TCP-IP详解卷1：协议

目 录 译者序 前言 第1章 概述 1 1.1 引言 1 1.2 分层 1 1.3 TCP/IP的分层 4 1.4 互联网的地址 5 1.5 域名系统 6 1.6 封装 6 1.7 分用 8 1.8 客户-服务器模型 8 1.9 端口号 9 1.10 标准化过程 10 1.11 RFC 10 1.12 标准的简单服务 11 1.13 互联网 12 1.14 实现 12 1.15 应用编程接口 12 1.16 测试网络 13 1.17 小结 13 第2章 链路层 15 2.1 引言 15 2.2 以太网和IEEE 802封装 15 2.3 尾部封装 17 2.4 SLIP：串行线路IP 17 2.5 压缩的SLIP 18 2.6 PPP：点对点协议 18 2.7 环回接口 20 2.8 最大传输单元MTU 21 2.9 路径MTU 21 2.10 串行线路吞吐量计算 21 2.11 小结 22 第3章 IP：网际协议 24 3.1 引言 24 3.2 IP首部 24 3.3 IP路由选择 27 3.4 子网寻址 30 3.5 子网掩码 32 3.6 特殊情况的IP地址 33 3.7 一个子网的例子 33 3.8 ifconfig命令 35 3.9 netstat命令 36 3.10 IP的未来 36 3.11 小结 37 第4章 ARP：地址解析协议 38 4.1 引言 38 4.2 一个例子 38 4.3 ARP高速缓存 40 4.4 ARP的分组格式 40 4.5 ARP举例 41 4.5.1 一般的例子 41 4.5.2 对不存在主机的ARP请求 42 4.5.3 ARP高速缓存超时设置 43 4.6 ARP代理 43 4.7 免费ARP 45 4.8 arp命令 45 4.9 小结 46 第5章 RARP：逆地址解析协议 47 5.1 引言 47 5.2 RARP的分组格式 47 5.3 RARP举例 47 5.4 RARP服务器的设计 48 5.4.1 作为用户进程的RARP服务器 49 5.4.2 每个网络有多个RARP服务器 49 5.5 小结 49 第6章 ICMP：Internet控制报文协议 50 6.1 引言 50 6.2 ICMP报文的类型 50 6.3 ICMP地址掩码请求与应答 52 6.4 ICMP时间戳请求与应答 53 6.4.1 举例 54 6.4.2 另一种方法 55 6.5 ICMP端口不可达差错 56 6.6 ICMP报文的4.4BSD处理 59 6.7 小结 60 第7章 Ping程序 61 7.1 引言 61 7.2 Ping程序 61 7.2.1 LAN输出 62 7.2.2 WAN输出 63 7.2.3 线路SLIP链接 64 7.2.4 拨号SLIP链路 65 7.3 IP记录路由选项 65 7.3.1 通常的例子 66 7.3.2 异常的输出 68 7.4 IP时间戳选项 69 7.5 小结 70 第8章 Traceroute程序 71 8.1 引言 71 8.2 Traceroute 程序的操作 71 8.3 局域网输出 72 8.4 广域网输出 75 8.5 IP源站选路选项 76 8.5.1 宽松的源站选路的traceroute 程序示例 78 8.5.2 严格的源站选路的traceroute 程序示例 79 8.5.3 宽松的源站选路traceroute程序 的往返路由 80 8.6 小结 81 第9章 IP选路 83 9.1 引言 83 9.2 选路的原理 84 9.2.1 简单路由表 84 9.2.2 初始化路由表 86 9.2.3 较复杂的路由表 87 9.2.4 没有到达目的地的路由 87 9.3 ICMP主机与网络不可达差错 88 9.4 转发或不转发 89 9.5 ICMP重定向差错 89 9.5.1 一个例子 90 9.5.2 更多的细节 91 9.6 ICMP路由器发现报文 92 9.6.1 路由器操作 93 9.6.2 主机操作 93 9.6.3 实现 93 9.7 小结 94 第10章 动态选路协议 95 10.1 引言 95 10.2 动态选路 95 10.3 Unix选路守护程序 96 10.4 RIP：选路信息协议 96 10.4.1 报文格式 96 10.4.2 正常运行 97 10.4.3 度量 98 10.4.4 问题 98 10.4.5 举例 98 10.4.6 另一个例子 100 10.5 RIP版本2 102 10.6 OSPF：开放最短路径优先 102 10.7 BGP：边界网关协议 103 10.8 CIDR：无类型域间选路 104 10.9 小结 105 第11章 UDP：用户数据报协议 107 11.1 引言 107 11.2 UDP首部 107 11.3 UDP检验和 108 11.3.1 tcpdump输出 109 11.3.2 一些统计结果 109 11.4 一个简单的例子 110 11.5 IP分片 111 11.6 ICMP不可达差错（需要分片） 113 11.7 用Traceroute确定路径MTU 114 11.8 采用UDP的路径MTU发现 116 11.9 UDP和ARP之间的交互作用 118 11.10 最大UDP数据报长度 119 11.11 ICMP源站抑制差错 120 11.12 UDP服务器的设计 122 11.12.1 客户IP地址及端口号 122 11.12.2 目标IP地址 122 11.12.3 UDP输入队列 122 11.12.4 限制本地IP地址 124 11.12.5 限制远端IP地址 125 11.12.6 每个端口有多个接收者 125 11.13 小结 126 第12章 广播和多播 128 12.1 引言 128 12.2 广播 129 12.2.1 受限的广播 129 12.2.2 指向网络的广播 129 12.2.3 指向子网的广播 129 12.2.4 指向所有子网的广播 130 12.3 广播的例子 130 12.4 多播 132 12.4.1 多播组地址 133 12.4.2 多播组地址到以太网地址的转换 133 12.4.3 FDDI和令牌环网络中的多播 134 12.5 小结 134 第13章 IGMP：Internet组管理协议 136 13.1 引言 136 13.2 IGMP报文 136 13.3 IGMP协议 136 13.3.1 加入一个多播组 136 13.3.2 IGMP报告和查询 137 13.3.3 实现细节 137 13.3.4 生存时间字段 138 13.3.5 所有主机组 138 13.4 一个例子 138 13.5 小结 141 第14章 DNS：域名系统 142 14.1 引言 142 14.2 DNS基础 142 14.3 DNS的报文格式 144 14.3.1 DNS查询报文中的问题部分 146 14.3.2 DNS响应报文中的资源记录部分 147 14.4 一个简单的例子 147 14.5 指针查询 150 14.5.1 举例 151 14.5.2 主机名检查 151 14.6 资源记录 152 14.7 高速缓存 153 14.8 用UDP还是用TCP 156 14.9 另一个例子 156 14.10 小结 157 第15章 TFTP：简单文件传送协议 159 15.1 引言 159 15.2 协议 159 15.3 一个例子 160 15.4 安全性 161 15.5 小结 162 第16章 BOOTP: 引导程序协议 163 16.1 引言 163 16.2 BOOTP的分组格式 163 16.3 一个例子 164 16.4 BOOTP服务器的设计 165 16.5 BOOTP穿越路由器 167 16.6 特定厂商信息 167 16.7 小结 168 第17章 TCP：传输控制协议 170 17.1 引言 170 17.2 TCP的服务 170 17.3 TCP的首部 171 17.4 小结 173 第18章 TCP连接的建立与终止 174 18.1 引言 174 18.2 连接的建立与终止 174 18.2.1 tcpdump的输出 174 18.2.2 时间系列 175 18.2.3 建立连接协议 175 18.2.4 连接终止协议 177 18.2.5 正常的tcpdump输出 177 18.3 连接建立的超时 178 18.3.1 第一次超时时间 178 18.3.2 服务类型字段 179 18.4 最大报文段长度 179 18.5 TCP的半关闭 180 18.6 TCP的状态变迁图 182 18.6.1 2MSL等待状态 183 18.6.2 平静时间的概念 186 18.6.3 FIN_WAIT_2状态 186 18.7 复位报文段 186 18.7.1 到不存在的端口的连接请求 187 18.7.2 异常终止一个连接 187 18.7.3 检测半打开连接 188 18.8 同时打开 189 18.9 同时关闭 191 18.10 TCP选项 191 18.11 TCP服务器的设计 192 18.11.1 TCP服务器端口号 193 18.11.2 限定的本地IP地址 194 18.11.3 限定的远端IP地址 195 18.11.4 呼入连接请求队列 195 18.12 小结 197 第19章 TCP的交互数据流 200 19.1 引言 200 19.2 交互式输入 200 19.3 经受时延的确认 201 19.4 Nagle算法 203 19.4.1 关闭Nagle算法 204 19.4.2 一个例子 205 19.5 窗口大小通告 207 19.6 小结 208 第20章 TCP的成块数据流 209 20.1 引言 209 20.2 正常数据流 209 20.3 滑动窗口 212 20.4 窗口大小 214 20.5 PUSH标志 215 20.6 慢启动 216 20.7 成块数据的吞吐量 218 20.7.1 带宽时延乘积 220 20.7.2 拥塞 220 20.8 紧急方式 221 20.9 小结 224 第21章 TCP的超时与重传 226 21.1 引言 226 21.2 超时与重传的简单例子 226 21.3 往返时间测量 227 21.4 往返时间RTT的例子 229 21.4.1 往返时间RTT的测量 229 21.4.2 RTT估计器的计算 231 21.4.3 慢启动 233 21.5 拥塞举例 233 21.6 拥塞避免算法 235 21.7 快速重传与快速恢复算法 236 21.8 拥塞举例（续） 237 21.9 按每条路由进行度量 240 21.10 ICMP的差错 240 21.11 重新分组 243 21.12 小结 243 第22章 TCP的坚持定时器 245 22.1 引言 245 22.2 一个例子 245 22.3 糊涂窗口综合症 246 22.4 小结 250 第23章 TCP的保活定时器 251 23.1 引言 251 23.2 描述 252 23.3 保活举例 253 23.3.1 另一端崩溃 253 23.3.2 另一端崩溃并重新启动 254 23.3.3 另一端不可达 254 23.4 小结 255 第24章 TCP的未来和性能 256 24.1 引言 256 24.2 路径MTU发现 256 24.2.1 一个例子 257 24.2.2 大分组还是小分组 258 24.3 长肥管道 259 24.4 窗口扩大选项 262 24.5 时间戳选项 263 24.6 PAWS：防止回绕的序号 265 24.7 T/TCP：为事务用的TCP扩展 265 24.8 TCP的性能 267 24.9 小结 268 第25章 SNMP：简单网络管理协议 270 25.1 引言 270 25.2 协议 270 25.3 管理信息结构 272 25.4 对象标识符 274 25.5 管理信息库介绍 274 25.6 实例标识 276 25.6.1 简单变量 276 25.6.2 表格 276 25.6.3 字典式排序 277 25.7 一些简单的例子 277 25.7.1 简单变量 278 25.7.2 get-next操作 278 25.7.3 表格的访问 279 25.8 管理信息库(续) 279 25.8.1 system组 279 25.8.2 interface组 280 25.8.3 at组 281 25.8.4 ip组 282 25.8.5 icmp组 285 25.8.6 tcp组 285 25.9 其他一些例子 288 25.9.1 接口MTU 288 25.9.2 路由表 288 25.10 trap 290 25.11 ASN.1和BER 291 25.12 SNMPv2 292 25.13 小结 292 第26章 Telnet和Rlogin：远程登录 293 26.1 引言 293 26.2 Rlogin协议 294 26.2.1 应用进程的启动 295 26.2.2 流量控制 295 26.2.3 客户的中断键 296 26.2.4 窗口大小的改变 296 26.2.5 服务器到客户的命令 296 26.2.6 客户到服务器的命令 297 26.2.7 客户的转义符 298 26.3 Rlogin的例子 298 26.3.1 初始的客户-服务器协议 298 26.3.2 客户中断键 299 26.4 Telnet协议 302 26.4.1 NVT ASCII 302 26.4.2 Telnet命令 302 26.4.3 选项协商 303 26.4.4 子选项协商 304 26.4.5 半双工、一次一字符、一次 一行或行方式 304 26.4.6 同步信号 306 26.4.7 客户的转义符 306 26.5 Telnet举例 306 26.5.1 单字符方式 306 26.5.2 行方式 310 26.5.3 一次一行方式(准行方式) 312 26.5.4 行方式：客户中断键 313 26.6 小结 314 第27章 FTP：文件传送协议 316 27.1 引言 316 27.2 FTP协议 316 27.2.1 数据表示 316 27.2.2 FTP命令 318 27.2.3 FTP应答 319 27.2.4 连接管理 320 27.3 FTP的例子 321 27.3.1 连接管理：临时数据端口 321 27.3.2 连接管理：默认数据端口 323 27.3.3 文本文件传输：NVT ASCII 表示还是图像表示 325 27.3.4 异常中止一个文件的传输： Telnet同步信号 326 27.3.5 匿名FTP 329 27.3.6 来自一个未知IP地址的匿名FTP 330 27.4 小结 331 第28章 SMTP：简单邮件传送协议 332 28.1 引言 332 28.2 SMTP协议 332 28.2.1 简单例子 332 28.2.2 SMTP命令 334 28.2.3 信封、首部和正文 335 28.2.4 中继代理 335 28.2.5 NVT ASCII 337 28.2.6 重试间隔 337 28.3 SMTP的例子 337 28.3.1 MX记录：主机非直接连到 Internet 337 28.3.2 MX记录：主机出故障 339 28.3.3 VRFY和EXPN命令 340 28.4 SMTP的未来 340 28.4.1 信封的变化：扩充的SMTP 341 28.4.2 首部变化：非ASCII字符 342 28.4.3 正文变化：通用Internet邮件 扩充 343 28.5 小结 346 第29章 网络文件系统 347 29.1 引言 347 29.2 Sun远程过程调用 347 29.3 XDR：外部数据表示 349 29.4 端口映射器 349 29.5 NFS协议 351 29.5.1 文件句柄 353 29.5.2 安装协议 353 29.5.3 NFS过程 354 29.5.4 UDP还是TCP 355 29.5.5 TCP上的NFS 355 29.6 NFS实例 356 29.6.1 简单的例子：读一个文件 356 29.6.2 简单的例子：创建一个目录 357 29.6.3 无状态 358 29.6.4 例子：服务器崩溃 358 29.6.5 等幂过程 360 29.7 第3版的NFS 360 29.8 小结 361 第30章 其他的TCP/IP应用程序 363 30.1 引言 363 30.2 Finger协议 363 30.3 Whois协议 364 30.4 Archie、WAIS、Gopher、Veronica 和WWW 366 30.4.1 Archie 366 30.4.2 WAIS 366 30.4.3 Gopher 366 30.4.4 Veronica 366 30.4.5 万维网WWW 367 30.5 X窗口系统 367 30.5.1 Xscope程序 368 30.5.2 LBX: 低带宽X 370 30.6 小结 370 附录A tcpdump程序 371 附录B 计算机时钟 376 附录C sock程序 378 附录D 部分习题的解答 381 附录E 配置选项 395 附录F 可以免费获得的源代码 406 参考文献 409 缩略语 420 ### TCP/IP详解卷1：协议 #### 概述 TCP/IP协议族允许来自不同制造商生产的、运行着不同操作系统的计算机能够互相通信。这种互通性在技术领域是非常重要的成就，最初这项技术是由美国政府资助的一个分组交换网络研究项目发展而来，并在20世纪90年代成为计算机组网中最常用的形式之一。 ### 1.1 引言 TCP/IP协议族起源于20世纪60年代末期，最初是为了解决军方通信需求而设计的。随着时间的发展，它逐渐演变成现代互联网的基础协议。作为一个开放系统，TCP/IP协议族的定义和实现对公众开放，这使得它能够广泛传播并在全球范围内得以应用，形成了所谓的“全球互联网”或“因特网”，该网络已经涵盖了全球超过100万台计算机。 ### 1.2 分层 TCP/IP协议族采用了层次化的架构设计，每一层都有明确的功能定位： 1. **链路层**：负责处理与物理传输媒介的接口细节，如电缆等。这一层通常包括操作系统中的设备驱动程序和网络接口卡。 2. **网络层**：处理分组在网络中的传输活动，如分组的路由选择。TCP/IP协议族中的网络层协议主要包括IP协议（网际协议）、ICMP协议（Internet控制报文协议）和IGMP协议（Internet组管理协议）。 3. **运输层**：为两台主机间的应用程序提供端到端的通信服务。TCP/IP协议族中有两个主要的传输层协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP提供可靠的通信服务，包括分组确认、超时重传等机制；UDP则提供一种简单、无连接的服务，不保证数据的可靠性，适用于实时性要求较高的场景。 4. **应用层**：负责处理特定的应用程序细节。常见的应用层协议包括Telnet（远程登录）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）和SNMP（简单网络管理协议）等。 ### 1.3 TCP/IP的分层 TCP/IP协议族通常被认为是一个四层协议系统，具体如下： - **链路层**：负责物理接口的细节。 - **网络层**：处理分组在网络中的活动，如路由选择。 - **运输层**：提供端到端的通信服务，包括TCP和UDP。 - **应用层**：处理特定的应用程序细节。 ### 1.4 互联网的地址 互联网地址是指用于标识网络中设备的地址，最常见的形式是IP地址。IP地址用于标识网络上的设备，以便于数据包能够在网络中正确传输。 ### 1.5 域名系统 域名系统(DNS)是互联网的一项重要服务，它将易于记忆的域名映射为IP地址。DNS通过分布式的数据库系统，使得用户可以通过域名访问网络资源，而无需记住具体的IP地址。 ### 1.6 封装 封装是指在网络通信过程中，将上一层的数据添加相应的头部信息，形成一个新的数据单元的过程。例如，当TCP层将数据传递给网络层时，会在数据前面加上IP头部信息，形成IP数据报。 ### 1.7 分用 分用是指接收端根据接收到的数据包中的头部信息，将数据传递给正确的上层协议的过程。例如，当网络层接收到IP数据报后，会根据数据报中的目的端口号，将数据分发给相应的运输层协议（TCP或UDP）。 ### 1.8 客户-服务器模型 客户-服务器模型是一种网络通信模型，其中客户端向服务器发起请求，服务器响应请求并提供所需的服务。这种模型广泛应用于互联网应用中。 ### 1.9 端口号 端口号是用来标识运行在同一台计算机上不同应用程序的标识符。每个运行中的应用程序都会被分配一个唯一的端口号，以便于网络通信。 ### 1.10 标准化过程 TCP/IP协议族的标准化过程涉及一系列规范和标准文档的制定，确保不同厂商的产品能够互相兼容。这些规范和标准文档通常是通过RFC（Request for Comments）的方式发布。 ### 1.11 RFC RFC是一种文档格式，用于描述TCP/IP协议族的标准和技术建议。RFC文档通常由互联网工程任务组(IETF)发布，是TCP/IP协议族标准化过程的重要组成部分。 ### 1.12 标准的简单服务 TCP/IP协议族支持一些基本的服务，例如文件传输、远程登录等，这些服务通常使用简单的协议实现，如FTP（文件传输协议）、Telnet（远程登录协议）等。 ### 1.13 互联网 互联网是一个由众多计算机网络通过TCP/IP协议族互联而成的全球性网络。它允许全球范围内的计算机进行通信和数据交换。 ### 1.14 实现 TCP/IP协议族的实现涉及到硬件和软件层面的工作，包括网络接口卡、操作系统中的网络栈以及应用程序等。 ### 1.15 应用编程接口 应用编程接口(API)是指操作系统提供给应用程序的一组接口函数，使得应用程序能够访问网络服务。在TCP/IP协议族中，常见的API包括socket API等。 ### 1.16 测试网络 测试网络是确保网络正常运行的重要环节，包括使用各种工具和方法来检测网络设备的性能和网络连接的质量。 ### 1.17 小结 TCP/IP协议族是现代互联网的基础，其分层设计使得各层能够专注于特定的功能，从而实现高效和灵活的网络通信。从链路层到应用层，每一层都有自己的职责和功能，共同构成了一个强大的网络通信系统。