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第 7章 因特网的重要协议
本章重点
● 因特网与 TCP/IP —— 因特网的协议
? DNS
? TCP,UDP
? IP,ICMP
2010/5/16 page 2
9.2 因特网与 TCP/IP
?TCP/IP是一个协议簇
?包括：
? 应用层,FTP,HTTP,DNS等
? 传输层,TCP,UDP
? 网络层,IP,ARP,ICMP,RARP,各种路由协议
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因特网的协议栈
application
transport
network
link
physical
? 应用层
? ftp,smtp,http
? 传输层
? tcp,udp
? 网络层
? ip,路由协议
? 数据链路层
? ppp,以太网协议
? 物理层
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域名服务 DNS 教学片
? DNS用于将主机名转换为 IP地址 。
?采用名字来标记一台主机便于记忆 。
? DNS服务主要基于 UDP来实现, 端口号 =53。
?三个组成部分：域名空间, 名字服务器, 解析程序
?域名空间,分布式的, 层次型 （ 分级 ） 的树形结构, 根
没有名字, 顶层域由组织域 （ 如 org,com,edu） 和国家域
（ 如 cn） 构成 。 在往下分还可分为若干层 子域, 如下页图
。 通常用点来分隔域的层次, 如
www.xyz.com
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根
INT CNMIL NET COM JP… …
IBM intel
eng www
jack
edu net
xjtu
www ftp
交大的 Web服务器,WWW.XJTU.EDU.CN
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? DNS名字服务器,存放域树结构和主机信息的数据库
。 为减小查询流量负载, 提高可靠性, DNS名字空间被
划分成若干不交叉的区域 （ Zone）, 分别存放在该区域
的 DNS服务器中 。
? 解析程序,从名字服务器中提取信息把主机域名翻译
成 IP地址 。
解析过程为：首先从本地 Hosts文件查找 。 没找到就向
本地 DNS名字服务器发出请求；若本地 DNS服务器也找
不到, 它就把请求发给顶层域名字服务器, 然后由顶层
域名字服务器把请求传递给相应子域的名字服务器 。 最
后由该名字服务器把域名对应的 IP地址按相反的路径传
递给发出请求的站点 。
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例如：
jack.eng.ibm.com想要知道 www.xjtu.edu.cn的 IP地
址
jack.eng.ibm.com
eng.ibm.com
edu-server.net
www.xjtu.edu.cn
xjtu.edu.cn
原始服务器
eng,ibm
服务器
edu服务器
xjtu,edu
服务器
cn服务器
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不同应用对基础协议的要求
? 数据丢失（ data loss）
? 电子邮件,FTP,WWW和 Telnet不能容忍数据丢失
? 而多媒体类的应用往往可以经得起部分数据的丢失
? 带宽 (bandwidth)
? 以 IP电话为代表的多媒体交互式的应用对带宽是十分
敏感的
? 而文件传输类的应用则对带宽的要求比较具有“弹
性”
? 实时性（ timing）
? IP电话、视讯会议、“四国大战”的要求
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网络基础协议中的关键问题
? 网络基础协议指包括传输层及以下的各层
中的各种协议，问题在于：
? 某个网络基础协议的性质（或所提供的服务
）是面向连接的还是无连接的？
? 虚电路与面向连接的关系，虚电路是面向连
接的，但面向连接的就一定是虚电路？
? 如何理解在不可靠的协议上建立可靠的连接
服务？
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传输层最基本的功能
? 在不同主机中的应用进程之间建立“逻辑
通信”
? 应用进程使用由传输层提供的逻辑通信功
能，在进程间互发报文，而不必考虑具体
的通信细节
? 传输层仅仅工作在端系统中,与交换节
点（路由器）没有关系
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传输层最基本的功能（续）
? 传输层从应用层收到“报文”，将其装入
4-PDU(如果报文太大，则需要分段 )，加
上传输层的“段首部”后就送给网络层
? 传输层有多个传输协议备选。
? 如面向连接的 TCP和无连接的 UDP
? 每个协议都使用其为应用层协议提供不同的传输服
务功能的集合
? 传输层协议的主要功能是提供所谓“多道
处理”的功能
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传输层与网络层的关系
? 传输层提供主机内进程间的“逻辑通信”；而网络层则提供网络中主机间的“逻辑
通信”
? 二者之间的差别微妙而又重要
? 主机 =单位的传达室
? 进程 =单位中的职员
? 应用层报文 =信的内容
? 网络层协议 =邮局的投递服务
? 传输层协议 =传达室的收发业务
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Segment
Datagram
应用层
传输层
网络层
M
应用层
传输层
网络层
M’
应用层
传输层
网络层
M M’
p1
p3
p2
p4
H
n
Segment
H
1
M
应用层数据段头
图 8 - 1 8 传 输 层 与 多 道 处 理
服务器
客户端
客户端
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传输层和多道作业处理
? 在 TCP和 UDP的段头有两个端口号
? 分别为源端口 (source port-number)和宿端口
(destination port-number)
? 当把这两个字段合为一体时，就可以确定信宿主机中唯
一的某个特定进程。
? 所谓端口号是一个 16比特的数字，其表达范围从 0～
65535。从 0～ 1023的端口号被称为常用端口号（ well-
known number）并限制使用。这就意味着这些端口号
仅限于最常用的一些网络应用，
? 如 HTTP和 FTP。 HTTP用端口的是 80,FTP是 21和 20
。常用端口号的定义见 RFC 1700。
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32bits
Source port # Dest port #
Other header fields
Data
(message)
图 8 - 1 7 传 输 层 数 据 段 中 的 源 端 口 和 目 的 端 口 号 字 段
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传输层和多道作业处理（续）
? 由此可知，在主机 (服务器 )中运行的每一种网络
应用程序都有一个端口号
? 但是为什么在传输层协议 PDU的字段中会有两
个端口号，源端口和宿端口？
? 这个问题的答案很简单，同一信源主机可能在
同一个时刻在运行两个以上相同的应用程序进
程（比如同时打开两个浏览器窗口），而一个
应用程序的端口号则无法确定主机中相同类型
应用程序进程中的某个具体的进程
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端口号
TCP和 UDP都用端口 (socket)号把信息传到上层。
端口号指示了正在使用的上层协议。
F
T
P
S
M
T
P
T
F
T
P
D
N
S
T
e
l
n
e
t
S
N
M
P
21 23 25 53 69 161
TCP UDP
应用层
传输层
保留的端口号：
＜ 255，公共应用
255-1023，公司
＞ 1023，未规定
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工 作 站
服 务 器
源 端 口, x
宿 端 口, 2 3
源 端 口, 2 3
宿 端 口, x
图 8 - 1 9 在 客 户 端 / 服 务 器 应 用 中 的 源 端 口 和 宿 端 口 的 应 用
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传输层和多道作业处理（续）
? 当用户启动一个 Telnet会话时,Telnet服务的宿端口为
23，而源端口则由操作系统生成一个未被使用的端口号
x。每个发送到 Telnet服务器的段都将宿端口设为 23，
而源端口则设为 x。当段到达 Telnet服务器时，在段中
的宿端口和源端口使得服务器可以确定具体的应用进程
。宿端口为 23确定了这是 Telnet服务，而源端口则确定
了具体的应用进程。
? 当数据从服务器流向客户端时，这种情况则颠倒过来，
这次源端口为 23，宿端口为 x(这个 x与发送到服务器的
源端口号相同 )。当该段到达客户端时，段中的源端口
和宿端口使客户端主机可以确定正确的应用程序进程并
将数据递交给它
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传输层和多道作业处理（续）
? 既然从客户端发送到服务器的源端口号是由各
个网络上的主机随机选择的，如果两台主机所
选择的源端口完全相同，那么服务器进程又如
何区别？这个问题尤其是在一些大型 Web网站
上，好像是很容易发生的
? 其实这个问题实际上很容易解决，因为服务器
进程在对段数据进行甄别时要参考数据报的 IP
地址。虽然源端口号可能重复，但加上 IP地址
后，冲突就不会发生
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两类服务, 面向连接的和无连接的服务
目的：在主机系统之间传输数据。
? TCP – 传输控制协议 [RFC 793]
? 用于因特网的 面向连接的服务
? 传输前需建立连接
? 可靠的,有序的 字节流传输
? 流量控制与拥塞控制
? UDP – 用户数据报协议 [RFC 768],
? 用于因特网的 无连接的服务
? 不可靠的 数据传输
? 无流量控制
? 无拥塞控制
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使用 TCP服务的应用,
? HTTP (WWW)
? FTP (file transfer)
? Telnet (remote login)
? SMTP (email)
使用 UDP服务的应用,
? 流媒体,电信会议,因特网电话
? DNS
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TCP协议 RFCs,793,1122,1323,2018,2581
? 点到点（端到端）,
? 一个发送者,一个接收者
? 面向连接：可靠的,有序的字节流
? 无, 消息边界,
? 流量受控：管道化的
? TCP拥塞和流量控制设置窗口大小
? 全双工操作
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TCP段格式
源端口
0 3 4 9 10
代码位
目的端口
15 16 31
顺序号
确认号
窗口大小保留报头长度
校验和 紧急指针
选项（可省略）
数据
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源端口 (Source Port)：呼叫端口的编号
目的端口 (Destination Port)：被叫端口的编号
顺序号 (Sequence Number)：数据的第一个字节的顺序号
确认号 (Acknowledgment Number)：所期待的下一段的顺序号
报头长度 (HLEN)：以 32字节为单位的报头的长度
保留域 (Reserved)：设置为 0
编码位 (Code Bits)：用于控制段的传输（如会话的建立和中止）
包括,URG,ACK,PSH,RST,SYN,FIN六个位
窗口大小 (Window)：接收方能够继续接收的字节数
校验和 (Checksum)：包括 TCP报头和数据在内的校验和
紧急指针 (Urgent Pointer)：当前顺序号到紧急数据位置的偏移量
选项 (Option)：
数据 (Data)：上层协议数据
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TCP连接的建立 ——三次握手
例如,A,B两个主机要建立连接
A→ B
方向 消息 含义
A← B
A← B
A→ B
SYN
SYN
ACK
ACK
我的序号是 X
序号用于跟踪通信顺序，确保多个包传输时无数据丢失。
通信双方在建立连接时必须互相交换各自的初始序号。
知道了，你的序号是 X
我的序号是 Y
知道了，你的序号是 Y
握手
1
2
3
合
并
1.
2.
3.
4.
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TCP通过三次握手来建立连接
A B
发送 SYN消息 (SEQ=x)
收到 SYN消息 (SEQ=x)
发送 SYN消息
(SEQ=y,ACK=x+1)收到 SYN消息
(SEQ=y,ACK=x+1)
发送确认 (ACK=y+1)
收到确认 (ACK=y+1)
双方连接建立
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红蓝军的故事
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A B
发送 FIN消息 (SEQ=x)
接收 FIN消息 (SEQ=x)
TCP发送确认 (ACK=x+1)①接收 ACK消息 (ACK=x+1)
A→ B的连接断开 (半关闭 )
但 A仍可接收数据
发送确认 (ACK=y+1)
接收确认 (ACK=y+1)
B→ A的连接断开
TCP通过四次握手来释放连接
应用进程
释放连接
通知应 用进
程 ①应用进程释
放连接 ②
发送 FIN消息 ②
(SEQ=y,ACK=x+1)接收 FIN消息 (SEQ=y)
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TCP的面向连接的实质
? TCP 是面向连接的协议
? TCP的面向连接是建立在相互连接的主机
内，而与中间的转接节点（路由器）没有
关系
? TCP的面向连接与所谓的“虚电路”没有
关系
? TCP所提供的可靠服务是建立在 IP所提供
的“不可靠的服务”的基础上的
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UDP段格式
UDP不用确认,功能十分简单。
传输可靠性由应用层协议保证。
使用 UDP的协议包括,TFTP,SNMP,NFS,DNS等
源端口 目的端口 长度 校验和 数据
16b 16b 16b 16b
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网络层与 IP协议
互联网层功能,
路由表
路由协议
?路由选择
?RIP,OSPF,BGP
IP 协议
?地址转换
?数据报格式
?分组处理
ICMP 协议
?错误报告
?路由器,信令”
传输层, TCP,UDP
数据链路层
物理层
网络层
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IP数据报（ IP分组,IP包）
版本号 报头长度 服务类型 数据报长度
DF MF 段偏移
0 3 7 15 19 31
标识
生存时间 TTL 协议 报头校验和
源 IP地址
目的 IP地址
选项和填充（最大为 40字节）
数据区
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IP地址
?IP网络中每台主机都必须有一个惟一的 IP地址；
?IP地址是一个逻辑地址； (与 MAC地址比较一下 )
?因特网上的 IP地址具有全球唯一性；
?32位,4个字节，常用点分的十进制标记法：
如 00001010 00000010 00000000 00000001 记为 10.2.0.1
?IP地址划分为五类,A-E类，常用的为 A,B,C类
A类地址：允许 27-2个网络，每个网络 224-2个主机；
B类地址：允许 214个网络，每个网络 216-2个主机；
C类地址：允许 221个网络，每个网络 28-2个主机；
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IP地址分类
A类
B类
C类
0
0
0
1
1 1
7bits 24 bits
14 bits 16 bits
网络号 主机 （ 接口 ） 号
网络号 主机 （ 接口 ） 号
21bits 8bits
网络号 主机 （ 接口 ） 号
A类 0.0.0.0 ～ 126.255.255.255
B类 128.0.0.0 ～ 191.255.255.255
C类 192.0.0.0 ～ 223.255.255.255
地址范围
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保留的 IP地址
00...00 0000,.,0000
11...11 1111,.,1111
本机
本网中的主机
局域网中的广播
对指定网络的广播
回路
00...00 主 机 号
1111,.,1111网络号
127 任 意 值
以下这些 IP地址具有特殊的含义,
一般来说，主机号部分为全, 1,的 IP地址保留用作广播地址；
主机号部分为全, 0,的 IP地址保留用作网络地址。
0000,.,0000网络号 网络地址
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子网掩码计算
缺省子网掩码,A类,255.0.0.0
B类,255.255.0.0
C类,255.255.255.0
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网际控制报文协议（ ICMP）
ICMP消息被封装在 IP数据报里，用来发送差错报告
和控制信息。
ICMP定义了如下消息类型：
目的端无法到达（ Destination unreachable）
数据报超时（ Time exceeded）
数据报参数错（ Parameter problem）
重定向（ Redirect）
回声请求（ Echo）
回声应答（ Echo reply）
信息请求（ Information request）
信息应答（ Information reply）
地址请求（ Address request）
地址应答（ Address reply）
……
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最常用的是, 目的无法到达, 和, 回声, 消息。
A B
数据网
发数据给 Z
到 Z的数据
我不知道如何
到达 Z？
用 ICMP通知 A
目的端无法到达
路由器用 ICMP通知目的地不可达的示意图
2010/5/16 page 41
A B
B可以到
达吗？
ICMP回声请求
可以，
我在这里。
ICMP回声应答
用 PING命令产生的回声及其应答示意图
2010/5/16 page 42
地址解析协议 (ARP,Address Resolution Protocol)
ARP用于将一个已知的 IP地址映射到 MAC地址。方法：
1）检查 ARP高速缓存表；
2）若地址不包含在表中，就向网上发广播来寻找。具有
该 IP地址的目的站用其 MAC地址作为响应。
?ARP只能用于具有广播能力的网络。
A C
我需要 10.1.0.5
的 MAC地址
IP = 10.1.0.5
MAC =
我就是。
这是我的 MAC地址
IP = 10.1.0.5
MAC = 0800.0020.2C0A
B
10.1.0.1 10.1.0.510.1.0.2
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为什么需要地址解析协议？
? 在因特网中,IP地址是所有数据分组传输
的逻辑地址
? 在局域网中，一般使用物理（ MAC）地
址进行数据通信
? 许多因特网的主机位于局域网络中，当数
据分组到达时，需要把 IP地址转换成 MAC
地址，把网络层的分组再封装在局域网链
路帧中，才能发送到该主机
2010/5/16 page 44
域名服务 (DNS)和地址解析（ ARP）的比较
? DNS是一种广域网中全局性的服务，由分布
在全球的 DNS服务器形成一个服务链，提供
关于广域网中的域名到 IP地址间的映射。
? ARP是在局域网中区域性的服务，其服务程
序驻留在局域网中的主机（接口）中，由各
个主机负责解析 IP到 MAC地址间的映射。
2010/5/16 page 45
Routing to another LAN
walkthrough,routing from A to B via R
A
R
B
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ARP与 IP的交互
? 在 LAN1中，所有的主机都有 111.111.111.xxx的地址形
式，而 LAN2则所有主机具有 222.222.222.xxx的地址形
式。
? 现在假设主机 111.111.111.111要发送一个数据报到主
机 222.222.222.222。发送主机一如既往将数据报发送
到了接口上，但发送主机需要指出相应的信宿的 LAN地
址。那么发送主机会使用哪个 LAN地址。
? 可能猜测是是 222.222.222.222的 LAN地址,49-BD-D2-
C7-56-2A。可惜，这个答案是错误的。如果发送适配
器使用这个 LAN地址,LAN1上没有一个适配器会将该
数据报传送到网络层，由于数据帧中的地址将在 LAN1
中找不到匹配的适配器地址，该数据报将无疾而终并送
到数据报天堂。
2010/5/16 page 47
? 从 IP子网掩码的作用可知，发送主机在发送数据
报之前，就已经知道信宿主机不在同一 LAN上，
（将信宿主机和发送主机的 IP地址的的网络地址
部分进行比较），其结果只能将数据报发送给路
由器，由路由器转发，而路由器的 IP地址（在
Windows系统中称为缺省网关）在发送主机中
早有预置（在本例中为 111.111.111.110）。
? 发送主机如何得到路由器接口的 LAN地址呢？
当然是使用 ARP程序模块。一旦发送端的适配
器获得了路由器接口的 LAN地址，就可以生成一
个数据帧，发送给路由器。
2010/5/16 page 48
? LAN1上的路由器接口见到了发给它的数据帧，
就将其传送到网络层。就这样，数据报就成功
地从主机发送到了路由器上！
? 还必须将数据报从路由器发送到目的地。路由
器首先需要选择适当的接口来转发，这项工作
路由器可以通过查询路由表来完成。路由表告
诉路由器，数据报可以通过路由器的
222.222.222.220接口转发。该接口将数据报传
送到其适配器，组成新的数据帧，并送入 LAN2
? 这次，数据帧的信宿地址才是真正的最终目的
地的 LAN地址。
? 路由器又是如何知道最终目的地的 LAN地址呢
？因为，路由器可以识别数据报中的目的地的
IP地址，所以，它可以通过 ARP来获得最终目
的地的 LAN地址。
2010/5/16 page 49
路由选择
?路由表的维护有两种基本方式：
?静态路由 —— 由人工预先设置好，只适用于
小型网络
?动态路由 —— 路由器运行过程中根据网络情
况自动地动态维护
路由表 —— 存放到达其他网络的路由信息，
路由器根据路由表转发分组。
2010/5/16 page 50
路由表的基本内容
网 络 路由 (下一站点 ) 距 离
172.16.0.0
202.168.0.0
10.0.0.0 202.168.0.2
202.168.0.0
直接
172.16.0.0 10.0.0.0
A B
A的路由表
直接
.1,1,2,1
0
0
1
2010/5/16 page 51
ICMP工具程序
? PING
PING工具程序可用来发
出 ICMP Echo Request包
，
以初步排查网络联网异常。
A B
Echo Request
Echo Reply
2010/5/16 page 52
利用 PING来诊断网络问题
1,Ping 127.0.0.1—— 用于测试 TCP/IP协议是否运行正常
2,Ping 本机地址 —— 测试网络设置（网卡）是否正常
3,Ping 对外连接的路由器（网关） —— 测试内部网络与
对外连网的路由器是否正常
4,Ping Internet上计算机的 IP地址 —— 随便找一台
Internet上的计算机，如果有响应，代表 IP设置全部
正常。
5,Ping Internet上计算机的网址 —— 例如 ping
www.sina.com.cn，如果有响应，代表 DNS设置无误
。
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? TRACERT
TRACERT工具可找出至目
的 IP地址所经过的路有器。
TRACERT的工作原理：
1,A发出 Echo Request 1，目的地址为 B,TTL=1;
2,R1路由器收到 Echo Request 1后，因 TTL=1便丢弃
此封包，然后传送 Timer Exceeded 1给 A;
3,A收到 Timer Exceeded 1之后，便可知道 RI位路由
过程中的第一个路由器。接着,A再发出 Echo
Request 2，目的地址仍为 B,TTL=2;
A BR1 R2
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4,Echo Request 2先送到 R1，然后转送至 R2，到达 R2
时,Echo Request 2的 TTl=1，因此 R2便丢弃此封包
，然后传送 Timer Exceeded 2给 A;
5,A收到 Timer Exceeded 2之后，便可知道 RI位路由过
程中的第二个路由器。接着,A再发出 Echo Request
3，目的地址仍为 B,TTL=3;
6,Echo Request 3经 R1,R2，然后转送至 B,B收到此
封包后回应 Echo Reply 1给 A。 A收到 Echo Reply 1之
后便大功告成。
?
2010/5/16 page 55
PATHPING
? PATHPING可以认为是 PING和
TRACERT的结合，先找出至目的地 IP地
址所经过的路有器，然后依次对每部路
? 由器发出 Echo Request包，以监测路由
器是否正常 。
2010/5/16 page 56
本章小结
? 因特网与 TCP/IP —— 因特网的协议
? DNS
? TCP,UDP
? IP,ICMP
? ARP与 IP的交互
第 7章 因特网的重要协议
本章重点
● 因特网与 TCP/IP —— 因特网的协议
? DNS
? TCP,UDP
? IP,ICMP
2010/5/16 page 2
9.2 因特网与 TCP/IP
?TCP/IP是一个协议簇
?包括：
? 应用层,FTP,HTTP,DNS等
? 传输层,TCP,UDP
? 网络层,IP,ARP,ICMP,RARP,各种路由协议
2010/5/16 page 3
因特网的协议栈
application
transport
network
link
physical
? 应用层
? ftp,smtp,http
? 传输层
? tcp,udp
? 网络层
? ip,路由协议
? 数据链路层
? ppp,以太网协议
? 物理层
2010/5/16 page 4
域名服务 DNS 教学片
? DNS用于将主机名转换为 IP地址 。
?采用名字来标记一台主机便于记忆 。
? DNS服务主要基于 UDP来实现, 端口号 =53。
?三个组成部分：域名空间, 名字服务器, 解析程序
?域名空间,分布式的, 层次型 （ 分级 ） 的树形结构, 根
没有名字, 顶层域由组织域 （ 如 org,com,edu） 和国家域
（ 如 cn） 构成 。 在往下分还可分为若干层 子域, 如下页图
。 通常用点来分隔域的层次, 如
www.xyz.com
2010/5/16 page 5
根
INT CNMIL NET COM JP… …
IBM intel
eng www
jack
edu net
xjtu
www ftp
交大的 Web服务器,WWW.XJTU.EDU.CN
2010/5/16 page 6
? DNS名字服务器,存放域树结构和主机信息的数据库
。 为减小查询流量负载, 提高可靠性, DNS名字空间被
划分成若干不交叉的区域 （ Zone）, 分别存放在该区域
的 DNS服务器中 。
? 解析程序,从名字服务器中提取信息把主机域名翻译
成 IP地址 。
解析过程为：首先从本地 Hosts文件查找 。 没找到就向
本地 DNS名字服务器发出请求；若本地 DNS服务器也找
不到, 它就把请求发给顶层域名字服务器, 然后由顶层
域名字服务器把请求传递给相应子域的名字服务器 。 最
后由该名字服务器把域名对应的 IP地址按相反的路径传
递给发出请求的站点 。
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例如：
jack.eng.ibm.com想要知道 www.xjtu.edu.cn的 IP地
址
jack.eng.ibm.com
eng.ibm.com
edu-server.net
www.xjtu.edu.cn
xjtu.edu.cn
原始服务器
eng,ibm
服务器
edu服务器
xjtu,edu
服务器
cn服务器
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不同应用对基础协议的要求
? 数据丢失（ data loss）
? 电子邮件,FTP,WWW和 Telnet不能容忍数据丢失
? 而多媒体类的应用往往可以经得起部分数据的丢失
? 带宽 (bandwidth)
? 以 IP电话为代表的多媒体交互式的应用对带宽是十分
敏感的
? 而文件传输类的应用则对带宽的要求比较具有“弹
性”
? 实时性（ timing）
? IP电话、视讯会议、“四国大战”的要求
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网络基础协议中的关键问题
? 网络基础协议指包括传输层及以下的各层
中的各种协议，问题在于：
? 某个网络基础协议的性质（或所提供的服务
）是面向连接的还是无连接的？
? 虚电路与面向连接的关系，虚电路是面向连
接的，但面向连接的就一定是虚电路？
? 如何理解在不可靠的协议上建立可靠的连接
服务？
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传输层最基本的功能
? 在不同主机中的应用进程之间建立“逻辑
通信”
? 应用进程使用由传输层提供的逻辑通信功
能，在进程间互发报文，而不必考虑具体
的通信细节
? 传输层仅仅工作在端系统中,与交换节
点（路由器）没有关系
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传输层最基本的功能（续）
? 传输层从应用层收到“报文”，将其装入
4-PDU(如果报文太大，则需要分段 )，加
上传输层的“段首部”后就送给网络层
? 传输层有多个传输协议备选。
? 如面向连接的 TCP和无连接的 UDP
? 每个协议都使用其为应用层协议提供不同的传输服
务功能的集合
? 传输层协议的主要功能是提供所谓“多道
处理”的功能
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传输层与网络层的关系
? 传输层提供主机内进程间的“逻辑通信”；而网络层则提供网络中主机间的“逻辑
通信”
? 二者之间的差别微妙而又重要
? 主机 =单位的传达室
? 进程 =单位中的职员
? 应用层报文 =信的内容
? 网络层协议 =邮局的投递服务
? 传输层协议 =传达室的收发业务
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Segment
Datagram
应用层
传输层
网络层
M
应用层
传输层
网络层
M’
应用层
传输层
网络层
M M’
p1
p3
p2
p4
H
n
Segment
H
1
M
应用层数据段头
图 8 - 1 8 传 输 层 与 多 道 处 理
服务器
客户端
客户端
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传输层和多道作业处理
? 在 TCP和 UDP的段头有两个端口号
? 分别为源端口 (source port-number)和宿端口
(destination port-number)
? 当把这两个字段合为一体时，就可以确定信宿主机中唯
一的某个特定进程。
? 所谓端口号是一个 16比特的数字，其表达范围从 0～
65535。从 0～ 1023的端口号被称为常用端口号（ well-
known number）并限制使用。这就意味着这些端口号
仅限于最常用的一些网络应用，
? 如 HTTP和 FTP。 HTTP用端口的是 80,FTP是 21和 20
。常用端口号的定义见 RFC 1700。
2010/5/16 page 16
32bits
Source port # Dest port #
Other header fields
Data
(message)
图 8 - 1 7 传 输 层 数 据 段 中 的 源 端 口 和 目 的 端 口 号 字 段
2010/5/16 page 17
传输层和多道作业处理（续）
? 由此可知，在主机 (服务器 )中运行的每一种网络
应用程序都有一个端口号
? 但是为什么在传输层协议 PDU的字段中会有两
个端口号，源端口和宿端口？
? 这个问题的答案很简单，同一信源主机可能在
同一个时刻在运行两个以上相同的应用程序进
程（比如同时打开两个浏览器窗口），而一个
应用程序的端口号则无法确定主机中相同类型
应用程序进程中的某个具体的进程
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端口号
TCP和 UDP都用端口 (socket)号把信息传到上层。
端口号指示了正在使用的上层协议。
F
T
P
S
M
T
P
T
F
T
P
D
N
S
T
e
l
n
e
t
S
N
M
P
21 23 25 53 69 161
TCP UDP
应用层
传输层
保留的端口号：
＜ 255，公共应用
255-1023，公司
＞ 1023，未规定
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工 作 站
服 务 器
源 端 口, x
宿 端 口, 2 3
源 端 口, 2 3
宿 端 口, x
图 8 - 1 9 在 客 户 端 / 服 务 器 应 用 中 的 源 端 口 和 宿 端 口 的 应 用
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传输层和多道作业处理（续）
? 当用户启动一个 Telnet会话时,Telnet服务的宿端口为
23，而源端口则由操作系统生成一个未被使用的端口号
x。每个发送到 Telnet服务器的段都将宿端口设为 23，
而源端口则设为 x。当段到达 Telnet服务器时，在段中
的宿端口和源端口使得服务器可以确定具体的应用进程
。宿端口为 23确定了这是 Telnet服务，而源端口则确定
了具体的应用进程。
? 当数据从服务器流向客户端时，这种情况则颠倒过来，
这次源端口为 23，宿端口为 x(这个 x与发送到服务器的
源端口号相同 )。当该段到达客户端时，段中的源端口
和宿端口使客户端主机可以确定正确的应用程序进程并
将数据递交给它
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传输层和多道作业处理（续）
? 既然从客户端发送到服务器的源端口号是由各
个网络上的主机随机选择的，如果两台主机所
选择的源端口完全相同，那么服务器进程又如
何区别？这个问题尤其是在一些大型 Web网站
上，好像是很容易发生的
? 其实这个问题实际上很容易解决，因为服务器
进程在对段数据进行甄别时要参考数据报的 IP
地址。虽然源端口号可能重复，但加上 IP地址
后，冲突就不会发生
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两类服务, 面向连接的和无连接的服务
目的：在主机系统之间传输数据。
? TCP – 传输控制协议 [RFC 793]
? 用于因特网的 面向连接的服务
? 传输前需建立连接
? 可靠的,有序的 字节流传输
? 流量控制与拥塞控制
? UDP – 用户数据报协议 [RFC 768],
? 用于因特网的 无连接的服务
? 不可靠的 数据传输
? 无流量控制
? 无拥塞控制
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使用 TCP服务的应用,
? HTTP (WWW)
? FTP (file transfer)
? Telnet (remote login)
? SMTP (email)
使用 UDP服务的应用,
? 流媒体,电信会议,因特网电话
? DNS
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TCP协议 RFCs,793,1122,1323,2018,2581
? 点到点（端到端）,
? 一个发送者,一个接收者
? 面向连接：可靠的,有序的字节流
? 无, 消息边界,
? 流量受控：管道化的
? TCP拥塞和流量控制设置窗口大小
? 全双工操作
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TCP段格式
源端口
0 3 4 9 10
代码位
目的端口
15 16 31
顺序号
确认号
窗口大小保留报头长度
校验和 紧急指针
选项（可省略）
数据
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源端口 (Source Port)：呼叫端口的编号
目的端口 (Destination Port)：被叫端口的编号
顺序号 (Sequence Number)：数据的第一个字节的顺序号
确认号 (Acknowledgment Number)：所期待的下一段的顺序号
报头长度 (HLEN)：以 32字节为单位的报头的长度
保留域 (Reserved)：设置为 0
编码位 (Code Bits)：用于控制段的传输（如会话的建立和中止）
包括,URG,ACK,PSH,RST,SYN,FIN六个位
窗口大小 (Window)：接收方能够继续接收的字节数
校验和 (Checksum)：包括 TCP报头和数据在内的校验和
紧急指针 (Urgent Pointer)：当前顺序号到紧急数据位置的偏移量
选项 (Option)：
数据 (Data)：上层协议数据
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TCP连接的建立 ——三次握手
例如,A,B两个主机要建立连接
A→ B
方向 消息 含义
A← B
A← B
A→ B
SYN
SYN
ACK
ACK
我的序号是 X
序号用于跟踪通信顺序，确保多个包传输时无数据丢失。
通信双方在建立连接时必须互相交换各自的初始序号。
知道了，你的序号是 X
我的序号是 Y
知道了，你的序号是 Y
握手
1
2
3
合
并
1.
2.
3.
4.
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TCP通过三次握手来建立连接
A B
发送 SYN消息 (SEQ=x)
收到 SYN消息 (SEQ=x)
发送 SYN消息
(SEQ=y,ACK=x+1)收到 SYN消息
(SEQ=y,ACK=x+1)
发送确认 (ACK=y+1)
收到确认 (ACK=y+1)
双方连接建立
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红蓝军的故事
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A B
发送 FIN消息 (SEQ=x)
接收 FIN消息 (SEQ=x)
TCP发送确认 (ACK=x+1)①接收 ACK消息 (ACK=x+1)
A→ B的连接断开 (半关闭 )
但 A仍可接收数据
发送确认 (ACK=y+1)
接收确认 (ACK=y+1)
B→ A的连接断开
TCP通过四次握手来释放连接
应用进程
释放连接
通知应 用进
程 ①应用进程释
放连接 ②
发送 FIN消息 ②
(SEQ=y,ACK=x+1)接收 FIN消息 (SEQ=y)
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TCP的面向连接的实质
? TCP 是面向连接的协议
? TCP的面向连接是建立在相互连接的主机
内，而与中间的转接节点（路由器）没有
关系
? TCP的面向连接与所谓的“虚电路”没有
关系
? TCP所提供的可靠服务是建立在 IP所提供
的“不可靠的服务”的基础上的
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UDP段格式
UDP不用确认,功能十分简单。
传输可靠性由应用层协议保证。
使用 UDP的协议包括,TFTP,SNMP,NFS,DNS等
源端口 目的端口 长度 校验和 数据
16b 16b 16b 16b
2010/5/16 page 33
网络层与 IP协议
互联网层功能,
路由表
路由协议
?路由选择
?RIP,OSPF,BGP
IP 协议
?地址转换
?数据报格式
?分组处理
ICMP 协议
?错误报告
?路由器,信令”
传输层, TCP,UDP
数据链路层
物理层
网络层
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IP数据报（ IP分组,IP包）
版本号 报头长度 服务类型 数据报长度
DF MF 段偏移
0 3 7 15 19 31
标识
生存时间 TTL 协议 报头校验和
源 IP地址
目的 IP地址
选项和填充（最大为 40字节）
数据区
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IP地址
?IP网络中每台主机都必须有一个惟一的 IP地址；
?IP地址是一个逻辑地址； (与 MAC地址比较一下 )
?因特网上的 IP地址具有全球唯一性；
?32位,4个字节，常用点分的十进制标记法：
如 00001010 00000010 00000000 00000001 记为 10.2.0.1
?IP地址划分为五类,A-E类，常用的为 A,B,C类
A类地址：允许 27-2个网络，每个网络 224-2个主机；
B类地址：允许 214个网络，每个网络 216-2个主机；
C类地址：允许 221个网络，每个网络 28-2个主机；
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IP地址分类
A类
B类
C类
0
0
0
1
1 1
7bits 24 bits
14 bits 16 bits
网络号 主机 （ 接口 ） 号
网络号 主机 （ 接口 ） 号
21bits 8bits
网络号 主机 （ 接口 ） 号
A类 0.0.0.0 ～ 126.255.255.255
B类 128.0.0.0 ～ 191.255.255.255
C类 192.0.0.0 ～ 223.255.255.255
地址范围
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保留的 IP地址
00...00 0000,.,0000
11...11 1111,.,1111
本机
本网中的主机
局域网中的广播
对指定网络的广播
回路
00...00 主 机 号
1111,.,1111网络号
127 任 意 值
以下这些 IP地址具有特殊的含义,
一般来说，主机号部分为全, 1,的 IP地址保留用作广播地址；
主机号部分为全, 0,的 IP地址保留用作网络地址。
0000,.,0000网络号 网络地址
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子网掩码计算
缺省子网掩码,A类,255.0.0.0
B类,255.255.0.0
C类,255.255.255.0
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网际控制报文协议（ ICMP）
ICMP消息被封装在 IP数据报里，用来发送差错报告
和控制信息。
ICMP定义了如下消息类型：
目的端无法到达（ Destination unreachable）
数据报超时（ Time exceeded）
数据报参数错（ Parameter problem）
重定向（ Redirect）
回声请求（ Echo）
回声应答（ Echo reply）
信息请求（ Information request）
信息应答（ Information reply）
地址请求（ Address request）
地址应答（ Address reply）
……
2010/5/16 page 40
最常用的是, 目的无法到达, 和, 回声, 消息。
A B
数据网
发数据给 Z
到 Z的数据
我不知道如何
到达 Z？
用 ICMP通知 A
目的端无法到达
路由器用 ICMP通知目的地不可达的示意图
2010/5/16 page 41
A B
B可以到
达吗？
ICMP回声请求
可以，
我在这里。
ICMP回声应答
用 PING命令产生的回声及其应答示意图
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地址解析协议 (ARP,Address Resolution Protocol)
ARP用于将一个已知的 IP地址映射到 MAC地址。方法：
1）检查 ARP高速缓存表；
2）若地址不包含在表中，就向网上发广播来寻找。具有
该 IP地址的目的站用其 MAC地址作为响应。
?ARP只能用于具有广播能力的网络。
A C
我需要 10.1.0.5
的 MAC地址
IP = 10.1.0.5
MAC =
我就是。
这是我的 MAC地址
IP = 10.1.0.5
MAC = 0800.0020.2C0A
B
10.1.0.1 10.1.0.510.1.0.2
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为什么需要地址解析协议？
? 在因特网中,IP地址是所有数据分组传输
的逻辑地址
? 在局域网中，一般使用物理（ MAC）地
址进行数据通信
? 许多因特网的主机位于局域网络中，当数
据分组到达时，需要把 IP地址转换成 MAC
地址，把网络层的分组再封装在局域网链
路帧中，才能发送到该主机
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域名服务 (DNS)和地址解析（ ARP）的比较
? DNS是一种广域网中全局性的服务，由分布
在全球的 DNS服务器形成一个服务链，提供
关于广域网中的域名到 IP地址间的映射。
? ARP是在局域网中区域性的服务，其服务程
序驻留在局域网中的主机（接口）中，由各
个主机负责解析 IP到 MAC地址间的映射。
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Routing to another LAN
walkthrough,routing from A to B via R
A
R
B
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ARP与 IP的交互
? 在 LAN1中，所有的主机都有 111.111.111.xxx的地址形
式，而 LAN2则所有主机具有 222.222.222.xxx的地址形
式。
? 现在假设主机 111.111.111.111要发送一个数据报到主
机 222.222.222.222。发送主机一如既往将数据报发送
到了接口上，但发送主机需要指出相应的信宿的 LAN地
址。那么发送主机会使用哪个 LAN地址。
? 可能猜测是是 222.222.222.222的 LAN地址,49-BD-D2-
C7-56-2A。可惜，这个答案是错误的。如果发送适配
器使用这个 LAN地址,LAN1上没有一个适配器会将该
数据报传送到网络层，由于数据帧中的地址将在 LAN1
中找不到匹配的适配器地址，该数据报将无疾而终并送
到数据报天堂。
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? 从 IP子网掩码的作用可知，发送主机在发送数据
报之前，就已经知道信宿主机不在同一 LAN上，
（将信宿主机和发送主机的 IP地址的的网络地址
部分进行比较），其结果只能将数据报发送给路
由器，由路由器转发，而路由器的 IP地址（在
Windows系统中称为缺省网关）在发送主机中
早有预置（在本例中为 111.111.111.110）。
? 发送主机如何得到路由器接口的 LAN地址呢？
当然是使用 ARP程序模块。一旦发送端的适配
器获得了路由器接口的 LAN地址，就可以生成一
个数据帧，发送给路由器。
2010/5/16 page 48
? LAN1上的路由器接口见到了发给它的数据帧，
就将其传送到网络层。就这样，数据报就成功
地从主机发送到了路由器上！
? 还必须将数据报从路由器发送到目的地。路由
器首先需要选择适当的接口来转发，这项工作
路由器可以通过查询路由表来完成。路由表告
诉路由器，数据报可以通过路由器的
222.222.222.220接口转发。该接口将数据报传
送到其适配器，组成新的数据帧，并送入 LAN2
? 这次，数据帧的信宿地址才是真正的最终目的
地的 LAN地址。
? 路由器又是如何知道最终目的地的 LAN地址呢
？因为，路由器可以识别数据报中的目的地的
IP地址，所以，它可以通过 ARP来获得最终目
的地的 LAN地址。
2010/5/16 page 49
路由选择
?路由表的维护有两种基本方式：
?静态路由 —— 由人工预先设置好，只适用于
小型网络
?动态路由 —— 路由器运行过程中根据网络情
况自动地动态维护
路由表 —— 存放到达其他网络的路由信息，
路由器根据路由表转发分组。
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路由表的基本内容
网 络 路由 (下一站点 ) 距 离
172.16.0.0
202.168.0.0
10.0.0.0 202.168.0.2
202.168.0.0
直接
172.16.0.0 10.0.0.0
A B
A的路由表
直接
.1,1,2,1
0
0
1
2010/5/16 page 51
ICMP工具程序
? PING
PING工具程序可用来发
出 ICMP Echo Request包
，
以初步排查网络联网异常。
A B
Echo Request
Echo Reply
2010/5/16 page 52
利用 PING来诊断网络问题
1,Ping 127.0.0.1—— 用于测试 TCP/IP协议是否运行正常
2,Ping 本机地址 —— 测试网络设置（网卡）是否正常
3,Ping 对外连接的路由器（网关） —— 测试内部网络与
对外连网的路由器是否正常
4,Ping Internet上计算机的 IP地址 —— 随便找一台
Internet上的计算机，如果有响应，代表 IP设置全部
正常。
5,Ping Internet上计算机的网址 —— 例如 ping
www.sina.com.cn，如果有响应，代表 DNS设置无误
。
2010/5/16 page 53
? TRACERT
TRACERT工具可找出至目
的 IP地址所经过的路有器。
TRACERT的工作原理：
1,A发出 Echo Request 1，目的地址为 B,TTL=1;
2,R1路由器收到 Echo Request 1后，因 TTL=1便丢弃
此封包，然后传送 Timer Exceeded 1给 A;
3,A收到 Timer Exceeded 1之后，便可知道 RI位路由
过程中的第一个路由器。接着,A再发出 Echo
Request 2，目的地址仍为 B,TTL=2;
A BR1 R2
2010/5/16 page 54
4,Echo Request 2先送到 R1，然后转送至 R2，到达 R2
时,Echo Request 2的 TTl=1，因此 R2便丢弃此封包
，然后传送 Timer Exceeded 2给 A;
5,A收到 Timer Exceeded 2之后，便可知道 RI位路由过
程中的第二个路由器。接着,A再发出 Echo Request
3，目的地址仍为 B,TTL=3;
6,Echo Request 3经 R1,R2，然后转送至 B,B收到此
封包后回应 Echo Reply 1给 A。 A收到 Echo Reply 1之
后便大功告成。
?
2010/5/16 page 55
PATHPING
? PATHPING可以认为是 PING和
TRACERT的结合，先找出至目的地 IP地
址所经过的路有器，然后依次对每部路
? 由器发出 Echo Request包，以监测路由
器是否正常 。
2010/5/16 page 56
本章小结
? 因特网与 TCP/IP —— 因特网的协议
? DNS
? TCP,UDP
? IP,ICMP
? ARP与 IP的交互
