TCP和IP协议簇1
需积分: 0 62 浏览量
2022-08-04
12:10:15
上传
评论
收藏 13.39MB PDF 举报
TCP/IP：TCP/IP属于协议簇，包含IP或ICMP,
TCP或UDP,TELNET或FTP、以及HTTP等
OSI网络模型
应用层：针对特定应用的协
议
表示层：设备固有数据格式
和网络标准数据格式的转换
会话层：通信管理。负责建
立和断开通信连接，管理传
输层以下的分层。
传输层：管理两个节点之间
的数据传输。负责可靠传
输。
网络层：地址管理和路由选
择。
数据链路层：互连设备之间
的传送和识别数据帧。
物理层：比特流和电信号的
转换，连接器和网线的规
格。
设备
网卡：使计算机联网。
网络接口卡(NIC)，也叫网络
适配器、网卡、LAN卡，
中继器：从物理层延长设
备。
位于物理层，电缆传过来的
电信号和光信号经过中继器
的波形调整和放大后传给另
一个电缆。只负责将电信号
转换为光信号，集线器可以
看作是多个中继器。不能连
接传输速度不同的媒介。
网桥/2层交换机：从数据链
路层上延长网络。
位于数据链路层，连接两个网
络，能识别数据链路层中的数
据帧，并将数据帧临时存在内
存中，再重新生成信号作为一
个全新帧转发给另一个网段。
由于能够存储数据帧，因此可
以连接传输速率不同的数据链
路，不限制连接的网段个数。
网桥通过CRC（循环冗余校验
码）方式校验数据帧中叫FCS的
数据位，若数据帧破坏，则将
损坏数据丢弃，网桥还能通过
地址自学机制和过滤功能控制
网络流量。
MAC地址、硬件地址、物理地
址、适配器地址都是针对NIC分
配的具体地址。
网桥也称为2层交换机。有些网
桥能判断是否将数据报文转发
给相邻的网段，这种网桥叫自
学式网桥，它会记住转发的所
有数据帧的MAC地址，并保存
到自己的内存表。
交换集线器也属于网桥的一
种，它每个端口都能提供网桥
的功能。
路由器/3层交换机：从网络
层转发分组数据。
位于网络层，连接两个网
络，并对分组报文进行转
发。网桥根据MAC地址进行
处理，路由器则根据IP地址
进行处理。路由器可以分担
网络负荷，有的还有网络安
全功能。
4-7层交换机：处理传输层
以上各层网络传输的设备。
负责从传输层到应用层的数
据，如负载均衡器，可以将
访问分发到不同服务器，还
有宽带控制功能，优先传输
优先级较高的通信请求。还
有如广域网加速器，特殊应
用访问加速以及防火墙等。
网关：转换协议。
网关负责传输层到应用层的
数据转换和转发，与4-7层
交换机一样转发传输层以上
的数据，但是同时还对数据
进行转换。如代理服务器，
防火墙等。
分层中数据包的结
构
发送数据包（自顶
而下）
应用层处理：由协议决定编
码规则，相当于OSI的表示
层，定义“目的地址”，不一
定发送端确认发送后就会立
即发送，有些通信的建立还
需要接收端的确认，如有些
邮件可能要用户点击收信。
宽泛来说属于OSI的会话
层。应用在触发“连接”的功
能后，建立起TCP连接，这
时将应用层封装好的“数据”
送到传输层的TCP。
传输层：TCP根据应用的指
示（会话层）建立连接，发
送数据以及断开连接。TCP
提供将应用层封装的数据发
送到对端的可靠传输。
在应用层数据前端附加一个
TCP首部，TCP首部包括源
端口号和目标端口号（识别
发送主机和就收主机的应
用），序号（用以发送的包
中哪部分是数据）以及校验
和（判断数据是否损坏），
附加了TCP首部的报文段发
送给IP。
网络层：IP将包含TCP首部
和TCP数据的当作自己的数
据，在TCP首部的前端加上
IP首部。
IP首部包含接收端IP地址，
发送端IP地址，还有协议类
型用来判断后面的时TCP还
是UDP信息。
IP包生成后，参考路由控制
表决定接受此IP包的路由或
者主机，如果不知道接收端
的MAC地址，则利用ARP协
议查询，然后将MAC地址和
IP地址交给以太网的驱动程
序。
数据链路层：将IP包看作数
据，给数据前端附上以太网
首部，包括接收端MAC地
址，发送端MAC地址以及标
志以太网类型的以太网数据
的协议，FCS位由硬件计算
添加到包最后。FCS可以用
CRC检测数据包是否因为噪
声损坏。
接受数据包（自下
而上）
数据链路层：从以太网包首
部找到MAC地址，判断是否
时发给自己的包，如果不是
则丢弃数据。如果是，则查
找首部中的以太网类型域，
确定传送过来的数据类型是
IP还是ARP等，传给对应的
协议处理，如果无法识别协
议类型则丢弃数据，
网络层：IP模块（例）收到
IP包首部和后面的数据部
分，判断IP地址和自己的地
址是否匹配，匹配则传输给
上一层，根据协议类型判断
传输给什么协议，有路由器
的情况下，往往IP地址不是
自己的地址，这个时候就要
根据路由控制表判断应该送
达的主机或者路由器。
传输层：TCP模块中（例）
首先计算校验和，判断数据
是否损坏，然后检查序号，
判断是否按照序号接收数
据，最后检查端口号，确定
程序。数据接收完成后，接
收端会发送一个确认回执给
发送端，如果确认回执没到
达发送端，发送端会认为接
收端没有接收到该数据而重
复发送。
应用层：接收到应用层协议
对应编码方式的数据，根据
协议解码，转换成可以被后
台应用或者其他应用处理的
格式，显示给用户。
数据链路层是对同一个数据
链路中的节点进行包传递，
而网络层可以跨越不同的数
据链路，实现不同链路上的
包传递。
MTU（最大传输单位）：不同的数据链路具有不同的
MTU，因此网络层协议会对传输层数据进行分片，以满
足不同数据链路的要求。
TCP/IP各层对邮
件的收发
IPv6：为了根本上解决IPv4地址耗尽问题。IPv4地址
长度为4个八位字节，即32比特。而IPv6为IPv4的4
倍，即128比特。一般写成8个16位字节。IPv6标准化实
现了很多IPv4需要管理员实现的地方。
特点：
1. IP地址扩大，路由控制表聚合。
2. 性能提升。包首部长度采用固定
值（40字节），不用使用首部检验
码。简化首部结构，减轻路由器负
荷，路由器不再分片处理。（通过
路径MTU发现只由发送端主机进行
分片处理）。
3. 支持即插即用，即使没有DHCP
服务器也可以实现IP自动分配。
4. 采用认证与加密功能，应对伪造
IP地址的网络安全功能以及防止线
路窃听的功能。
5. 多播、Mobile IP被定义为IPv6
扩展功能。
IPv6中IP地址的标记方法。
IPv6地址结构：互联网通信中使用全局单播地址，也是互联网中唯一地址，不需要正是分配
IP地址。
私有网络中，可以使用唯一本地地址，像IPv4私有地址一样。
同一个以太网网段中可以使用链路本地单播地址。
构建多种类型IP地址的网络中，同一个链路中可以使用全局单播地址以及唯一本地地址。
IPv6环境下可以将这些IP全部配置在一个NIC上。
全局单播地址：世界唯一一个的地址，是通信中最为常用的一个IPv6
地址。前64比特为网络标识，后64比特为主机标识。
链路本地单播地址：同一个数据链路中唯一的地址，不经过路由器。接
口ID通常是MAC地址。
唯一本地地址：不进行互联网通信时的地址，企业内部网络与互
联网通过NAT或网关（代理）通信。唯一本地地址会尽可能随机
生成一个唯一全局ID。
IPv6分段处理：IPv6分片处
理旨在发送端主机进行，路
由器不参与分片，减少了路
由器负荷，提高了网速。对
于有资源限制的设备，可以
直接以IPv6的最小MTU发
送。
IPv4首部
版本：4比特，表示IP版本
号，IPv4就是4。
首部长度：4比特，单位是4
字节，表示首部大小，如首
部长度设置为“5”，IP首部长
度为20字节。
区分服务（TOS）：值通常由应用指定，由于
TOS实现复杂困难，因此不怎么投入使用。
总长度：IP首部和数据部分
合起来的总字节数，字段长
16比特，因此IP包最大为
标识：16比特，用于分片重
组，同一个分片的标识相
同，不同的分片标识不同。
即使ID相同，目标地址，源
地址或者协议不同的话，也
会认为是不同分片。
标志：3比特，表示分片相关信息。
片偏移：13比特，每一段对
于原始数据的位置，第一个
分片对应的值为0.可最多表
示8192个相对位置。
生存时间（TTL）：8比特，
被路由转发一次，TTL减少
1，直到变成0则丢弃该包。
首部校验和：16比特（2字
节）只校验首部，不校验数
据，防止IP数据报被破坏，
校验和的计算方式是以16比
特为单位换份IP首部，用1补
数计算所有16位字的和，最
后将这个和的1补数付给首部
校验和字段。
1补数：0和正数的1补数就是
其本身的二进制数，负数的1
补数是其有符号数除符号位
外的反码。
源地址：发送端IP，32比
特。
目标地址：接收端IP，32比
特。
可选项：长度可变，实验或
诊断用，包含安全级别、源
路径、路径记录、时间戳。
填充：首部长度需要时32比
特的整数倍，因此填充字段
填0补充长度。
数据：上层协议包数据。
IPv6首部：与IPv4相比省去了首部校验和字段，路由器不需
要计算校验和，提高了包的转发效率，分片处理识别码称为
可选项。
版本：4比特，IPv6为“6”.
通信量：8比特，相当于
IPv4的TOS字段。
流标号，20比特，用于服务
质量（QoS）控制，不使用
时全部置0。用于采用QoS
的路由器，根据RSVP协议
对流标号设置，若需要QoS
则路由器将流标号作为查找
关键字，迅速从服务质量控
制信息中查找并做处理。只
有流标号、源地址、目标地
址完全一致才是一个流。
有效载荷长度：有效载荷是
指包的数据部分，IPv4的TL
指包的总长，IPv6的这个PL
不包括首部，指标是数据部
分长度（包含可选项）。
下一个首部：相当于IPv4中
的协议字段，8比特，表示
后一个协议类型（后面是扩
展首部则是第一个扩展首部
的协议类型）。
跳数限制：8比特，与TTL意
思相同。
源地址：128比特，发送端
地址。
目标地址：128比特，接收
端地址。
IPv6扩展首部：位于IPv6首
部和TCP/UDP首部之间，
ARP：用来以目标IP地址为
线索，定位下一个应该接受
数据分包的网络设备的MAC
地址。如果目标主机不在同
一个链路，ARP可以查找下
一跳路由器的MAC地址。只
适用于IPv4，不能用于
IPv6。IPv6用ICMPv6代替
ARP发送邻居探索消息。
同一链路下，已知对方的IP地址，主机A为了获取主机B的
MAC地址，先通过广播发送一个ARP包，包中包含了主机
A想要直到的主机B的IP地址，广播的包可以被同一链路下
的所有设备接收到解析，若ARP包中的IP地址和自己的IP
地址一致，那么就将自己的MAC地址塞入ARP响应中返给
主机A。主机A收到主机B的ARP响应中的MAC地址后，将
这个MAC地址缓存一段时间，放到ARP缓存表中。下次向
这个IP地址发送IP包就不用发送ARP请求了。同时接受
ARP请求的主机B也会把发送端主机A的MAC地址信息缓存
起来，根据MAC地址返回ARP响应。MAC地址的缓存有有
效期，超过就会清除，这样可以避免MAC和IP地址的对应
关系发生变化。
不同链路下，ARP包被广播，路由器C和D都会收到ARP消息，
路由器C判断可以发送IP包，而路由器D会判断没法送到主机B，
因此路由器D不会响应ARP请求，且不会对广播的MAC地址进行
转发，那么主机A和C就会在ARP缓存表中记录互相的IP地址，
由此可以进行跨链路的转发。
如果没有IP地址只有MAC地址，那么就无法知道一个机器的位
置，自学式网桥就需要向全世界发送包，这肯定不行，所以必须
有IP地址确定位置减少不必要的记录。
RAPP:ARP协议反过来，从
MAC地址定位到IP地址，个
人电脑可以设置IP地址也可
以通过DHCP协议自动分配
IP地址，但是对于嵌入式设
备，会有没有任何输入接口
或无法通过DHCP动态回去
IP地址的情况。
RARP服务器：负责注册设备的MAC地址和IP地址。
代理ARP：ARP包因为是广
播的形式，所以一般被路由
器隔离，采用代理ARP的路
由器可以将ARP请求转发到
邻近的网段。
NAT-PT:将IPv6首部转换成，解决了IPv4和IPv6的通信问题。
NAPT，对带端口号的IP地址进行转换。在TCP首次握手的SYN包发出
后，生成表，发出关闭连接的FIN包删除表中记录。
NAT的潜在问题：
无法从NAT的外部向内部服务器建立连接。
转换表的生成与转换操作都会产生一定的开
销。
通信过程中一旦NAT遇到异常重启，所有TCP
连接都会重置。
即使两台NAT做容灾备份，TCP还是会断开。
解决NAT潜在问题：
1. 改用IPv6，所有设备都用全局IP。
2. 在NAT内侧主机上运行NAT友好的应用程
序（发虚拟网络包给NAT外侧，NAT不知道这
个虚拟包是什么）让转换表生成的合理，就能
够实现外侧与内侧主机的通讯，应用与NAT路
由器通信生成NAT表，通过一定方法将NAT路
由器附属全局IP地址传给应用。
一个通信通过“源IP地址”，“
目标IP地址”，“协议号”，“
源端口号”，“目标端口号”5
个信息来识别。
适用方面：
包总量较少的通信（DNS，SNMP等）
视频、音频等多媒体通信
限定于LAN等特定网络
广播通信（广播，多播）
包的序列号用来让客户端避
免接收到重复的包。
重发超时间隔确定：计算往返时间（RTT），在Unix和Windows系统中，超时都以0.5秒
为单位进行控制，因此重发超时都是0.5的整数倍。由于最初的数据包不知道往返时间，一
般设置为6秒左右。重发后若还是收不到应答，则确认应答的时间以2倍，4倍指数函数增
长。重发达到一定次数后，则判断接收端异常，强制关闭连接。并通知应用通信异常而终
止。
通信连接管理（三次握手，四次挥手）：UDP是
无连接的，所以不用管理连接。TCP通过TCP首部
发送SYN包作为建立连接的请求等待确认应答。
此外在结束通信时，客户端会发送通知断开连接
的FIN包。TCP连接的建立和断开要来回发送7个
包完成。
为什么要三次握手，四次挥手？
第一次握手：服务端确认客户端的发送能力，服务端确认自己的接受能力。
第二次握手：客户端确认服务端的发送和接受能力，客户端确认自己的接受和发送能力。
第三次握手：服务端确认客户端的接受能力。
三次握手让服务端和客户端确认了自己和对方的接收发送能力。
四次挥手：建立连接的时候， 服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把
ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，
而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方
后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，
从而导致多了一次。在客户端发送ACK后还要等待2MSL（Maximum Segment Lifetime）是为
了避免ACK包丢失的情况下，服务端不知道客户端已确认关闭连接而重复发FIN包。
通过ACK（确认应答）来实现可靠
的数据传输。
发送成功，确认应答
发送失败，重传
确认应答发送失败，重传
MSS：TCP在建立连接的同时，可以确定发送数据包的单位，“最大消息长度”（
MSS：Maximum Segment Size），理想情况下最大消息长度正好是IP中不会
被分片处理的最大数据长度。TCP在传输大量数据时，是以MSS的大小将数据进
行分割发送的，进行重发时也是以MSS为单位，MSS在三次握手时，在两端主机
计算出，在发出建立连接请求时，TCP首部会写入MSS选项，告诉对方自己的接
口能够适应的MSS大小，然后在两者之间选择较小的值投入使用（如果某一方
MSS被省略则选择默认IP包不超过576字节的值即576-20（IP首部）-20（TCP
首部）=536字节）。
TCP滑动窗口：由于TCP是将一个报文分为报文段后发送的，那么必然存在多次发送才能
发完一个报文的情况。如果每一次发送TCP包都需要一个确认应答，那么网络的吞吐量就
会大程度上受往返时间的影响，因此要有发送方和接收方都要一个缓存来确保多次发送包
的可靠性同时增加了TCP连接的数据吞吐量以及网络利用率。
发送窗口的大小取决于接收方的大小（流控制）。TCP 头里有一个字段
叫 Window，也就是窗口大小。这个字段是接收端告诉发送端自己还有
多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能
力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。发送方发送的数据大小
不能超过接收方的窗口大小，否则接收方就无法正常接收到数据。由于
网络时延的存在，接收窗口和发送窗口的大小关系是约等于的。
发送端的报文段分为：
已发送并收到ACK的、已发送未收到ACK的、未发送可发送的（即在对方接收窗口大小内
的）、未发送不可发送的（即超出对方接收窗口大小了）
可发送的报文段全部发送了，可用窗口为0
收到ACK=36，表示前面36个序号的包全部确认接受了，因此发送窗口向右滑动5个字节，接收端发送确
认序号必须是按照顺序发的，这样才能保证发送窗口顺序滑动。长时间收不到确认应答则会重发报文段。
不需要等待确认应答，一次发送多条消息，而这个“多条消息”的上限，由滑动窗
口机制决定。
窗口控制和重发控制：接收端就算收到的序号不连续，也不会丢弃，而是会不断给
发送端发送确认收到的序号确认应答，接收端收到三次这样的确认应答后就会重发
没有发送成功的报文段。
即使收不到确认应答，也不影响后续的报文段发送，除非收到三次相同的确
认应答，那么才会重传发送失败的报文段。
拥塞控制：TCP滑动窗口控制是以连接为单位，顾好连接的发送端
和接收端之间的数据收发，保证可靠性，吞吐量和利用率。但是网
络是一个共享的环境，因此会出现某个时刻有大量的通信使网络拥
堵。为了防止在通信刚开始就发送大量数据，使得本来就拥堵的网
络瘫痪。TCP在通信开始会通过慢启动算法计算出数值。对发送数
据量进行控制。
拥塞窗口：在慢启动最开始，也就是
连接建立后刚开始发送消息时，拥塞
窗口的大小设置为一个报文段（
1MSS），之后没收到一次确认应答
ACK，拥塞窗口的值就+1.发送数据包
时，将拥塞窗口和接收端的接收端口
大小比较，取较小的值，发送比其更
小的数据量。
拥塞窗口以指数增长为了避免拥堵激
增，引入了慢启动阈值。
拥塞窗口越大，确认应答的数目就会增加，没收到一个确认应答，窗口涨
幅就减少，当刚开始通信时，并不会设置慢启动阈值，因此以拥塞窗口指
数增长，在超时重发时（一般是拥堵了）设置慢启动阈值为此时拥塞窗口
大小的一半，与高速重发不同（三次确认应答则重发发送失败的报文
段），触发超时重发机制的拥堵要更轻一些。触发高速重发机制后，慢启
动阈值被设定为当时窗口的一半，然后将窗口大小设置为该慢启动阈值+
3个数据段的大小。
提高网络利用率：
1. Nagle算法：延时发送少
部分数据，只有满足①已发
送的数据都已经收到确认应
答，②可以发送最大段长
度（MSS）的数据。但是由
于可能造成延时，因此往往
不使用。
2. 延时确认应答：避免每次
都立刻进行确认应答造成，
发送端接收到一个小的接收
窗口上限，但可能接收端已
经处理好了数据因此实际的
接收窗口会大一些。这就降
低了网络利用率。因此没有
收到两个包（或者有的是没
有收到2*MSS）前不做应
答，其他情况下最大延时0.5
秒（有的操作系统为0.2
秒）。
3. 捎带应答：在根据应用层
将TCP确认应答放在应用层
响应一起，这样可以使收发
数据量减少。但是这导致接
受数据后无法立刻返回应
答，而是要等应用层程序处
理完成。
延时应答
流控制：Window字段由接收端返回，告诉发送端自己还能接受的窗口大
小，当窗口为0，过了重发超时时间后，还没收到确认应答更新窗口大小的
话，发送端会发送窗口探测的数据包。
校验和的目的（扩展）：数
据链路层中使用FCS位可以
用CRC检查噪声干扰出现的
位错误。但是无法检查路由
器（网络层）内存故障或程
序漏洞导致的数据破坏。
TCP首部
源端口号：发送端端口号：
长16位。
目标端口号：接收端端口
号，长16位。
序列号：长32位，指发送数
据的位置。每发送一次，就
累加一次该数据字节数的大
小。由随机数为初始值，
SYN包和FIN包都会增加序
列号。
确认应答号：长32位，下一
次应该收到的数据的序列
号。指已经确认收到的应答
号减一为止的所有数据。
数据偏移：可以看作TCP首
部的长度，长4位，单位4字
节。（如5，表示20字
节）。
保留：以后扩展使用。长4
位。
控制位：长8位。
CWR,ECE用于IP包的ECN字段，ECE置1则代表网络拥塞，通知
对方拥塞窗口缩小。
URG为1表示有紧急处理的数据。
ACK确认应答，TCP规定除了最初建立连接时的SYN包以外该
位必须置1.
PSH为1，表示需要将收到的数据立刻传给上层应用协议，为0则
不需立刻传，先进行缓存。
RST为1表示TCP连接中出现异常必须强制断开连接。
SYN用于建立连接，为1表示希望建立连接，并初始化序列号。
FIN表示不会有数据再发送，希望断开连接。收到FIN包不用立
刻回复FIN包（四次挥手），等缓冲区所有数据发送成功被自动
删除后再发。
窗口大小：长16位，表示从
相同TCP首部确认应答号所
指位置开始能接受的数据大
小。窗口为0，则发送窗口
探测，了解最新窗口大小，
但是数据必须是一个字节。
校验和：TCP校验和无法关
闭，和UDP一样使用伪首
部，在数据部分最后填充0.
将TCP校验和字段设置为
0，然后以16位为单位进行1
的补码和运算，再将它们综
合的1的补码和放入校验和。
紧急指针URG：长16位，
URG控制位为1，则该字段数
值表示报文段中紧急数据的
指针。
选项：类型2，MSS用于在
建立连接时确定最大段长
度。
类型3，窗口扩大，改善
TCP吞吐量。因为TCP首部
的窗口字段只有16位，在一
个RTT内，最大只有64K字
节的数据发送，采用该选项
可以扩展到1G字节。
类型8：时间戳，区分新老
序列号。
类型4，5选择确认应答（
SACK）
NAT：在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时使用全局IP
地址。可以缓解IPv4地址枯竭的问题。NAT路由器内部有一张自
动生成的转换地址的表，当发送端主机发送第一个包时生成表记
录，之后按照映射关系处理。
IP多播相关技术：IGMP(MLD)向路由器表明想
要接受多播消息，并告知想接受多播的地址，
向交换集线器通知想要接受多播的地址。
IP任播相关技术：最典型的就是DNS根服务
器。
UDP首部
源端口号：字段长16位，也
可以没有端口号，可选项，
没有源端口号则置0.
目标端口号：接收端端口，
长16位。
包长度：UDP首部长度和数
据长度之和。单位字节。
校验和：计算方式为将校验
和字段全部设为0，然后以
16比特为单位进行1的补码
和，将所得到的1的补码和写
入校验和字段。
广播地址：广播分为本地广播和直接广播。
本地广播：在本网络内的叫本地广播，即网络地址为192.168.0.0/
24的情况下，广播地址为192.168.0.255，广播地址的IP包会被路
由器屏蔽，因此不会到达到192.168.0.0/24以外的链路上。
直接广播（有安全问题，一般路由器设置为不转发）：不同网络之
间的广播叫做直接广播，从192.168.0.0/24的主机向192.168.1.
255/24发送IP包，收到这个包的路由器会直接将数据发给192.
168.1.0/24从而使192.168.1.1~192.168.1.254的主机都收到这个
包。
多播用于将包发送给特定组内的所有主机。多播使用D类地址，
DHCP协议
DHCP中继代理：用于大型网络中（多个以太网）。
工作机制：DHCP服务器上配置需要分配的IP地址，还有
相应的子网掩码，路由控制信息和DNS服务器地址。为了
避免分配的IP地址冲突：
DHCP服务器在分配IP地址前发送ICMP回送请求包，确
认没有返回应答。
DHCP客户端针对获得的IP地址发送ARP请求包，确认没
有返回应答。
ICMPv6：ICMP仅
作为辅助作用支持
IPv4，IPv6没有
ICMPv6无法通
信。融合了ARP,
ICMP重定向，
ICMP路由器选择
消息，自动设置IP
地址等功能。
邻居探索：邻居请求消息用于查询IPv6地址和MAC地址的对应关
系，利用IPv6多播实现传输。IPv6由于实现了即插即用功能，没有
DHCP服务器的环境也能实现IP地址获取，如果是一个没有路由器的
网络，就是用MAC地址作为链路本地单播地址。如果有路由器，可
以从路由器获得IPv6地址的前面部分，后面部分由MAC地址设置。
ICMP协议：基于
IP协议工作，提供
尽力而为的服务。
功能：确认IP包是否成功送
达目标地址，通知在发送过
程中IP包被废弃的具体原
因，改善网络设置。这样就
可以获得网络是否正常，设
置是否有误，设备有何异常
的信息。所以说ICMP协议用
于实验和诊断错误。
通过IP协议，返回ICMP包给主机A。
ICMP消息类型：
目标不可达：错误代码是1，指路由表中没有该主机或者主机未联网。
错误代码4用来路径MTU发现。
重定向：ICMP会告诉发送端一个更优的路径。
超时消息：IP包中的TTL减到0时，IP包被丢弃，路由器发送ICMP超时
消息给发送端，主要用于避免循环转发。
回送消息：ping依靠回送消息实现。判断数据包是否到达对端。
原点抑制：缓和拥堵情况，当发生拥堵时，回发该类ICMP消息，打开
IP包传输间隔，但可能引起不公平网络通信，一般不使用。
路由器探索消息：用于发现与自己相连的网络中的路由器。
地址掩码消息：获取子网掩码信息。
重定向
通信质量控制协议
IntServ：在有必要的时候通
过路由器设置，对传送的包
进行质量控制，很复杂。通
过RSVP协议实现。
DiffServ：针对特定的网络进行粗粒度的质量控制，通过IP中的
DSCP字段实现，设定IP包的优先顺序
ECN：实现显式拥塞通知。
数据链路层
MAC地址：长度48比特，
第1位：单播地址（0）/多播
地址（1）
第2位：全局地址（0）/本
地地址（1）
第3-24位：由IEEE管理保证
各厂家之间不重复。
第25-48位：由厂商管理保
证产品之间不重复。
MAC地址可以保证同一数据
链路下的寻址。
根据MAC地址转发：以太网交换机就是持有多个端口的网桥，其
内部有一个用来记录对应端口和发送目的地MAC地址的转发表，
这个表不是设置的，而是自学生成的，类似于缓存。如果收到的
MAC地址由对应的端口转发记录，那么就交由那个端口直接转
发，如果没有记录，则将“未知”的MAC地址交由所有端口转发，
由响应可以得知MAC地址和端口的对应关系，于是自学到了记
录，下次再收到这个MAC地址，便直接由对应端口转发。
交换机转发方式：
1. 存储转发：接受完整个帧后，检查数据帧末尾的FCS位后再转
发，可以避免错误帧的发送。
2. 直通转发：不需要接受整个帧再转发，只需要得知目标地址就
可以开始转发，因此有延迟短的优势，但是可能转发错误帧。
帧：帧本体的前端是以太网的首部，后面是帧的数据，帧的尾
部是FCS位。。
帧头部：总共有14个字节，分别是6个字节目标MAC地址，6个
字节源MAC地址，2个字节上层协议类型，以编号标志协议类
型。
数据：能容纳46-1500个字节，即网络层数据报。
帧尾：FCS（帧检验序列）4个字节。检验帧是否在传输中受噪
声干扰损坏是存储转发避免错误帧发送的关键。
前导码：在一个帧的前端有一个叫做前导码的部分，前导码由
8个8位字节组成，末尾两位是叫SFD的域，值是“11”，除了SFD
外，前导码由1和0交替组成，告诉对端网卡这是一个帧的开
始。
UDP协议的区别：区别在于UDP不会重发，下一个消息会分片
路径MTU发现：分片机制有它的不足，它加重了路由器的负担，因此
要尽可能在发包的时候就避免IP包被分片，其次分片后一旦某个分片丢
失，那么整个IP报就要作废。为了避免这些问题，就有了路径MTU发
现方法，路径MTU发现是指从发送端主机到接收端主机，不需要分片
时最大MTU的大小，即整个通路上最小的MTU的大小。在主机就按照
路径MTU的大小对数据包进行分片，就可以避免中途路由器的分片处
理，分担了路由器的压力，TCP也可以发更大的包。
也可以在TCP协议中应用路径MTU方法找到最大段长度MSS，这样IP
层就不会再进行分片。如上图TCP情况下的路径MTU发现。
工作原理：首先在发送端主机发送的IP数据报首部的分片禁止标志位设
置为1，这样需要分片的大包也不会去分片，而是直接被路由器丢弃。
通过ICMP的不可达消息将整个数据链路上的最小MTU发送回发送端主
机。下一次，发送给同一目标地址的IP数据报就会设置这个MTU为当
前MTU，按照这个MTU对数据报进行分片，如此反复，直到数据报被
发送后发送端不再受到ICMP位置，就认为最后一次ICMP带回来的
MTU大小为最终大小，在MTU缓存较多的时候，MTU最少缓存10分
钟。过了十分钟后必须再次进行路径MTU发现。
IP报文分片和重组：路由器进行分片但不会进行重组。
传输层
定义：由IP协议传输到目标
IP地址后，解包IP数据报，
可以知道用的什么传输层协
议，由传输层协议包含的信
息（端口号）判断接受的应
用程序。
通信：服务端程序在UNIX系统中称为守护进程，例如HTTP服务端程序是httpd（HTTP守护进程），
ssh服务端程序是sshd。在UNIX中不用挨个启动，而是启动一个inetd服务程序，它可以在收到客户端
请求后创建新进程转换成sshd等各守护进程。通过端口号可以判断是发给的哪个守护进程。
TCP：面向连接的，可靠的
流协议。流就是指不间断的
数据结构，提供可靠性传
输，实行“顺序控制”和“重发
控制”机制，提供“流控制”，
“拥塞控制”，、提高网络利
用率等众多功能。
UDP：不可靠的数据报协
议，可以确保发送消息的大
小，但是不保证一定到达。
因此应用有时会根据需要重
发。
端口号（port）：数据链路
依赖MAC地址寻址，网络层
依赖IP地址，前者用来识别
同一链路的不同计算机，后
者用来识别TCP/IP网络中的
计算机和路由器。而传输层
对应的“地址”就是端口号，
它用来识别同一台计算机中
通信的不同应用程序，也称
为程序地址。
端口号的分配：
静态分配：每个应用程序有
指定的端口号。
动态分配（时序分配）：客
户端应用程序没必要确定端
口号，因此可以交给操作系
统分配。（49152-65536之
间）
网络层
数据链路层和物理层的设备
不具有IP地址，也就是网桥/
2层交换机，中继器等不具IP
地址，路由器及以上的设备
具有IP地址。
路由控制
跳：一跳指的是在数据链路层以下分层的传输的一个区
间，即路由或主机到路由或主机为一跳。
多跳路由：指路由器或主机转发IP数据报时只指定下一个
路由或者主机，而不是将到最终目标地址为止的所有通路
都指定出来。
路由控制表：每个主机维护一个路由控制表，分为静态路由
表和动态路由表，
静态路由：是由管理员在路由器中手动配置的固定路由，路
由明确地指定了包到达目的地必须经过的路径。（坏处是除
非工作人员设置，否则无法绕过故障点。）
动态路由：是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信
息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。（需要配置
路由协议）
最长匹配：若控制表种存在多条相同网络地址的记录，则选
择一条最吻合即相同位数最多的地址转发。若没有匹配的记
录则转发给默认路由。
主机路由：不通过网络地址路由，直接通过主机网卡上的IP
地址进行路由。
环回地址：同一台计算机的程序间进行通信的地址，如127.
0.0.1或者localhost。
路由协议被分为两大类。一
类是外部网关协议EGP（
BGP），一类是内部网关协
议IGP（RIP,RIP2,OSPF），
根据EGP在区域网络之间进
行路由选择，根据IGP在区
域网络内部进行主机识别。
路由选择算法
距离向量算法：根据距离和
方向决定目标网络或目标主
机位置。由于只有距离和方
向的信息，网络构造很复
杂，需要等待一定时间直到
路由收敛，容易发生路由循
环问题。
链路状态算法：每个路由器
中都持有相同的路由控制信
息，通过同步路由信息使网
络中的路由信息达到稳定状
态，但是从网络代理获取路
由信息表相当复杂。
IP属于无连接型协议，这样的好处是简化和提速。和UDP
一样都是尽力服务。
IP地址由网络标识和主机标识组成。
IP地址分类：
A类：首位以0开头。第1-8位是它的网络标识，从0.0.0.0~127.0.0.
0，后24位是主机标识。
B类：前两位是10，第1-16位是网络标识，从128.0.0.1~191.255.0.
0，B类后16位为主机标识。
C类：前三位是110，第1-24位是网络标识，从192.168.0.0~239.
255.255.0，后8位是主机标识。
D类地址：前四位为1110，第1-32位是网络标识，从224.0.0.0~239.
255.255.255，D类没有主机标识，常用于多播。
分配IP的主机地址时，全0和全1是保留地址，不可以用。全0表示对
应的网络地址和IP地址不可知的情况使用，全为1的通常作为广播地
址。这也是C类只有254个地址的原因
子网掩码：子网掩码将网络划分的更细，将原来A,
B,C,D分类中的主机地址部分作为子网地址，可以
将原本的物理网络划分为更小的“逻辑”网络。
引入了子网后，IP地址就有了两种识别码，一个是
IP地址本身，一个是子网掩码。子网掩码对应IP地
址网络标识的位全为1，对应IP地址主机标识的部分
全为0.
子网掩码有两个特殊地址，当子网掩码的主机地址
全为0时，表示该网络地址，当子网掩码的主机地
址全为1时，表示该网络的广播地址。
CIDR（边界网关协议）：给
了让多个网络段合成一个网
络，但是子网掩码长度采用
固定长度。
VLSM（可变长子网掩
码）：将域间路由协议转换
为RIP2以及OSPF实现。可
以改变子网掩码长度。提高
了IP地址利用率。
全局IP（公网IP）和私有IP：全局IP必须全球唯一，私
有IP需要在同一个域内唯一。私有IP的分类为：
A类10.0.0.0~10.255.255.255（10/8）
B类172.16.0.0~172.31.255.255（172.16/12）
C类192.168.0.0~192.168.255.255（192.168/16）
通过NAT技术实现了私有IP连入互联网
控制路由表的聚合：对内多个子网掩码，对外为一个网络地址，可以有效减少路由
表的大小，
IP隧道：中间网络为不同协议的网络
时，让IP包可以通过。
用IPv4包装后再传
IP隧道实现多播
链路状态数据库和路由控制表，根据链路状态数据库可以采用Dijkstra
算法生成相应的路由控制表。如果网络过于复杂，拓扑数据库过大，
则计算就很困难，因此OSPF引入区域的概念，在物理上将自治系统分
为主干区域和连接区域，路由器因此只需要计算内部区域的路由表。
OSPF包：以hello包确认连接（一般10秒一次，空等3次，第四次仍无响应
则断开，以链路状态更新包通知其他路由器网络状态的变化），数据库描述
包确认版本和摘要，如果版本较老，则发出一个链路状态请求包，请求路由
控制信息，然后链路状态更新包接受状态信息（链路更新包传达的消息，一
是网络LSA，用来表示这个网络与哪些路由器相连，二是路由器LSA，用来
表示路由器与哪些网络相连）。最后发送链路状态确认包通知大家本地收到
了路由控制信息。
Dijkstra算法：搜索算法的一种，属于广度优先算法（
BFS）对路径赋权后的扩展，如果所有路径的权值相同则等
同于BFS，Dijkstra算法：
初始化：
起点初始化（dist=0，past=NULL，visit=1）
其他节点初始化（dist=无穷，past=起点，visit=0）
循环：对于所有节点
循环：对于所有【不确定到起点最短距离】的节点，找出
距离起点最近的节点并记录距离
更新找出的节点的状态（visit=1）
循环：对于所有【不确定到起点最短距离】的节点
计算它到刚才找出的节点的距离
如果节点经过刚才找出的节点到起点的距离小于节点直接
到达起点的距离
更新节点的状态（dist=找出的节点的dist+找出的节点
到该节点的距离，past=找出的节点）
路由协议
RIP：将路由控制信息定期（30秒一次）广播，如果没有收到
路由控制信息就断开连接。（等待5次，6次即180秒未收到路
由信息就会关闭连接）
路由控制的范围要注意1. IP地址分类产生的不同网络地址时；
2. 构造网络地址长度不同的网络环境时。
触发更新：一旦路由控制信息发生变化，就不等待30秒，立刻
发出去控制信息，这能改善产生正确路由信息的时间。
毒性逆转：当网络中发生链路断开，将这个无法通信的消息传
播出去，即发送一个距离为16的消息（最长距离一般为16，避
免无限计数问题，为了规避这个问题，还规定不再把收到的路
有消息原路返回给发送端）。
RIP2：比起RIP协议，改进之处在于：
使用多播：比其RIP使用广播，减少了网络流量，缩小了对无关主机的
影响。
支持子网掩码：交换的路由信息中加入子网掩码。
路由选择域：同一个网络中可以使用逻辑上独立的多个RIP。
外部路由标志：从BGP等获得的路由控制信息通过RIP传递到AS。
身份验证密钥：携带密码，能识别密码才接受数据。
OSPF：链路状态型路由协议，路由器之间交换网络拓扑信息。RIP是选
择路由个数最少的路径，而OSPF是选择代价较小的路径，完整的网络
拓扑结构给了OSPF找出最短路径的基础。OSPF为每个链路赋权，以路
径的总权重来选择路径。
简单网络中，相邻路由器可以互相交换路由信息。复杂网络中指定路由
器以它为中心交换路由信息。
RIP中只有一种包来确认网络连接和传送网络信息，这导致网络个数越
多，交换信息越大。OSPF中根据作用有5种包，
BGP：边界网关协议用来连
接不同自治系统，属于
EGP（外部网关协议）用于
ISP之间相连接的部分。
BGP为每个自治系统分配一个16比特的AS编号，根据AS编号，BGP
进行控制。BGP是路径向量协议，BGP中数据包送达目标网络时，会
产生一个经过所有AS的编号列表，即AS路径信息访问列表。BGP会
选择一个较短的路由访问，路径向量协议可以避免无限计数问题。
MPLS：多协议标记交换技术，MPLS让IP包可以在LSR(标记交
换)路由器之间根据标记转发。在LER（标记边缘）路由器上对
数据包进行标记和删除标记。MPLS第一个优点在于转发速度
快，只需要对固定长度的标记进行转发处理，实现硬件转发。
路由器需要设置的信息也少的多。第二个优点在于利用标记生
成虚拟的路径，并在它上面实现和IP等数据包的通信，可以让
IP网也能基于MPLS提供通信质量控制、带宽保证、VPN等。
Mobile IP：Mobile IP存在没有外部代理的
网络无法通信，IP包三角形转发效率不高，
发送端和接收端的IP不符合可能丢弃IP包。
Mobile IPv6：外部代理由移动主机自己承
担，考虑路径最优化不经过归属代理直接通
信，IPv6首部源地址中赋予移动地址不让防
火墙丢弃。
省去
变为可选
扩展首部
解决
扩展
共同替代TOS字段
TCP和UDP区别
广播
多播
聚合
Ａｎｖｉｌｌｉｕ
评论0