中级通信工程师

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5.4.2 TCP/IP

IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输(见图5-28)。许多刚开始接触TCP/IP的人对IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务感到疑惑，特别是那些了解X.25或SNA背景知识的人。不可靠(unreliable)的意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。IP仅提供尽可能好(besteffort)的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法，即丢弃该数据报，然后发送ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供(如TCP)。

无连接(connectionless)的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报(先是A,然后是B)，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，则B可能在A到达之前先到达。

RFC791[Postel1981a]是IP的正式规范文件。

1.IP首部

IP数据报的格式如图5-28所示。普通的IP首部长为20Byte,除非含有选项字段。

先分析首部。最高位在左边，记为Obit;最低位在右边，记为31bit.4字节的32bit值按下面的次序传输：首先是0-7bit,其次8?15bit,然后16~23bit,最后是24-31bit.这种传输次序称做bigendian字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称做网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器，如littleendian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。

目前常用的协议版本号是4,因此IP有时也称做IPv4。

首部长度指的是首部占32Wt的数目，包括任何选项。由于它是一个4比特字段，因此首部最长为60Byte。这种限制使某些选项(如路由记录选项)在当今已无用处。普通IP数据报(没有任何选择项)中该字段的值是5。

服务类型(ToS)字段包括一个3bit的优先权子字段(现在已被忽略)、4bit的ToS子字段和lbit未用位但必须置0.4bit的ToS分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4bit中只能置其中lbit.如果所有4bit均为0,就意味着是一般服务。RFC1340[ReynoldsandPostel1992]描述了所有的标准应用如何设置这些服务类型。RFC1349[Almquist1992]对该RFC进行了修正，更为详细地描述了ToS的特性。

图5-29所示为对不同应用建议的ToS值，在最后一列中给出的是十六进制值。

Telnet和Rlogin这两个交互应用要求最小的传输时延，因为人们主要用它们来传输少量的交互数据。另一方面，FTP文件传输则要求有最大的吞吐量。最高可靠性被指明给网络管理(如SNMP)和路由选择协议。用户网络新闻(Usenetnews,NNTP)是唯一要求最小费用的应用。

现在大多数的TCP/IP实现都不支持ToS特性，但是自4.3BSDReno以后的新版系统都对它进行了设置。另外，新的路由协议如OSPF和IS-IS都能根据这些字段的值进行路由决策。

总长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节(Byte)为单位。利用首部长度字段和总长度字段，就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16bit,所以IP数据报最长可达65535Byte.当数据报被分片时，该字段的值也随着变化。

尽管可以传送一个长达65535Byte的IP数据报，但是大多数的数据链路层都会对它进行分片。由于TCP把用户数据分成若干片，因此一般来说这个限制不会影响TCP.很多使用UDP的应用(如RIP,TFTP,BOOTP,DNS以及SNMP)，它们都限制用户数据报长度为512Byte,小于576Byte。但是，琪实上现在大多数的实现(特别是那些支持网络文件系统NFS的实现)允许超过8192Byte的IP数据报。

总长度字段是IP首部中必要的内容，因为一些数据链路(如以太网)需要填充一些数据以达到最小长度。尽管以太网的最小帧长为46Byte,但是1P数据报可能会更短。如果没有总长度字段，那么IP层就不知道46Byte中有多少是IP数据报的内容。

标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文。它的值就会加1.该字段用于IP分组的分片和重组。同样，标志字段和片偏移字段也是用于IP分组的分片和重组。

RFC791IPostel1981a]认为标识字段应该由让IP发送数据报的上层来选择。假设有两个连续的IP数据报，其中一个是由TCP生成的，而另一个是由UDP生成的，那么它们可能具有相同的标识字段。尽管这也可以正常工作(由重组算法来处理)，但是在大多数从伯克利派生出来的系统中，每发送一个IP数据报，IP层都要把一个内核变量的值加1，不管交给IP的数据来自哪一层。内核变童的初始值根据系统引导时的时间来设置。

TTL(Time-To-Live)生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数，它指定了数据报的生存时间?TTL的初始值由源主机设置(通常为32或64)，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1.当该字段的值为0时，数据报就被丢弃，并发送ICMP报文通知源主机。

协议字段被IP用来对数据报进行分用，根据它可以识别是哪个协议向IP传送数据。

首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码。它不对首部后面的数据进行计算。ICMP、IGMP、UDP和TCP在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据的检验和码。

为了计算一份数据报的IP检验和，首先把检验和字段置为0.然后，对首部中每个16bit进行二进制反码求和(整个首部看成由一串16bit的字组成)，结果存在检验和字段中。当收到一份IP数据报后，同样对首部中每个16bit进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全1。如果结果不是全1(即检验和错误)，那么IP就丢弃收到的数据报。但是不生成差错报文，由上层发现丢失的数据报并进行重传。

ICMP,IGMP、UDP和TCP都采用相同的检验和算法，尽管TCP和UDP除了本身的首部和数据外，在IP首部中还包含不同的字段。在RFC1071[Braden,BormanandPatridge1988]中有关于如何计算Internet检验和的实现技术。由于路由器经常只修改TTL字段(减1)，因此当路由器转发一份报文时可以增加它的检验和，而不需要对IP整个首部进行重新计算。RFC1141[MalloryandKullbei1990]为此给出了一个很有效的方法。

每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址。

最后一个字段是任选项，是数据报中的一个可变长度的可选信息。目前，这些任选项定义如下：

安全和处理限制(用于军事领域，详细内容参见RFC1108[Kentl99IP:

记录路径(让每个路由器都记下它的IP地址);

时间戳(让每个路由器都记下它的IP地址和时间);宽松的源站选路(为数据报指定一系列必须经过的IP地址);

严格的源站选路(与宽松的源站选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他地址)，这些选项很少被使用，并非所有的主机和路由器都支持这些选项。

选项字段一直都是以32bit作为界限，在必要的时候插入值为0的填充字节。这样就保证IP首部始终是32bit的整数倍，这是首部长度字段所要求的。

2.分段和重装

物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接收到一份要发送的IP数据报时，都要判断向本地哪个接口发送数据(选路)，并查询该接口获得其MTU.IP层把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

把一份IP数据报分片以后，只有到达目的地才进行重新组装，这里的重新组装与其他网络协议不同，它们要求在下一站就进行重新组装，而不是在最终的目的地。重新组装由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对运输层(如TCP和UDP)是透明的，除了某些可能的越级操作外。已经分片过的数据报有可能会再次进行分片(可能不止一次)。

IP首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。下面这些字段用于分片过程。对于发送端发送的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值。该值在数据报分片时被复制到每个片中。标志字段用其中一个比特来表示“更多的片”。除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把该比特置1.片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。最后，标志字段中有一个比特称做“不分片”位。如果将此比特置1,IP将不对数据报进行分片。相反把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报文(“需要进行分片但设置了不分片比特”)给起始端。

当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

尽管IP分片过程看起来是透明的，但缺点是即使只丢失一片数据也要重传整个数据报。为什么会发生这种情况呢?因为IP层本身没有超时重传的机制--由更高层来负责超时和重传(TCP有超时和重传机制;但UDP没有，一些UDP应用程序本身也执行超时和重传)。当来自TCP报文段的某一片丢失后，TCP在超时后会重发整个TCP报文段，该报文段对应于一份IP数据报。没有办法只重传数据报中的一个数据报片。事实上，如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端系统，那么起始端系统就无法知道数据报是如何被分片的。因此，经常要避免分片。

3.TCP

TCP是传输层的协议，它提供面向连接的可靠数据传输服务。它提供可靠服务的手段和数据链路层、网络层中面向连接服务在原则上是相同的，即给报文编号，收方回送应答，超时重发。但由于连接两端运输层实体的网络比较复杂，且有可能是多个不同网络互连而成，这就使TCP又有自己的特点，如下所述。

发送窗口、接收窗口尺寸可动态调整。在TCP中，可发送的未应答信息长度是可以调整的。根据收方和网络负载情况，可动态调粮窗口大小。例如，当出现网络拥塞时，TCP会自动按照将窗口尺寸减小一半的方法来逐步减小发送流量。

超时重发间隔：TCP超时间隔的计算较复杂，要使用很多参数，动态进行计算。当发生网络拥塞时，TCP按照逐步加倍超时间隔的方法来适应网络状态。

编号与确认：TCP把所传送信息看成是一个连续的字节流。一个TCP报文所传送的信息段在该字节流中的位置就是该报文段的编号，收方可据此对报文段进行应答。

TCP中无否认应答NAK,其差错控制由ACK和超时重发完成。但收到错序的报文时应如何处理，TCP未做明确规定，而是让TCP实现者自行决定。因为按字节流编号方便了缓冲区管理，所以通常采用选择ARQ方式。

按字节流编号方便了收方缓冲区管理。如果收方收到错序报文，可以方便地嵌入接收缓存区中的适当位置。当所缺报文到达时，可以将接收缓冲区中的数据连续地拼接在一起，并提交给上层。这样可以避免对缓冲区进行搜索，避免出现内存碎片，提高了内存利用率和处理速度。

因为是字节流，TCP只完成字节流的透明传输，不需对字节流进行解释，也无需进行分段和重装。

TCP报文的格式如图5-30所示。与IP数据报格式一样，TCP报文的长度是以4Byte为单位的。TCP报文分为首部和数据两个部分。首部的前20字节是固定的，后面的选项是可变长度的。首部固定部分各字段意义如下。

源端口和目的端口：各16bit.可表示64000个不同埔口。端口是运输层向上层提供服务的接口，也就是运输服务访问点(TSAP)。不同的端口对应不同的应用层程序。对于一些常用的应用层服务，都有一个对应的端口号码，这种端口号码称为熟知端U(well-knownport)，数值为0?255.例如，FTP使用21号端口，SMTP使用25号端口，SNMP使用161号端口，Telnet使用23号端口端口和IP地址结合在一起，称为插口或套接字(SOCKET)。序号：32bit,可在4GB的数据流中定位。上面已介绍过，TCP报文不是按报文个数来编号的，而是按它所传数据的第一个字节在数据流中的位置来编号的。

确认序号：32bit.表示期望收到的下一段数据的第一字节序号。

数据偏移：表示数据从什么位置开始，也就是首部长度。4bit,可表达的长度范围是0-15,单位是4Byte.首部长度最大可达60Byte.

URG(Ui^ent)：紧急比特。当收到URG=1的报文时，通知上层应用程序，目前数据流中有紧急数据，应用程序不要按原来的排队顒序接收数据。而要先接收紧急数据。例如，发送方刚刚发送了很长的数据给对方，又有紧急的控制信息要发给对方，就可以用URG=1的方式。这时收方应用程序停止正常的数据接收，待取走控制信息后，再恢复正常数据接收。URG比特要和“紧急指针”配合使用。

ACK:确认比特。ACK=1时“确认序号”才有意义，ACK=0时“确认序号”无意义。PSH(Push)：急迫推进比特。PSH=1时应立即将报文发送出去，而不要在缓冲区停留。在上层应用程序和TCP程序之间，有一个缓冲区。上层程序通过向这个缓冲区存入或取出数据，便可使用TCP提供的数据流传送服务。在传送数据时，应用程序使用适合的数据段长度。这样的长度可能小到一个字节。TCP为了提高传送效率，要收集足够的数据，填入一个适当大小的TCP报文中，再通过网络发送出去。为了把数据立即传送给对方，便要使用PSH=1的方式：在发送方，TCP立即将发送缓冲区中数据全都发送出去，不用等到收集到足够的数据：在接收方，上层应用程序立即把数据取走。

RST(Reset)：重建比特。RST=1时表明出现严重差错，必须释放连接，然后重建运输层连接。

SYN:同步比特。当SYN=1、ACK=0时，表明请求建立连接;当SYN=1、ACK=1时，表明同意建立连接。

FIN(Final)：终止比特。FIN=1时释放连接。

窗口：16bit,告诉对方在“确认序号”后能够发送的数据量。用于流量控制。当该值为零时，对方要暂时停止发送。

检验和：16bit。检验的范围包括首部和数据。

紧急指针：16bit。指出紧急数据的最后一个字节相对于“序号”字段给出位置的偏移。当紧急数据传送结束后，恢复正常的数据传送。紧急数据的开始位置，由第一个紧急报文的“序号”字段给出。

选项：长度可变。用来说明常规TCP没有的附加特性。常用的选项有“最大报文长度”.利用选项，可增加移动网络需要的特性。

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