内容简介
本书采用理论与实践相结合的方法介绍TCP/IP协议族各层协议。选取TCP/IP协议框架中每一层的主要协议,包括以太网和IEEE 802.3、ARP、ICMP、IP、RIP、OSPF、UDP、TCP、DNS、DHCP、SNMP、Telnet、HTTP和FTP等协议。在介绍协议基本原理的基础上,利用在网络仿真环境和真实环境中捕获协议数据包,对协议工作过程进行深入的分析。本书突出通过实验直观地再现协议工作机制,激发学生的学习兴趣,提高学生的工程实践能力。
本书可作为计算机及相关专业本科生学习TCP/IP协议原理的教材,也可作为高职院校协议分析技术的教材,还可作为计算机网络从业人员的参考书。
内页插图
目录
第1章TCP/IP协议概述
1.1TCP/IP协议体系结构
1.1.1TCP/IP协议分层
1.1.2IP地址和端口
1.2封装与分用
1.2.1封装
1.2.2分用
1.3RFC
1.4应用编程接口
1.4.1套接字编程
1.4.2Libpcap编程
1.5小结
1.6习题
第2章协议分析和学习工具
2.1协议分析
2.1.1协议分析器的原理
2.1.2协议分析器的主要用途
2.2Cisco Packet Tracer
2.2.1Packet Tracer的工作界面
2.2.2利用Packet Tracer学习网络协议分析
2.3Wireshark
2.3.1数据包嗅探器Wireshark
2.3.2Wireshark的工作界面
2.3.3Wireshark抓包的基本操作
2.4GNS3
2.4.1GNS3安装和配置
2.4.2GNS3的使用
2.5Sniffer Pro
2.6科来网络分析系统
2.7小结
2.8习题
实验
实验2��1Packet Tracer 6.0的使用
实验2��2Wireshark的使用
实验2��3GNS3的安装使用
第3章链路层协议分析
3.1链路层的作用
3.2以太网的帧结构
3.2.1以太网的两种主要标准
3.2.2以太网帧的封装结构
3.3串行接口的链路层协议
3.3.1SLIP
3.3.2PPP
3.4MTU
3.5环回接口
3.6小结
3.7习题
实验
实验3��1DIX Ethernet V2帧格式分析
实验3��2IEEE 802帧格式分析
实验3��3PPP帧的观察
实验3��4环回接口
第4章ARP协议分析
4.1物理地址和网络地址的转换
4.2ARP协议的工作原理
4.2.1地址解析的例子
4.2.2ARP协议的工作过程
4.2.3ARP协议报文格式
4.3特殊的ARP
4.3.1免费ARP
4.3.2代理ARP
4.4RARP协议
4.5小结
4.6习题
实验
实验4��1arp命令
实验4��2ARP请求与应答
实验4��3ARP代理
实验4��4免费ARP
第5章ICMP协议分析
5.1ICMP的作用
5.2ICMP报文及类型
5.2.1ICMP报文格式
5.2.2ICMP报文类型
5.2.3ICMP差错报告
5.2.4ICMP控制报文
5.2.5ICMP查询报文
5.3ICMP测试和故障诊断程序
5.3.1ping程序
5.3.2traceroute程序
5.4小结
5.5习题
实验
实验5��1ICMP回显查询报文
实验5��2ping程序和IP选项
实验5��3ICMP重定向差错报文
实验5��4traceroute程序
第6章IP协议和IP选路协议
6.1IP协议
6.1.1IP层的传输特点
6.1.2IP数据报格式
6.2IP路由选择
6.2.1路由表及维护
6.2.2IP选路机制
6.3动态选路协议
6.3.1RIP协议
6.3.2OSPF协议
6.4IP分片与路径MTU发现
6.4.1IP分片
6.4.2路径MTU发现
6.5小结
6.6习题
实验
实验6��1route命令与静态路由
实验6��2ICMP主机和网络不可达差错
实验6��3RIP协议分析
实验6��4OSPF协议分析
实验6��5IP分片和路径MTU发现
第7章UDP及应用协议分析
7.1UDP协议
7.1.1UDP协议的特点
7.1.2UDP的报文格式
7.2DNS协议
7.2.1域名解析的有关概念
7.2.2DNS报文格式分析
7.2.3DNS报文实例
7.3DHCP协议
7.3.1DHCP的有关概念
7.3.2DHCP的报文格式
7.3.3DHCP报文实例
7.4SNMP协议
7.4.1SNMP体系结构
7.4.2管理信息结构
7.4.3管理信息库MIB�并�
7.4.4SNMP安全机制
7.4.5SNMP报文
7.4.6SNMP操作
7.4.7SNMP报文实例
7.5小结
7.6习题
实验
实验7��1DNS协议分析
实验7��2DHCP协议分析
实验7��3SNMP协议分析
第8章TCP及应用协议分析
8.1传输控制协议
8.1.1TCP段格式
8.1.2TCP连接的建立和拆除
8.2Telnet远程登录
8.2.1Telnet工作机制
8.2.2Telnet报文实例
8.3HTTP协议
8.3.1HTTP协议特点和报文格式
8.3.2HTTP报文实例
8.4FTP协议
8.4.1FTP协议的工作原理
8.4.2FTP报文实例
8.5小结
8.6习题
实验
实验8��1Telnet程序和TCP连接分析
实验8��2HTTP协议分析
实验8��3FTP协议分析
附录ACisco常用命令
参考文献
前言/序言
TCP/IP原理是网络工程专业的主干专业课程内容,同时也是计算机应用相关学科专业学生深入学习计算机网络技术的主要内容。实现掌握TCP/IP协议族中协议工作原理这一学习目标的主要途径需要通过网络协议分析来达成。针对协议分析具有很强的理论性和实践性的特点,同时考虑到计算机及相关专业的本科教育多强调应用能力的培养,编者旨在将本书编写成为一种注重网络协议分析实验及操作,把TCP/IP原理的理论学习和实验相互融合的教材。
本书按照 TCP/IP协议框架的层次结构对网络互连中的主要协议进行分析,采用实例分析的方法学习TCP/IP基本原理。选取TCP/IP协议框架中每一层的主要协议,包括链路层以太网和IEEE 802.3、ARP、ICMP、IP、RIP、OSPF、UDP、TCP、DNS、DHCP、SNMP、Telnet、HTTP和FTP等协议,由下而上地设计了26个实验,利用在网络仿真环境和真实环境中捕获协议数据包,将抽象的网络协议的PDU构成和工作原理通过实验直观形象地展示出来,使学生能将理论与实践结合起来,加深对网络协议的理解并掌握协议分析的基本方法。
本书编写上特点突出,强化了在阐述TCP/IP协议概念和原理的基础上动手实践的内容。首先是重构实验内容,把TCP/IP原理课程中对TCP/IP各个协议工作原理的学习,用当今主要的网络协议学习工具和协议分析工具进行教学内容和实验形式的重新设计,通过实验强化学生的网络工程实践能力。其次,融合了多种当今主流的网络协议分析和学习工具,综合国内外相关教程的内容,可以使学生以不同的方式,从不同的角度来理解和掌握协议原理,获得更大的学习自主性和积极性。实验既可以在真实网络设备上进行,也可以在虚拟或仿真环境中完成,使学生即使在课余时间也可以自己学习,更好地提高学习效果。第三是改变网络协议的讲解形式,采用基于协议分析工具的讲解方式,让学生在实际的网络环境中通过再现网络协议工作过程和解析网络协议,真正做到“做中学”,全面彻底改变学生死记硬背网络协议的学习方式,让网络协议的工作过程变得触手可及,大大地提高了学生的学习兴趣和学习效果,有效地提高学生的网络工程实践能力和应用能力。第四是教材中对路由器和交换机等网络设备有要求的实验都可在仿真条件下进行,因此即便实验条件不够完备,也可以完成相关的实验教学。
本书适合已经学习过计算机网络基础课程且已掌握计算机网络基本体系结构,需要进一步学习掌握具体的网络协议工作原理的读者使用。书中各章安排的实验按学生实验指导书的形式编写,能够直接满足教学需要,因而也适合作为高校计算机网络原理教学中协议分析实验课程的教材使用。
全书共8章。除第1章外,其余各章的基本结构都按照先介绍基本概念和理论,再安排实验内容的方式编排,实验内容上覆盖了各章主要的知识点。第1章为TCP/IP协议概述,介绍TCP/IP协议分层、封装与分用的概念、RFC、应用编程的套接字和Libpcap编程接口。第2章为协议分析和学习工具,介绍协议分析器的基本原理和用途、Cisco Packet Tracer、Wireshark、GNS3、Sniffer pro和科来网络分析系统的特点和用法,实验内容安排了Cisco Packet Tracer、Wireshark、GNS3的使用方法学习。第3章为链路层协议分析,介绍链路层的作用、以太网的帧结构、SLIP和PPP帧结构、MTU和环回接口,实验内容安排了DIX Ethernet V2帧、IEEE 802帧和PPP帧分析、环回接口实验。第4章为ARP协议分析,介绍地址变换的概念、ARP协议的工作过程、协议报文格式和特殊的ARP,实验内容安排了arp命令用法、ARP请求与应答、ARP代理和免费ARP实验。第5章为 ICMP协议分析,介绍ICMP的作用、ICMP报文及类型,分析ICMP差错报告、控制报文和查询报文的特点、ping程序和Traceroute程序的机制和用法,实验内容安排了ICMP回显查询报文、ping程序和IP选项、ICMP重定向差错报文和Traceroute程序实验。第6章为IP协议和IP选路协议,介绍IP协议的特点、IP数据报格式、路由表及选路基本原理、RIP协议和OSPF协议、IP分片与路径MTU发现,实验内容安排了route命令与静态路由、ICMP主机和网络不可达差错、RIP协议分析、OSPF协议分析、IP分片和路径MTU发现实验。第7章为UDP及应用协议分析,介绍UDP协议特点、UDP的报文格式,基于UDP的应用协议DNS、DHCP和SNMP的有关概念、协议工作基本原理、报文格式和报文实例解析,实验内容安排了DNS协议分析、DHCP协议分析和SNMP协议分析实验。第8章为TCP及应用协议分析,介绍TCP段格式,TCP连接建立和拆除过程,Telnet远程登录的工作机制和报文实例解析,HTTP协议的工作特点、报文格式和实例解析,FTP协议的工作原理和报文实例解析,实验内容安排了Telnet程序和TCP连接分析、HTTP协议分析、FTP协议分析实验。附录中给出了Cisco常用命令,以方便读者使用Packet Tracer时查阅。
根据教学时数和不同的要求,可以在本书的范围内选择相应的实验内容,以满足不同的教学需求。如8学时的实验可采用以太网链路层帧格式分析实验、ARP协议分析实验、ICMP协议分析实验、TCP及应用协议分析实验4个实验组合; 16学时的实验可采用以太网链路层帧格式分析实验、ARP协议分析实验、ICMP协议分析实验、RIP协议分析实验、DHCP协议分析实验、SNMP协议分析实验、Telnet协议分析实验、HTTP协议分析实验8个实验组合; 其余的实验可以作为任选实验或者课后学生自主安排实验。SNMP协议涉及的相关原理内容较多一些,可视学时情况安排。如果能够在实验室以讲练结合的方式使用本书进行教学,应当能用较少的学时获得较好的学习效果。
本书的所有实验全部经过在教学过程中实际上机操作,读者也可以根据自己的实验网络环境进行实验内容调整。
在清华大学出版社的网站上提供了本书的多媒体课件,读者可下载使用。
本书由陈年主编,各章的内容尤其是实验内容是近年来在TCP/IP原理课程教学实践中不断地进行补充完善和总结的结果。在此,对本书的编写和出版给予支持和帮助的所有老师、同学和朋友表示衷心的感谢。
限于编者的水平,不当之处在所难免,敬请各位读者批评指正。。
编者
2016年9月
《网络通信的基石:深入理解TCP/IP协议栈》 一、 引言 在信息爆炸、数据互联的数字时代,网络通信已经渗透到我们生活的方方面面。从浏览网页、发送邮件,到在线购物、社交互动,再到复杂的工业控制和科学计算,这一切都离不开一个强大的支撑体系——TCP/IP协议栈。它如同网络世界的通用语言,确保了全球亿万设备能够高效、可靠地进行信息交换。本书旨在为读者揭示TCP/IP协议栈的深层运作机制,带领大家踏上一段探索网络通信核心的旅程。我们将从基础概念出发,层层深入,全面解析TCP/IP协议栈的各个层次,理解它们在数据传输过程中扮演的关键角色,以及它们之间如何协同工作,最终实现端到端的可靠通信。 二、 TCP/IP协议栈概述 TCP/IP协议栈,全称为传输控制协议/互联网协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议栈,是构成互联网最基础、最核心的技术标准。它并非单一协议,而是一个由多个协议组成的集合,被组织成一个逻辑上的分层模型。这种分层思想极大地简化了网络设计的复杂性,使得不同硬件和软件厂商的设备能够相互兼容,实现了网络的开放性和互操作性。 TCP/IP协议栈通常被描述为四层或五层模型,本书将采用更具普遍性的五层模型进行讲解,它能够更清晰地划分不同协议的功能: 1. 应用层 (Application Layer):这是用户直接交互的层面,负责处理具体的网络应用。各种应用程序,如Web浏览器(HTTP)、电子邮件客户端(SMTP, POP3, IMAP)、文件传输(FTP)、域名解析(DNS)等,都工作在这一层。应用层协议定义了应用程序如何交换数据,以及如何格式化这些数据。 2. 传输层 (Transport Layer):这一层是TCP/IP协议栈的核心,负责在源主机和目标主机之间提供端到端的通信服务。最主要的两个协议是TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。TCP提供面向连接、可靠的、有序的数据传输,而UDP则提供无连接、不可靠但高效的数据传输。传输层负责数据的分段/重组、流量控制、拥塞控制以及端口寻址。 3. 网络层 (Network Layer):这一层的主要任务是实现数据包在网络中的路由和寻址。最核心的协议是IP(互联网协议),它负责为数据包分配唯一的IP地址,并决定数据包从源主机到目标主机的最佳路径。除了IP协议,网络层还包括了路由协议(如RIP, OSPF, BGP)等,用于在复杂的网络拓扑中动态地发现和维护路由信息。 4. 数据链路层 (Data Link Layer):这一层负责在相邻节点之间进行可靠的数据传输。它将来自网络层的数据包封装成帧(Frame),并处理物理寻址(MAC地址)。常见的协议包括以太网(Ethernet)、Wi-Fi(IEEE 802.11)等。数据链路层还负责错误检测(但不一定纠正)和访问控制,以确保在共享介质上不会发生数据冲突。 5. 物理层 (Physical Layer):这是模型的最底层,负责实际的比特流传输。它定义了网络的物理连接方式,包括电缆类型、连接器、信号编码、传输速率等。网络接口卡(NIC)和集线器(Hub)等硬件设备在此层工作。 理解TCP/IP协议栈的分层结构,有助于我们分而治之,逐个攻破各个协议的细节,最终掌握整个网络的运作原理。 三、 各层协议的深入解析 3.1 应用层:用户与网络的交互界面 应用层是用户感知最直接的网络层面。本书将重点解析几种最常用和最具代表性的应用层协议: HTTP/HTTPS (超文本传输协议/安全超文本传输协议):万维网的基石,负责在Web浏览器和Web服务器之间传输网页内容。我们将深入探讨HTTP请求/响应报文的结构、请求方法(GET, POST等)、状态码以及HTTPS如何通过TLS/SSL加密来保障通信安全。 SMTP, POP3, IMAP (简单邮件传输协议/邮局协议版本3/互联网消息访问协议):处理电子邮件的发送和接收。本书将解析这三种协议在邮件传输和管理中的不同职责和工作流程。 DNS (域名系统):将人类易于记忆的域名(如www.example.com)转换为计算机易于识别的IP地址。我们将详细讲解DNS的查询过程、记录类型以及其在网络解析中的重要性。 FTP (文件传输协议):用于在网络上的计算机之间进行文件传输。我们将分析FTP的控制连接和数据连接,以及其主动模式和被动模式的工作方式。 3.2 传输层:可靠通信的保障 传输层是实现端到端通信的关键,其中TCP和UDP是两大核心协议: TCP (传输控制协议): 面向连接的建立与终止:我们将详细介绍TCP的三次握手和四次挥手过程,理解它们如何确保连接的可靠建立和正常关闭。 可靠传输机制:深入剖析TCP的序号(Sequence Number)、确认应答(Acknowledgement, ACK)、超时重传等机制,理解TCP如何保证数据的无损、有序到达。 流量控制:讲解滑动窗口机制,以及TCP如何通过窗口大小来调节发送方发送数据的速率,避免接收方缓冲区溢出。 拥塞控制:阐述TCP如何感知网络拥塞,并动态调整发送速率,以避免加剧网络拥塞,提高网络整体吞吐量。我们将介绍慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复等算法。 TCP报文段结构:分析TCP报文段的各个字段,如源端口、目标端口、序号、确认号、窗口大小、标志位(SYN, ACK, FIN, RST等)等,理解它们在TCP通信中的具体作用。 UDP (用户数据报协议): 无连接与尽力而为:讲解UDP的无连接特性,以及它不提供可靠性保证的特点,适用于对实时性要求高、允许少量丢包的应用(如实时音视频、在线游戏)。 UDP数据报结构:分析UDP数据报的组成,包括源端口、目标端口、长度和校验和,强调其简洁高效的特点。 UDP应用场景:探讨UDP在DNS查询、SNMP(简单网络管理协议)、VoIP(网络电话)等场景下的应用。 3.3 网络层:数据包的路由与寻址 网络层是实现全球互联的关键,IP协议是其核心: IP (互联网协议): IP地址与子网划分:详细讲解IPv4地址的结构、类别(A, B, C, D, E)、私有地址与公有地址,以及子网掩码和CIDR(无类别域间路由)的概念,理解IP地址的分配和网络划分逻辑。 IP数据报结构:深入分析IP数据报的头部字段,如版本、头部长度、服务类型(TOS)、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间(TTL)、协议字段、头部校验和、源IP地址和目标IP地址等,理解它们如何指导数据包的传输。 路由选择:阐述路由器在网络中如何根据目标IP地址选择最佳路径,以及静态路由和动态路由的区别,并介绍一些重要的路由协议(如RIP, OSPF, BGP)的基本原理(不深入具体算法)。 NAT (网络地址转换):解释NAT技术如何解决IPv4地址枯竭问题,以及它在实际网络中的应用。 IPv6简介:简要介绍IPv6的地址空间、结构和优势,以及其发展趋势。 ICMP (Internet Control Message Protocol): 控制与诊断:讲解ICMP协议的作用,包括报告网络错误和提供网络诊断信息。我们将分析ping命令(ICMP Echo Request/Reply)和traceroute命令(ICMP Time Exceeded)的工作原理。 3.4 数据链路层:相邻节点间的通信 数据链路层负责局域网内的通信,确保数据在物理链路上可靠传输: MAC地址:讲解MAC地址的唯一性、分层结构(OUI和设备标识符),以及它在局域网中的作用。 以太网协议:详细介绍以太网帧的格式,包括前导码、帧起始定界符、目标MAC地址、源MAC地址、类型/长度字段、数据载荷和帧校验序列(FCS),以及CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)介质访问控制方法。 ARP (Address Resolution Protocol):讲解ARP协议如何根据IP地址解析出对应的MAC地址,这是IP地址到MAC地址映射的关键。 PPP (Point-to-Point Protocol):介绍PPP协议在点对点链路(如拨号连接、DSL)中的应用。 3.5 物理层:比特流的传输 物理层是数据通信的基础,虽然本书侧重于协议分析,但也会简要介绍其关键概念: 传输介质:介绍常见的传输介质,如双绞线、同轴电缆、光纤以及无线电波。 信号编码:简要提及不同的信号编码方式,如何将数字信号转换为模拟信号或脉冲信号以便在物理介质上传输。 接口标准:提及一些常见的物理层接口标准(如RJ45)。 四、 数据封装与解封装过程 理解TCP/IP协议栈的强大之处,在于它如何通过分层协同工作。本书将详细解析数据从应用层到物理层,再从物理层到应用层,在传输过程中经历的封装(Encapsulation)和解封装(Decapsulation)过程。 封装:当应用程序生成数据时,数据会逐层向下传递。每一层都会在上一层的数据上添加自己的头部(有时也包括尾部),这个过程称为封装。应用层数据首先被封装成段(Segment,TCP)或用户数据报(Datagram,UDP),然后加上传输层头部;接着,这些段/报文用户数据报被封装成包(Packet),加上网络层头部;最后,包被封装成帧(Frame),加上数据链路层头部和尾部;最终,帧被转换为比特流在物理链路上发送。 解封装:当数据到达目标主机时,会经历一个相反的解封装过程。物理层接收比特流,将其还原为帧;数据链路层检查帧的有效性,去掉数据链路层头部和尾部,将包交给网络层;网络层检查包的IP头部,将其交给传输层;传输层检查段/报文用户数据报的头部,根据端口号将数据交给相应的应用层进程。 通过清晰的图示和实例,我们将直观地展示这一过程,帮助读者构建完整的网络通信模型。 五、 网络工具与实践 理论知识需要与实践相结合。本书将在讲解协议原理的同时,穿插介绍一些常用的网络分析工具,如: Wireshark:强大的网络协议分析器,可以捕获和分析网络流量,直观展示协议的详细信息。我们将通过Wireshark的捕获实例,来验证我们对TCP/IP协议栈各层协议的理解。 `ping` 和 `traceroute`:常用的网络诊断工具,用于测试网络连通性和路径。 `netstat` 和 `ss`:用于查看网络连接、路由表和网络接口统计信息。 通过实际操作这些工具,读者将能够亲身体验TCP/IP协议栈的运作,加深对理论知识的理解,并能更好地排查网络问题。 六、 总结与展望 TCP/IP协议栈是现代互联网的基石,其设计精妙、健壮可靠。本书通过深入浅出的方式,带领读者全面掌握TCP/IP协议栈的各个层次和核心协议,理解数据如何在网络中高效、可靠地传输。掌握TCP/IP协议栈的原理,不仅是学习网络知识的基础,更是理解互联网运作、从事网络相关工作(如网络工程师、系统管理员、软件开发等)的必备技能。 随着技术的发展,IP协议仍在不断演进,IPv6的普及、SDN(软件定义网络)、NFV(网络功能虚拟化)等新兴技术正在重塑网络架构。本书所讲解的TCP/IP核心原理,将是理解这些未来网络技术的重要基石。 希望本书能成为您探索网络世界的得力助手,为您打开通往更广阔网络技术领域的大门。