外贸企业网站系统源码,建网站的论坛,免费wordpress淘宝客主题,浏览器主页网址1.2 分层
网络协议通常分不同层次进行开发#xff0c;每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族#xff0c;比如TCP/IP#xff0c;是一组不同层次上的多个协议的组合。
TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统#xff0c;如图1-1所示。每一层负责不同的功能#xff1a;
1.链…1.2 分层
网络协议通常分不同层次进行开发每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族比如TCP/IP是一组不同层次上的多个协议的组合。
TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统如图1-1所示。每一层负责不同的功能
1.链路层有时也称作数据链路层或网络接口层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。
它们一起处理与电缆或其他任何传输媒介的物理接口细节。
2.网络层有时也称作互联网层处理分组在网络中的活动例如分组的选路。
在TCP/IP协议族中网络层协议包括IP协议网际协议ICMP协议Internet互联网控制报文协议以及IGMP协议Internet组管理协议。
3.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为两台主机提供高可靠性的数据通信。
它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层确认接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端到端的通信因此应用层可以忽略所有这些细节。
而另一方面UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。
它只是把称作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由应用层来提供。
这两种运输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途这一点将在后面看到。
4.应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用程序
• Telnet远程登录。
• 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。
另外还有许多其他应用在后面章节中将介绍其中的一部分。
假设在一个局域网LAN如以太网中有两台主机二者都运行FTP协议图1-2列出了该过程所涉及到的所有协议。这里我们列举了一个FTP客户程序和另一个FTP服务器程序。
大多数的网络应用程序都被设计成客户—服务器模式。
服务器为客户提供某种服务在本例中就是访问服务器所在主机上的文件。在远程登录应用程序Te lnet中为客户提供的服务是登录到服务器主机上。
在同一层上双方都有对应的一个或多个协议进行通信。例如某个协议允许TCP层进行通信而另一个协议则允许两个IP层进行通信。
在图1-2的右边我们注意到应用程序通常是一个用户进程而下三层则一般在操作系统内核中执行。
尽管这不是必需的但通常都是这样处理的例如UNIX操作系统。
在图1-2中顶层与下三层之间还有另一个关键的不同之处。
应用层关心的是应用程序的细节而不是数据在网络中的传输活动。下三层对应用程序一无所知但它们要处理所有的通信细节。
在图1-2中列举了四种不同层次上的协议。
FTP是一种应用层协议TCP是一种运输层协议IP是一种网络层协议而以太网协议则应用于链路层上。
TCP/IP协议族是一组不同的协议组合在一起构成的协议族。
尽管通常称该协议族为TCP/IP但TCP和IP只是其中的两种协议而已该协议族的另一个名字是Internet协议族(Internet Protocol Suite)。网络接口层和应用层的目的是很显然的
——前者处理有关通信媒介的细节以太网、令牌环网等而后者处理某个特定的用户应用程序FTP、Telnet等。
但是从表面上看网络层和运输层之间的区别不那么明显。
为什么要把它们划分成两个不同的层次呢为了理解这一点我们必须把视野从单个网络扩展到一组网络。
在80年代网络不断增长的原因之一是大家都意识到只有一台孤立的计算机构成的“孤岛”没有太大意义于是就把这些孤立的系统组在一起形成网络。
随着这样的发展到了90年代我们又逐渐认识到这种由单个网络构成的新的更大的“岛屿”同样没有太大的意义。
于是人们又把多个网络连在一起形成一个网络的网络或称作互连网(internet)。
一个互连网就是一组通过相同协议族互连在一起的网络。构造互连网最简单的方法是把两个或多个网络通过路由器进行连接。它是一种特殊的用于网络互连的硬件盒。
路由器的好处是为不同类型的物理网络提供连接以太网、令牌环网、点对点的链接和FDDI光纤分布式数据接口等等。这些盒子也称作IP路由器IP Router但我们这里使用路由器(Router)这个术语。
从历史上说这些盒子称作网关gateway在很多TCP/IP文献中都使用这个术语。
现在网关这个术语只用来表示应用层网关
一个连接两种不同协议族的进程例如TCP/IP和IBM的SNA它为某个特定的应用程序服务常常是电子邮件或文件传输。图1-3是一个包含两个网络的互连网一个以太网和一个令牌环网通过一个路由器互相连接。
尽管这里是两台主机通过路由器进行通信实际上以太网中的任何主机都可以与令牌环网中的任何主机进行通信。
在图1-3中我们可以划分出端系统End system两边的两台主机和中间系统Intermediate system中间的路由器。
应用层和运输层使用端到端End-to-end协议。
在图中只有端系统需要这两层协议。
但是网络层提供的却是逐跳Hop-by-hop协议两个端系统和每个中间系统都要使用它。在TCP/IP协议族中网络层IP提供的是一种不可靠的服务。
也就是说它只是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点但是并不提供任何可靠性保证。
而另一方面TCP在不可靠的IP层上提供了一个可靠的运输层。
为了提供这种可靠的服务TCP采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。由此可见运输层和网络层分别负责不同的功能。从定义上看一个路由器具有两个或多个网络接口层因为它连接了两个或多个网络。
任何具有多个接口的系统英文都称作是多接口的(multihomed)。
一个主机也可以有多个接口但一般不称作路由器除非它的功能只是单纯地把分组从一个接口传送到另一个接口。
同样路由器并不一定指那种在互联网中用来转发分组的特殊硬件盒。
大多数的TCP/IP实现也允许一个多接口主机来担当路由器的功能但是主机为此必须进行特殊的配置。
在这种情况下我们既可以称该系统为主机当它运行某一应用程序时如FTP或Telnet
也可以称之为路由器当它把分组从一个网络转发到另一个网络时。在不同的场合下使用不同的术语。互联网的目的之一是在应用程序中隐藏所有的物理细节。
虽然这一点在图1-3由两个网络组成的互联网中并不很明显
但是应用层不能关心也不关心一台主机是在以太网上而另一台主机是在令牌环网上它们通过路由器进行互连。
随着增加不同类型的物理网络可能会有20个路由器但应用层仍然是一样的。
物理细节的隐藏使得互联网功能非常强大也非常有用。连接网络的另一个途径是使用网桥。
网桥是在链路层上对网络进行互连而路由器则是在网络层上对网络进行互连。
网桥使得多个局域网LAN组合在一起这样对上层来说就好像是一个局域网。
TCP/IP倾向于使用路由器而不是网桥来连接网络因此我们将着重介绍路由器。文献[Perlman 1992]的第12章对路由器和网桥进行了比较。1.3 TCP/IP的分层
在TCP/IP协议族中有很多种协议。图1-4给出了本书将要讨论的其他协议。TCP和UDP是两种最为著名的运输层协议二者都使用IP作为网络层协议。
虽然TCP使用不可靠的IP服务但它却提供一种可靠的运输层服务。
本书第1722章将详细讨论TCP的内部操作细节。
然后我们将介绍一些TCP的应用如第26章中的Telnet和Rlogin、第27章中的FTP以及第28章中的SMTP等。这些应用通常都是用户进程。UDP为应用程序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元例如发送方指定的一定字节数的信息。
但是与TCP不同的是UDP是不可靠的它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的。
本书第11章将讨论UDP
然后在第14章DNS:域名系统第15章TFTP简单文件传送协议以及第16章BOOTP引导程序协议介绍使用UDP的应用程序。
SNMP也使用了UDP协议但是由于它还要处理许多其他的协议因此本书把它留到第25章再进行讨论。IP是网络层上的主要协议同时被TCP和UDP使用。
TCP和UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互联网中进行传输。
在图1-4中我们给出了一个直接访问IP的应用程序。
这是很少见的但也是可能的一些较老的选路协议就是以这种方式来实现的。当然新的运输层协议也有可能使用这种方式。
第3章主要讨论IP协议但是为了使内容更加有针对性一些细节将留在后面的章节中进行讨论。第9章和第10章讨论IP如何进行选路。ICMP是IP协议的附属协议。IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。第6章对ICMP的有关细节进行讨论。
尽管ICMP主要被IP使用但应用程序也有可能访问它。我们将分析两个流行的诊断工具Ping和Traceroute第7章和第8章它们都使用了ICMP。IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。
我们在第12章中描述广播把一个UDP数据报发送到某个指定网络上的所有主机和多播的一般特性然后在第13章中对IGMP协议本身进行描述。ARP地址解析协议和RARP逆地址解析协议是某些网络接口如以太网和令牌环网使用的特殊协议用来转换IP层和网络接口层使用的地址。
我们分别在第4章和第5章对这两种协议进行分析和介绍。1.4 互联网的地址
互联网上的每个接口必须有一个唯一的Internet地址也称作IP地址。
IP地址长32 bit。Internet地址并不采用平面形式的地址空间如1、2、3等。IP地址具有一定的结构五类不同的互联网地址格式如图1-5所示。这些 32 位的地址通常写成四个十进制的数,其中每个整数对应一个字节。这种表示方法称作“点分十进制表示法(Dotted decimal notation)”。
例如作者的系统就是一个 B 类地址它表示为: 140.252.13.33。
区分各类地址的最简单方法是看它的第一个十进 制整数。图 1-6 列出了各类地址的起止范围其中第一个十进制整数用加黑字体表示。
需要再次指出的是多接口主机具有多个IP地址其中每个接口都对应一个IP地址。由于互联网上的每个接口必须有一个唯一的IP地址因此必须要有一个管理机构为接入互联网的网络分配IP地址。
这个管理机构就是互联网络信息中心Internet Network Information Centre称作InterNIC。
InterNIC只分配网络号。主机号的分配由系统管理员来负责。Internet注册服务(IP地址和DNS域名)过去由NIC来负责其网络地址是nic.ddn.mil。1993年4月1日InterNIC成立。现在NIC只负责处理国防数据网的注册请求
所有其他的Internet用户注册请求均由InterNIC负责处理其网址是rs.internic.net。
事实上InterNIC由三部分组成注册服务rs.internic.net目录和数据库服务ds.internic.net以及信息服务is.internic.net。
有关InterNIC的其他信息参见习题1.8。有三类IP地址单播地址目的为单个主机、广播地址目的端为给定网络上的所有主机以及多播地址目的端为同一组内的所有主机。
第12章和第13章将分别讨论广播和多播的更多细节。
在3.4节中我们在介绍IP选路以后将进一步介绍子网的概念。图3-9给出了几个特殊的IP地址主机号和网络号为全0或全1。1.5 域名系统
尽管通过IP地址可以识别主机上的网络接口进而访问主机但是人们最喜欢使用的还是主机名。
在TCP/IP领域中域名系统DNS是一个分布的数据库由它来提供IP地址和主机名之间的映射信息。我们在第14章将详细讨论DNS。
现在我们必须理解任何应用程序都可以调用一个标准的库函数来查看给定名字的主机的IP地址。
类似地系统还提供一个逆函数—给定主机的IP地址查看它所对应的主机名。大多数使用主机名作为参数的应用程序也可以把IP地址作为参数。
例如在第4章中当我们用Telnet进行远程登录时既可以指定一个主机名也可以指定一个IP地址。1.6 封装
当应用程序用TCP传送数据时数据被送入协议栈中然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。
其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息有时还要增加尾部信息该过程如图1-7所示。
TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段TCP segment。
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)。
图1-7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。
在后面的章节中我们将详细讨论这些帧头的具体含义。
以太网数据帧的物理特性是其长度必须在461500字节之间。我们将在4.5节遇到最小长度的数据帧在2.8节中遇到最大长度的数据帧。所有的Internet标准和大多数有关TCP/IP的书都使用octet这个术语来表示字节。
使用这个过分雕琢的术语是有历史原因的因为TCP/IP的很多工作都是在DEC-10系统上进行的但是它并不使用8bit的字节。
由于现在几乎所有的计算机系统都采用8bit的字节因此我们在本书中使用字节byte这个术语。
更准确地说图1-7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。我们将在11.5节讨论IP数据报分片的详细情况。UDP数据与TCP数据基本一致。唯一的不同是UDP传给IP的信息单元称作UDP数据报UDP datagram而且UDP的首部长为8字节。
回想1.3节中的图1-4由于TCP、UDP、ICMP和IGMP都要向IP传送数据因此IP必须在生成的IP首部中加入某种标识以表明数据属于哪一层。
为此IP在首部中存入一个长度为8bit的数值称作协议域。
1表示为ICMP协议2表示为IGMP协议6表示为TCP协议17表示为UDP协议。
类似地许多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。TCP和UDP把源端口号和目的端口号分别存入报文首部中。
网络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某种形式的标识以指明生成数据的网络层协议。
为此以太网的帧首部也有一个16 bit的帧类型域。1.7 分用
当目的主机收到一个以太网数据帧时数据就开始从协议栈中由底向上升同时去掉各层协议加上的报文首部。
每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用Demultiplexing图1-8显示了该过程是如何发生的。为协议ICMP和IGMP定位一直是一件很棘手的事情。在图1-4中把它们与IP放在同一层上那是因为事实上它们是IP的附属协议。
但是在这里我们又把它们放在IP层的上面这是因为ICMP和IGMP报文都被封装在IP数据报中。
对于ARP和RARP我们也遇到类似的难题。
在这里把它们放在以太网设备驱动程序的上方这是因为它们和IP数据报一样都有各自的以太网数据帧类型。
但在图2-4中我们又把ARP作为以太网设备驱动程序的一部分放在IP层的下面其原因在逻辑上是合理的。
这些分层协议盒并不都是完美的。当进一步描述TCP的细节时我们将看到协议确实是通过目的端口号、源IP地址和源端口号进行解包的。1.8 客户-服务器模型
大部分网络应用程序在编写时都假设一端是客户另一端是服务器其目的是为了让服务器为客户提供一些特定的服务。
可以将这种服务分为两种类型重复型或并发型。重复型服务器通过以下步骤进行交互
I1.等待一个客户请求的到来。
I2.处理客户请求。
I3.发送响应给发送请求的客户。
I4.返回I1步。
重复型服务器主要的问题发生在I2状态。在这个时候它不能为其他客户机提供服务。相应地并发型服务器采用以下步骤
C1.等待一个客户请求的到来。
C2.启动一个新的服务器来处理这个客户的请求。在这期间可能生成一个新的进程、任务或线程并依赖底层操作系统的支持。
这个步骤如何进行取决于操作系统。生成的新服务器对客户的全部请求进行处理。处理结束后终止这个新服务器。
C3.返回C1步。
并发服务器的优点在于它是利用生成其他服务器的方法来处理客户的请求。
也就是说每个客户都有它自己对应的服务器。如果操作系统允许多任务那么就可以同时为多个客户服务。
对服务器而不是对客户进行分类的原因是因为对于一个客户来说它通常并不能够辨别自己是与一个重复型服务器或并发型服务器进行对话。
一般来说TCP服务器是并发的而UDP服务器是重复的但也存在一些例外。
我们将在11.12节对UDP对其服务器产生的影响进行详细讨论并在18.11节对TCP对其服务器的影响进行讨论。1.9 端口号
前面已经指出过TCP和UDP采用16 bit的端口号来识别应用程序。那么这些端口号是如何选择的呢
服务器一般都是通过知名端口号来识别的。
例如对于每个TCP/IP实现来说
FTP服务器的TCP端口号都是21每个Telnet服务器的TCP端口号都是23每个TFTP(简单文件传送协议)服务器的UDP端口号都是69。
任何TCP/IP实现所提供的服务都用知名的11023之间的端口号。这些知名端口号由Internet号分配机构Internet Assigned Numbers Authority, IANA来管理。到1992年为止知名端口号介于1255之间。
2561023之间的端口号通常都是由Unix系统占用以提供一些特定的Unix服务—也就是说提供一些只有Unix系统才有的、而其他操作系统可能不提供的服务。
现在IANA管理11023之间所有的端口号。
Internet扩展服务与Unix特定服务之间的一个差别就是Telnet和Rlogin。
它们二者都允许通过计算机网络登录到其他主机上。
Telnet是采用端口号为23的TCP/IP标准且几乎可以在所有操作系统上进行实现。
相反Rlogin最开始时只是为Unix系统设计的尽管许多非Unix系统现在也提供该服务因此在80年代初它的有名端口号为513。客户端通常对它所使用的端口号并不关心只需保证该端口号在本机上是唯一的就可以了。
客户端口号又称作临时端口号即存在时间很短暂。这是因为它通常只是在用户运行该客户程序时才存在而服务器则只要主机开着的其服务就运行。
大多数TCP/IP实现给临时端口分配10245000之间的端口号。大于5000的端口号是为其他服务器预留的Internet上并不常用的服务)。
我们可以在后面看见许多这样的给临时端口分配端口号的例子。Solaris 2.2是一个很有名的例外。通常TCP和UDP的缺省临时端口号从32768开始。在E.4节中我们将详细描述系统管理员如何对配置选项进行修改以改变这些缺省项。
大多数Unix系统的文件/etc/services都包含了人们熟知的端口号。为了找到Telnet服务器和域名系统的端口号可以运行以下语句Unix系统有保留端口号的概念。只有具有超级用户特权的进程才允许给它自己分配一个保留端口号。这些端口号介于11023之间一些应用程序如有名的Rlogin26.2节将它作为客户与服务器之间身份认证的一部分。1.10 标准化过程
究竟是谁控制着TCP/IP协议族又是谁在定义新的标准以及其他类似的事情事实上有四个小组在负责Internet技术。
1.Internet协会ISOCInternet Society是一个推动、支持和促进Internet不断增长和发展的专业组织它把Internet作为全球研究通信的基础设施。
2.Internet体系结构委员会IABInternet Architecture Board是一个技术监督和协调的机构。
它由国际上来自不同专业的15个志愿者组成其职能是负责Internet标准的最后编辑和技术审核。IAB隶属于ISOC。
3.Internet工程专门小组IETFInternet Engineering Task Force是一个面向近期标准的组织它分为9个领域应用、寻径和寻址、安全等等。
IETF开发成为Internet标准的规范。为帮助IETF主席又成立了Internet工程指导小组IESG, Internet Engineering Steering Group。
4.Internet研究专门小组IRIFInternet Research Task Force主要对长远的项目进行研究。
IRTF和IETF都隶属于IAB。文献[Crocker 1993]提供了关于Internet内部标准化进程更为详细的信息同时还介绍了它的早期历史。1.11 RFC
所有关于Internet的正式标准都以RFCRequest for Comment文档出版。
另外大量的RFC并不是正式的标准出版的目的只是为了提供信息。
RFC的篇幅从1页到200页不等。每一项都用一个数字来标识如RFC 1122数字越大说明RFC的内容越新。
所有的RFC都可以通过电子邮件或用FTP从Internet上免费获取。如果发送下面这份电子邮件就会收到一份获取RFC的方法清单最新的RFC索引总是搜索信息的起点。这个索引列出了RFC被替换或局部更新的时间。下面是一些重要的RFC文档
1.赋值RFCAssigned Numbers RFC列出了所有Internet协议中使用的数字和常数。
至本书出版时为止最新RFC的编号是1340[Reynolds 和 Postel 1992]。所有著名的Internet端口号都列在这里。
当这个RFC被更新时(通常每年至少更新一次索引清单会列出RFC 1340被替换的时间。
2.Internet正式协议标准目前是RFC 1600[Postel 1994]。
这个RFC描述了各种Internet协议的标准化现状。
每种协议都处于下面几种标准化状态之一标准、草案标准、提议标准、实验标准、信息标准和历史标准。
另外对每种协议都有一个要求的层次、必需的、建议的、可选择的、限制使用的或者不推荐的。
与赋值RFC一样这个RFC也定期更新。请随时查看最新版本。
3.主机需求RFC1122和1123[Braden 1989a, 1989b]。
RFC 1122针对链路层、网络层和运输层
RFC 1123针对应用层。
这两个RFC对早期重要的RFC文档作了大量的纠正和解释。
如果要查看有关协议更详细的细节内容它们通常是一个入口点。
它们列出了协议中关于“必须”、“应该”、“可以”、“不应该”或者“不能”等特性及其实现细节。
文献[Borman 1993b]提供了有关这两个RFC的实用内容。
RFC 1127[Braden 1989c]对工作小组开发主机需求RFC过程中的讨论内容和结论进行了非正式的总结。
4.路由器需求RFC目前正式版是RFC 1009[Braden and Postel 1987]但一个新版已接近完成[Almquist 1993]。
它与主机需求RFC类似但是只单独描述了路由器的需求。
