，该过程是通过一种称作比特填充 （bit stuffing） 的硬件技术来完成的，在异步链路中，特殊字符 0x7d用作转义字符，当它出现在 PPP 数据帧中时，那么紧接着的字符的第 6 比特要取其补码。第三章 IP 网际协议第一节 IP 首部IP 是 TCP/IP 协议族中最为核心的协议， 所有的 TCP,UDP,ICMP 及 IGMP 数据都以 IP 数据报格式传输。IP 数据报的首部格式如图所示：3-1数据报首部格式图中的首部，最高位在左边，记为 0bit ；最低位在右边，记

16、为四个字节的 32bit 值以下面的次序传输：首先是 07bit ，其次31bit 。815bit，然后1631bit ，最后是2431bit 。这种传输次序称作 big endian 字节序。由于 TCP/IP 首部种所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它被称作网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器，如 little endian 格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。目前的协议版本号是 4，因此 IP 有时也称作 Ipv4 。首部长度指的是首部占 32bit 字的数目，包括任何选项。由于它是 4 比特字段，因此首部长度最长为 60个字节。服务类型 （ TOS

17、）字段包括一个 3bit 的优先权子字段， 4bit 的 TOS 子字段和 1bit 未用位必须设置 0。4bit的 TOS 代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。 4bit 中只能置其中 1bit 。如果 4bit 均为 0，那么意味着一般服务。 RFC1340【 Reynolds and Postel 1992】描述了所有的标准应用如何设置这些服务类型。总长度字段是指整个 IP 数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段，有可以知道IP 数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16bit，所以 IP 数据报最长可达65535 字节。当数据报被分片时，该字段的

18、值也随着变化。总长度字段是IP 首部中必要的内容，因为一些数据链路需要填充一些数据以达到最小长度。尽管以太网的最小帧长为46 字节，但是 IP 数据可能会更短。标志字段中有一个比特称作“不分片”位，如果将这一比特置为1，IP 将不对数据报进行分片。相反把数据报丢弃并发送一个ICMP 差错报文给起始端。标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报，通常每发一份报文它的值就会加1。片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。TTL（time-to-time ）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间，TTL 的初始值由源主机设置，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就

19、减去1.当该字段的值为 0时，数据报就被丢弃，并发送ICMP 报文通知源主机。协议字段 ,根据它可以识别是哪个协议向IP 传送数据。首部检验和字段是根据IP 首部计算的检验和码，它不对首部后面的数据进行计算。为了计算一份数据报的 IP 检验和，首先把检验和字段置为0，然后，对首部中每个16bit 进行二进制反码求和，结果存在检验和字段中。 当收到一份 IP 数据报后， 同样对首部中每个16bit 进行二进制反码的求和。 由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此， 如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果为全1.如果不为全1（即检验和错误），那么IP 就丢弃收

20、到的数据报。但是不生成差错报文，由上层发现丢失的数据报并进行重传。每一份 IP 数据报都含源IP 和目的 IP 地址，她们都是32bit 的值，来定义数据报的目的和源头。最后一个字段是任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。目前定义如下：安全和处理限制、记录路径、时间时间戳、宽松的源站选路、严格的源站选路。第二节IP 地址划分和子网掩码为了便于寻找和层次的构造网络，IP 地址被分为 A 、 B、 C、 D 、E 五类，目前商业应用中只有A 、B 、C 三类。A 类地址： A 类地址的网络标识由第一组8 位二进制数表示，网络中的主机标识占3组 8位二进制， A类地址的特点是网络标识的第一位二进

21、制数值必须为0。也就是说 A 类地址允许有126 个网段， 每个网络大约允许 1670 万台主机，通常分配给拥有大量主机的网络。IP 地址范围： 1.0.0.1-127.255.255.254B 类地址： B 类地址的网络标识由前两组8 位二进制数表示，网络中的主机标识占两组8 位二进制数，B 类地址的特点是网络标识的前两位二进制数必须位10。B 类地址允许有16384 个网段，每个网络允许有 65533 台主机，适用于结点比较多的网络。 128.1.0.1-191.255.255.254C 类地址： C 类地址的网络标识由前3 组 8 位二进制数表示，网络中主机标识占1 组 8 位二进制数，

22、 C类地址的特点是网络标识的前3 位二进制数取值必须为110。具有 C 类地址的网络允许有254 台主机，适用于结点比较少的网络。 IP地址范围： 192.0.1.1-223.255.255.255任何网络设备都需要设定IP 地址， 而且还要设置子网掩码，子网掩码的目的是有IP 地址中也能获得网络编码，也就是说 IP 地址和子网掩码和得到网络编码。A 类网络： 1.0.0.0-126.255.255.255子网掩码： 255.0.0.0B 类网络： 128.0.0.0-191.255.255.255 255.255.0.0C 类网络： 192.0.0.0-223.255.255.255 255

23、.255.255.0子网掩码也可以用来划分子网，将一个网络划分成若干子网，每个子网的区分都靠子网掩码。第四章 TCP/UDP第一节 UDP 无连接不可靠协议由于 IP 层已经把 IP 数据报分配给 TCP 或者 UDP ，因此 TCP 端口号由 TCP 来查看， UDP 端口号由UDP 来查看。 TCP 端口号与 UDP 端口号是相互独立的。UDP 是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个 UDP 数据报，并组装成一个待发送的 IP 数据报。 UDP 数据报封装成一份 IP 数据报的格式：图 4-1 UDP 封装UDP 不提供可靠性：它把应用程序传送给 IP 层的数

24、据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地，由于缺乏可靠性，就产生了种可靠协议 TCP。图 4-2 UDP 首部UDP 首部各字段：端口号表示发送进程和接收进程。UDP 长度字段指的是 UDP 首部和 UDP 数据的字节长度，该字节的最小值为 8 字节（发送一份 0 字节的 UDP 数据报是 OK ）。这个 UDP 长度是有冗余的。 IP 数据报长度指的是数据报全长，因此 UDP 数据报长度是全长减去 IP 首部的长度。UDP 检验和： UDP 检验和覆盖 UDP 首部和 UDP 数据，首先， UDP 数据报的长度可以为奇数字节，但是检验和算法是把若干个 16bit 字相加。其次， UDP 数据报和 TCP 段都包含一个 12 字节的伪首部，它是为了计算检验和而设置的。第二节 TCP 面向连接的可靠协议TCP 向应用层提供与 UDP 完全不同的服务， TCP 提供一种面向