第一章 1.5 网络协议

Posted 2021-10-23 化子轩

• 为了给网络协议的设计提供一个结构，网络设计者以分层的方式组织协议以及实现这些协议的网络硬件和软件。
• 一个协议属于某一层
• 一个协议能够使用软件、硬件或者两者结合的方式实现
• 分层的优缺点
  • 优点：
    • 使网络概念化和结构化
    • 使得更新系统组件更容易
  • 缺点：
    • 不同层可能出现冗余的相同功能
    • 某层的一个功能可能需要其他某层才出现的信息，这违背了分层的思想
• 协议栈：各层的所有协议被称为协议栈（Protocol stack）；协议栈由 5 个层
  • 物理层：
    • 将 ”帧“ 中的比特从一个结点移往另一个结点
    • 协议仍与链路层相关，并且进一步与实际的传输媒体有关
      • 如物理层协议有关于 ”双绞线“ 的、关于 ”同轴电缆“ 的等
  • 链路层：链路层的分组称为 “帧"
  • 为了传递网络层的分组，网络层必须要依赖于链路层的服务
  • 由链路层提供的服务取决于应用于该链路的特定链路层协议
  • 某些协议提供可靠传递，但不同于 TCP ，因为不同的链路可能采用不同的协议
  • 网络层：网络层分组称为 ”数据报“，该层将数据报从一台主机移到另一台主机。
    • 运输层向网络层提交 ”报文段“ 和目的地址
    • 最重要的该层协议是 ”IP 协议“
      • 该协议定义了在 ”数据报“ 中的各个字段以及端系统和路由器如何作用于这些字段
      • 仅有一个 “IP 协议” 所有网络层的因特网组件必须运行 IP 协议
    • 因特网的网络层包含路由选择协议
      • 路由选择协议有许多种
    • 网络层由 IP 协议 和路由选择协议组成，简称为 IP 层，反映了 IP 协议 是互联网的粘合剂
  • 运输层：该层实现应用程序端点之间的应用层报文传输，使用两种协议：UDP 和 TCP
    • TCP 面向连接，并将长报文划分为短报文，提供可靠的传输、流量控制（收/发速率匹配）和拥塞控制机制（网络拥挤时抑制传输速率）
    • UDP 提供无连接服务，该服务不提供不必要服务，即没有上述的其它内容
    • 运输层分组 称为 ”报文段“
  • 应用层：网络应用程序及它们的应用层协议存留的地方，协议如：HTTP、SMTP、FTP 以及 DNS 等
    • 一个端系统的应用程序使用协议与另一个端系统中的一个应用程序交换信息的分组，这种位于应用层的信息分组称为 ”报文“
• OSI 模型（上面的因特网协议栈不是唯一的协议栈，这个也是协议栈）
  • 胜多负少
  • 由国际化标准组织 ISO 提出，共 7 层，称为 ”开放系统互联模型（OSI）“
  • 七层分别为：与因特网协议栈中同名的五层功能也相似
    • 应用层
    • 表示层：使通信的应用程序能够解释交换数据的含义
      • 实现：
        • 数据压缩
        • 数据加密
        • 数据描述
    • 会话层：提供了数据交换定界和同步功能
      • 建立检查点和恢复方案
    • 运输层
    • 网络层
    • 数据链路层
    • 物理层
  • 因特网中缺失的两层由应用开发者决定是否在引应用中加入这两层的功能
• 主机工作在第 5 层（应用层）
• 路由器工作在第 3 层（网络层）
• 交换机工作在第 2 层（数据链路层）
• 每一层，一个分组具有两种类型的字段：首部字段和有效载荷字段（payload field），有效载荷通常是来自上一层的分组

第一章IP：网际协议

　　I P是T C P / I P协议族中最为核心的协议。所有的 T C P、U D P、I C M P及I G M P数据都以I P数据
报格式传输（见图 1 - 4）。许多刚开始接触 T C P / I P的人对I P提供不可靠、无连接的数据报传送
服务感到很奇怪。

　　

• 　　不可靠（u n r e l i a b l e）的意思是它不能保证 I P数据报能成功地到达目的地。 I P仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， I P有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 I C M P消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如T C P）　　
• 　　无连接（c o n n e c t i o n l e s s）这个术语的意思是I P并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， I P数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是 A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此 B可能在A到达之前先到达。

 

1.IP首部

普通的IP首部长20个字节，除非有选项字段。

 

目前的协议版本号是4，因此I P有时也称作I P v 4。3 . 1 0节将对一种新版的I P协议进行讨论。
首部长度指的是首部占 32 bit字的数目，包括任何选项。由于它是一个 4比特字段，因此
首部最长为6 0个字节。在第8章中，我们将看到这种限制使某些选项如路由记录选项在当今已
没有什么用处。普通I P数据报（没有任何选择项）字段的值是 5

关于首部长度计算可以参看

https://blog.csdn.net/fl_dream/article/details/78761713

 

总长度字段是I P首部中必要的内容，因为一些数据链路（如以太网）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 4 6字节（见图2 - 1），但是I P数据可能会更短。如果没有总长度字段，那么I P层就不知道4 6字节中有多少是I P数据报的内容。

 

T T L（t i m e - t o - l i v e）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。T T L的初始值由源主机设置（通常为3 2或6 4），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值为 0时，数据报就被丢弃，并发送 I C M P报文通知源主机。第 8章我们讨论Tr a c e r o u t e程序时将再回来讨论该字段

 

为了计算一份数据报的 I P检验和，首先把检验和字段置为 0。然后，对首部中每个 16 bit进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串 16 bit的字组成），结果存在检验和字段中。当收到一份I P数据报后，同样对首部中每个 16 bit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应该为全 1。如果结果不是全1（即检验和错误），那么I P就丢弃收到的数据报。但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。

 

2.IP路由选择

 

从概念上说，I P路由选择是简单的，特别对于主机来说。如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或都在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么I P数据报就直接送到目的主机上。否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。大多数的主机都是采用这种简单机制。

 

在一般的体制中，I P可以从T C P、U D P、I C M P和I G M P接收数据报（即在本地生成的数据报）并进行发送，或者从一个网络接口接收数据报（待转发的数据报）并进行发送。 I P层在内存中有一个路由表。当收到一份数据报并进行发送时，它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时，I P首先检查目的I P地址是否为本机的I P地址之一或者I P广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到由 I P首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是这些地址，那么（ 1）如果I P层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发

（也就是说，像下面对待发出的数据报一样处理）；否则（ 2）数据报被丢弃

 

路由表中的每一项都包含下面这些信息：
• 目的I P地址。它既可以是一个完整的主机地址，也可以是一个网络地址，由该表目中的标
志字段来指定（如下所述）。主机地址有一个非0的主机号（见图1 - 5），以指定某一特定的
主机，而网络地址中的主机号为0，以指定网络中的所有主机（如以太网，令牌环网）。
• 下一站（或下一跳）路由器（ next-hop router）的I P地址，或者有直接连接的网络 I P地
址。下一站路由器是指一个在直接相连网络上的路由器，通过它可以转发数据报。下
一站路由器不是最终的目的，但是它可以把传送给它的数据报转发到最终目的。
• 标志。其中一个标志指明目的 I P地址是网络地址还是主机地址，另一个标志指明下一
站路由器是否为真正的下一站路由器，还是一个直接相连的接口（我们将在 9 . 2节中
详细介绍这些标志）。
• 为数据报的传输指定一个网络接口。

 

IP路由选择是逐跳地（h o p - b y - h o p）进行的。从这个路由表信息可以看出， I P并不知道到达任何目的的完整路径（当然，除了那些与主机直接相连的目的）。所有的I P路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的 I P地址。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的，而且下一站路由器与该主机是直接相连的。

 

3.子网寻址

现在所有的主机都要求支持子网编址（ RFC 950 [Mogul and Postel 1985]）。不是把I P地址看成由单纯的一个网络号和一个主机号组成，而是把主机号再分成一个子网号和一个主机号。这样做的原因是因为 A类和B类地址为主机号分配了太多的空间，可分别容纳的主机数为2 2 4 -2和2 1 6 -2。事实上，在一个网络中人们并不安排这么多的主机（各类 I P地址的格式如图1 - 5所示）。由于全0或全1的主机号都是无效的，因此我们把总数减去 2。

 

 

在I n t e r N I C获得某类I P网络号后，就由当地的系统管理员来进行分配，由他（或她）来决定是否建立子网，以及分配多少比特给子网号和主机号。例如，这里有一个 B类网络地址（1 4 0 . 2 5 2），在剩下的16 bit中，8 bit用于子网号，8 bit用于主机号，格式如图3 - 5所示。这样就允许有2 5 4个子网，每个子网可以有2 5 4台主机

 

 

 4.子网掩码

 任何主机在引导时进行的部分配置是指定主机 I P地址。大多数系统把 I P地址存在一个磁盘文件里供引导时读用。在第5章我们将讨论一个无盘系统如何在引导时获得 I P地址。除了I P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。这是在引导过程中通过子网掩码来确定的。这个掩码是一个 32 bit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。图3 - 7是一个B类地址的两种不同的子网掩码格式。第一个例子是n o a o . e d u网络采用的子网划分方法，如图3 - 5所示，子网号和主机号都是8 bit宽。第二个例子是一个B类地址划分成10 bit的子网号和6 bit的主机号。

 

 给定I P地址和子网掩码以后，主机就可以确定 I P数据报的目的是：(1)本子网上的主机；(2)本网络中其他子网中的主机；(3)其他网络上的主机。如果知道本机的 I P地址，那么就知道它是否为A类、B类或C类地址(从I P地址的高位可以得知)，也就知道网络号和子网号之间的分界线。而根据子网掩码就可知道子网号与主机号之间的分界线。

 

 

IP地址是32位的二进制数值，用于在TCP/IP通讯协议中标记每台计算机的地址。通常我们使用点式十进制来表示，如192.168.0.5等等。
每个IP地址又可分为两部分。即网络号部分和主机号部分：网络号表示其所属的网络段编号，主机号则表示该网段中该主机的地址编号。按照网络规模的大小，IP地址可以分为A、B、C、D、E五类，其中A、B、C类是三种主要的类型地址，D类专供多目传送用的多目地址，E类用于扩展备用地址。A、B、C三类IP地址有效范围如下表： 

类别 网络号 /占位数 主机号 /占位数 用途
A 1～126 / 8 0～255 0～255 1～254 / 24 国家级
B 128～191 0～255 / 16 0～255 1～254 / 16 跨过组织
C 192～223 0～255 0～255 / 24 1～254 / 8 企业组织

随着互连网应用的不断扩大，原先的IPv4的弊端也逐渐暴露出来，即网络号占位太多，而主机号位太少，所以其能提供的主机地址也越来越稀缺，目前除了使用NAT在企业内部利用保留地址自行分配以外，通常都对一个高类别的IP地址进行再划分，以形成多个子网，提供给不同规模的用户群使用。
这里主要是为了在网络分段情况下有效地利用IP地址，通过对主机号的高位部分取作为子网号，从通常的网络位界限中扩展或压缩子网掩码，用来创建某类地址的更多子网。但创建更多的子网时，在每个子网上的可用主机地址数目会比原先减少。 
子网掩码是标志两个IP地址是否同属于一个子网的，也是32位二进制地址，其每一个为1代表该位是网络位，为0代表主机位。它和IP地址一样也是使用点式十进制来表示的。如果两个IP地址在子网掩码的按位与的计算下所得结果相同，即表明它们共属于同一子网中。
在计算子网掩码时，我们要注意IP地址中的保留地址，即“ 0”地址和广播地址，它们是指主机地址或网络地址全为“ 0”或“ 1”时的IP地址，它们代表着本网络地址和广播地址，一般是不能被计算在内的。

下面就来以实例来说明子网掩码的算法： 
对于无须再划分成子网的IP地址来说，其子网掩码非常简单，即按照其定义即可写出：如某B类IP地址为 10.12.3.0，无须再分割子网，则该IP地址的子网掩码为255.255.0.0。如果它是一个C类地址，则其子网掩码为 255.255.255.0。其它类推，不再详述。下面我们关键要介绍的是一个IP地址，还需要将其高位主机位再作为划分出的子网网络号，剩下的是每个子网的主机号，这时该如何进行每个子网的掩码计算。
一、利用子网数来计算
在求子网掩码之前必须先搞清楚要划分的子网数目，以及每个子网内的所需主机数目。
1)将子网数目转化为二进制来表示
2)取得该二进制的位数，为 N
3)取得该IP地址的类子网掩码，将其主机地址部分的的前N位置 1 即得出该IP地址划分子网的子网掩码。
如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成27个子网：
1)27=11011
2)该二进制为五位数，N = 5
3)将B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址前5位置 1，得到 255.255.248.0
即为划分成 27个子网的B类IP地址 168.195.0.0的子网掩码。