网络编程书籍讲义.pptx

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1、第1页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.1Windows TCP/IP提供的功能与服务在Windows下的TCP/IP协议主要提供了网络的互联与各种应用层服务功能，具体功能如下：（1）企业网络互联功能：由于IP协议具有路由功能，因此安装了TCP/IP协议Windows操作系统可以实现不同网络之间的互联功能。（2）不同系统之间的访问和文件传输功能：Windows网络系统中提供了应用层文件传输协议(FTP)和远程登录协议(Telnet)等程序，可以完成不同系统之间访问和传输文件等功能。（3）提供了客户机/服务器开发应用系统框架：Windows的网络系统提供了一个健壮的、可扩展的、跨

2、平台的客户/服务器开发框架。（4）提供了访问Internet的功能：通过Windows的TCP/IP协议可以与外部Internet相联，从而访问外部Internet中的各种资源。第1页/共31页第2页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.1Windows TCP/IP提供的功能与服务如果安装的系统是Windows服务器版的操作系统，则网络服务有：（1）客户机和服务器的动态主机配置协议(DHCP)。（2）Windows Internet名字服务(WINS)，即用来命名客户机和服务器的一种基本网络输入/输出系统(NetBIOS)。（3）客户机和服务器域名系统(DNS)。（4）拔号支持(

3、基于点到点协议或串行线路)。（5）点到点隧道协议(PPTP)和用于虚拟专用网络的第二层隧道协议(L2TP)。（6）TCP/IP网络打印(Lpr/Lpd)。（7）简单网络管理协议(SNMP)代理。（8）NetBIOS接口。（9）Windows套接口版本2(Winsock2)接口。（10）基于IP路由器的Microsoft网络浏览支持。第2页/共31页第3页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.1Windows TCP/IP提供的功能与服务（11）高性能的Microsoft Internet信息服务(IIS)。（12）基本的TCP/IP连接工具，包括：Finger、FTP、Rcp、Re

4、xec、Rsh、Telnet和Tftp。（13）面向简单网络协议的客户机和服务器软件。（14）TCP/IP管理和诊断工具，包括：Arp、Hostname、Ipconfig、Lpq、Nbtstat、Netstat、Ping、Route、Nslookup、Tracert和Pathping。第3页/共31页第4页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.2Windows TCP/IP体系结构Microsoft TCP/IP的核心协议元素、服务及它们之间的接口如图6-1所示。第4页/共31页第5页6.1 Windows的TCP/IP实现 NetBIOS应用程序RPC应用程序Win32Wnet/

5、Winlnet应用程序Windows套接口应用程序应用接口应用和用户模式服务RPCWNetWinlnetNetBIOS支持核心模式用户模式Windows套接口命名管道命名管道重定向服务器NetBTAFD传输驱动程序接口TDITCP/UDPIPICMPIP转发器IP转发器IGMPARPNetBTNetBTNetBTNetBTNetBTNetBT包分类器通信流控制包调度器包队列包队列包队列包队列包队列网络设备接口规范NDISNDIS包装器X.25帧中继ATM今牌环FDDI以太网NDIS微端口包装PPTPAsynchX.25ISDN图6-1 Windows 2000中的TCP/IP网络体系结构第5页

6、/共31页第6页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.3网络接口层从图6-1可以看出，Microsoft网络协议栈中物理层和数据链路层是网络设备接口规范NDIS下面定义的部分，该部分的内容相当于TCP/IP协议栈中网络接口层的内容。下面我们介绍在Windows下网络接口层所包含的内容。1.Windows TCP/IP支持的物理网络Windows 2000 TCP/IP提供了对以下物理网络的技术支持：光纤分布式数据接口(FDDI)。令牌环(IEEE 802.5)。专用广域网(WAN)链接，如数据电话数字服务(DDS)和T载波(部分T1、T1和T3)。WAN拔号或永久电路交换服务，如模

7、拟电话、ISDN和xDSL。WAN包交换服务，如X.25、帧中继和ATM。以太网。第6页/共31页第7页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.3网络接口层2.网络设备接口规范NDIS网络设备接口规范NDIS和网卡驱动程序直接进行通信，在NDIS 5.0中除了完成协议栈中所定义的基本功能外，还包括网络电源管理、即插即用、快速包转发、QoS等扩展功能。NDIS电源管理提供了用户和系统在适当条件下，切断网络适配器的电源功能。例如，用户可能想使计算机进入睡眠状态，或者系统可能因为键盘或鼠标不活动而请求改变电源管理级别，另外，如果网络适配器支持的话，断开网络连线也能启动该请求。在这种情况下，

8、系统会在切断网络适配器电源之前等待一段可配置的时间，因为连接断开可能只是网络中临时线路改变的结果，并非真的断开电缆与网络的连接。NDIS电源管理策略的前提是没有网络活动，这意味着在切断网络适配器电源之前，所有上层网络组件必须同意该请求。如果网络上还存在活动会话或者打开的文件，断电请求就会被其中一个或所有相关组件拒绝。第7页/共31页第8页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.3网络接口层2.网络设备接口规范NDIS计算机也能被网络事件从低电源级别中唤醒，以下情况会导致唤醒信号产生：检测到网络链路状态的改变(例如，电缆重新连上)。接收到网络唤醒帧。接收到巨报包(Magic Packe

9、t)，巨报包是指包含连续16个接收方网络适配器介质访问(MAC)地址拷贝的报文。NDIS接口还允许不同类型的多个协议驱动程序绑定到同一个网络适配器驱动程序，也允许将同一个协议绑定到多个网络适配器驱动程序上。第8页/共31页第9页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.3网络接口层3.链路层功能链路层功能分布在网络适配器/驱动程序组合和低层协议栈驱动程序中。对LAN介质，网络适配器/驱动程序组合的过滤功能基于帧的目的MAC地址，如在一般情况下，局域网中的硬件可以过滤掉接收到的目的地址不是以下地址之一的所有帧：适配器的单播MAC地址。广播地址(对以太网，广播地址是0 xFF-FF-FF-

10、FF-FF-FF)。通过协议驱动程序利用硬件注册的组播地址。如果某个帧将这些地址之一作为其目的MAC地址，就能通过计算校验和来检查该帧的比特级完整性。所有通过了目的地址校验和检查的帧，都通过硬件中断提交给网络适配器驱动程序。网络适配器驱动程序是在计算机上运行的软件。网络适配器驱动程序再通过接口卡把帧送入系统内存，然后再按组成帧时的顺序提交给特定的绑定传输驱动程序。第9页/共31页第10页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.3网络接口层3.链路层功能当一个包经过一个或一系列网络时，其源MAC地址是把该包放到传输介质上的网络适配器的MAC地址，而它的目的MAC地址总是通过该传输介质欲

11、到达的网络适配器的MAC地址。这意味着在具有路由的网络中，源和目的MAC地址在经过网络层设备(路由器或第三层交换机)的每一段时会发生改变。第10页/共31页第11页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.4网际层在图6-1中，从NDIS和TDI之间定义的内容为TCP/IP协议栈的核心组件，Windows中该核心组件在名为tcpip.sys的驱动程序中实现（在系统安装目录的drivers目录中），一般可以通过TDI和NDIS接口或Winsock2接口对该协议栈进行访问。另外，从图6-1中可以看出，在Windows TCP/IP协议栈中，网际层和传输层并没截然分开，为了便于理解，我们还是

12、依据TCP/IP协议栈的层次来介绍各层协议的内容，由于ARP和ICMP也包含在网际层中，所以在下面的介绍中包括ARP、IP和ICMP三个协议。1.地址解析协议在本书第3.6节中介绍过地址解析协议ARP的功能。由于一个被发送到网络中的数据包只知道IP地址是无法在一个物理网络中传输的，ARP的功能就是提供从IP地址到介质访问控制地址（MAC地址）的解析功能，以便将发送出的数据报封装成帧时，填上其源和目的MAC地址。第11页/共31页第12页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.4网际层（1）ARP高速缓存及其更新过程一台主机的高速缓冲区中有ARP缓冲区，在ARP高速缓存中存放IP地址和

13、MAC地址的映射表，其中的一个表项由IP地址、与IP地址对应的MAC地址，以及表示表项动静态属性的字段组成。主机是如何使用ARP高速缓存的呢？在网络中，一个从本网络发送到其他网络的数据包，要选择适当的路由将数据包转发出去，这时ARP就要将转发数据包的路由器（也可能是其他具有路由功能的网络设备）IP地址，与本机中存放在高速缓存中的ARP缓存表进行比较（ARP高速缓存在TCP/IP协议初始化时被清空），以查找包将发往的网络适配器MAC地址，如果有匹配项，就使用从高速缓存中取得该IP对应的MAC地址。如果没有，就按照ARP的工作原理，在本地子网上广播一个ARP请求帧，要求拥有所查询IP地址者回送它的

14、MAC地址，在主机收到ARP响应时，就以新信息更新ARP高速缓存，并用它作为包的数据链路层地址。在主机更新ARP高速缓存表项时，除了通过接收ARP应答来创建ARP高速缓存表项外，也能根据从ARP请求中得到的映射信息来更新ARP表项。换句话说，如果ARP请求发送者的IP地址在高速缓存中，就用发送者的MAC地址更新表项。通过这种方法，含有发送者的静态或动态ARP高速缓存表项的结点，可以用发送者的当前MAC地址进行更新。第12页/共31页第13页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.4网际层Windows能根据系统要求自动调整ARP高速缓存的大小。如果一个表项两分种内未被任何外出数据报使

15、用，就从ARP高速缓存中删除掉。被访问过的表项赋以追加时间，每次增加2分钟，直到最大生命值时间为止（即10分钟）。10分钟后，就从ARP高速缓存中删除该表项，如果要继续使用，必须通过ARP请求帧重新查找。但要注意，通过“arp s”命令添加的静态表项不会因时间期满而被删除。（2）Windows中ARP工具的使用在Windows系统中，专门提供了一个有关ARP的工具，该工具名称为arp.exe，用户可以使用该工具来查看、添加或删除ARP高速缓存中的表项。查看ARP高速缓存中表项内容的命令是：arp-a手工添加ARP表项的命令是“arp s”。例如，要将IP地址为192.168.2.12，其MAC

16、地址为00-cc-dd-ee-88-88的表项加入ARP高速缓存中，可用如下的命令：arp-s 192.168.2.12 00-cc-dd-ee-88-88第13页/共31页第14页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.4网际层注意，手工添加的表项是静态的，无法根据高速缓存表项的过期而自动删除。用“arp d”命令可以删除ARP高速缓存中的表项。例如，下面删除IP地址为192.168.2.12的ARP高速缓存表项：arp d 192.168.2.122.网际协议TCP/IP协议栈中，IP层根据IP地址在网络中进行数据报的传输。每个IP数据报都含有发送者的源IP地址和预期接收者的目的

17、IP地址。与MAC地址不同，数据报中的IP地址在包经过网间传输时一般保持不变。第14页/共31页第15页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.4网际层（1）路由选择路由选择是IP层的基本功能。数据报经由网络适配器提交给IP，每个数据报都有源和目的IP地址。IP模块检查每个数据报的目的地址，并与本地维持的IP路由表作比较，以决定采取如下哪种操作：如果目的IP与本地IP相同，则提交给本地主机IP层之上的高层协议进行处理。如果目的IP与路由表中某表项相同，则通过本地某一网络适配器转发。不是以上两种情况时，则丢弃数据报。第15页/共31页第16页6.1 Windows的TCP/IP实现 6

18、.1.4网际层（2）路由表表项Windows 2000 IP路由表的每个表项包含如下信息：目的网络：路由对应的网络标识（ID）。目的网络可以是分类地址、子网、超网或主机路由的IP地址。子网掩码：掩码用来匹配目的IP地址和目的网络。网关：到目的网络的转发IP地址或下一路程段的IP地址。接口：网络接口对应的IP地址，用于转发IP数据报。度量：标示路由代价的数字，利用它可以在到达同一目的地的多条路由中选择一条最佳的。通常采用的度量是到目的网络的路程段数(经过的路由器数)。如果两条路由有相同的目的网络和子网掩码，度量较小的路由就是最佳路由。第16页/共31页第17页6.1 Windows的TCP/IP

19、实现 6.1.4网际层要决定一条转发IP数据报的路由，IP模块使用如下过程：1)对路由表中的每条路由，IP模块将目的IP地址与子网掩码进行按位逻辑“与”操作，并将结果与目的网络进行匹配，如果匹配成功的话，IP就将该路由标记为目的IP地址的匹配路由。2)IP从所有匹配路由中选择子网掩码位数最多的路由。该路由与目的IP地址相匹配的位数最多，因而也是对该IP数据报最特殊的路由。这就是所谓寻找最长或最接近匹配路由的过程。3)如果找到多条最接近匹配路由，IP就选取度量值最小的。4)如果找到多条带最小度量的最接近匹配路由，IP就从中随机选取一个。第17页/共31页第18页6.1 Windows的TCP/I

20、P实现 6.1.4网际层（3）路由决定过程多条带最小度量的最接近匹配路由，IP就从中随机选取一个。在选定的路由上决定转发IP地址或下一路程段的IP地址时，IP模块使用如下过程：如果网关地址与接口地址相同，就将转发IP地址设为IP包的目的IP地址。如果网关地址与接口地址不同，就将转发IP地址设为网关的IP地址。路由决定过程的最终结果是从路由表中选定一条路由。路由选择产生一个转发IP地址(网关IP地址或IP数据报的目的IP地址)和一个接口(通过接口IP地址标识)。如果路由决定过程未能找到路由，IP模块就宣告一个路由选择错误。对于发送主机，路由选择错误在内部被提交给TCP或UDP等上层协议。对于路由

21、器，该IP数据报被丢弃并向源主机发送一个ICMP“目的地不可达主机不可达”消息。第18页/共31页第19页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.4网际层3.Internet控制消息协议在第3章我们介绍过，ICMP是RFC 792定义的一个网络维护协议，通常看作IP层的一部分，如图6-1所示。ICMP消息封装在IP数据报中，因此可用于互连网络中路由维护与故障诊断。Windows 2000使用中，ICMP用来实现的主要功能介绍如下：（1）建立和维护路由表Windows 2000主机通常配置一个IP地址、一个子网掩码和一个缺省网关。当TCP/IP初始化时，在主机的IP路由表中就会建立一组

22、与配置相关的路由。如果主机向它的缺省网关转发IP数据报，而通过某台路由器存在一条更好的路由，且该路由器与发送主机的缺省网关所在网段相接，该主机的缺省网关就转发数据报并向主机发送一个ICMP重定向消息，告诉它到目的IP地址有更好的路径及其所经过的路由器的IP地址。当一台基于Windows 2000的计算机收到一个ICMP重定向消息时，IP模块要证实它来自当前路由的第一个路程段网关并且该网关在直接相连网络上。如果得到证实，就在路由表中添加一条到目的IP地址的生命期为10分钟的路由。如果ICMP重定向消息不是来自当前路由的第一个路程段网关或该网关不在直接相连网络上，就忽略该ICMP重定向消息。第19

23、页/共31页第20页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.4网际层（2）诊断故障与流量控制Ping工具用于向目的IP地址发送ICMP回送请求，并等待ICMP回送应答。Ping报告接收到的响应数和从发送请求到接收到响应之间的时间间隔。Ping工具可以使用许多不同的选项，例如ping命令带“-t”参数时，可以向目的IP连续发送数据报，直至收到ICMP回送应答，或使用“ctrl+c”中断为止，这可以用来测试网络的连通性。当一台路由器变得拥塞并开始丢弃IP数据报时，它能向被丢弃IP数据报的发送主机发一个“ICMP源中止”消息。这样发送数据报的主机就可以知道路由畅通情况，从而可以更好的进行路

24、由选择。第20页/共31页第21页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.5传输控制协议传输控制协议(TCP)为应用程序提供基于连接的、可靠的字节流服务。Microsoft网络依靠TCP来实现登录过程、文件和打印共享、域控制器之间的信息复制、浏览列表传输和其他常用功能。TCP使用检验和来检查TCP报头和TCP段中有效载荷的传输错误，以减少网络出错而未被检测到的错误。另外，如果网络适配器驱动程序支持TCP检验和的计算功能，则允许网络适配器进行TCP校验和计算，这样在高吞吐量的环境中，将校验和计算的任务转移到硬件，可使系统性能有很大提高。Windows TCP/IP的传输控制协议实现的主

25、要功能介绍如下：1.TCP接收窗口大小的计算和窗口缩放TCP一般使用滑动窗口进行流量控制（见第4.3节的内容），其滑动窗口大小的计算是流量控制的关键问题。TCP接收窗口大小是指每次在一个连接上能缓存的接收数据量(以字节计)。在接收主机等待应答数据并更新窗口之前，发送主机只能发送这么多数据。Windows 2000 TCP/IP的滑动窗口可以根据具体情况进行自我调节，从而可以获取更好的性能。在缺省情况下，接收窗口大小按如下方式计算：第21页/共31页第22页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.5传输控制协议（1）发往远程主机的第一个连接请求通告一个接收窗口大小，一般为16千字节(K

26、B)，即16384字节。（2）一旦建立了连接，接收窗口大小就舍入成连接建立期间所协商的TCP最大段长(MSS)的整数倍。（3）如果舍入值不到MSS的4倍，就把它调整到4MSS，同时最大值限制为64KB，除非窗口缩放选项被启用。基于以太网的TCP连接，其窗口大小正常时为17,520字节，或舍入到16KB(即12个1460字节的字段)。第22页/共31页第23页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.5传输控制协议2.延迟应答Windows 2000 TCP中并不对每个接收到的TCP段发送应答，而是在下列条件才发送应答：没有为以前接收到的段发送过应答（ACK）。接收到一个段，但在该连接上

27、200ms之内没有接收到其他段。3.超时重发当每个数据段传递给IP时，TCP都启动一个重发定时器。如果在定时器超时前没收到给定段中数据的应答，就重发该段。对于新的连接请求，重发定时器初始化为3秒。第23页/共31页第24页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.5传输控制协议4.慢启动算法和拥塞避免一个连接建立后，TCP起先只缓慢地发送数据来估计连接的带宽，以避免淹没接收主机或通路上的其他设备和链路。发送窗口大小设为2个TCP段，当两个段都被应答后，窗口大小就扩大为三个段。当三个段都被应答后，发送窗口大小再次扩大。如此进行，直到每次突发传输的数据量达到远程主机所声明的接收窗口大小。此

28、时，慢启动算法就不再用了，改用声明的接收窗口进行流控制。在传输中的任何时刻都可能发生拥塞。当重发定时器超时，或接收到说明已经有TCP段被路由器丢弃的ICMP“源中止”消息时，就可检测到拥塞。发生这种情况时，TCP拥塞避免算法就减小发送窗口的大小，并使其逐步减小到拥塞发生时的窗口大小的一半，然后，使用慢启动算法来增大发送窗口，使其达到接收主机接收窗口的大小。最后要说明一下，Windows中TCP实现时添加了许多功能，限于篇幅以上只介绍了其基本功能，关于其他内容可以参考Microsoft公司的有关资料。第24页/共31页第25页6.1 Windows的TCP/IP实现 6.1.6用户数据报协议第4

29、.2节中介绍过，用户数据报协议(UDP)提供无连接、不可靠的数据传输服务。它通常用于使用广播或组播IP数据报的一到多通信。由于UDP数据报的传送是得不到保证的，所以使用UDP的应用程序必须通过简单的重发或其他可靠性机制来补偿丢失的UDP数据报。Microsoft网络使用UDP进行登录、浏览和NetBIOS名字解析。1.UDP和名字解析UDP可用于NetBIOS名字解析，方法是通过NetBIOS名字服务器单播或子网广播，也可用于将域名系统(DNS)主机名解析成IP地址。NetBIOS名字解析由UDP端口137完成，DNS查询使用UDP端口53。由于UDP本身不保证数据报的传送，这两种服务在收不到

30、查询回答时，就使用自己的重发机制。UDP广播数据报一般不用IP路由器转发，因此路由环境下的NetBIOS名字解析需要Windows Internet名字服务(WINS)之类的名字服务器，或者使用静态数据库文件，Lmhost文件。2.UDP上的邮筒许多NetBIOS应用程序使用邮筒传递消息，二等邮筒是一种在UDP上从一个NetBIOS名字向另一个NetBIOS名字发送消息的简单机制。邮筒消息可在子网上广播，也可重定向到特定主机。第25页/共31页第26页6.2 Unix/Linux的TCP/IP实现 6.2.1 Linux TCP/IP网络协议栈Linux是一种基于Unix思想设计的操作系统，其

31、TCP/IP的实现以BSD4.3（BSD是加州大学伯开利分校开发的一种UNIX操作系统，BSD4.3在TCP性能方面有较大的改善）为模型。因此，Linux网络实现和UNIX网络实现技术大部分内容是相同的。下面的内容主要以Linux操作系统中TCP/IP协议为基础，说明UNIX/Linux操作系统中TCP/IP的实现机制。在Linux操作系统中，协议栈的实现常用BSD或STREAMS两种结构之一。BSD结构和STREAMS结构各有特点，历史比较悠久的BSD结构是一种分层次实现结构，其特点是结构简单、层次分明，实现起来比较容易。STREAMS结构是一种模块化结构，具有较好的灵活性和可扩展性，可以在

32、同一系统中同时实现多种传输协议。图6-2所示的是BDS结构协议栈。第26页/共31页第27页6.2 Unix/Linux的TCP/IP实现 网络应用程序PPPSLIPEthernetIPARPTCPUDPINET套接口BSD套接口用户内核Socket接口协议层网络驱动图6-2 BSD协议栈结构第27页/共31页第28页6.2 Unix/Linux的TCP/IP实现 6.2.2Linux网络数据处理流程Linux系统在主机之间传输数据时，数据发送端应用程序与数据接收端应用程序之间的处理流程如图6-3所示：第28页/共31页第29页6.2 Unix/Linux的TCP/IP实现 转发给本地是转发给

33、远程应用程序发送数据图6-3 网络数据处理流程将数据包交给Socket层将数据包交给传输层将数据包交给网际层将数据包转发到哪里？在路由表中查找下一跳地址将数据交给物理链路层传输数据收到数据将数据包交给网络层发到本地？丢弃否丢弃无法转发将数据包交给传输层将数据包交给Socket层应用程序接收数据应用层Socket层传输层网际层网络接口层第29页/共31页第30页6.2 Unix/Linux的TCP/IP实现 6.2.3Linux的IP路由在图6-3中，IP层负责数据传输过程中路由的选择。在Linux系统启动时，通过读取系统配置文件，配置好计算机的IP地址，初始化网络接口，建立路由表，并向路由表中

34、添加静态路由信息，最终建立计算机的网络连接。整个配置过程可以动态的，也可以是静态的。配置地址有两种方式，如果计算机有一个固定的IP地址，系统管理员可以在配置文件中指定，那么系统启动时，计算机的地址就确定了。如果计算机没有固定的地址，主机可以使用DHCP协议来从DHCP服务器中获得计算机的地址、路由器和DNS服务器等信息。Linux系统中有一个存放路由信息的转发信息表（FIB），它专门用来保存所有可能的转发地址，另外为了提高路由信息的查找速度，将有关路由信息也存放在高速缓冲中。当一个数据包需要发送到远程主机时，首先从高速缓冲中存放的路由信息中进行查找，如果找到，IP层就使用它进行数据包转发，如果没有找到，IP就从转发信息表中进行查找，并将找到的信息添加到路由缓冲中，然后使用该表项进行数据包的转发。第30页/共31页第31页感谢您的观看！第31页/共31页