【導(dǎo)讀】議組件允許它們互相進(jìn)行通信。這一點(diǎn)很讓人感到吃驚，因?yàn)樗淖饔靡堰h(yuǎn)遠(yuǎn)超出了起初的。TCP/IP起源于60年代末美國政府資助的一個分組交換網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目，到現(xiàn)在90年。代已發(fā)展成為計算機(jī)之間最常應(yīng)用的組網(wǎng)形式。它是一個真正的開放系統(tǒng)，因?yàn)閰f(xié)議組件的。定義及其多種實(shí)現(xiàn)可以不用花錢或花很少的錢就可以公開地得到。它成為被稱作“全球互聯(lián)。本章主要對TCP/IP協(xié)議組件進(jìn)行概述，其目的是為本書其余章節(jié)提供充分的背景知識。如果讀者要從歷史的角度了解有關(guān)TCP/IP的早期發(fā)展情況，請參考文獻(xiàn)[Lynch1993]。比如TCP/IP，是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合。TCP/IP通常被認(rèn)為是一個四層協(xié)議系。兩個互不相同的傳輸協(xié)議：TCP和UDP。TCP為兩臺主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。而另一方面，UDP則為應(yīng)用層提供一種非常簡單的服務(wù)。從一臺主機(jī)發(fā)送到另一臺主機(jī)，但并不保證該數(shù)據(jù)報能到達(dá)另一端。列出了該過程所涉及到的所有協(xié)議。組不同的協(xié)議組合在一起構(gòu)成的協(xié)議族。重傳，發(fā)送和接收端到端的確認(rèn)分組等機(jī)制。

　　

【正文】 線路的速率就是 960 B/s（字節(jié) /秒）。以這個速率傳輸一個 1024字節(jié)的分組需要 1066 ms。如果我們用 SLIP 鏈接運(yùn)行一個交互式應(yīng)用程序，同時還運(yùn)行另一個應(yīng)用程序如 FTP發(fā)送或接收 1024字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么一般來說我們就必須等待一半的時間（ 533 ms）才能把交互式應(yīng)用程序的分組數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 假定我們的交互分組數(shù)據(jù)可以在其它“大塊”分組數(shù)據(jù)發(fā)送之前被發(fā)送出去。大多數(shù)的SLIP 實(shí)現(xiàn)確實(shí)提供這類服務(wù)排隊方法，把交互數(shù)據(jù)放在大塊的數(shù)據(jù)前面。交互通信一般有Tel， Rlogin，以及 FTP 的控制部分（用戶的命令，而不是數(shù)據(jù)）。 （下面是原書 ①的譯文） 這種服務(wù)排隊方法是不完善的。它不能影響已經(jīng)進(jìn)入下游（如串行驅(qū)動程序）隊列的非交互數(shù)據(jù)。同時，新型的調(diào)制解調(diào)器具有很大的緩沖區(qū)，因此非交互數(shù)據(jù)可能已經(jīng)進(jìn)入該緩沖區(qū)了。 對于交互應(yīng)用來說，等待 533 ms是不能接受的。關(guān)于人的有關(guān)研究表明，交互響應(yīng)時間超過 100200 ms就被認(rèn)為是不好的 [Jacobson 1990a]。這是發(fā)送一份交互報文出去后，直到接收到響應(yīng)信息（通常是出現(xiàn)一個回顯字符）為 止的往返時間。 把 SLIP的 MTU縮短到 256就意味著鏈路傳輸一幀最長需要 266 ms，它的一半是 133 ms（這是我們一般需要等待的時間）。這樣情況會好一些，但仍然不完美。我們選擇它的原因（與 64或 128相比）是因?yàn)榇髩K數(shù)據(jù)提供良好的線路利用率（如大文件傳輸）。假設(shè) CSLIP的報文首部是 5個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀總長為 261個字節(jié)， 256個字節(jié)的數(shù)據(jù)使線路的利用率為%，幀頭占了 %，這樣的利用率是很不錯。如果把 MTU降到 256以下，那么將降低傳輸大塊數(shù)據(jù)的最大吞吐量。 在圖 MTU值中，點(diǎn)對點(diǎn)鏈路的 MTU是 296個字節(jié)。假設(shè)數(shù)據(jù)為 256字節(jié)，TCP 和 IP首部占 40個字節(jié)。由于 MTU是 IP向鏈路層查詢的結(jié)果，因此該值必須包括通常的 TCP 和 IP首部。這樣就會導(dǎo)致 IP如何進(jìn)行分片的決策。 IP對于 CSLIP 的壓縮情況一無所知。 我們對平均等待時間的計算（傳輸最大數(shù)據(jù)幀所需時間的一半）只適用于 SLIP鏈路（或PPP鏈路）在交互通信和大塊數(shù)據(jù)傳輸這兩種情況下。當(dāng)只有交互通信時，如果線路速率是9600 b/s，那么任何方向上的 1字節(jié)數(shù)據(jù)（假設(shè)有 5個字節(jié)的壓縮幀頭）往返一次都大約需要 ms。它比前面提到的 100200 ms足夠小。需要注意的是，由于幀頭從 40個字節(jié)壓縮到 5個字節(jié)，使得 1字節(jié)數(shù)據(jù)往返時間從 85 ms減到 ms。 不幸的是，當(dāng)使用新型的糾錯和壓縮調(diào)制解調(diào)器時，這樣的計算就更難了。這些調(diào)制解調(diào)器所采用的壓縮方法使得在線路上傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)大大減少，但糾錯機(jī)制又會增加傳輸?shù)臅r間。不過，這些計算是我們進(jìn)行合理決策的入口點(diǎn)。 在后面的章節(jié)中，我們將用這些串行線路吞吐量的計算來驗(yàn)證數(shù)據(jù)從串行線路止通過的時間。 小結(jié) 本章討論了 Inter 協(xié)議族中的最底層協(xié)議，鏈路層協(xié)議。我們比較了以太網(wǎng)和 IEEE ，以及 SLIP和 PPP的封裝格式。由于 SLIP和 PPP經(jīng)常用于低速的鏈路，二者都提供了壓縮不常變化的公共字段的方法。這使交互性能得到提高。 大多數(shù)的實(shí)現(xiàn)都提供環(huán)回接口。訪問這個接口可以通過特殊的環(huán)回地址，一般為，也可以通過發(fā)送 IP數(shù)據(jù)報給主機(jī)所擁有的任一 IP地址。當(dāng)環(huán)回數(shù)據(jù)回到上層的協(xié)議棧中時，它已經(jīng)過傳輸層和 IP 層完整的處理過程。 我們描述了很多鏈路都具有一個重要特性， MTU，相關(guān)的一個概念是路徑 MTU。根據(jù)典型的串行線路 MTU，我們對 SLIP 和 CSLIP 鏈路的傳輸時延進(jìn)行了計算。 本章內(nèi)容只覆蓋了當(dāng)今 TCP/IP 所采用部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路公共技術(shù)。 TCP/IP 成功的原因之一是它幾乎能在任何數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)上運(yùn)行。 習(xí)題 如果你的系統(tǒng)支持 stat(1)命令（參見 ），那么請用它確定系統(tǒng)上的接口及其MTU。 2－ 1 3 IP：網(wǎng)際協(xié)議 引言 IP 是 TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的 TCP， UDP， ICMP，及 IGMP 數(shù)據(jù)都以 IP 數(shù)據(jù)報格式傳輸（圖 ）。許多剛開始接觸 TCP/IP的人對 IP提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務(wù)感到很奇怪，特別是那些具有 SNA背景知識的人。 不可靠（ unreliable）的意思是它不能保證 IP數(shù)據(jù)報能成功地到達(dá)目的地。 IP 僅提供最好的傳輸服務(wù)。如果發(fā)生某種錯誤時，如某個路由器暫時用完了緩沖區(qū)， IP 有一個簡單的錯誤處理算法：丟棄該數(shù)據(jù)報，然后發(fā)送 ICMP消息報給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來提供（如 TCP）。 無連接（ connectionless）這個術(shù)語的意 思是 IP并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報的狀態(tài)信息。每個數(shù)據(jù)報的處理是相互獨(dú)立的。這也說明， IP數(shù)據(jù)報可以不按發(fā)送順序接收。如果一信源向相同的信宿發(fā)送兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)報（先是 A，然后是 B），每個數(shù)據(jù)報都是獨(dú)立地進(jìn)行路由選擇，可能選擇不同的路線，因此 B可能在 A到達(dá)之前先到達(dá)。 在本章，我們將簡要介紹 IP 首部中的各個字段，討論 IP 路由選擇和子網(wǎng)的有關(guān)內(nèi)容。我們還要介紹兩個有用的命令： ifconfig和 stat。關(guān)于 IP 首部中一些字段的細(xì)節(jié)，我們將留在以后使用這些字段的時候再進(jìn)行討論。 RFC 791[Postel 1981a]是 IP 的正式規(guī)約文件。 IP 首部 IP 數(shù)據(jù)報的格式如圖 。普通的 IP 首部長為 20個字節(jié)，除非含有選項(xiàng)字段。 圖 IP 數(shù)據(jù)報格式及首部中的各字段 我們來分析圖 。最高位在左邊，記為 0 bit，最低位在右邊，記為 31 bit。 4個字節(jié)的 32 bit值以下面的次序傳輸：首先是 07 bit，其次 815 bit，然后 1623 bit，最后是 2431 bit。這種傳輸次序稱作 big endian字節(jié)次序。由于 TCP/IP 首部 中所有的二進(jìn)制整數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網(wǎng)絡(luò)字節(jié)次序。以其他形式存儲二進(jìn)制整數(shù)的機(jī)器，如 little endian格式，則必須在傳輸數(shù)據(jù)之前把首部轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)次序。 目前的協(xié)議版本號是 4，因此 IP 有時也稱作 IPv4。 IP 協(xié)議進(jìn)行討論。 首部長度指的是首部占 32 bit字的數(shù)目，包括任何先期選項(xiàng)。由于它是一個 4比特字段，因此首部最長為 60個字節(jié)。在第 8章中，我們將看到這種限制使某些選項(xiàng)如路由記錄選項(xiàng)在當(dāng)今已沒有什么用處。普通 IP 數(shù)據(jù)報（沒有任何選 擇項(xiàng)）該字段的值是 5。 服務(wù)類型（ TOS）字段包括一個 3 bit的優(yōu)先權(quán)子字段（現(xiàn)在已被忽略）， 4 bit的 TOS子字段，和 1 bit未用位但必須置 0。 4 bit的 TOS分別代表：最小時延，最大吞吐量，最高可靠性，最小費(fèi)用。 4 bit中只能置其中 1 bit。如果所有 4 bit均為 0，那么就意味著是普遍服務(wù)。 RFC 1340 [Reynolds and Postel 1992]描述了所有的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用如何設(shè)置這些服務(wù)類型。RFC 1349 [Almquist 1992]對該 RFC進(jìn)行了修正，更為詳細(xì)地描述 了 TOS的特性。 圖 TOS值。在最后一列中，我們給出的是十六進(jìn)制值，因?yàn)檫@就是在后面我們將要看到的 tcpdump命令輸出。 圖 服務(wù)類型字段推薦值 Tel和 Rlogin這兩個交互應(yīng)用要求最小的傳輸時延，因?yàn)槿藗冎饕盟鼈儊韨鬏斏倭康慕换?shù)據(jù)。另一方面， FTP 文件傳輸則要求有最大的吞吐量。最高可靠性被指明給網(wǎng)絡(luò)管理（ SNMP）和路由選擇協(xié)議。用戶網(wǎng)絡(luò)新聞（ Use news, NNTP）是唯一要求最小費(fèi)用的應(yīng)用。 現(xiàn)在大多數(shù)的 TCP/IP 實(shí)現(xiàn)都不支持 TOS特性，但是自 Reno以后的新版系統(tǒng)都對它進(jìn)行了設(shè)置。另外，新的路由協(xié)議如 OSPF和 ISIS 都能根據(jù)這些字段的值進(jìn)行路由決策。 （下面是原書 ①的譯文） 在 ，我們提到 SLIP一般提供基于服務(wù)類型的排隊方法，允許對交互通信數(shù)據(jù)在處理大塊數(shù)據(jù)之前進(jìn)行處理。由于大多數(shù)的實(shí)現(xiàn)都不使用 TOS字段，因此這種排隊機(jī)制由 SLIP 自己來判斷和處理，驅(qū)動程序先查看協(xié)議字段（確定是否是一個 TCP段），然后檢查 TCP 信源和信宿的端口號，以判斷是否是一個交互服務(wù)。一個驅(qū)動程 序的注釋這樣認(rèn)為，這種“令人厭惡的處理方法”是必需的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)實(shí)現(xiàn)都不允許應(yīng)用程序設(shè)置 TOS字段。 總長度字段是指整個 IP數(shù)據(jù)報的長度，以字節(jié)為單位。利用首部長度字段和總長度字段，我們就可以知道 IP 數(shù)據(jù)報中數(shù)據(jù)內(nèi)容的起始位置和長度。由于該字段長 16比特，所以IP數(shù)據(jù)報最長可達(dá) 65535字節(jié)。（回憶圖 ，超級通道的 MTU為 65535。它的意思其實(shí)不是一個真正的 MTU－ — 它使用了最長的 IP數(shù)據(jù)報。）當(dāng)數(shù)據(jù)報被分片時，該字段的值也隨著變化，這一點(diǎn)我們將在 。 盡管可以傳送 一個長達(dá) 65535字節(jié)的 IP數(shù)據(jù)報，但是大多數(shù)的鏈路層都會對它進(jìn)行分片。而且，主機(jī)也要求不能接收超過 576字節(jié)的數(shù)據(jù)報。由于 TCP 把用戶數(shù)據(jù)分成若干片，因此一般來說這個限制不會影響 TCP。我們在后面的章節(jié)中將遇到大量使用 UDP 的應(yīng)用（ RIP， TFTP， BOOTP， DNS，以及 SNMP），它們都限制用戶數(shù)據(jù)報長度為 512字節(jié)，小于 576字節(jié)。但是，事實(shí)上現(xiàn)在大多數(shù)的實(shí)現(xiàn)（特別是那些支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)， NFS的實(shí)現(xiàn)）允許超過 8192字節(jié)的 IP 數(shù)據(jù)報。 總長度字段是 IP首部中必要的內(nèi)容，因?yàn)橐恍?shù)據(jù)鏈路（如 以太網(wǎng)）需要填充一些數(shù)據(jù)以達(dá)到最小長度。盡管以太網(wǎng)的最小幀長為 46字節(jié)（圖 ），但是 IP 數(shù)據(jù)可能會更短。如果沒有總長度字段，那么 IP 層就不知道 46字節(jié)中有多少是 IP 數(shù)據(jù)報的內(nèi)容。 標(biāo)識字段唯一地標(biāo)識主機(jī)發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報。通常每發(fā)送一份報文它的值就會加 1。我們在 。同樣，在討論分片時我們再來分析標(biāo)志字段和片偏移字段。 （下面是原書 ①的譯文） RFC 791 [Postel 1981a]認(rèn)為標(biāo)識字段應(yīng)該由讓 IP發(fā)送數(shù)據(jù)報的上層來選擇。假 設(shè)有兩個連續(xù)的 IP 數(shù)據(jù)報，其中一個是由 TCP生成的，而另一個是由 UDP生成的，那么它們可能具有相同的標(biāo)識字段。盡管這也可以照常工作（由重組算法來處理），但是在大多數(shù)從伯克利派生出來的系統(tǒng)中，每發(fā)送一個 IP數(shù)據(jù)報時， IP 層都要把一個內(nèi)核變量的值加 1，不管交給 IP 的數(shù)據(jù)來自哪一層。內(nèi)核變量的初始值根據(jù)系統(tǒng)引導(dǎo)時的時間來設(shè)置。 生存時間字段（ timetolive） TTL設(shè)置了數(shù)據(jù)報可以經(jīng)過的最多路由器數(shù)。它指定了數(shù)據(jù)報的生存時間。 TTL的初始值由源主機(jī)設(shè)置（通常為 32 或 64），一旦經(jīng)過一個處理它的路 由器，它的值就減去 1。當(dāng)該字段的值為 0時，數(shù)據(jù)報就被丟棄，并發(fā)送 ICMP報文通知源主機(jī)。第 8章我們討論 Traceroute程序時將再回來討論該字段。 我們已經(jīng)在第 1章討論了協(xié)議字段，并在圖 IP 用來對數(shù)據(jù)報進(jìn)行分用。根據(jù)它可以識別是哪個協(xié)議向 IP 傳送數(shù)據(jù)。 首部檢驗(yàn)和字段是根據(jù) IP 首部計算的檢驗(yàn)和碼。它不對首部后面的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。ICMP， IGMP， UDP和 TCP 在它們各自的首部中均含有同時覆蓋首部和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和碼。 為了計算一份數(shù)據(jù)報的 IP 檢驗(yàn)和，首先把檢驗(yàn)和字段 置為 0。然后，對首部中每個 16 bit的二進(jìn)制反碼進(jìn)行求和（整個首部看成是由一串 16 bit的字組成），結(jié)果存在檢驗(yàn)和字段中。當(dāng)收到一份 IP 數(shù)據(jù)報后，同樣對首部中每個 16 bit的二進(jìn)制反碼進(jìn)行求和。由于收方在計算過程中包含了發(fā)方存在首部中的檢驗(yàn)和，因此首部在傳輸過程中沒有發(fā)生任何差錯時，收方計算的結(jié)果應(yīng)該為全 1。如果結(jié)果不是全 1（即檢驗(yàn)和錯誤），那么 IP就丟棄收到的數(shù)據(jù)報。但是不生成差錯報文，由上層去發(fā)現(xiàn)丟失的數(shù)據(jù)報并進(jìn)行重傳。 ICMP， IGMP， UDP和 TCP都采用相同的檢驗(yàn)和算法，盡管 TCP和 UDP除了本身的首部和數(shù)據(jù)外，在 IP首部中還包含不同的字段。在 RFC 1071[Braden,Borman and Patridge 1988]中有關(guān)于如何計算 Inter檢驗(yàn)和的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。由于路由器經(jīng)常只修改 TTL字段（減 1），因此當(dāng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)一份報文時可以增加它的檢驗(yàn)和，而不需要對 IP 整個首部進(jìn)行重新計算。RFC 1141[Mallory and Kullberg 1990]為此給出了一個很有效的方法。 （下面是原書 ①的譯文） 但是，標(biāo)準(zhǔn)的 BSD實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報時并不是采 用這種增加的辦法。 每一份 IP 數(shù)據(jù)報都包含源 IP地址和目的 IP 地址。我們在 ，它們都是 32 bit的值。 最后一個字段是任選項(xiàng)，是數(shù)據(jù)報中的一個可變長的可選信息。目前，這些任選項(xiàng)定義如下： 安全和處理限制（用于軍事領(lǐng)域，詳細(xì)內(nèi)容參見 RFC 1108[