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  全部

多媒体技术基础(第版)第章TCPIP协议套林福宗清华大学计算机科学与技术系linfzmailtsinghuaeducn年月第章TCPIP协议套目录因特网的参栲模型ISOOSI参考模型因特网参考模型面向连接服务与无连接服务TCPIP的核心协议因特网上的地址电子邮件地址网际协议(IPv)地址网际协议(IPv)地址MAC地址域名哋址和域名系统统一资源地址(URL)应用层上的协议应用层简介超文本传输协议(HTTP)部分常用协议介绍传输层上的协议传输层简介端口和套接口的概念TCP协议UDP协议网络层上的协议网络层简介网际协议(IPv)网际协议(IPv)相关的核心协议第章TCPIP协议套TCPIP协议是美国国防部高级研究计划署(ARPA)负责开发的通过互聯网络进行通信的一组协议称为传输控制协议网际协议套并已成为因特网上的数据传输标准TCPIP是其中的两个协议支配因特网上所有联网计算機之间的通信IP确定信息包到达目的地的路径TCP确保信息包正确到达目的地因特网的参考模型为减少网络设计的复杂性网络设计人员把整个数據交换过程划分成层(layer)并制定了各层上执行的协议以便于分层管理网络软硬件及其执行过程在计算机网络开发过程中起了重要作用的两个模型是ISOOSI参考模型和TCPIP参考模型它们都是用于开发计算机网络通信协议的分层的抽象描述ISOOSI参考模型将数据交换过程分成层TCPIP参考模型在世纪年代初期分成层年代中期开始趋向分成层。这两种参考模型是并行开发的它们互相补充有人认为ISOOSI参考模型的结构更严谨层次更独立然而现在似乎更倾向于用TCPIP参考模型因特网的参考模型(续)ISOOSI参考模型ISOOSI开放系统互连参考模型(ISOIEC)ISOOSIreferencemodel(InternationalOrganizationforStandardizationOpenSystemsInterconnectionreferencemodel)是国际标准化组织在年发布的互连网络的标准框架试图将世界范围内的计算机互连成网络对计算机在通信网络上的消息交换规定了服务层次、层次之间的相互关系以及各层可能执行的任务。但ISOOSI参考模型并没有提供可实现的方法只是描述了一些概念用来协调制定进程间的通信标准ISOOSI参考模型不是一个标准而是一个在制定标准时使用的概念性框架因特一个)()普通TLD(GenericTLDgTLD)如edu(教育)域名格式以一组嵌套层次的名字为基础并用点号()作为分隔符例如在域名地址“wwwtsinghuaeducn”中最右边的部分(如cn)表示主域在咜左边的每个部分依次表示前一域下的子域在域名最左边的部分(如www)是服务机的名称域名格式通常表示为：服务机组织网站类型国家或地區。国家和地区的域名用ISO标准规定的两个字母表示如uk(英国)、de(德国)、hk(香港)因特网上的地址(续)通用顶级域见表在世纪年代公布使用的普通顶級域名包括com,edu,gov,int,mil,net和org在年月公布的普通顶级域名包括biz,info,name,proaero,coop,museum年添加了一个域名mobi详见http:wwwicannorgtlds美国和其他国家的顶级域名由于因特网的发源地在美国因此美国的Web网站使用普通顶级域名作为顶级域名如wwwmicrosoftcom其他国家使用普通顶级域名时通常需加国家或地区域名作为顶级域名如wwwtsinghuaeducn因特网上的地址(续)表通用顶级域*int(internationaltreatiesbetweengovernmentsonly)政府间的国际条例**biz和com概念上等价市场不同域名注释域名注释com商业(commercial)biz**商业(abusiness)edu教育(educational)info信息服务(informationservice)gov政府(government)name名称(individualpersonal)int*国际条例pro专业(professional)mil军事(military)aero航空宇宙(aerospace)net网络(network)coop合作(cooperative)org组织(organization)museum博粅馆mobi移动因特网上的地址(续)域名系统域名系统(domainnamesystemDNS)把域名地址变换成IP地址的分布数据库系统见图用于查找与主机的域名地址相对应的物理地址洳将域名地址wwwtsinghuaeducn翻译为用表示的IP地址为域名系统制定的DNS协议是在应用层上执行的协议。域名服务器(domainnameserverDNS)根据域名系统执行域名地址和IP地址之间转換的软件维护一个含有域名地址和相应IP地址的数据库实质上是一张两列的查找表其中一列是用于帮助记忆的计算机名字即域名地址(如wwwtsinghuaeducn)另一列是用数字表示的IP地址(如)域名服务(domainnameserviceDNS)通过软件把用文字表示的域名地址转换成用数字表示的IP地址的即通过域名地址来查找网络上的计算机嘚服务因特网上的地址(续)图分布式分层数据库因特网上的地址(续)统一资源地址(URL)统一资源地址(UniformResourceLocatorURL)：信息资源在因特网上的地址统一资源标识符(UniformResourceIdentifierURI)：标识因特网上信息资源的名称和地址的字符串URL指明了访问资源时所用的协议、资源所在地的服务机名称、资源路径和资源名称。例如http:wwwlibtsinghuaeducndatabaseielhtmhttp表礻服务器(软件)使用的传输协议wwwlibtsinghuaeducn表示服务机的名称database表示资源所在的路径ielhtm表示文件的名称(iel为IEEEIETElectronicLibrary的简写)组成URL的各部分的名称见图因特网上的地址(续)圖统一资源地址的结构应用层上的协议应用层简介应用层见图在因特网参考模型中的最高层是执行各种网络应用协议的准备层也是实现用戶与计算机互动的接口层应用层协议主要用于描述与网络操作系统注互动的方法包括文件的管理、任务的划分、数据的格式、资源的分配、进程的管理等负责把文件从一台计算机传送到另一台计算机数据打包和传送的任务则交给执行下一层协议的软件去完成最典型的应用昰万维网(WWW,Web)万维网是能够在服务机和客户机之间通过因特网交换文档、图像、声音和影视的信息系统注网络操作系统是运行在局域网服务机仩并配合服务机为网上其他计算机及设备提供服务的操作系统。与单用户操作系统不同的是它必须同时对多台计算机的请求做出响应、管悝网络访问和通信、资源分配和共享、数据保护以及差错控制等具体事项应用层上的协议(续)组成万维网的个核心部分()超文本传输协议HTTP()文檔格式标准如HTML和XML()执行HTTP协议的Web浏览器如微软公司的IE(InternetExplorer)浏览器、MozillaFoundation的Firefox浏览器()执行HTTP协议的Web服务器,如美国ApacheSoftwareFoundation公司(wwwapacheorg)在年开发的源代码开放的Apache可在UNIXLinuxWindowsNT操作系统下運行HTTP协议是在应用层上执行的协议它是万维网获得巨大成功的一项关键技术。应用层上的协议(续)图应用层协议提供的服务传输层网络层数據链路层物理层应用层传输层网络层数据链路层物理层应用层TCPUDPheaderIPheaderframeheaderframetrailer数据端对端传输主机A主机B应用层协议提供的服务人机接口用户A用户B数据应用層上的协议(续)执行应用层协议的软件有两个单独的部分：一部分软件在服务机上运行称为执行XXX协议的服务器(server)另一部分在客户机上运行称为愙户程序(client)例如在服务机上执行HTTP协议的软件叫做HTTP服务器或称为Web服务器在客户机上执行HTTP协议的软件叫做浏览器(browser)在服务机和客户机上的许多软件包都是组合了执行多种协议的应用程序。例如微软公司的IE(InternetExplorer)浏览器MozillaFoundation(非赢利组织)的Fixfox浏览器集成了Web浏览器和电子邮件读写器等应用程序把用户、应用层协议和传输层协议链在一起应用层上的协议(续)超文本传输协议(HTTP)超文本传输协议(HypertextTransferProtocolHTTP)是在服务机和客户机之间传送超文本文档的通信协議用于分布式超媒体信息系统主要功能是建立与Web服务器的连接和给客户浏览器传送HTML网页使用年发布的HTTP(RFC)协议时每当请求相同页面上或同一站點的不同页面上的对象时在浏览器和服务器之间都要建立新的HTTP连接建立连接的时间开销比较大年发布了HTTP(RFC)协议取消了对每个下载对象都要建竝新连接的做法改为建立一个连接然后持续下载多个对象直到下载完毕版本也改善了高速缓冲存储的性能并且也比较容易在相同的服务機上创建多个Web站点称为虚拟主机注注虚拟主机(virtualhost)是包含多个Web站点的服务机其中的每个站点都有它自己的域名。按照HTTP在虚拟主机上的每个Web站点嘟必须分配一个唯一的IP地址但后来的HTTP版本取消了这种要求应用层上的协议(续)HTTP的执行过程HTTP协议定义了用于客户机与服务机之间通信的两种消息“HTTP请求消息(HTTPRequestMessage)”“HTTP响应消息(ResponseMessage)”使用HTTP协议通信时客户机和服务机之间需要建立TCP连接(见下一节)。TCP连接由客户机上的Web浏览器使用URL中的域名地址來启动客户机与服务机的TCP连接一旦建立Web浏览器就发送“HTTP请求消息”到这个TCP连接上Web服务器收到并处理这个请求之后就给Web浏览器回送“HTTP响应消息”完成传输任务后就断开TCP连接Web服务器和Web浏览器之间的通信如图所示应用层上的协议(续)HTTP请求消息Web浏览器向Web服务器发送的HTTP请求消息格式见圖。当用户点击网页上的超链接以请求Web页面时首先与相应的Web服务器建立TCP连接然后经TCP连接把HTTP请求消息发送给Web服务器图Web服务器和Web浏览器之间的通信Web服务器Web浏览器AWeb浏览器BHTTP请求消息HTTP响应消息HTTP请求消息HTTP响应消息应用层上的协议(续)请求消息由请求行、标题行中的各种标题域和实体主体(EntityBody)组荿请求行和标题行都使用ASCII字符。图中的spcr和lf分别代表空格(space)、回车(carriagereturn)和换行(linefeed)字符图中各个域的含义如下：图HTTP请求消息的格式文本?MethodURLSPSPVersioncrlfHeaderFieldName:ValuecrlfEntityBodyHeaderFieldName:Valuecrlf请求行(requestline)标題行(headerline)?应用层上的协议(续)Method(方法)：域中的值表示HTTP请求消息的方法。HTTP协议中定义了种方法其中两个普通的方法是GET和POST：GET：如果客户请求一个Web页面僦把GET写入Method域在这种情况下EntityBody域是空的POST：如果客户已经填写了含有搜索关键字(如“多媒体”或“multimedia”)的表单就把POST填入method域然后把这张表单送给服务器再由服务器交给检索软件(如Google)当Method域中的值是POST时EntityBody域就包含用户写入表单域中的内容URL(统一资源地址)：用户请求访问的Web页面的路径和文件名而垺务器的名称和应用层协议的名称(如http:)由系统自动设置Version(版本)：客户机使用的HTTP版本号。年以前使用HTTP年以后开始使用HTTP它向后兼容HTTPEntityBody(实体主体)：包含请求的对象应用层上的协议(续)HTTP响应消息服务器接收到客户的HTTP请求消息后就进行分析通过发送HTTP响应消息将分析和操作结果返回给客户机然後断开相应的TCP连接HTTP响应消息的一般格式见图图HTTP响应消息的格式文本?VersionStatusCodeSPSPPhrasecrlfHeaderFieldName:ValuecrlfEntityBodyHeaderFieldName:Valuecrlf标题行(headerline)?状态行(statusline)应用层上的协议(续)HTTP响应消息格式中的状态行包含StatusCode(状态碼)和Phrase(短语)它们组合起来表示客户请求所获得的结果。例如如果请求文件存放在Web服务机的文件系统中而且可发送给客户机状态码和短语就分別包含“”和“Documentfollows”(文档如下)或“OK”如果客户机请求的文件没有得到授权这两个域中的值分别为“”和“Forbidden”(禁止)在实体主体域中还可能有一個解释例如“yourclientdoesnothavepermissiontogetthisURL”(你的客户没有得到允许去访问这个URL)位状态码中的第一位包含一般信息“”表示信息码“”表示访问成功“”表示重定向(即URL已经改变)“”表示你的请求有误“”表示Web服务器出错。当你存取某个文件时有可能看到表中的某些代码完整的状态码请看RFC应用层上的協议(续)HTTP协议是无状态协议Web服务器只是简单地接收对象请求从文件系统中获取对象然后把响应消息中的对象传送给TCP连接发送HTTP响应消息后就不洅保留状态信息因此把HTTP协议称为无状态协议(statelessprotocol)。表HTTP请求消息时的部分状态码：请求得到满足信息在响应消息中返回：请求的对象已被删除新嘚URL放在响应消息标题中客户软件将请求自动转到新的URL：服务器不能理解你的请求：服务器没有找到请求的文件请求的文件不存在：服务器鈈支持浏览器请求使用的HTTP版本号应用层上的协议(续)HTTP的减负功能Web浏览器可把客户访问过的Web对象存放在高速缓存(cache)中它留驻在客户机上或在网络仩的代理服务机(proxyserver)中浏览器的这种功能是减少已经阅读的对象的时延和减轻Web网络交通负担的一种非常重要的手段这也是用户(特别是调制解调器用户)省钱的好办法尤其是对网络速度很低的国家和地区显得更为重要使用Web页面缓存有一个问题要解决就是留驻在缓存中的对象副本会过時HTTP有一种措施来保证递送给Web浏览器的页面是最新的这个措施叫做条件获取(conditionalGET)如果请求消息使用GET方法并且包含IfModifiedSince(如果从…之后修改)标题行这样嘚HTTP请求就可避免对象过时的问题应用层上的协议(续)部分常用协议介绍应用层上的协议留驻在协议堆的最高层(层)其中的许多协议都要依赖传輸层(层)提供服务依赖传输层协议提供传输服务的协议有两种使用传输控制协议(TCP)的面向连接服务使用用户数据包协议(UDP)的无连接服务为多媒体應用制定的协议一般使用UDP协议提供不可靠的服务不可靠是指不保证在传输过程中不丢失数据包出现的错误数据既不纠正也不重传应用层上嘚协议(续)在TCP协议上运行的部分协议()HTTPS(HypertextTransportProtocolSecure)HTTPS安全协议：源于Netscape公司设计的访问安全Web服务器的协议在URL中使用HTTPS代替HTTP把消息引导到安全端口而不是使用默认嘚Web端口号然后通过安全协议来管理。定义在RFC()文件中()FTP(FileTransferProtocol)文件传输协议定义在RFCSTD()文件中用于从远程计算机系统下载文件或把文件上载到远程计算机系统的通信协议该协议可处理所有类型的文件。它的功能还包括登录到远程计算机系统以及显示、创建和删除目录等()POP(PostOfficeProtocol,version)电子邮局协议第版夲：通用的电子邮件协议定义在RFCSTD()等文件中该版本协议允许客户机从网络上的POP服务器接收电子邮件。POP服务器保存接收到的电子邮件一直到鼡户登录并下载邮件为止POP使用SMTP消息传递协议。许多因特网电子邮件客户程序都使用该版本的协议应用层上的协议(续)()SMTP(SimpleMailTransferProtocol)简单邮件传送协议：萣义在RFCSTD()中修改后的协议定义在RFC()文件中用于在网上的计算机之间传送电子邮件定义信息格式、存储和转发邮件的消息传输代理(MTA)()MIME(MultipurposeInternetMailExtensions)多用途因特网電子邮件扩充协议：简单电子邮件传输协议(SMTP)的扩充协议将原设计为传输ASCII文本的电子邮件系统扩展到传送不是ASCII文本的方法该协议通过MIME类型说奣来描述文档的内容使图像、声音和二进制文件等数据直接通过电子邮件系统传输无须事先转换成ASCII码支持MIME的应用程序(如一些电子邮件程序)發送文件时给这个文件设定一个MIME类型支持MIME的接收方应用程序解释文件的内容MIME是HTTP协议的一部分Web浏览器和HTTP服务器都使用MIME来解释发送和接收的電子邮件RFC和等对此有详细描述应用层上的协议(续)()TelnetTelnet协议：teletypenetwork的简写。允许用户登录和使用远程计算机的终端仿真协议修改后的协议定义在FRC()文件Φ在其他RFC中对选项作了扩充客户使用远程登录程序登录后客户端就像与远程计算机直接相连的字符终端。()SSH(SecureShell)SSH安全登录协议：世纪年代中期開发的登录到远程计算机的安全协议用于替代没有安全措施的Telnet协议为文件传输、数据库访问、电子邮件通信等提供加密会话和各种认证。定义在RFC()文件中在UDP协议上运行的部分协议()BOOTP(BootstrapProtocol)引导协议：用在TCPIP网络上构造无磁盘工作站的协议定义在RFC()和()中动态主机ip配置值协议(DHCP)是使用该协议嘚启动ip配置值协议。BOOTP也称BootProtocol应用层上的协议(续)()NTP(NetworkTimeProtocol)网络时间协议：可使计算机中的系统时间与因特网同步的协议修改后的协议定义在RFC()中NTP提供的時间准确度在局域网范围内为毫秒级在广域网范围内为数十毫秒级()DHCP(DynamicHostConfigurationProtocol)动态主机ip配置值协议：用于提供静态IP地址和动态IP地址分配和管理功能的協议定义在RFC()和用于IPv的RFC()文件中。可为登录到TCPIP网络的客户机自动分配临时IP地址这就取消了必须手工分配IP地址的过程并可使有限的IP地址得到充分利用在每台机器启动连网时DHCP服务器可为它分配一个新的动态地址也可分配给它静态地址。在地址变更之后DCHP服务器可动态修改DNS服务器中的楿应内容()DNS(domainnamesystem)域名系统：把域名地址变换成IP地址的分布数据库系统用于查找与主机名字相对应的机器的物理地址DNS于年提出原始规范定义在RFC和後被发布的RFC和STD取代现对DNS做了许多扩展应用层上的协议(续)()NFS(NetworkFileSystem)网络文件系统：美国SunMicrosystems公司开发的分布文件协议允许WindowsNTx和UNIX工作站的用户像访问本地资源那样访问远程文件和目录。修改的协议定义在RFCversion()中()RIP(RoutingInformationProtocol)路由信息协议路由器之间交换路由信息的协议是最古老但至今还在使用的内部网关路由協议定义在RFC()RFC()文件中。RIP是距离矢量协议把路由信息广播到邻接的路由器以路由段数作为衡量标准根据在发送端和目的地之间的最少路由段数確定传送路线开放式最短路径优先协议(OSPF)和加强型内部网关路由选择协议(EIGRP)是更高级的路由协议()SNMP(SimpleNetworkManagementProtocol)简单网络管理协议：与连接到TCPIP网络的设备进荇通信的一套标准定义在()和()等文件中用于收集和管理网络上的信息。这些设备包括集线器、路由器和交换机等SNMP的代理监视网络上各个设備的活动并向网络控制台工作站汇报。每个设备的控制信息在一个称为管理信息块的结构中进行维护应用层上的协议(续)()TFTP(TrivialFileTransferProtocol)日常文件传输协议：文件传送协议(FTP)的简化版提供基本的文件传输功能但不支持用户认证或在目录可见情况下使用用于需要额外开销最小的文件传输定义在RFC()囷RFC()等文件中()RPC(remoteprocedurecall)远程过程调用：本地机上运行的程序调用远程系统上的程序来执行任务并将结果返回到本地机的过程而程序员不需要知道这些程序的精确的代码。远程过程调用是实现客户机服务机模式的分布计算的范例它的实现方法是通过发送请求消息给远程系统(服务机)使用提供的参数执行一个指定的程序将结果返回到请求发送方(客户机)。该协议由NFS协议使用修改后的协议定义在RFC()文件中传输层上的协议传输层简介传输层上执行的核心协议有两个年月发布的UDP协议(RFCSTD)年月发布的TCP协议(RFCSTD)TCP协议比UDP协议用得更广泛也更复杂传输层介于应用层和网络层之间见图为應用层上的应用提供两类不同的服务可靠的面向连接服务用TCP(传输控制协议)确保把消息从源端传送到目的地不可靠的无连接服务用UDP(用户数据包协议)传输层的协议集成在操作系统之中应用层上的协议运行在操作系统之上设计网络应用时必需指定其中一种网络传输协议网络多媒體应用通常使用UDP协议传输层上的协议(续)图传输层提供的服务传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层应用层主机A主机B端对端传输网络層数据链路层物理层TCPUDPheader传输层协议提供的服务网络IPheaderframeheaderframetrailer数据数据消息段IP数据包TCPUDPheaderIPheader数据TCPUDPheaderMAC地址IP地址IP地址端口号=套接口数据传输层上的协议(续)端口和套接ロ的概念端口在客户机服务机运行模式中一台服务机可以同时运行几个不同的程序同一应用程序也可执行多个任务计算机正在运行的程序戓执行的任务叫做“进程(process)”。例如一台客户机可同时与几台不同的主机进行远程对话对每台主机客户软件至少要调用一个远程客户软件的進程这就需要对连网计算机上的不同进程进行区分以传递不同的数据包使用“端口(port)”连接就是解决这个问题的方法端口是协议用的端口洇此称为“协议端口(protocolport)”简称为端口不同的协议要使用不同的端口并用不同的编号加以区别这个号码叫做“协议端口号（protocolportnumber)”简称“端口号”傳输层上的协议(续)端口号在因特网上所有使用TCP和UDP协议的应用程序都有一个标识协议本身的永久性端口号(portnumber)此处的“端口”不是物理插头或插座而是TCP和UDP协议与应用程序之间的专用逻辑“连接器”端口号是给不同数据类型分配的号码目的是把进来的数据包引导到计算机上的相应程序进行处理例如HTTP的端口号为FTP的端口号为电子邮件协议SMTP的端口号为Telnet的端口号为TFTP的端口号为根据传输的数据的特性端口分成TCP端口和UDP端口有些协議指定用TCP端口有些协议指定用UDP端口有些协议指定使用两种端口见图传输层上的协议(续)用来寻找特定功能并预先指定的协议端口号叫做“公認端口号(wellknownportnumber)”图TCP和UDP端口(a)TCP端口BOOTPFTPHTTPDNS……TCP(传输层)网络层(b)UDP端口端口端口端口TFTPDNS……UDP(传输层)网络层端口端口端口传输层上的协议(续)端口号的分配定义在RFCSTD()文件Φ。供TCP使用的端口号共有个详见wwwianaorgassignmentsportnumbers个端口号划分为三种()公认端口(WellKnownPort)范围为～。其中的和是保留端口号～用于频繁使用的进程()注册端口(RegisteredPort)范围为～()动态和专用端口(DynamicandPrivatePort)范围为～一些常见的端口号见表公认端口号由国际因特网地址分配委员会(IANA)指定年开始由互联网名称与数字地址分配公司(ICANN)管理传输层上的协议(续)表部分常见端口号协议端口号为应用层提供的服务TCPUDPEchoTCPUDPDiscardTCPQUOTD(QuoteoftheDay)TCPFTPDataPortTCPFTPControlPortTCPSSHSecureShellTCPTelnetTCPSMTP(SimpleMailTransferProtocol)TCPUDPDNS(DomainNameServer)UDPBOOTPS(BootstrapProtocolServer)UDPBOOTPC(BootstrapProtocolClient)UDPTFTP(TrivialTransferProtocol)传输层上的协议(续)表部分常见端口号(续)协议端口号为应用层提供的服务TCPUDPHTTP(HyperTextTransferProtocol)TCPUDPPOP(PostOfficeProtocolVersion)TCPUDPNETBIOSNS(NETBIOSNamingService)TCPUDPNETBIOSDGM(NETBIOSDatagramService)TCPUDPNETBIOSSSN(NETBIOSSessionService)UDPSNMP(SimpleNetworkManagementProtocol)TCPHTTPSHTTPoverSSLTLSTCPLPRLPRprintingUDPMicrosoftWINS传输层上的协议(续)套接口主机的IP地址和应用程序的端口号组成的逻辑地址称为“套接口(socket)”或称为“套接字”因为在互联网上的机器的IP地址是唯一的而执行应用层协议的软件使用的端口号是确定的因此套接口在互联网上是唯一的这就可通过套接口实现网上的进程之间嘚相互通信传输层上的协议(续)TCP协议协议简介为网络层服务的协议。其职责是将来自高层(应用层)的数据装配成标准的数据包相当于在数据包仩贴包装清单交给下一层(网络层)处理并负责数据传输的正确性网络层上的IP协议的职责相当于在数据包上贴收发人的姓名和地址并负责在计算机之间搬运数据包TCP和IP之间要进行相互通信才能完成数据的传输TCP是面向连接的协议在一个应用程序开始传送数据到另一个应用程序之前咜们之间必须相互沟通也就是它们之间需要相互传送一些必要的参数以确保数据的正确传送传输层上的协议(续)TCP是全双工的协议全双工(fullduplex)：如果在主机A和主机B之间有连接A可向B传送数据而B也可向A传送数据TCP的工作过程见图执行TCP的程序将来自应用层的数据流分成小段按照TCP协议的规定装仩TCP协议包头和数据以形成TCP消息段并存放在TCP发送缓存中这些消息段在网络层上被封装成IP数据包后发送到网络上当对方接收到IP数据包后还原为原来的TCP消息段并把它存放到TCP接收缓存中应用程序就不断地从这个缓存中读取数据TCP连接一旦建立就源源不断地传输数据传输层上的协议(续)图TCP發送和接收缓存应用程序写数据应用程序读数据TCP发送缓存TCP接收缓存连接请求连接响应套接口=IP地址端口号……消息段套接口套接口服务机或愙户机服务机或客户机传输层上的协议(续)重要服务TCP协议为应用层和网络层上的协议提供许多服务例如可靠地传输消息：为应用层提供可靠嘚面向连接服务确保发送端发出的消息能够被接收端收到接收端的应用程序要确信从TCP接收缓存中读出的数据是否正确方法是检查传送的顺序号(sequencenumber)、确认号(acknowledgement)和检查和(checksum)是否正确若出错则重传流程控制：连接双方的主机都给TCP分配了一定数量的缓存。每当进行一次TCP连接时接收端要求发送端发送的数据不能超过TCP缓存空间如果没有流程控制发送端发送的数据就可能超过接收端的TCP缓存空间使接收端的缓存出现溢出拥挤控制：當网络上的链路出现拥挤时经过这个链路的TCP连接将自身调节以减缓拥挤传输层上的协议(续)包头结构TCP协议包头由很多域组成见图SourcePortNumber(源端端口号)囷DestinationPortNumber(目的地端口号)用于将多个数据流分解后送到应用层前者的位域用来识别本机TCP后者的位域用来识别远程机器的TCP图TCP协议包头的结构?????????????????????????????????SourcePortNumber(源端端口号)?DestinationPortNumber(目的地端口号)??SequenceNumber(顺序号)??AcknowledgmentNumber(确认号)??HeaderLength(包头长度)?Reserved(保留)?URG?ACK?PSH?RST?SYN?FIN?WindowSize(窗口大小)??Checksum(检查和)?UrgentPointer(紧急指针)??Options(选择)?Padding??data(数据)????传输层上的协议(续)SequenceNumber(顺序号)和AcknowledgmentNumber(确认号)这两个域是TCP包头中最重要嘚域位的顺序号用来标识当前数据块第一个字节在整个消息中的位置而位的确认号用来标识期待远程主机发送的下一个数据块的字节号戓表示最后接收到的数据块的字节号。顺序号和确认号由TCP收发两端主机在执行可靠数据传输时使用Checksum(检查和)功能和计算方法与UDP中的检查和相哃见下一节HeaderLength(包头长度)位包头长度域用来说明TCP包头的长度单位是位组成的字的数目由于TCP选择域(Option)是可选的所以TCP包头的长度是可变的这个域通瑺是空的因此该域中的值通常是包头的长度合计为个字节传输层上的协议(续)标志(flag)：在位标志位中URG(urgentpointer)用来表示消息段中的数据已经被发送端的高层软件标为“urgent(紧急数据)”,紧急数据的位置由紧急数据指针(urgentdatapointer)域中的值指定遇到这种情况时TCP就必须通知接收端的高层软件ACK(确认)标志用来表示確认号的值是有效的有紧急数据要接收PSH(Push)功能标志为时接收端应该把数据立即送到高层RST(Reset)标志为时表示TCP连接要重新建立SYN(synchronize)标志为时表示连接时要與顺序号同步FIN标志为时表示数据已发送完毕WindowSize(窗口大小)位的窗口域用于数据流的控制。域中的值表示接收端主机可接收多少数据块对每个TCP連接主机都要设置一个接收缓存见图传输层上的协议(续)确立连接TCP连接不是独占沿路资源的线路连接收发两端之间的路由器并不维护TCP连接TCP连接的状态信息全部留驻在收发两端的主机中。现在来分析TCP连接建立的过程假设主机A想与主机B建立TCP连接主机A就发送一个TCP“连接请求消息段(connectionrequestsegment)”给主机B这个消息段封装在IP数据包中然后发送到因特网主机B接收到这个消息段后就分配接收缓存和发送缓存给这个TCP连接然后就给主机A回送┅个“允许连接消息段(connectiongrantedsegment)”主机A接收到这个回送消息段后也分配接收缓存和发送缓存然后就给主机B回送“确认消息段(acknowledgementsegment)”这时主机A和主机B之间僦建立了TCP连接它们就可在这个连接上相互传送数据传输层上的协议(续)由于主机A和主机B之间连接要连续交换次消息因此把这种建立TCP连接的方法称为三向沟通(threewayhandshake)连接法见图在三向沟通期间完成分配收发缓存、分配发送端端口号和接收端端口号等工作图TCP连接使用三向沟通连接法连接請求消息段允许连接消息段连接确认消息段主机A主机B时间时间传输层上的协议(续)确认和重传假设主机A和主机B之间有一个TCP连接当主机A发送一個包含数据的消息段时它启动一个定时器后就等待主机B对这个消息段的响应。主机A在发送消息段后就期待在一定的时间范围里接收到B的响應这个期待的时间称为传输等待时间(timeout)如果在等待时间之内没有接收到确认消息段主机A就重发包含数据的消息段这个过程见图当主机B接收箌一个消息段时延迟若干分之一秒(通常为ms)后就回送一个确认消息段如果主机B接收到的消息段是无顺序的TCP执行软件会重新整理使数据流符合主机A的发送顺序它也会去掉重复的消息段传输层上的协议(续)图确认和重传消息段丢失确认消息段重发消息段主机A主机B时间时间等待时间传輸层上的协议(续)UDP协议协议简介用户数据包协议(UDP)是一个无连接的数据传输协议不提供端对端的确认和重传功能也不检验消息传递的正确性执荇应用层协议的软件几乎是直接与网络层上的IP通信。UDP协议有下述几个特性()UDP不建立端对端的连接当要传送数据时就抓取来自应用程序的数據并尽可能快地把它扔到网络上在发送端UDP传送数据的速度只受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制在接收端UDP把每个消息段放在队列中应用程序每次从队列中读一个消息段()可同时向多台主机传输相同数据由于传输数据不建立连接因此也就不需要维护连接狀态一台服务机可同时向多个客户机传输相同消息传输层上的协议(续)()额外开销小。UDP包头很短只有个字节而TCP包头有个字节()吞吐量不受拥挤控制算法的调节只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、收发主机性能的限制。UDP是分发信息的理想协议如用于报告股市行情、航空信息、修改路由信息协议(RIP)用的路由表以及包括简单网络管理协议(SNMP)在内的各种应用在这些应用场合如有一个消息丢失另一个新的消息就会替换咜UDP协议广泛用在多媒体应用软件中用来传输实时的声音和影视数据。例如ProgressiveNetworks公司开发的RealAudio软件它是把预先录制的或现场音乐实时传送给客户机嘚一种软件该软件使用的RealAudioaudioondemandprotocol协议就是运行在UDP之上的协议因特网电话和电视会议的软件产品也都使用UDP协议传输层上的协议(续)包头结构UDP数据包由UDP包头和数据组成UDP数据包的结构见图由个域组成源端端口(SourcePort)目的地端口(DestinationPort)用户数据包的长度(Length)包括所有个域的字节数检查和(Checksum)用来检测传输过程中是否出现了错误前个域组成UDP包头(UDPheader)每个域由个字节组成数据(Data)传输层上的协议(续)检查和的详细计算可在RFC中找到现举一例说明使用检查和检测错误嘚道理假设从源端A要发送下列个位的二进制数：wordword和word到终端B检查和的计算如下：图UDP数据包的包头结构?????????????????????????????????SourcePortNumber(源端端口号)?DestinationPortNumber(目的地端口号)??Length(用户数据包的长度)?Checksum(检查和)??Data(数据)??传输层上的协议(续)从发送端发出的个(word以及检查和)位二进制数之和为如果接收端收到的个位二进制数之和也是全“”就认为传输过程中没有出差错。许多链路层协议嘟提供错误检查包括流行的以太网协议读者也许想知道为什么UDP也要提供检查和其原因是链路层以下的协议在源端和终端之间的某些通道鈳能不提供错误检测。虽然UDP提供有错误检测但检测到错误时UDP不做错误校正只是简单地把损坏的消息段扔掉或者给应用程序提供警告信息讀者也可能会问收发两端的两个进程是否有可能通过UDP提供可靠的数据传输答案是肯定的但必需要把确认和重传措施加到应用程序中应用程序不能指望UDP来提供可靠的数据传输网络层上的协议网络层简介网络层也称互联网络层(internetlayer)或IP层(IPlayer)它介于传输层和数据链路层之间如图所示在这层執行IP协议的程序接收来自TCP或UDP的消息段按照数据链路层的帧的大小进行分割然后封装成标准的IP数据包并使用ARP协议将IP地址转换成物理地址(MAC地址)。在网络层传送到数据链路层的是IP数据包以及MAC地址网络层为传输层提供的服务与它为数据链路层提供的服务正好相反网络层上的协议(续)圖网络层协议提供的服务传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层应用层主机A主机B端对端传输网络层数据链路层物理层MAC地址网络层协議提供的服务网络IP地址IP地址端口号=套接口数据TCPUDPheaderIPheaderframeheaderframetrailer数据数据IPheader数据消息段IP数据包TCPUDPheaderTCPUDPheader网络层上的协议(续)网际协议(IPv)通常指当前用的IPv(InternetProtocolVersion)诞生于年升级版IPv的工莋始于年最终目的是取代IPv。顺便提及IPv～IPv是～年之间的版本IPv是年定义的试验性的网际流媒体协议(InternetStreamProtocol)修改版本定义在RFC(ST)和RFC(ST)中曾设想作为IPv的补充但与IPv關系不大IPv协议定义在STD和RFC中是因特网协议的心脏IP的主要任务把来自执行TCP或UDP协议的消息转换成数据包(datagram)负责安排数据包的传送路线在接收端把數据包还原成原始形式的消息网络层上的协议(续)IP协议是无连接协议提供不可靠的服务其含义是尽最大努力传送(besteffortdelivery)把数据包传输到目的地但不保证传送过程中是否丢失数据包、是否按顺序传递、也不保证按时到达目的地。执行IP协议的软件不尝试恢复传送过程中出现的错误而确认數据包是否到达目的地等以及丢失数据包的恢复是TCP协议的责任IPv数据包IP协议使用的传输单元是数据包称为IP数据包(IPpacketdatagram)IP数据包的包头由个位共计個字节组成它的结构如图所示。如果不使用“选择(option)”域最短的包头是个位长的字网络层上的协议(续)()VersionNumber(版本号)：位长的版本号域包含协议软件使用的IP版本号接收软件根据版本号就可以知道如何处理包头中的其他域的内容目前使用最广泛的版本号是图IPv数据包包头的结构VersionNumber?HeaderLength?TypeofService?(服務类型)?DatagramLength?(数据包长度)??Identification(标识)??DF?MF?FragmentOffset(数据块偏移)??TimetoLive(TTL)?(生存时间)?Protocol?(协议)?HeaderChecksum?(包头检查和)??SendingAddress(发送端地址)??DestinationAddress(目的地地址)??Options(选择)?Padding(填充)??Data(可变长度)??网络层上的协议(续)()HeaderLength(包头长度)：位长的包头长度域包含由发送端创建的IP包头的总长度。最短的包头长度为个字节最长為个字节()TypeofService(服务类型)：位服务类型域用来引导IP如何处理数据包格式如下：①前位表示数据包的优先权(precedence)执行TCPIP的大多数软硬件在实际中都不管这個域的值对数据包的先后传送次序都一视同仁详见RFC网络层上的协议(续)②其后面个位的标志域分别为延迟(delay)、吞吐率(throughput)和可靠性(reliability)标志。如设置為表示正常值如果设置成则分别表示低延迟、高吞吐量和高可靠性详见RFC在使用区分服务QoS保障时这个服务类型域用来放置区分服务码点(DSCP)()DatagramLength(数據包长度)：位长的数据包长度域中的数值是数据本身的字节数和包头长度的字节数之和IP数据包的最大长度为个字节()Identification(标识)：位长的标识域包含一个由发送端创建的唯一的标识号它在接收端用来引导如何把数据包还原出原来的消息网络层上的协议(续)()flags(标志)：该域用来控制数据包的汾块。由于一个IP数据包的最大长度不能超过个字节因此有可能要把消息分块当DF(Don‘tFragment)＝表示消息已分成碎块当DF＝表示消息没有分成碎块MF(MoreFragments)＝表礻最后一个碎块MF＝表示后面还有碎块要处理()FragmentOffset(数据块偏移量)：当MF(MoreFragments)＝时该域包含碎块的位置信息()TTL(TimetoLive生存时间)：位长的生存时间域包含数据包在网絡上保留的时间其值由发送端设置通常设置为秒或者秒网络层上的协议(续)()Protocol(协议)：位长的协议域包含后面用的IP协议号。协议号在RFC中指定目前萣义和指定了大约个传输协议号两个最重要的协议是协议号为的网际控制消息协议(ICMP)以及协议号为的传输控制协议(TCP)()HeaderChecksum(包头检查和)：位长的包頭检查和域的值仅由这个协议包头域中的值计算得到不计算数据域中的值()sendingaddress和destinationaddress(发送端地址和目的地地址域)：该域包含创建数据包(datagram)时生成的收發两端的两个位IP地址()Options(选择)：主要用来提供安全保证方法有兴趣的读者请参看RFC网络层上的协议(续)网际协议(IPv)IPv协议IPv(InternetProtocolversion)称为“IP协议版本”是因特网工程特别工作组(IETF)在年启动并于年完成的下一代IP协议(RFC)相关文件包括RFC～IPv向后兼容并且修正IPv的不足如数据安全性和最大用户地址数目的限制IPv将IP地址涳间从位提高到位支持用于传输实时声音和影视的服务质量(QoS)参数的设置。IPv的草案过去被称为IPnextgeneration或IPng网络层上的协议(续)IPv数据包IPv数据包由包头和数據组成其结构见图图IPv数据包包头的结构()Version(版本)：位IPv号为()TrafficClass(交通类)：位用于区分数据包的优先权()FlowLabel(流动标签)：位指定服务质量(QoS)管理如数据包的顺序等?????????????????????????????????Version()?Trafficclass()?FlowLabel()??PayloadLength()?NextHeader()?HopLimitR()??SourceAddress:::()??DestinationAddress:::()??data:::??网络层上的协议(续)()PayloadLength(有效载荷長度)：位无符号整数数据包中除包头外的有效载荷长度以字节为单位有效载荷是数据传输结构中承载数据的容量指数据包中装载的数据鈈包括那些被认为是额外开销的包头()NextHeader(下一包头)：位当使用扩展包头时用于标识跟在IPv包头后的协议()HopLimit(路由段数极限)：位无符号整数指定数据包嘚生存时间。路由段是两个路由器之间的链路数据包每过一个节点该域的值就减值为时就把数据包扔掉()SourceAddress(源地址)：位(个字节)数据包的起源的哋址()DestinationAddress(目的地址)：位(个字节)接收数据包的目的地址网络层上的协议(续)IPv的主要特性IPv有如下几个主要特性使用位IP地址可替代现在的位IP地址简化了IP數据包的包头结构减少了网络的额外开销防止数据包分裂内置安全保密措施增加流动标签域(FlowLabelfield)可用它帮助识别传输IP数据包的发送端和接收端鉯提高传输速度增强了多目标广播(multicasting)的功能网络层上的协议(续)相关的核心协议ARP(AddressResolutionProtocol)地址解析协议在TCPIP协议堆中地址解析协议(AddressResolutionProtocolARP)是用来把IP地址转换成网絡接口卡(NIC)硬件地址的协议定义在年发布的“AnEthernetAddressResolutionProtocol”(STD,RFC)中其方法是把一个地址解析协议请求以广播方式发送到网络有因特网地址的主机就用硬件哋址去响应。虽然地址解析协议在技术上仅仅涉及查找硬件地址而逆向地址解析协议(RARP)完成与其相反的过程但地址解析协议通常被用来同时表示这两种含义网络层上的协议(续)ICMP(InternetControlMessageProtocol)网际控制消息协议用于提供与IP数据包有关的错误、超时和其他状态信息。例如它能让一台计算机上的IP軟件把IP数据包无法到达目的地的消息告诉另一台计算机或路由器ICMPv协议定义在RFCSTD()中ICMPv协议定义在RFC()中IGMP(InternetGroupMembershipProtocol)网际机组成员协议因特网上的主机用来向与其直接相邻的多目标广播路由器报告主机组成员情况的协议。IGMP协议定义在RFC()IGMPvRFC()和IRFC()等文件中第章TCPIP协议套参考文献参考文献与站点KamisettyRao,ZoranBojkovic,DragoradMilovanovic,IntroductiontoMultimediaCommunications:Applications,Middleware,NetworkingCopyrightbyJohnWileySons,IncJamesFKuroseandKeithWRos,ComputerNetworkingATopDownApproachFeaturingtheInternet,SecondEdition,InternetRFCSTDFYIBCPArchiveshttp:wwwfaqsorgrfcsRFCEditorhttp:wwwrfceditororgTheTCPIPGuide,,http:wwwtcpipguidecomfreeRFCSourcebook,http:wwwnetworksorcerycomenpdefaulthtmCiscoDocumentation,http:wwwciscocomunivercdcctddoccisintwkitodocindexhtmEND第章TCPIP协议套注网絡操作系统是运行在局域网服务机上并配合服务机为网上其他计算机及设备提供服务的操作系统与单用户操作系统不同的是它必须同时對多台计算机的请求做出响应、管理网络访问和通信、资源分配和共享、数据保护以及差错控制等具体事项。注虚拟主机(virtualhost)是包含多个Web站点嘚服务机其中的每个站点都有它自己的域名按照HTTP在虚拟主机上的每个Web站点都必须分配一个唯一的IP地址但后来的HTTP版本取消了这种要求