1、计算机网络基础目标/要点在计算机网络的众多协议中，TCP/IP是应用最广泛的。本章主要讲述TCP/IP参考模型的基本知识，主要包括TCP/IP协议集、IP地址的结构和分类、子网划分规则等内容。通过本章学习，读者应该能够根据不同的网络环境，熟练地设置IP地址及划分子网。学习目标 学习要点1熟悉TCP/IP协议集熟练掌握IP地址的结构和分类理解并掌握特殊的IP地址23熟悉子网划分规则，掌握子网划分技术4目录/Contents4.1TCP/IP 协议集IPv4 编址IPv6 编址4.24.3第4章 TCP/IP 协议集第 4 章 TCP/IP 协议集4.1 TCP/IP 协议集4.1.1 TCP/I
2、P 网际层协议在 TCP/IP 层次结构包含的 4 个层次中，只有 3 个层次包含实际的协议。TCP/IP 中各层的协议如图 4-1 所示。网际层的协议主要包括：网际协议、地址解析协议、网际控制消息协议和网际主机组管理协议。42.载入画笔样式1网际协议Internet 是由许多网络相互连接之后构成的集合，将整个 Internet 黏合在一起的正是网际协议（Internet Protocol，IP）。2地址解析协议IP 数据包常通过以太网发送。以太网设备并不识别 32 位 IP 地址，它们是以 48 位的以太网地址（即 MAC 地址或硬件地址）传输以太网数据包的。因此，必须把 IP 目的地址转换
3、成以太网目的地址。地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）就是用来确定 IP地址与物理地址之间的映射关系。3网际控制消息协议IP 是一种不可靠的协议，无法进行差错控制。但 IP 可以借助其他协议来实现这一功能，如网际控制消息协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）。ICMP 允许主机或路由器报告差错情况，提供有关异常情况的报告。4网际主机组管理协议IP 只是负责网络中点到点的数据包传输，而点到多点的数据包传输则要依靠网际主机组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP
4、）来完成，它主要负责报告主机组之间的关系，以便相关的设备（路由器）可支持多播发送。4.1.2 传输层协议传输层协议主要包括传输控制协议和用户数据报协议。1传输控制协议传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是传输层的一种面向连接的通信协议，它提供可靠的、按序传送数据的服务。对于大量数据的传输，通常都要求有可靠的数据传送。TCP 提供的连接是双向的，即全双工的。2用户数据报协议用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的创立是为了向应用程序提供一条访问 IP 的无连接功能的途径。使用该协议，源主机有数据就发出，它不去管发送的数
5、据包是否到达目的主机，数据包是否出错，收到数据包的主机也不会告诉发送方是否收到数据。因此，它是一种不可靠的数据传输方式。4.1.3 应用层协议1超文本传输协议 超文本传输协议（Hypertext Transfer Text Protocol，HTTP）是 WWW 浏览器和 WWW服务器之间的应用层通信协议，它保证正确传输超文本文档，是一种最基本的 C/S（即客户机/服务器）访问协议。该协议可以使浏览器更加高效，使网络传输流量减少。通常，它通过浏览器向服务器发送请求，而服务器则回应相应的网页。2文件传送协议文件传送协议（File Transfer Protocol，FTP）用来实现主机之间的文件
6、传送，它采用C/S 模式，使用 TCP 提供可靠的传输服务，是一种面向连接的协议。FTP 的主要功能就是减少或消除在不同操作系统下处理文件的不兼容性。3远程登录协议远程登录协议（Telnet）是一个简单的远程终端协议，采用 C/S 模式。用户用 Telnet可通过 TCP 连接注册（即登录）到远地的另一个主机上（使用主机名或 IP 地址）。4简单邮件传送协议简单邮件传送协议（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP）是一种提供可靠且有效电子邮件传输的协议，建立在 FTP 文件传输服务上，主要用于传输系统之间的邮件信息，并提供与来信有关的通知。5域名解析协议域名解析协
7、议（Domain Name System，DNS）用来把便于人们记忆的主机域名和电子邮件地址映射为计算机易于识别的 IP 地址。DNS 是一种 C/S 结构，客户机就是用户用于查找一个名字对应的地址，而服务器通常用于为别人提供查询服务。6简单网络管理协议简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）是专门用于 IP 网络管理网络节点（服务器、工作站、路由器、交换机及 Hubs 等）的一种标准协议。SNMP使网络管理员能够管理网络效能，发现并解决网络问题及规划网络。7动态主机配置协议动态主机配置协议（Dynamic Host Configura
8、tion Protocol，DHCP）可以实现为计算机自动配置 IP 地址。DHCP 服务器能够从预先设置的 IP 地址池里自动给主机分配 IP 地址，不仅能够保证 IP 地址不重复分配，也能及时回收 IP 地址以提高 IP 地址的利用率。4.2 IPv4 编址4.2.1 IPv4 编址概述1 IPv4 地址的表示方法根据 TCP/IP 规定，IP 地址用 4 个字节共 32 位二进制数表示，由网络号和主机号两部分组成。（1）点分十进制法。将每个字节的二进制数转化为 0255 的十进制数，各字节之间采用“.”分隔。如图 4-2 所示。（2）后缀标记法。在 IP 地址后加“/”，“/”后的数字表
9、示网络号位数。如 129.16.7.31/16，其中 16 表示网络号占 16 位。2 IP 地址的组成IPv4 地址由网络号和主机号两部分组成，如图 4-3 所示。网络号用来标识一个特定的物理网络，而主机号用来标识该网络中主机的一个特定连接。3 IPv4 地址的分类与构成为适应不同大小的网络，Internet 定义了 5 种类型的 IP 地址，即 A、B、C、D、E 类，使用较多的是 A、B、C 类，D 类用于多播，E 类为保留将来使用地址。5 类 IP 地址的构成情况如图 4-4 所示。4特殊的 IP 地址IP 地址除了可以表示主机的一个物理连接外，还有几种特殊的表现形式。（1）广播地址。
10、（2）有限广播地址。（3）网络地址。（4）回送地址。（5）私有地址。44.2.2 子网技术 1子网出于对管理、性能和安全方面的考虑，许多单位把单一网络划分为多个物理网络，并使用路由器将它们连接起来。子网划分（Subnetting）技术能够使单个网络地址横跨几个物理网络，如图 4-8 所示，这些物理网络统称为子网。划分子网的原因有很多，主要包括以下 3 个方面。（1）充分利用 IP 地址。（2）易于管理网络。（3）提高网络性能。2划分子网的方法IP 地址长度为 32 位，地址的一部分为网络标识（即网络号），另一部分标识网络上的主机或路由器（即主机号），这意味着 IP 其实是一种层次型的编址方案。
11、对于标准的 A 类、B 类和 C 类地址来说，它们只具有两层结构，即网络号和主机号。子网具体的划分方法如图 4-10 所示。3子网掩码在图 4-11 中给出了两个 IP 地址，其中一个是未划分子网的主机 IP，另一个是子网中的 IP 地址。在图中，读者也许会发现一个问题，这两个 IP 地址从外观上没有任何差别，那么应该如何区分这两个地址呢？这就要用到我们即将介绍的内容子网掩码。（1）“点分十进制”表示法。用“点分十进制”法表示标准的 A 类、B 类、C 类网络地址的默认子网掩码，见表 4-3。（2）网络前缀标记法。网络前缀标记法是一种表示子网掩码中网络地址长度的方法。用网络前缀标记法表示标准的
12、 A 类、B 类、C 类网络地址的默认子网掩码，见表 4-4。4子网划分的规则在 RFC 文档中，规定了子网划分的规范，其中对网络地址中的子网号做了如下规定。（1）由于网络号全为“0”代表的是本地网络，所以网络地址中的子网号也不能全为“0”，子网号全为 0 时，表示的是本子网网络。（2）由于网络号全为“1”表示的是广播地址，所以网络地址中的子网号也不能全为“1”，全为“1”的地址用于向子网广播。5子网划分的步骤（1）确定需要多少位子网号来唯一标识网络上的每一个子网；（2）确定需要多少主机号来标识每个子网上的每一台主机；（3）定义符合网络要求的子网掩码；（4）确定标识每一个子网的网络地址；（5）
13、确定每一个子网上所使用的主机地址范围。6子网划分实例4.2.3 可变长子网划分子网划分的最初目的，是把基于某类（A 类、B 类、C 类）的网络进一步划分成几个规模相同的子网。4.2.4 超网和无类域间路由目前，在 Internet 上使用的 IP 地址是在 1978 年确立的协议，它由 4 段 8 位二进制数字组成。由于 Internet 协议当时的版本号为 4，因而称为“IPv4”。尽管这个协议在理论上有大约 43 亿个 IP 地址，但是，并不是所有的地址都得到了充分的利用。部分原因在于 Internet信息中心 InterNIC 把 IP 地址分配给了许多机构，而 A 类和 B 类地址所包
14、含的主机数又太多。2.载入画笔样式4.3 IPv6 编址4.3.1 IPv6 的含义IPv6 是 Internet Protocol Version 6 的缩写，其中 Internet Protocol 译为“互联网协议”。IPv6是 IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）设计的用于替代现行版本 IP协议（IPv4）的下一代 IP 协议。一方面是地址资源数量的限制，另一方面是随着电子技术及网络技术的发展，计算机网络将进入人们的日常生活，可能身边的每一样东西都需要连入全球因特网。在这样的环境下，IPv6 应运而生。单从数量级上来说，IPv6
15、所拥有的地址容量是 IPv4 的约 81028 倍，达到 2128（算上全零的）个。4.3.2 IPv4 与 IPv6 的区别更大的地址空间。IPv4 中规定 IP 地址长度为 32，即有 232-1 个地址；而 IPv6 中 IP 地址的长度为 128，即有 2128-1 个地址。IPv6 的地址分配一开始就遵循聚类（Aggregation）的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录（Entry）表示一片子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发数据包的速度。增强的组播（Multicast）支持及对流的支持（Flow-control）。4.3.3 IPv6 的特性 1更大的地址空
16、间 2简化的报头和灵活的扩展 3层次化的地址结构 4即插即用的联网方式 5网络层的认证与加密 6服务质量的满足 7对移动通信更好的支持 4.3.4 IPv6 的地址表示1 IPv6 地址的表示方法128 位的 IPv6 地址则被分割成 8 个 16 位段来表示，其中每个 16 位段书写为大小在0 x00000 xFFFF 之间的十六进制的数字表示，并且每个 16 位段之间使用英文符号冒号“:”来分开。有两条规则可以用来简化 IPv6 地址书写的大小。第一条规则是：任何一个 16 位段中起始的 0 不必写出来；任何一个 16 位段如果少于4 个十六进制的数字，就认为忽略书写的数字是起始的 0。第
17、二条规则是：可以进一步地简化这个地址的书写格式，任何由全 0 组成的 1 个或多个 16 位段的单个连续的字符串都可以用一个双冒号“”来表示。2 IPv6 地址组成128 位的 IPv6 地址由 64 位的网络地址和 64 位的主机地址组成。其中，64 位的网络地址又分为 48 位的全球网络标识符和 16 位的本地子网标识符。IPv6 地址结构如图 4-22 所示。4.3.5 IPv4 到 IPv6 的过渡技术 1网络过渡技术（l）隧道技术。随着 IPv6 网络的发展，出现了许多局部的 IPv6 网络。利用隧道技术，可以通过运行 IPv4 协议的 Internet 骨干网络（即隧道）将局部的
18、IPv6 网络连接起来，因而是 IPv4 向 IPv6 过渡的初期最易于采用的技术。隧道技术的方式为：路由器将 IPv6 的数据分组封装入 IPv4，IPv4 分组的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的 IPv4 地址。（2）网络地址转换/协议转换技术。网络地址转换/协议转换（Network Address Translation-Protocol Translation，NAT-PT）技术，通过与 SIIT 协议转换和传统的 IPv4 下的动态地址翻译（NAT）以及适当的应用层网关（ALG）相结合，可以实现只安装 IPv6 的主机和只安装了 IPv4 机器的大部分应用的相互通信。2主机过渡
19、技术IPv6 和 IPv4 是功能相近的网络层协议，两者都基于相同的物理平台，而且加载于其上的传输层协议 TCP 和 UDP 又没有任何区别。可以看出，如果一台主机同时支持 IPv6 和 IPv4两种协议，那么该主机既能与支持 IPv4 的主机通信，又能与支持 IPv6 的主机通信，这就是双协议栈技术的工作机理。3应用服务系统过渡技术IPv6 正在赢得越来越多的支持，而且很多网络硬件和软件制造商已经表示支持这个协议。开发者正计划为 UNIX、Windows、Novell 和 Macintosh 开发 IPv6 版本软件。从 IPv4 向 IPv6的过渡是人们未来实现全球 Internet 不可跨越的步骤，它决不是一朝一夕就可以办得到的，它将是一个相当缓慢和长期的过程。
