网络协议分析（TCPIP）：第1章 TCPIP概述_20151204192837

网网 络络 协协 议议 分分 析析（TCP/IP）苏州大学1第第1章章 TCP/IP概述概述要求要求：理解协议的概念理解协议的概念 掌握协议分层思想掌握协议分层思想 掌握掌握TCP/IP分层结构分层结构 了解了解TCP/IP发展历史发展历史2网络发展网络发展l互联网与移动互联网络互联网与移动互联网络l下一代网络下一代网络从从IPv4IPv4到到IPv6IPv6从从2G2G到到3G3G、4G4G、5G.5G.l物联网（物联网（IOT：Internet of Things）M2M（Machine to Machine）传感网传感网 （Sensor Sensor networkdsnetworkds）视频识别（视频识别（RFID：Radio Frequency Identification）l泛在网络（泛在网络（Ubiquitous Network）3网络的本质是互联与通信，网络互联包括设备间互网络的本质是互联与通信，网络互联包括设备间互联和网络间互联联和网络间互联l如何进行互联？如何进行互联？1.1.没有一种单一的网络硬件技术可以满足所有的要没有一种单一的网络硬件技术可以满足所有的要求求2.2.用户期待一种通用用户期待一种通用的互联的互联l网络互联的目的就是要隐藏底层网络硬件的细节，网络互联的目的就是要隐藏底层网络硬件的细节，同时提供一般的通信服务。同时提供一般的通信服务。网络互联与通信网络互联与通信4l网络通信技术的核心网络通信技术的核心 通信协议通信协议通信协议（通信协议（Communications ProtocolCommunications Protocol）是指双方）是指双方 实体完成通信或服务所必须遵循的实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。如何理解协议？现代汉语词典现代汉语词典 国家、政党或团体间经过谈判、协商后取得的一国家、政党或团体间经过谈判、协商后取得的一致意见。致意见。如如 达成达成就业。就业。Wiki Wiki A defined set of rules and regulations A defined set of rules and regulations that determine how data is transmitted in that determine how data is transmitted in telecommunications and computer networkingtelecommunications and computer networking协议协议5协议中一般包含两方（甲方、乙方），也可以多方协议中一般包含两方（甲方、乙方），也可以多方协议中一般需要明确以下内容：协议中一般需要明确以下内容：做什么，有什么要求 实施的方法 实施成果及分配 如何保证实施（违约处罚及免责条款等）以上内容都是需要双（多）方经过谈判、协商，取以上内容都是需要双（多）方经过谈判、协商，取得一致得一致 意见后明确下来，最后形成协议文本，双意见后明确下来，最后形成协议文本，双（多）方代表签（多）方代表签 字盖章后生效。字盖章后生效。协议协议6有明确具体的目标有明确具体的目标 有达成目标的方式方法有达成目标的方式方法 必须达成一致并共同遵守必须达成一致并共同遵守总结总结协议是为了达成特定的目的而对两方或多方协议是为了达成特定的目的而对两方或多方 之间的之间的协作方式和方法进行的约束。协作方式和方法进行的约束。协议特征协议特征7语义（Lexeme/Semantic）协议所要表达的核心含义准确的表达协议目标的含义和协议双方需要为此而进行 的动作的含义保证协议双方对协议将要达成的目标和达成目标的方式 方法具有一致的认识 语法（Grammar/Syntax）语义能够正确表达的规范 语义的描述规则和详细的格式规范 是协议双方所制定的这种语义能够被双方正确理解的保证协议基本内容协议基本内容8时序（Sequence）语义被正确表达的时间点和先后顺序 时序是语义被正确解析的保证 时间顺序的错误将使协议动作本来所表达的语义造成错 误的理解协议基本内容协议基本内容9网络互联的方式网络互联的方式1.应用级互联应用级互联2.网络级互联网络级互联10应用应用级互联级互联实质：实质：应用程序完全了解本机器网络连接的内部细节，并应用程序完全了解本机器网络连接的内部细节，并直接通过网络连接与其它应用程序通信。应用程序直接通过网络连接与其它应用程序通信。应用程序直接建立在物理网络上，无任何中间协议。直接建立在物理网络上，无任何中间协议。示例示例:mailermailermailer11缺点：缺点：1.1.每台机器上都要有所需的应用程序。每台机器上都要有所需的应用程序。2.2.硬件的变动后，应用程序要作出相应的修改。硬件的变动后，应用程序要作出相应的修改。3.3.每个应用程序都要了解本机的所有网络连接，造成每个应用程序都要了解本机的所有网络连接，造成代码的重复。代码的重复。应用应用级互联级互联12思想：把通信部分独立出来。思想：把通信部分独立出来。方法：在低层网络技术与高层应用程序之间增方法：在低层网络技术与高层应用程序之间增加一个中间层软件，以便抽象和屏蔽硬件细节，加一个中间层软件，以便抽象和屏蔽硬件细节，向用户提供通用网络服务。向用户提供通用网络服务。应用应用通信通信A应用应用通信通信B通信通信R13优点：优点：1.1.把数据通信活动从应用程序中分离出来，允许中间把数据通信活动从应用程序中分离出来，允许中间的计算机直接处理网络通信，而不必要了解发送双方的计算机直接处理网络通信，而不必要了解发送双方的应用程序。的应用程序。2.2.系统更加灵活，因此可以建立通用的通信工具。系统更加灵活，因此可以建立通用的通信工具。3.3.如果出现新的网络技术，只要修改或者增加新的网如果出现新的网络技术，只要修改或者增加新的网络层软件而不需要修改上层应用程序。络层软件而不需要修改上层应用程序。14TCP/IP的引入的引入网络网络1（以太网）（以太网）网络网络2（Modem拨号，拨号，PPP）协议协议数据数据FCSF7EAFFC03F7E111212类型类型数据数据FCS目的地址目的地址源地址源地址6624如何通信？如何通信？问题一：数据格式不同问题一：数据格式不同问题二：地址不同问题二：地址不同15解决：引入解决：引入IPIP层，屏蔽不同物理网络技术的差别。层，屏蔽不同物理网络技术的差别。以太网以太网令牌环网令牌环网拨号线路拨号线路帧中继帧中继IP层（层（IP地址，地址，IP报文格式确定）报文格式确定）应用应用1应用应用2应用应用n网络网络1（以太网）（以太网）网络网络2（Modem拨号，拨号，PPP）以太网帧以太网帧IP数据报数据报IP数据报数据报PPP帧帧问题：谁来作转换？问题：谁来作转换？解决：引入解决：引入IP路由器路由器以太网帧以太网帧IP数据报数据报IP数据报数据报PPP帧帧IP数据报数据报TCP/IP的引入的引入16InternetInternet的物理的物理体系结构，用路由器连接起来的多个物理网络体系结构，用路由器连接起来的多个物理网络网络网络1网络网络3网络网络2网络网络n网络网络4从从TCP/IPTCP/IP的观点看，所有的观点看，所有的网络都是平等的。的网络都是平等的。TCP/IP的引入的引入17从用户的观点来看，互联网是从用户的观点来看，互联网是一个单独的虚拟网络。一个单独的虚拟网络。TCP/IP的引入的引入18需要解决的需要解决的问题：问题：1.1.选路选路网络网络1网络网络3网络网络2网络网络n网络网络42.2.控制控制3.3.可靠性可靠性测试连通性测试连通性TCP/IP的引入的引入19解决：解决：路由协议：路由协议：（RIPRIP、OSPFOSPF、BGPBGP等）等）ICMPICMP：InternetInternet控制报文协议控制报文协议TCP/UDPTCP/UDP：传输层协议（传输控制协议和用户传输层协议（传输控制协议和用户数据报协议）数据报协议）在上述协议的基础上，实现了多种网络应用。在上述协议的基础上，实现了多种网络应用。FTPFTP、HTTPHTTP、TELNETTELNET、POP3POP3、SMTPSMTP、SNMPSNMP、DNSDNS等等等等TCP/IPTCP/IP协议族：协议族：上述各个协议的统称。上述各个协议的统称。TCP/IP的引入的引入20TCP/IPTCP/IP是网是网间互联的间互联的一个重要协议，是一个重要协议，是一个被广泛采用一个被广泛采用的互联协议的互联协议标准。标准。TCP/IPTCP/IP是一个协议族，是一个协议族，TCPTCP和和IPIP是其中是其中两个最重要的且必不可少的协议，故用两个最重要的且必不可少的协议，故用它们作为代表命名。它们作为代表命名。问题：问题：TCP/IP协议族种各协议的关系如何？协议族种各协议的关系如何？TCP/IP的引入的引入21TCP/IP分层模型分层模型（简化问题，分而治之）（简化问题，分而治之）应用层应用层传输层传输层IP层层物理接口层物理接口层硬件层硬件层概念模型概念模型层间数据流层间数据流报文或数据流报文或数据流传输协议分组传输协议分组IP数据报数据报特定于物理网络的帧特定于物理网络的帧比特流比特流分层优势：简化问题，分而治之，有利于软件升级换分层优势：简化问题，分而治之，有利于软件升级换代代22主机主机A主机主机B应用层应用层传输层传输层IP层层网络接口层网络接口层网络网络应用层应用层传输层传输层IP层层网络接口层网络接口层应用层数据应用层数据传输头传输头 应用层数据应用层数据IP头头传输头传输头 应用层数据应用层数据帧头帧头IP头头传输头传输头 应用层数据应用层数据帧尾帧尾比特流比特流帧头帧头IP头头传输头传输头 应用层数据应用层数据帧尾帧尾IP头头传输头传输头 应用层数据应用层数据传输头传输头 应用层数据应用层数据应用层数据应用层数据分层缺点：效率低分层缺点：效率低1.1.各层之间相互独立，都要对数据进行分别处理各层之间相互独立，都要对数据进行分别处理2.2.每层处理完毕都要加一个头结构，增加了通信数据量每层处理完毕都要加一个头结构，增加了通信数据量 TCP/IP分层模型分层模型（简化问题，分而治之）（简化问题，分而治之）23TCP/IPTCP/IP的分层原则：的分层原则：信宿机第信宿机第n n层收到的数据与信源机第层收到的数据与信源机第n n层发层发出的数据完全一致出的数据完全一致 。相同的报文相同的报文相同的分组相同的分组相同的数据报相同的数据报相同的帧相同的帧主机主机A主机主机B应用层应用层传输层传输层IP层层网络接口层网络接口层网络网络应用层应用层传输层传输层IP层层网络接口层网络接口层 TCP/IP分层模型分层模型（简化问题，分而治之）（简化问题，分而治之）24应用层应用层传输层传输层IP层层物理接口层物理接口层硬件层硬件层概念模型概念模型协议分层中的两个边界协议分层中的两个边界操作系统边界操作系统边界OSOS外实现外实现OSOS内实现内实现协议地址边界协议地址边界使用使用IPIP地址地址使用硬件地址使用硬件地址应用层应用层传输层传输层IP层层物理接口层物理接口层硬件层硬件层问题：编问题：编写网络应写网络应用程序时用程序时如何访问如何访问操作系统操作系统内部的服内部的服务？务？Socket编程接口编程接口25应用层应用层传输层传输层IP层层物理接口层物理接口层硬件层硬件层概念模型概念模型操作系统边界操作系统边界协议地址边界协议地址边界OSOS外实现外实现OSOS内实现内实现使用使用IPIP地址地址使用硬件地址使用硬件地址13.11.10.03数据数据10.11.23.2100-0a-3d-54-7e-4f10.11.23.2500-0a-3d-54-68-7913.11.10.0310.11.23.25401-0a-3d-53-09-7a13.11.10.25401-0a-3d-54-0a-7b01-0a-3d-53-09-7a13.11.10.03数据数据0 xff13.11.10.03数据数据13.11.10.03数据数据问题：如何问题：如何实现实现IPIP地址地址和到物理地和到物理地址的映射？址的映射？解答：使用解答：使用ARPARP和和RARPRARP协议协议协议分层中的两个边界协议分层中的两个边界26应用层应用层传输层传输层IP层层物理接口层物理接口层硬件层硬件层概念模型概念模型IP、ICMP、IGMPARP、RARP、PPPUDPTCPSMTPHTTPMIMEBGPRPCrloginrshFTPTELNETDNSNFSSNMPASN.1TFTPBOOTPDHCPRIP RTPNFSRPCXDR协议分层中的两个边界协议分层中的两个边界27IP应用应用1应用应用2应用应用n网络网络1网络网络2网络网络n考虑两个子问题：考虑两个子问题：（1 1）为什么采用）为什么采用IPIP协议？协议？IPIP位于所有通信的中心，是唯一位于所有通信的中心，是唯一被所有应用程序所共有的被所有应用程序所共有的协议；协议；（2 2）为什么）为什么IPIP协议作为沙漏的协议作为沙漏的瓶颈部分？瓶颈部分？IPIP协议作为网络互联的核心协议，协议作为网络互联的核心协议，不易过于复杂和庞大，仅提供网不易过于复杂和庞大，仅提供网络互联功能，复杂功能和特殊要络互联功能，复杂功能和特殊要求由上层协议完成，便于实现。求由上层协议完成，便于实现。TCP/IPTCP/IP沙漏模型沙漏模型28TCP/IP为何设计为沙漏模型？为何设计为沙漏模型？TCP/IPTCP/IP沙漏模型沙漏模型29多路复用多路复用TCP、UDP建立在建立在IP之上，多路复用之上，多路复用IP；多种应用建立于多种应用建立于TCP或或UDP之上，基于之上，基于TCP(UDP)各种应用各种应用多路复用多路复用TCP(UDP)多路分解多路分解多路复用逆过程多路复用逆过程TCP/IPTCP/IP模型是在模型是在1 1个硬件层上构建的个硬件层上构建的4 4个软件层个软件层1.1.应用层：提供通用的应用程序，如电子邮件、文件应用层：提供通用的应用程序，如电子邮件、文件传输、超传输、超文本传输、域名服务等文本传输、域名服务等。2.2.传输层：提供应用程序间端到端的通信传输层：提供应用程序间端到端的通信 格式化信息流格式化信息流 提供可靠传输提供可靠传输 识别不同应用程序识别不同应用程序3.IP3.IP层：负责点到点通信层：负责点到点通信 处理处理TCPTCP分层发送请求分层发送请求 为进入的数据报寻径为进入的数据报寻径处理处理ICMPICMP报文：流控、拥塞控制报文：流控、拥塞控制 组播服务组播服务4.4.网络接口层：网络接口层：接收接收IPIP数据报并通过选定的网络发送。数据报并通过选定的网络发送。TCP/IPTCP/IP模型总结模型总结30点到点和端到端点到点和端到端应用层应用层传输层传输层IP层层物理接口层物理接口层硬件层硬件层端到端端到端点到点点到点应用层应用层传输层传输层IPIP层层网络接口层网络接口层应用层应用层传输层传输层IPIP层层网络接口层网络接口层IPIP层层网络接口层网络接口层IPIP层层网络接口层网络接口层端到端端到端端到端端到端点到点点到点点到点点到点点到点点到点点到点点到点点到点点到点点到点点到点31端到端：对等实体之间通信，不需要考虑经过的中间通端到端：对等实体之间通信，不需要考虑经过的中间通信节点，通常指传输层以上通信；信节点，通常指传输层以上通信；点到点：对等实体之间通信由多个直接相连的机器间的点到点：对等实体之间通信由多个直接相连的机器间的通信组成，通常指通信组成，通常指IP层以下通信；层以下通信；TCP/IP Internet 的发展历史的发展历史 1958 1958年年1 1月，月，ARPA(Advanced Research ARPA(Advanced Research Projects Agency)Projects Agency)成立。成立。其中其中研究的重要任务之一是：在战争期间保证不间研究的重要任务之一是：在战争期间保证不间断、高可靠性通信的通信网络系统。断、高可靠性通信的通信网络系统。1977-19791977-1979，推出目前形式的，推出目前形式的TCP/IPTCP/IP体系结构和体系结构和协议规范（基本定型）协议规范（基本定型）。19831983年，年，UC BerkleyUC Berkley推出内含推出内含TCP/IPTCP/IP的第的第一个一个BSD UNIX(Berkeley Software BSD UNIX(Berkeley Software Distribution UNIX)Distribution UNIX)。此举使。此举使ARPANETARPANET覆盖了覆盖了当时美国当时美国90%90%的计算机科学系。的计算机科学系。32 19841984年，年，InternetInternet基本形成。基本形成。19951995年年，InternetInternet进入商业化时代进入商业化时代。19961996年，美国启动年，美国启动NGI(Next Generation NGI(Next Generation Internet)Internet)，并从，并从19981998年开始研究建设年开始研究建设NGINGI的主干网的主干网AbileneAbilene。目前的目前的TCP/IPTCP/IP是第是第4 4版，称作版，称作IPv4IPv4。19981998年，年，IPv6IPv6协议标准于基本制定完成，进入实用协议标准于基本制定完成，进入实用化阶段。化阶段。TCP/IP Internet 的发展历史的发展历史 3319951995年年1010月月2424日，美国联邦网络委员会为日，美国联邦网络委员会为InternetInternet作作了如下定义：了如下定义：InternetInternet是一个是一个全球性的信息系统全球性的信息系统，系统中的每台，系统中的每台主机都有一个主机都有一个全球唯一的主机地址全球唯一的主机地址，地址格式通过，地址格式通过IPIP协议定义。系统中主机与主机间的通信协议定义。系统中主机与主机间的通信遵守遵守TCP/IPTCP/IP协协议标准议标准，或是其它与，或是其它与IPIP兼容的协议标准来交换信息。兼容的协议标准来交换信息。在以上描述的信息基础设施上，利用公网或专网的形在以上描述的信息基础设施上，利用公网或专网的形式，向社会大众提供资源和服务。式，向社会大众提供资源和服务。TCP/IP Internet 的发展历史的发展历史 34TCP/IPTCP/IP成功的主要成功的主要原因原因:1.TCP/IP1.TCP/IP是最早出现的互联网协议，它的成功得益于是最早出现的互联网协议，它的成功得益于顺应了社会的需求。顺应了社会的需求。2.DARPA2.DARPA采用开放策略推广采用开放策略推广TCP/IPTCP/IP，鼓励厂商、大学，鼓励厂商、大学开发开发TCP/IPTCP/IP产品产品 。3.TCP/IP3.TCP/IP与流行的与流行的UNIXUNIX系统结合是其成功的主要源系统结合是其成功的主要源泉。泉。4.TCP/IP4.TCP/IP技术来自于实践，并在实践中不断改进。技术来自于实践，并在实践中不断改进。TCP/IP Internet 的发展历史的发展历史 35Standford大学的大学的Vint Cerf因在因在TCP/IP上作出的突出贡献，而被上作出的突出贡献，而被人们称为人们称为“Internet之父之父”，Google副总裁。副总裁。Tim Berners-Lee：MIT教授，万教授，万维网发明者，被称为维网发明者，被称为“万维网之万维网之父父”他写了世界上第一个网页浏览器（他写了世界上第一个网页浏览器（WorldWideWebWorldWideWeb）和第一个网页服务器（和第一个网页服务器（httpdhttpd）建立世界上第一个网站建立世界上第一个网站http:/info.http:/info.cerncern.chch/牛人牛人36