网络基础知识 二

   TCP/TP协议族

            TCP/IP   不是一个协议，而是一组专业化协议。TCP/IP协议族可被大致分为应用层、传输层、网际层和网络接口层4层（由于不想7层模型那么严格，所有也有人把它分为5层）。对应关系如下图所示：

 

1 应用层

TCP/IP的应用层大致对应OSI模型的应用层表示层和会话层。应用通过本层协议利用网络，常见的网络协议有FTP、TFTP、HTTP、SMTP、DHCP、NFS、Telent、DNS和SNMP等。具体使用场景如下：

• FTP（File Transport Protocol 文本传输协议） 主要用于网络上两台计算机相互传输文件。
• TFTP（简单文本传输协议） FTP的简化版，主要针对小文本传输设计的，只能写入和获取文件，不能列出目录和认证，传输数据为8位。
• HTTP（Hypertext Transfer Protocol 超文本传输协议）用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。可以使浏览器更加高效，使网络传输减少，不仅可以保障计算机正确快速的传输超文本文档，还可以确定传输文档那一部分优先显示。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol 简单邮件传输协议）建模在FTP文件传输协议上的一种邮件服务，主要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。
• DHCP（Dyanmic Host Configuration Protocol 动态主机配置协议） 主要分为两个部分，一个是服务器，一个是客户端；所有的IP网络设定数据都由DHCP服务器集中管理，并负责处理客户端DHCP的要求；客户端会使用服务器分配下来的IP环境数据。DHCO通过“租约”的概念有效且动态的分配客户端的TCP/IP设定。DHCP分配IP的地址可以分为3种方式，分别是固定分配，动态分配和自动分配。
• NFS（Net File System 网络文件系统）  是FreeBSD支持的文件系统中的一种，允许一个系统在网络上与他人共享目录和文件，通过使用NFS，用户可以访问远程系统上的文件。
• Telnet（远程登录协议）登录的仿真程序，主要用于访问远程主机系统
• DNS（Domain Name System 域名系统）主要用于将域名解析成IP。
• SNMP（Simple Network Management Protocol  简单网络管理协议） 主要是为了解决Internet上路由管理问题提出的，它可以在IP、IPX、AppleTalk、OSI及其他用到的传输协议上被使用。SNMP事实上是指一系列网络管理规范的集合，包括系统本身、数据结构定义和一些相关概念。目前大多数网络管理系统和平台都是基于SNMP的。

 

2、传输层

TCP/IP的传输层大致对应于OSI的传输层，主要是TCP和UDP，这些协议负责提供流控制、错误校验和排序服务。所有的服务请求都使用这些协议。

TCP（Transport Contrl Protocol 传输控制协议）TCP/IP协议族中最重要的协议之一，它在IP协议提供的不可靠数据服务继承上采用了重发技术，为应用程序提供了一个可靠的、面向连接的、全双工的数据传送服务。一般用于传输数据较少，且对可靠性要求相对较高的场合。

UDP（User Datagram Protocol 用户数据协议）一种不可靠的无连接的协议，可以保障应用程序进程间的通信。与TCP相比较，UDP是一种无连接的协议，它的错误检测功能弱的多。主要用于传输数据量大，对可靠性要求不高，且要求速度块的场合。

3、网际层

TCP/IP的网际层对应于OSI模型的网络层，包括IP、ICMP、IGMP、ARP、和RARP这些协议处理信息的路由及主机地址解析。

网际层的另一个重要服务是在相互独立的局域网上建立互联网络，即网际网。网间的报文来往根据它的目的IP地址通过路由器传到另一网络。

• IP（Internet Protocol 网际协议） 所提供的服务通常被认为是无法连接的和不可靠的，因此把差错检测和流量控制之类的服务授权给了其他的各层协议，这正式TCP/IP能高效工作的一种重要保障。网际层的功能主要由IP来提高，除了提供端到端的分组分发功能外，IP还提供了很多扩充功能，例如：为了克服数据链路层对帧大小的限制，网络层提供了数据分块和重组功能，这使得很大的IP数据包能以较小的分组在网络上传输。
• ARP （Address Resolution Protocol 地址解析协议） 用于动态的完成IP地址向物理地址的转换。物理地址通常是指主机的网卡地址（MAC地址），每一网卡都有唯一的地址。
• RARP （Reverse Address Resolution Protocol 反向地址解析协议） 动态的完成物理地址向IP地址转换
• ICMP（Internet Control Message Protocol 网际控制报文协议） 主要用于发生差错的报文协议，由于IP协议是一种尽力传送的通信协议，即传送的数据可能丢失、重复、延迟或乱序传递，所以IP协议需要一种尽量避免差错并能在发生差错时报告的机制。
• IGMP（Internet Group Management Protocol 网际管理协议） 允许Internet 主机参加多播，也即是IP主机用作向相邻多目组成员的协议。多目路由器是支持组广播的路由器，向本地网络发生IGMP查询，主机通过发送IGMP报告来应答查询。组播路由器负责将组播包转发到网络中所有组播成员。

4、网络接口层

TCP/IP的网络接口大致对应于OSI模型的数据链路层和物理层，TCP/IP协议不包含具体的物理层和数据链路层，只定义了网络接口层作为物理层的接口规范。网络接口层处于TCP/IP协议的最底层，主要负责管理为网络准备数据所需的全部服务程序和功能。该层处理数据的格式化并将数据传输到网络电缆，为TCP/IP实现基础，其中可包含IEE802.3的CSMA/CD、IEEE802.5的TokenRing等。

 

IP地址与子网划分

1、IP地址分配

IP协议为每一台主机分配一个唯一的逻辑地址------IP地址。IP地址的长度为32位，它分为网络号和主机号两部分。网络号标识一个网络，一般网络号由国际互联网络信息中心统一分配。主机号用来标识网络中的一个主机，它一般由网络管理员来具体分配。

由于将IP地址分成了网络号和主机号，所有就要决定每部分包含多少位，网络号的位数之间决定了可以分配的网络数（计算方法： x为网络号的位数）；主机号的位数则决定了网络中最大的主机数（计算方法： -2 x为主机号位数），然而由于整个因特网所包含的网络规模可能比较大，也可能比较小，设计者最后聪明的选择了一种灵活的方案，将IP地址空间划分成不同的类别，每一类具有不同的网络号位数和主机号位数。如图所示

• 网络地址：主机号全0表示网络地址（不能作为源地址、目标地址）。
• 广播地址：主机号全1表示广播地址（不能作为源地址）
• 子网掩码：网络号部分全为1，主机号部分全为0；用于计算网络地址（只需将IP地址和子网掩码做与操作，即可得到网络地址）
• 保留地址：为了满足内网的使用需求，保留了一部分不在公网使用的IP地址

IP地址范围及相应的主机数：

不在公网使用的IP地址：

 

2、子网划分与CLSM（可变长子网掩码）

子网划分产生原因：随着网络的应用深入，IPv4采用的32为IP地址设计限制了地址空间的总容量，出现了IP地址紧缺的现象，而IPv6（采用128位IP地址设计）还不能够很块地进入应用，这时就需要采取一些措施来避免IP地址的浪费。以原先的A、B、C3类地址划分，经常出现B类太大、C类太小或者B类和C类都太大的应用场景，因此就出现了“子网划分”和“可变长子网掩码（VLSM）”两种技术。

  子网划分：出自RFC950的定义，它的主要思想就是将IP地址划分成3个部分；网络号、子网号、主机号。也就是说将原先的IP地址的主机号部分分成子网号和主机号两部分。说到底也就是利用主机号部分继续划分子网。子网可以用“子网验码”来识别。例如，我们可以将一个C类地址划分子网 如图：

也就是将最后8位----原来的主机号，拿出两位用来表示子网，则可以产生两个子网（01和10，因为11代表广播，00代表网络，他们不能用来表示具体的网络），每个子网可包含62个主机（000001~111110，同样的000000代表网络、111111代表广播被保留）。需要注意的是，此时，子网掩码就发生了变化，不再是255.255.255.0（11111111 11111111 11111111 00000000），而是255.255.255.192（11111111 11111111 11111111 11000000）。

从C类地址中划分子网时就可以参照下图来进行

 

变长子网掩码（VLSM）产生的原因：在采用了子网划分技术之后，虽然在一定程度上缓解了地址空间容量受限这个问题，但又引发了一个新的问题：每个子网的主机数相等也难以满足实际的需要，而且还引起了新的IP地址浪费，VLSM技术正式针对这个问题的行之有效的解决方案。

VLSM是一种产生不同大小的子网的网络分配机制（在RFC1878中有详细说明），VLSM用直观的方法在IP地址后加上“/网络及子网掩码比特数”来表示。例如：192.168.123.0/26就表示前26位表示网络号和子网号，即子网掩码位26位长，主机号为6为长，另外，利用VLSM技术还可以多次划分子网，即分完子网后，继续根据需求划分子网。

例如：某单位有4个部门。需要建立4个子网，其中部门1有50台主机，部门2有25台主机，部门3、4各有10台主机，有一个内部C类地址192.168.1.0。下面我们一起来看采用VLSM划分的过程。

• 首先中断最大的网络，即部门1，需要50台主机。,因此需要6为主机号，剩下26为则是网络号、子网号。而最后一个8位段还剩下2位，可以表示00、01、10、11  4个子网，但是11和00有特殊应用，即只有10和01两个子网，因此得到192.168.1.64/26、192.168.1.128/26两个子网
• 假设将192.168.1.64/26分给部门1，则现在需要处理部门2、3、4。这三个部门中部门2的网络最大，需要25台主机， 所以需要5位主机号，因此可以分为192.168.1.128/27和192.168.1.160/27两个子网
• 然后按照这个思路划分下去，可以得到如图所示：

3、路由汇聚（超网技术）

前面提到了使用子网划分技术来解决网络过大，需要拆分成几个网络的需求。但是有些情况是网络过小，需要扩充一个网络的大小，这就需要用到路由汇聚技术。

路由汇聚（Route Summary）是一种有效简化路由表信息的手段，它将多个子网汇合并一个超网，这样就能用一条数据表示多个子网。工作原理较为复杂。超网地址一般都包括子网地址。

4、IP地址技巧总结

• 基本子网划分：取网络号： A类保留第一位，后面全0 （如IP地址10.1.0.0，网络号10.0.0.0）B类保留前两位后面全0（如IP 地址：131.2.3.0，网络号：123.2.0.0）C类保留前3位，后面全0（如IP地址 192.168.1.5 网络号：192.168.1.0）
• 复杂子网划分：取网络号：首先将掩码为255部分的对应部分照抄，然后对非255的部分，将掩码和IP均转换成二进制进行“与”运算。例如IP地址为192.168.1.100，子网掩码为255.255.255.240,则前三位照抄，最后一部分先进行二进制后做“与”运算（0110 0100AND1111 0000=0110 0000，即96），得到192.168.1.96
• 给定IP地址和掩码，计算网络/子网广播地址时，可根据规则：“网络/子网号是网络/子网中的最小数字，广播地址是网络/子网中的最大数字，网络中有效、可分配地址是介于网络/子网号和广播地址之间的IP地址”
• 1）基本子网划分，取广播地址：掩码为255的部分照抄，为0的部分改为255，例如 IP地址是131.1.0.4，子网掩码为255.255.0.0，则广播地址为131.1.255.255
• 2）复杂子网划分 取广播地址：对应255部分照抄，0部分转为255，对其其他部分则现源256减去该值得到x，然后找到与IP地址中对应数最接近的x的倍数y，再将y减去1即可。例如：IP地址131.4.101.129，子网掩码为255.255.252.0，首先将255、0的部分处理完，得到131.4._.255，然后用256-252=4，与101最接近的4的整数倍是104，因此得到广播地址131.4.103.255.
• 复杂子网划分 获取有效子网数。例如IP地址是140.140.0.0，子网掩码是255.255.240.0，则先找到特殊的掩码为240，转换成二进制 1111 0000 因此得知主机位为4，再用为基数进行增长；140.140.0.0，140.140.16.0，140.140.32.0,...140.140.248.0。