1、第2章 Internet的地址和域名体系 本章的主要任务是认识TCP/IP分层模型，掌握网络互连涉及的主要技术及主要协议。本章学习目标：lTCP/IP分层模型lIP地址与域名l地址与域名的解析lIP协议lIP协议的新发展2.1 TCP/IP2.1 TCP/IP分层模型分层模型2.1.1 2.1.1 任务一任务一 认识网络体系结构认识网络体系结构1.1.层次化的网络体系结构层次化的网络体系结构 在进行网络的相互连接时，必须要解决几个基本问题:a.要解决网络之间的相互识别问题b.需要使用能够标识不同主机的机制来解决网络中主机的相互识别问题c.如何选择数据的最佳的传输途径也是一个重要的问题d.还要解
2、决数据在传送过程中的出现错误如何处理、以及网络连接等许多技术和结构上的问题。http:/ http:/ http:/ 任务二 TCP/IP协议及层次1.TCP/IP1.TCP/IP的概述的概述(1)定义:TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是指传输控制协议/网际协议。它由两个主要协议即TCP协议和IP协议而得名。(2)TCP/IP协议具有以下几个特点：a.开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。b.独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于互联网中。c.统一的网络地址分配方案，
3、使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址。d.标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。2.TCP/IP2.TCP/IP的层次结构的层次结构（1）网络接口层:TCP/IP模型的最低层是网络接口层，对应于OSI模型中的物理层和数据链路层。其主要功能是负责接收IP数据报并发送至选定的网络。网络接口层提供了TCP/IP协议与各种物理网络的接口，为数据报的传送和校验提供了可能。（2）互联层:互联层是在Internet标准中正式定义的第一层，对应于OSI模型的网络层。该层提供了简单的数据流传送服务，它所执行的主要功能是接收来自传输层发来的请求，将带有目的地址的数据流发送出去。（3）传输层:TC
4、P/IP的传输层也被称为主机至主机层，与OSI模型的传输层对应，它主要负责提供应用层之间的通信，即主机到主机之间的端对端的通信。主要功能是管理数据流，提供可靠的传输服务，以确保数据无差错地按序到达。（4）应用层:在TCP/IP模型中，应用程序接口是最高层，它与OSI模型中的会话层、表示层和应用层三层对应，都是用于提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。3.TCP/IP3.TCP/IP协议集协议集 在TCP/IP的层次结构中包括了四个层次，但只有应用层、传输层、互联层包含了实际的协议。（1）网络接口层的协议:网络接口层所用的协议为各通信子网本身固有的协议，它是TCP/IP
5、赖以存在的与各种通信子网之间的接口。（2）互联层的协议:网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一，也是最重要的因特网标准协议之一。与IP协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网差错控制协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。（3）传输层协议:传输控制协议和用户数据报协议。（4）应用层协议：在TCP/IP模型中，应用层包括了所有的高层协议，而且总是不断有新的协议加入。2.2 IP2.2 IP地址与域名地址与域名2.2.1 2.2.1 任务一任务一 掌握掌握IPIP地址及地址及1.IP1.IP地址及其表示方法地址及其表示方法 IP协议要求参加Int
6、ernet的网络节点要有一个统一规定格式的地址，这个地址称为符合IP协议的地址，一般被称为IP地址。IP地址可以被表示成为二进制格式。二进制表示的IP地址中，每个IP地址含32位，被分为4段，每段8位。为了便于表达和识别，避免读写困难，IP地址除了以二进制形式表示外，也常以十进制形式表示。表示方法是这样的：每个字节用一个十进制表示，并以句点“.”分隔。2.IP2.IP地址的分类地址的分类由于各种网络差异很大，有的网络拥有很多主机，而有的网络上的主机则很少。为适应不同大小的网络。Internet定义了5种IP地址类型：A、B、C、D、E类。A类IP地址：用第一个字节来标识网络号，后三个字节标识主
7、机号。B类IP地址：用前两个字节来标识网络号，后两个字节标识主机号。C类IP地址：用前三个字节来标识网络号，最后一个字节标识主机号。D类地址：它用于多重广播组，一个多重广播组可能包括1台或更多主机，或根本没有。D类地址的最高四位为“1110”。E类地址：这是一个通常不用的实验性地址，保留作为以后使用。E类地址的最高位为11110。2.2.2 任务二 了解子网掩码1.1.划分子网划分子网划分子网的方法是从网络的主机号借用若干个比特作为子网号subnet-id，而主机号也就相应减少了若干个比特。于是两级的IP地址在本单位内部就变为三级的IP地址：网络号、子网号和主机号。或者可以用以下记法表示：IP
8、地址=,http:/ http:/ http:/ 子网掩码是用来标识两个IP地址是否同属于一个子网。它也是一组32位长的二进制数值，其每一位上的数值代表不同含义：为“1”则代表该位是网络位；若为“0”则代表该位是主机位，如：11111111.11111111.00000000.00000000。和IP地址一样，人们同样使用“点分十进制”来表示子网掩码。A类地址的默认子网掩码是255.0.0.0。B类地址的默认子网掩码是255.255.0.0。C类地址的默认子网掩码是255.255.255.0。2.2.3任务三认识域名与域名系统1.1.域名域名.三级域名.二级域名.顶级域名顶级域名有三大类：（1
9、）国家顶级域名nTLD：采用ISO3166的规定。如：cn表示中国，us表示美国，uk表示英国，等等。（2）国际顶级域名iTLD：只有int。要求只有国际性的组织才可在int下注册二级域名。如国际联盟或国际组织。（3）通用顶级域名gTLD：最早的顶级域名共六个，即：com表示公司企业；net表示网络服务机构；org表示非赢利性组织；edu表示教育机构（美国专用）；gov表示政府部门（美国专用）；mil表示军事部门（美国专用）。从2000年11月起，ICANN又新增加了七个通用顶级域名，即：aero用于航空运输企业；biz用于公司和企业；coop用于合作团体；info适用于各种情况；museum
10、用于博物馆；name用于个人；pro用于会计、律师和医师等自由职业者。在国家顶级域名下注册的二级域名均由该国家自行确定。在中国（cn）将二级域名划分为“类别域名”和“行政区域名”两大类。凡在二级域名下注册的单位就可以获得三级域名。2.2.域名系统域名系统Internet对每台计算机的命名方案称域名系统（DNS：Domain Name System）。域名系统规定了最高域的值，称DNS的顶层。域名系统允许每个组织为计算机设置域名或改变这些域名。每个连到Internet的网络中都有至少一个域名服务器，称DNS服务器。http:/ http:/ http:/ 2.3 地址与域名的解析地址与域名的解析
11、2.3.1任务一初识地址解析将一台计算机的IP地址翻译成等价的硬件地址的过程叫地址解析（AddressResolution），即IP地址被解析为正确的硬件地址。地址解析限于一个局域网内，即一台计算机能够解析另一台计算机地址的条件是这两台计算机都连在同一物理网络中，一台计算机无法解析远程网络上的计算机的物理地址。将IP地址翻译成硬件地址时，地址解析方法可分为三种：查表、相近形式计算和消息交换。ARP协议实现了IP地址到硬件地址的转换。RARP协议可以实现硬件地址到IP地址的转换，使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址，是ARP协议的逆过程。2.3.2 2.3.2 任务二任务二 了解域名解析
12、了解域名解析域名解析就是域名到IP地址的转换过程。IP地址是网络上标识主机的数字地址，为了简单好记，采用域名来代替IP地址标识主机地址。域名的解析工作由域名服务器完成。域名服务器提供了递归查询、迭代查询和反复查询三种解析方式。http:/ http:/ http:/ 2.3.3 任务三任务三 认识域名服务器认识域名服务器每一个域名服务器不但能够进行一些域名到IP地址的解析，而且还必须能够连向其他域名服务器。这样当自己没有保存要解析的主机IP地址时，就可以到其他域名服务器去查询。因特网上的域名服务器系统也是按照域名的层次来安排的。每一个域名服务器都只对域名体系中的一部分进行管辖。现在共有以下三种
13、不同类型的域名服务器：1.本地域名服务器，2.根域名服务器，3.授权域名服务器。http:/ http:/ http:/ IP2.4 IP协议协议IP协议提供了三个定义：第一，IP定义了在TCP/IP互联网上数据传送的基本单元和数据格式；第二，IP完成路由选择功能，选择数据传送的路径；第三，IP包含了一组不可靠分组传送的规则，这些指明了主机和路由器应该如何处理分组、发出差错信息以及什么情况放弃数据报等。2.4.1 2.4.1 任务一任务一 认识认识IPIP数据报数据报1.IP1.IP数据报的格式数据报的格式在一个物理网络上，传送的单元是一个包含报头和数据的帧，报头给出了如源站点和目的站点的物理
14、地址；互联网则把它的基本传输单元叫做一个Internet数据报，有时也称IP数据报或称为数据报。数据就被封装在IP数据报中进行传输。一个IP数据报由首部（或叫报头）和数据两部分组成。在IP数据报中，报头的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在报头的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。下面介绍报头各字段的意义。2.IP2.IP数据报中的各字段含义数据报中的各字段含义（1）版本：占4位，指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议的版本必须一致。（2）报头长度：占4位，用来给出以32位（4字节）为单位的报头长度，IP的报头长度的最大值是60字节。当IP分组的报头长度不
15、是4字节的整数倍时，必须利用最后一个填充字段加以填充。（3）服务类型：占8位，被分为6个部分。（4）总长度：总长度表示整个IP数据报的长度，即报头和数据之和的长度。（5）标识符：标识符是一个计数器，是IP协议赋予报文的标志，目的主机使用该标志来确定新到的分段属于哪一个报文。（6）标志：占3位。目前只有前两个位有效。标志字段中的最低位记为MF。标志字段中间的一位记为DF，标志字段中的最高位目前未用。（7）片偏移：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置就是分片偏移量。（8）生存时间：生存时间（TTL）字段为8位，用来说明数据报在互联网系统生存的最大时间，其目的是避免数据报在网络中无限传递下去
16、。以秒为单位，但现已将TTL改为“数据报在网络中可通过的路由器数的最大值”。（9）协议类型：占8位，指示IP数据部分是由哪一种协议发送的，接收端则根据该协议类型确定应该把IP报文的数据部分交给哪一个上层协议去处理。（10）报头校验和：占16位，用于保证报头数据的完整性。（11）源IP地址和目的IP地址：各占4字节，分别表示报文的发送者和接收者。（12）IP数据报报头的可变部分：IP报头的可变部分就是一个可选项，是用来增加IP数据报的功能。2.4.2 任务二 了解数据报的分片与重组1.1.数据报的封装数据报的封装通常IP报文要在网络接口层封装之后才能发送。数据报被封装在数据帧的数据区内，再加上帧
17、头部信息，以帧的形式来实现数据报的传输。在传输过程中，中间节点从帧中的数据区提取数据报，丢掉帧的头部，然后再采用下一个物理网络的帧格式进行封装，又传给下一个节点，直至数据报到达目的地。2.2.分片问题分片问题 IP协议在发送IP报文时，一般选择一个合适的初始长度。如果这个报文要经历MTU比IP报文长度小的网络，则IP协议把这个报文的数据部分分割成较小的数据片，组成较小的报文，然后放在物理帧中去。每一个小的报文称为一个分片，分片一般在路由器或交换机上进行。如果路由器从一个网络接口收到了一个IP报文，要向另外一个MTU比IP报文长度小的网络发送，就要把该IP报文分成多个分片后再发送。3.3.重组重
18、组 重组的过程作为分片的逆过程，与分片过程在概念上是对称的。数据报片的重组是指数据报在网络中被分片传输后，在到达目的主机时重新组合成原来的数据报。数据报片的重组是在数据报被传送到目的主机后进行的，这一点与分片是不同的，分片是在传输路径中MTU不同的两网络交界处进行的。2.4.3 2.4.3 任务三任务三 掌握数据报的路由选择掌握数据报的路由选择1.路由器路由器路由器作为连接不同网络的接口设备，其主要功能就是连接多个独立的网络或子网，通过网络寻址，找到最佳路径并传送数据。2.路由选择路由选择路由器的主要工作就是负责确定所收到的数据报应传送的最佳路径，并将该数据有效地传送到目的站点。（1）路由表：
19、一个标准的IP路由表通常包含许多（N，R）对序偶，其中N指目的网络的IP地址，R是到网络N路径上的“下一个”路由器的IP地址（也叫下一跳的IP地址）。（2）静态路由和动态路由：典型的路由选择的方式有两种：静态路由和动态路由。（3）路由协议：主要是通过定义好的路由选择协议来得到路由。最普通两个的路由选择协议是路由信息协议和开放最短路径优先协议。2.4.4 2.4.4 任务四任务四 了解差错控制了解差错控制 1.差错控制协议差错控制协议ICMP为了提高IP数据报交付成功的机会在互联层使用了因特网差错控制协议（ICMP）。ICMP是一种差错和控制报文协议，用于传输报告和控制信息。ICMP允许主机或路
20、由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。当中间网络设备发现错误时，立即向源主机发送ICMP报文报告出错情况，以便源主机采取相应的纠正措施。ICMP是TCP/IP协议集中的标准协议，是互联层的协议。ICMP报文是封装在一个IP数据报的数据部分中进行传输的。ICMP报文分为报头和数据两部分，包含ICMP报文的IP数据报报头的“协议”字段指出数据区的内容为ICMP报文。虽然ICMP报文由IP报文传输，但不要认为ICMP是IP的上层协议，ICMP协议和IP协议一样是互联层的协议，它是IP协议的有机补充。2.ICMP2.ICMP报文报文 ICMP报文的种类有两种：ICMP差错报告报文和ICMP询问报文
21、。都分为报头和数据两大部分。ICMP报文的前4个字节是统一的格式，共有三个字段：类型、代码、检验和。接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关。再后面是数据字段，其长度取决于ICMP的类型。http:/ http:/ http:/ IP协议的新发展协议的新发展 IP协议是因特网的核心协议。目前正在使用的IP协议是第4版的，称之为“IPv4”，无论从计算机本身发展还是从因特网规模和网络传输速率来看，现在的IPv4已很不适用了。这里最主要的问题就是32位的IP地址不够用。要解决IP地址耗尽的问题就需要采用具有更大地址空间的新版本的IP协议，即IPv6。2.5.1 2.5.1 任务一任务一 了解了解I
22、Pv6IPv61.IP1.IP数据报的格式数据报的格式 1.更大的地址空间 2.扩展的地址层次结构 3.报头格式 4.改进的选项 5.允许协议继续扩充 6.支持即插即用（即自动配置）7.支持资源的预分配2.5.2 2.5.2 任务二任务二 认识认识IPv6IPv6数据报数据报1.IPv6数据报格式数据报格式一个IPv6数据报开始于一个基本报头，后面是零个或多个扩展报头，以及数据部分。扩展报头是可选的，一个最小的数据报只含有基本报头和数据部分。IPv6数据报将报头长度变为固定的40字节，称为基本报头（baseheader），将不必要的功能取消了，报头的字段数减少到只有8个（虽然报头长度增大了一倍
23、）。此外，还取消了报头的校验和字段（考虑到数据链路层和传输层都有差错检验功能）。这样就加快了路由器处理数据报的速度。IPv6数据报在基本报头的后面允许有零个或多个扩展报头，再后面是数据部分。但要注意，所有的扩展报头都不属于数据报的报头。所有的扩展报头和数据部分合起来叫做数据报的有效载荷或净负荷。2.IPv6基本报头中各字段的作用基本报头中各字段的作用（1）版本：占4位。它指明了协议的版本，对IPv6该字段的值为6。（2）通信量类：占8位。这是为了区分不同的IPv6数据报的类别或优先级。（3）流标号：占20位。所谓“流”就是互联网上从特定源点到特定终点的一系列数据报。所有属于同一个流的数据报都具
24、有同样的流标号。（4）有效载荷长度：占16位。它指明IPv6数据报除基本报头以外的字节数（所有扩展报头都算在有效载荷之内）。这个字段的最大值是64KB（64000字节）。（5）下一个报头：占8位。它相当于IPv4的协议字段和可选字段。（6）跳数限制：占8位。对应于IPv4中的生存时间，用来防止数据报在网络中无限期地存在。（7）源地址：占128位。是数据报的发送站的IP地址。（8）目的地址：占128位。是数据报的接收站的IP地址。3.3.扩展报头扩展报头 IPv6定义了六种扩展报头类型：逐跳选项；路由选择；分片；签别；封装安全有效载荷；目的站选项。每一个扩展报头都由若干个字段组成，它们的长度也各
25、不同。但所有扩展首部的第一个字段都是8位的“下一个报头”字段。此字段的值指出了在该扩展报头后面的字段是什么。当使用多个扩展报头时，应按以上所列类型的先后顺序出现。高层报头是放在最后面。所有扩展报头中的第一个字段“下一个报头”的值都是指出了跟随在此扩展报头后面的是何种报头。2.5.3任务三学习IPv6的地址空间1.IPv6地址的类型地址的类型一个IPv6地址可分为以下三个基本类型：（1）单播地址：单播就是传统的点对点的通信，即主机之间“一对一”的通信模式。（2）多播：多播是一点对多点的通信，数据交付到一组计算机中的每一个。（3）任播：这是IPv6增加的一种类型。任播的目的站是一组计算机，但数据交
26、付时只交付给其中的一个，通常是距离最近的一个。2.IPv6的冒分十六进制表示法的冒分十六进制表示法为了使地址再稍简洁此IPv6的设计者建议使用冒分十六进制表示法：将128位的址分为8组，即每16位为一组，中间用冒号（:）隔开，且每组写成十六进制数。另外，还有一种优化法叫零压缩，这种优化进一步减少了字符个数。零压缩用两个冒分代替连续的零。另外，可以用“IPv6地址/前缀长度”来表示地址前缀。这个表示方法在IPv4向IPv6的转换阶段特别有用。这里IPv6地址是上述任一种表示法所表示的IPv6地址，前缀长度是一个十进制值，指定该地址中最左边的用于组成前缀的比特数。7.5.4任务四了解从IPv4过渡
27、到IPv6的问题为了保证平稳的过渡，IPv6在设计时必须考虑以下的问题：（1）已有的IPv4网络可以随时过渡，而不受相关网络运行Ipv4协议的版本的限制。（2）新的IPv6网络节点可以随时增加到网络中。（3）当IPv4网络向IPv6过渡时，IPv4的IP地址还可以继续使用。（4）在过渡时，只需要较低的费用。1.双协议栈双协议栈双协议栈是指在完全过渡到IPv6之前,使一部分主机装有两个协议，一个IPv4和一个IPv6。双协议栈主机具有两种IP地址：一个IPv6地址和一个IPv4地址。2.隧道技术隧道技术隧道技术方法的要点是在IPv6数据报要进入IPv4网络时，将IPv6数据报封装成为IPv4数据
28、报（整个的IPv6数据报变成了IPv4数据报的数据部分）。然后IPv6数据报就在IPv4网络的隧道中传输。当IPv6数据报离开IPv4网络时，再将其IPv4的报头移去，还原原始的IPv6数据报。基于IPv4隧道的IPv6实现过程可分为三个步骤：封装、解封和隧道管理。封装：当IPv6数据报要进入IPv4网络时，由隧道起始点创建一个IPv4报头，将IPv6数据报装入一个新的IPv4数据报中。解封：当IPv6数据报要离开IPv4网络时，由隧道终点移去IPv4报头，还原原始的IPv6数据报。隧道管理：由隧道起始点维护隧道的配置信息。http:/ http:/ http:/ 本章首先简要介绍了网络体系结构的基本概念，然后阐述了OSI体系结构和TCP/IP体系结构。针对互联网的TCP/IP层次结构，介绍了TCP/IP协议集中的常用协议，分析了IP、ICMP、ARP、RARP、TCP、UDP协议的功能、特点及作用。详细介绍了IP地址、子网掩码、域名系统、地址解析、域名解析、IP数据报；解释了IPv6的特点及与IPv4的区别。通过本章的学习目的掌握Internet工作原理。
