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TCP和IP四层协议

TCP和IP四层协议详解

TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）的简写，中文译名为传输控制协议/因特网互联协议，又叫网络通讯协议，这个协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，简单地说，就是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成的。

定义

TCP/IP是供已连接因特网的计算机进行通信的通信协议。

TCP/IP指传输控制协议/网际协议（TransmissionControlProtocol

/InternetProtocol）。

TCP/IP定义了电子设备（比如计算机）如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。

TCP/IP（传输控制协议/网际协议）是互联网中的基本通信语言或协议。

在私网中，它也被用作通信协议。

当你直接网络连接时，你的计算机应提供一个TCP/IP程序的副本，此时接收你所发送的信息的计算机也应有一个TCP/IP程序的副本。

TCP/IP是一个四层的分层体系结构。

高层为传输控制协议，它负责聚集信息或把文件拆分成更小的包。

这些包通过网络传送到接收端的TCP层,

接收端的TCP层把包还原为原始文件。

低层是网际协议，它处理每个包的地址部分，使这些包正确的到达目的地。

网络上的网关计算机根据信息的地址来进行路由选择。

即使来自同一文件的分包路由也有可能不同，但最后会在目的地汇合。

TCP/IP使用客户端/服务器模式进行通信。

TCP/IP通

信是点对点的，意思是通信是网络中的一台主机与另一台主机之间的。

TCP/IP与上层应用程序之间可以说是“没有国籍的”，因为每个客户请求都被看做是与上一个请求无关的。

正是它们之间的“无国籍的”释放了网络路径，才是每个人都可以连续不断的使用网络。

许多用户熟悉使用TCP/IP协议的高层应用协议。

包括万维网的超文本传输协议（HTTP，文

件传输协议（FTP），远程网络访问协议（Telnet）和简单邮件传输协议（SMTP。

这些协议通常和TCP/IP协议打包在一起。

使用模拟电话调制

解调器连接网络的个人电脑通常是使用串行线路接口协议（SLIP）和点对

点协议（P2P）。

这些协议压缩IP包后通过拨号电话线发送到对方的调制

解调器中。

与TCP/IP协议相关的协议还包括用户数据包协议（UDP，它代替TCP/IP协议来达到特殊的目的。

其他协议是网络主机用来交换路由信息的，包括Internet控制信息协议（ICMP），内部网关协议（IGP），外

部网关协议（EGP，边界网关协议（BGP。

基本原理

整体构架概述

TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。

传统的开放式系统互连参考模

构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

这4层分别为：

应用层：

应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议

（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

传输层：

在此层中，它提供了节点间的数据传送，应用程序之间的通信服务，主

要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。

如传输控制协议（TCP）、用户数据

报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。

互连网络层：

负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目

的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。

网络接口层（主机-网络层）：

接收IP数据包并进行传输，从网络上接收物理帧，

抽取IP数据报转交给下一层，对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如

Ethernet>SerialLine等）来传送数据。

主要协议

以下简单介绍TCP/IP中的协议都具备什么样的功能，都是如何工作的:

1.IP

网际协议IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。

IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把

该数据包发送到更高层---TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来

的数据包传送到更低层。

IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数

据包是按顺序发送的或者没有被破坏。

IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）

和接收它的主机的地址（目的地址）。

高层的TCP和UDP服务在接收数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。

也

可以这样说，IP地址形成了许多服务的认证基础，这些服务相信数据包是从一个有效

的主机发送来的。

IP确认包含一个选项，叫作IPsourcerouting，可以用来指定一条

源地址和目的地址之间的直接路径。

对于一些TCP和UDP的服务来说，使用了该选

项的IP包好像是从路径上的最后一个系统传递过来的，而不是来自于它的真实地点。

这个选项是为了测试而存在的，说明了它可以被用来欺骗系统来进行平常是被禁止的

连接。

那么，许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。

2.TCP

如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包，那么IP将把它们向，上？

（专送到TCP

层。

TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路间的连接。

TCP数据包中包括序

号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。

TCP将它的信息送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。

应

用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层，设备驱动程序和

物理介质，最后到接收方。

面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、XWindows和SMTP）需要高度的

可靠性，所以它们使用了TCP。

DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据

库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。

3.UDP

UDP与TCP位于同一层，但它不管数据包的顺序、错误或重发。

因此，UDP不

被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询---应答的服

务，例如NFS。

相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。

使用UDP

的服务包括NTP（网络时间协议）和DNS（DNS也使用TCP）。

欺骗UDP包比欺骗TCP包更容易，因为UDP没有建立初始化连接（也可以称为

握手）（因为在两个系统间没有虚电路），也就是说，与UDP相关的服务面临着更大

的危险。

4.ICMP

ICMP与IP位于同一层，它被用来传送IP的的控制信息。

它主要是用来提供有关通向目的地址的路径信息。

ICMP的‘Redirect?

信息通知主机通向其他系统的更准确

的路径，而，Unreachable?

信息则指出路径有问题。

另外，如果路径不可用了，ICMP

可以使TCP连接，体面地？

终止。

PING是最常用的基于ICMP的服务。

5.TCP和UDP的端口结构

TCP和UDP服务通常有一个客户/服务器的关系，例如，一个Telnet服务进程开

始在系统上处于空闲状态，等待着连接。

用户使用Telnet客户程序与服务进程建立一

个连接。

客户程序向服务进程写入信息，服务进程读出信息并发出响应，客户程序读出响应并向用户报告。

因而，这个连接是双工的，可以用来进行读写。

两个系统间的多重Telnet连接是如何相互确认并协调一致呢？

TCP或UDP连接

唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认：

源IP地址发送包的IP地址。

目的IP地址接收包的IP地址。

源端口源系统上的连接的端口。

目的端口目的系统上的连接的端口。

端口是一个软件结构，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。

一个端口对

应一个16比特的数。

服务进程通常使用一个固定的端口，例如，SMTP使用25、

Xwindows使用6000。

这些端口号是，广为人知？

的，因为在建立与特定的主机或服务的连接时，需要这些地址和目的地址进行通讯。

参考模型

TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。

传统的开放式系统互连参考模

型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型，其中每一层执行某一特定任务。

该模型

的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。

这7层是：

物理层、数据链路层、网

路层、传输层、话路层、表示层和应用层。

而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结

构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

这4层分别为：

应用层：

应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议

（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

传输层：

在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、

用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一

层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。

互连网络层：

负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目

的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。

网络接口层：

对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、

SerialLine等）来传送数据。

IP地址及其分类

在Internet上连接的所有计算机，从大型机到微型计算机都是以独立的身份出现，

我们称它为主机。

为了实现各主机间的通信，每台主机都必须有一个唯一的网络地址。

就好像每一个住宅都有唯一的门牌一样，才不至于在传输资料时出现混乱。

Internet的网络地址是指连入Internet网络的计算机的地址编号。

所以，在Internet

网络中，网络地址唯一地标识一台计算机。

我们都已经知道，Internet是由几千万台计算机互相连接而成的。

而我们要确认

网络上的每一台计算机，靠的就是能唯一标识该计算机的网络地址，这个地址就叫做IP（InternetProtocol的简写）地址，即用Internet协议语言表示的地址。

目前，在Internet里，IP地址是一个32位的二进制地址，为了便于记忆，将它

们分为4组，每组8位，由小数点分开，用四个字节来表示，而且，用点分开的每个字节的数值范围是0~255，女口202.116.0.1，这种书写方法叫做点数表示法。

IP地址可确认网络中的任何一个网络和计算机，而要识别其它网络或其中的计算

机，则是根据这些IP地址的分类来确定的。

一般将IP地址按节点计算机所在网络规

模的大小分为A，B，C三类，默认的网络屏蔽是根据IP地址中的第一个字段确定的。

1.A类地址

A类地址的表示范围为：

1.0.0.1~126.255.255.255，默认网络屏蔽为：

255.0.0.0；

A类地址分配给规模特别大的网络使用。

A类网络用第一组数字表示网络本身的地址，

后面三组数字作为连接于网络上的主机的地址。

分配给具有大量主机（直接个人用户）

而局域网络个数较少的大型网络。

例如IBM公司的网络。

127.0.0.0到127.255.255.255是保留地址，用做循环测试用的。

0.0.0.0到0.255.255.255也是保留地址，用做表示所有的IP地址。

一个A类IP地址由1字节（每个字节是8位）的网络地址和3个字节主机地址

组成，网络地址的最高位必须是“0”即第一段数字范围为1〜127。

每个A类地址理论

上可连接16777214<256*256*256-2>台主机（-2是因为主机中要用去一个网络号和一个广播号），Internet有126个可用的A类地址。

A类地址适用于有大量主机的大型网络。

2.B类地址

B类地址的表示范围为：

128.0.0.1~191.255.255.255，默认网络屏蔽为：

255.255.0.0;

B类地址分配给一般的中型网络。

B类网络用第一、二组数字表示网络的地址，后面

两组数字代表网络上的主机地址。

169.254.0.0至U169.254.255.255是保留地址。

如果你的IP地址是自动获取IP地址，而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器，这时你将会从169.254.0.0到169.254.255.255中临时获得一个IP地址。

一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址

的最高位必须是“10”即第一段数字范围为128〜191。

每个B类地址可连接65534（2人16-2,因为主机号的各位不能同时为0,1）台主机，Internet有16383（2人14-1）

个B类地址（因为B类网络地址128.0.0.0是不指派的，而可以指派的最小地址为

128.1.0.0[COME06]）。

3.C类地址

C类地址的表示范围为：

192.0.0.1~223.255.255.255,默认网络屏蔽为：

255.255.255.0;C类地址分配给小型网络，如一般的局域网，它可连接的主机数量是最少的，采用把所属的用户分为若干的网段进行管理。

C类网络用前三组数字表示网

络的地址，最后一组数字作为网络上的主机地址。

一个C类地址是由3个字节的网络地址和1个字节的主机地址组成，网络地址的

最高位必须是“110”，即第一段数字范围为192〜223。

每个C类地址可连接254台主

机，Internet有2097152个C类地址段（32*256*256）,有532676608个地址

（32*256*256*254）。

RFC1918留出了3块IP地址空间（1个A类地址段，16个B类地址段，256个C类地址段）作为私有的内部使用的地址。

在这个范围内的IP地址不能被路由到

Internet骨干网上；Internet路由器将丢弃该私有地址。

IP地址类别RFC1918内部地址范围

A类10.0.0.0到10.255.255.255

B类172.16.0.0到172.31.255.255

C类192.168.0.0到192.168.255.255

使用私有地址将网络连至Internet，需要将私有地址转换为公有地址。

这个转换

过程称为网络地址转换（NetworkAddressTranslation,NAT）,通常使用路由器来执

行NAT转换。

实际上，还存在着D类地址和E类地址。

但这两类地址用途比较特殊，在这里

只是简单介绍一下：

D类地址不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前四位固定为1110。

D

类地址范围：

224.0.0.1到239.255.255.254。

D类地址用于多点播送。

D类地址称为

广播地址，供特殊协议向选定的节点发送信息时用。

E类地址保留给将来使用。

连接到Internet上的每台计算机，不论其IP地址属于哪类都与网络中的其它计算

机处于平等地位，因为只有IP地址才是区别计算机的唯一标识。

所以，以上IP地址

的分类只适用于网络分类。

在Internet中，一台计算机可以有一个或多个IP地址，就像一个人可以有多个通

信地址一样，但两台或多台计算机却不能共享一个IP地址。

如果有两台计算机的IP

地址相同，则会引起异常现象，无论哪台计算机都将无法正常工作。

顺便提一下几类特殊的IP地址：

1.广播地址目的端为给定网络上的所有主机，一般主机段为全1

2.单播地址目的端为指定网络上的单个主机地址

3.组播地址目的端为同一组内的所有主机地址

4.环回地址127.0.0.1在环回测试和广播测试时会使用

子网的划分

若公司不上Internet,那一定不会烦恼IP地址的问题，因为可以任意使用所有的IP

地址，不管是A类或是B类,这个时候不会想到要用子网，但若是上Internet那IP地址便

弥足珍贵了，目前全球一阵Internet热,IP地址已经愈来愈少了，而所申请的IP地址目前

也趋保守，而且只有经申请的IP地址能在Internet使用，但对某些公司只能申请到一个

C类的IP地址,但又有多个点需要使用，那这时便需要使用到子网，这就需要考虑子网的

划分，下面简介子网的原理及如何规划。

1.5.1子网掩码（SubnetMask）的介绍

设定任何网络上的任何设备不管是主机、个人电脑、路由器等皆需要设定IP地

址,而跟随着IP地址的是所谓的子网掩码（NetMask,SubnetMask）,这个子网掩码主要

的目的是由IP地址中也能获得网络编码，也就是说IP地址和子网掩码合作而得到网络

编码,如下所示：

IP地址

192.10.10.611000000.00001010.00001010.00000110

子网掩码

255.255.255.011111111.11111111.11111111.00000000

AND

NetworkNumber

192.10.10.011000000.00001010.00001010.00000000

子网掩码有所谓的默认值，如下所示

类IP地址范围子网掩码

A1.0.0.0-126.255.255.255255.0.0.0

B128.0.0.0-191.255.255.255255.255.0.0

C192.0.0.0-223.255.255.255255.255.255.0

在预设的子网掩码（NetMask）都只有255的值，在谈到子网掩码（SubnetMask）

时这个值便不一定是255了。

在完整一组C类地址中如203.67.10.0-203.67.10.255子

网掩码255.255.255.0,203.67.10.0称之网络编码（NetworkNumber，将IP地址和子网

掩码作和）,而203.67.10.255是广播的IP地址，所以这两者皆不能使用，实际只能使用

203.67.10.1--203.67.10.254等254个IP地址，这是以255.255.255.0作子网掩码的结果,

而所谓SubnetMsk尚可将整组C类地址分成数组网络编码，这要在子网掩码上作手脚,

若是要将整组C类地址分成2个网络编码那子网掩码设定为255.255.255.128,若是要

将整组C类分成8组网络编码则子网掩码要为255.255.255.224,这是怎么来的，由以上

知道网络编码是由IP地址和子网掩码作AND而来的，而且将子网掩码以二进制表示

法知道是1的会保留，而为0的去掉

192.10.10.193--11000000.00001010.00001010.11000001

255.255.255.0--11111111.11111111.11111111.00000000

192.10.10.0--11000000.00001010.00001010.00000000

以上是以255.255.255.0为子网掩码的结果，网络编码是192.10.10.0,若是使用255.255.255.224作子网掩码结果便有所不同

192.10.10.193--11000000.00001010.00001010.11000001

255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000

192.10.10.192--11000000.00001010.00001010.11000000

此时网络编码变成了192.10.10.192,这便是子网。

那要如何决定所使用的子网掩

码,255.255.255.224以二进制表示法为11111111.11111111.11111111.11100000,变化是在

最后一组,11100000便是224,以三个位（Bit）可表示2的3次方便是8个网络编码子网掩码二进制表示法可分几个网络

255.255.255.011111111.11111111.11111111.000000001

255.255.255.128

11111111.11111111.11111111.100000002

255.255.255.192

11111111.11111111.11111111.110000004

255.255.255.224

11111111.11111111.11111111.111000008

255.255.255.240

11111111.11111111.11111111.1111000016

255.255.255.248

11111111.11111111.11111111.1111100032

255.255.255.252

11111111.11111111.11111111.1111110064

以下使用255.255.255.224将C类地址203.67.10.0分成8组网络编码，各个网络编

码及其广播IP地址及可使用之IP地址序号网络编码广播可使用之IP地址

（1）203.67.10.0--203.67.10.31

203.67.10.1--203.67.10.30

（2）203.67.10.32--203.67.10.63

203.67.10.33--203.67.10.62

（3）203.67.10.64--203.67.10.95

203.67.10.65--203.67.10.94

（4）203.67.10.96--203.67.10.127

203.67.10.97--203.67.10.126

（5）203.67.10.128--203.67.10.159

203.67.10.129--203.67.10.158

（6）203.67.10.160--203.67.10.191

203.67.10.161--203.67.10.190

（7）203.67.10.192--203.67.10.223

203.67.10.193--203.67.10.222

（8）203.67.10.224--203.67.10.255

203.67.10.225--203.67.10.254

可验证所使用的IP地址是否如上表所示

203.67.10.115--11001011.01000011.00001010.01110011

255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000

203.67.10.96--11001011.01000011.00001010.01100000

203.67.10.55--11001011.01000011.00001010.00110111

255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000

203.67.10.32--11001011.01000011.00001010.00100000

其它的子网掩码所分成的网络编码可自行以上述方法自行推演出来。

1.5.3子网的应用

使用子网是要解决只有一组C类地址但需要数个网络编码的问题，并不是解决IP

地址不够用的问题，因为使用子网反而能使用的IP地址会