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TCP/IP 簡介

TCP/IP 簡介. Outlines. TCP/IP Protocol Stack Internet Protocol（IP） User Datagram Protocol（UDP） Transmission Control Protocol（TCP）. TCP/IP Introduction. ARPANET & TCP/IP history Internet v.s. internet Internet： 以 ARPANET 為前身的世界性網路 internet： 指稱以 IP 所架構的網路. TCP/IP 的特點.

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Presentation Transcript

  1. TCP/IP 簡介

  2. Outlines • TCP/IP Protocol Stack • Internet Protocol（IP） • User Datagram Protocol（UDP） • Transmission Control Protocol（TCP）

  3. TCP/IP Introduction • ARPANET & TCP/IP history • Internet v.s. internet • Internet：以 ARPANET 為前身的世界性網路 • internet：指稱以 IP 所架構的網路

  4. TCP/IP 的特點 • TCP/IP 是 Open Protocol Standard。 • TCP/IP 不受限於特定的網路硬體。 • TCP/IP 不受限於特定的作業系統。 • 適用的 Addressing（定址設計）。 • 標準化的高階協定，提供 Users 廣泛而一致的服務。

  5. TCP/IP 與 OSI 的對應 4. 應用層Application Layer 7. Application Layer 6. Presentation Layer 5. Session Layer 3. 傳輸層 Host-to-host Transport Layer 4. Transport Layer 2. 網際層 Internet Layer 3. Network Layer 1. 網路存取層 Network Access Layer 2. Data Link Layer 1. Physical Layer

  6. TCP/IP 的層級 4. 應用層 Application Layer 由網路應用程式與相關的處理程序所組成 3. 傳輸層 Host-to-host Transport Layer 提供端點對端點的資料傳遞服務 2. 網際層 Internet Layer 定義資料段並掌控資料的傳輸路徑 1. 網路存取層 Network Access Layer 定義存取實體網路的例行程序

  7. TCP/IP 的資料結構 TCP 資料流(stream) UDP 訊息(message) 應用層 傳輸層 資料節(segment) 封包(packet) 網際層 資料段(datagram) 資料段(datagram) 網路存取層 訊框(frame) 訊框(frame)

  8. TCP/IP 的資料封裝(Encapsulation) 應用層 資料 stream、message 發送 接收 傳輸層 表頭 資料 segment、packet 網際層 表頭 表頭 資料 datagram 封裝 Encapsulation 解封裝 Decapsulation 網路存取層 表頭 表頭 表頭 資料 frame Note: 表頭 header

  9. 網路存取層Network Access Layer • 包含 OSI 的最低二層，其功能為： • 把 IP 資料段封裝到網路所傳送的訊框內 • 把 IP 位址對應到網路使用的實體位址 • 網路存取協定種類繁多，各對應一種實體網路標準，以驅動程式的形態出現。 • 最常用的網路存取層協定： • RFC826，位址解析協定（Address Resolution Protocol，ARP），把IP位址對應成Ethernet位址。 • RFC894，規範 IP 資料段封裝的一套標準。

  10. 網際層 Internet Layer • 提供異質網路上的定址能力與資料封包格式的轉換。 • 最常用的網際層協定： • RFC 791，網際協定（Internet Protocol，IP），提供基本的封包傳送服務。 • RFC 792，網際控制訊息協定（Internet Control Message Protocol，ICMP），透過IP來傳送控制訊號。

  11. 傳輸層 Host-to-host Transport Layer • 提供端點對端點之間的資料傳輸服務。 • 最常用的網際層協定： • 使用者資料段協定（User Datagram Protocol，UDP），只負責將訊息傳到網路上，是一種不可靠、非連結導向的協定。 • RFC 793，傳輸控制協定（Transmission Control Protocol，TCP），會檢查資料是否循序正確的傳到網路上，提供可靠、連結導向的傳輸服務。 • 使用者依據應用程式的特性來選擇TCP或UDP。

  12. 可靠 v.s. 不可靠 • 可靠（reliable）：檢查資料是否依適當順序正確地傳過網路 • 不可靠（unreliable）：表示此協定不包含驗證資料是否正確到達網路另一端的技術。

  13. 連結導向 v.s. 非連結導向 • 連結導向（connection-oriented）：在傳送資料前，會和遠端主機交換控制訊息（handshake），以確定對方已準備好接收資料。當handshake完成，就表示已建立connection。 • 非連結導向（connectionless）：表示此協定只負責將訊息傳到網路上，不在傳輸資料前先建立connection ，不檢查資料是否被接收。

  14. Connection-oriented v.s. Connectionless • Connection-oriented(WWW,FTP,Email,….) • Telephone System • Users first establishes a connection, uses the connection and then releases the connection. • Slow speed. • Connectionless(DNS,broadcast,….) • Postal System • No connection is established • Quick speed.

  15. 應用層 Application Layer • 定義如何利用傳輸層協定來遞送資料的程序。 • 大多為提供服務給使用者的 protocol。

  16. 常見的應用層協定（1/3） • telnet：網路終端機協定（Network Terminal Protocol），提供透過網路遠端登入（remote login）的服務。 • FTP：檔案傳輸協定（File Transfer Protocol），讓使用者可以與遠端的主機傳輸檔案。 • SMTP：簡易郵件傳送協定（Simple Mail Transfer Protocol），傳送電子郵件。 • HTTP：超文件傳輸協定（Hyper Test Transfer Protocol），透過網路傳送網頁。

  17. 常見的應用層協定（2/3） • DNS：網域名稱服務（Domain Name Server），將網路裝置的名稱對應到 IP 位址。 • OSPF：開放式最短路徑優先協定（Open Shortest Path First），網路設備可透過 OSPF 交換選徑資訊。 • NFS：網路檔案系統（Network File System），讓網路上每個主機可共享檔案。

  18. 常見的應用層協定（3/3） • SNMP：簡單網路管理協定（Simple Network Management Protocol），管理網路運作。

  19. TCP/IP Architecture PING TFTP BOOTP Telnet FTP SMTP ICMP UDP TCP IP ARP RARP PPP RS-232C Driver Ethernet Driver UART Ethernet

  20. 網際協定（Internet Protocol，IP） • 提供基本封包傳送服務： • 定義 Internet 基本的傳送單位：資料段（segment）的格式。 • 定義 Internet 的定址方式。 • 在網路存取層與傳輸層之間移動資料。 • 決定資料段到遠端主機的路徑（route）。 • 執行資料段的分解與重組。

  21. IP 的特性 • IP 提供非連線性的服務（Connectionless） • IP 在傳送資料前，不會和遠端主機交換控制訊息（handshake）建立連線。 • IP 是不可靠（Un-reliable）的協定 • IP 不具備錯誤偵測（Error Detection）與錯誤更正（Error Correction）的功能。 • Variable Length of Datagram • Best Effort Delivery

  22. Variable Length of Datagram • 對 IPv4 而言，應用程式可調整 IP datagram 的長度的特性，使得 IP 可適用於各種不同的應用。 • 一個 datagram 容納（來自上層）的資料量最少為一個 byte，最多為 64K bytes。 • IP header 會含有所有傳送該 Datagram 的 Information。

  23. Best-Effort Delivery • IP 不處理下列的問題 • Datagram遺失 • 延遲或順序不對 • 資料損壞 • Datagram 重覆接收 • 因為 IP 被設計用於任何實體網路，因此底層的實體網路可能不可靠，造成IP datagram 遺失、重覆接收、延遲、順序不對或損壞。IP上層的協定程式必須要處理這些問題。

  24. The IP datagram header format

  25. IP 的資料段 Datagram Bit 0 4 8 16 24 31 1 版本 IHL 服務型態 總長度 2 識別碼 旗標 段落的偏移量 字組Word 3 存活時間 協定號碼 表頭的加總查核碼 表頭Header 4 來源位址 目的位址 5 6 選項 填補 資料由此開始…

  26. IP Datagram Header欄位（1） • 版本（Version，4bits）： IP 版本，目前為 version 4 • IHL （Internet Header Length，4bits）：表頭長度（以32bits為單位） • 服務型態（Service Type，8bits）：表示可靠性、precedence、delay、throughput 的旗標 • 總長度（Total Length，16bits）： IP Datagram 的長度（以byte為單位）

  27. IP Datagram Header欄位（2） • 識別碼（Identification，16bits）：傳送端會將一個獨一無二的識別碼存在送出的 datagram 。當路由器重新切割datagram時，路由器會複製識別碼給每一個片段（fragment）。 • 旗標（Flags，3bits）：指出 Datagram 分割成片段時的一些選項。 • 段落偏移量（Fragment Offset ，13bits ）：指出此資料段是具有相同識別碼的第幾個。接收端使用識別碼及 IP 來源位址將片段重組時，利用段落偏移量欄位可將片段排續。

  28. IP Datagram Header欄位（3） • 存活時間（Time To Live，8bits）：設定此 Datagram可以經過幾個閘道器。 • 協定號碼或型態（Protocol Number 或 Type，8bits）：利用協定號碼可決定是資料是來自那一個傳輸層協定。 • 表頭的加總查核碼（ Header Checksum，16bits）：每個閘道器都會檢查 IP Header 的 Checksum。

  29. IP Datagram Header欄位（4） • 來源位址（Source Address，32bits）：傳送端主機的 IP Address • 目的位址（Destination Address，32bits）：目的地主機的 IP Address • 選項（Option）：例如路由規格等傳送端可設定的選項等。 • 填補（Padding）：加在Option後面使IP Header長度為32 bits倍數。 • 資料（Data，16bits）：上層的資料，但應避免使IP datagram 超過 65536bytes。

  30. IP 傳送資料的過程 • 以唯一的 IP 位址決定傳送路徑。 • 封裝且透過網路存取層傳送 IP 資料段。 • 傳送資料給傳輸層 • 利用header中的協定號碼決定是那一個傳輸層協定。 • 將萃取資料送給此傳輸層協定模組。 • 傳輸層協定以port 號碼決定資料屬於那一個應用行程。

  31. 網際控制訊息協定（Internet Control Message Protocol，ICMP） • 透過IP來傳送控制訊號 • 常用的功能： • 流量控制 • 偵測無法到達的目的地 • 重導路徑 • 偵測遠端主機

  32. 使用者資料段協定（User Datagram Protocol，UDP） • 只負責將訊息傳到網路上，是一種不可靠、非連結導向的協定。 • 簡單、效率高、延遲時間小 • 使AP在協定所在造成的額外負擔最少的情況下，經由網路交換訊息。

  33. UDP 的封包 Packet 格式 Bit 0 16 31 來源埠Source Port 目的埠Destination Port 訊息長度 加總查核碼 Checksum 應用層傳來的訊息（Message）資料

  34. UDP PacketHeader 欄位 • 來源埠（Source Port，16bits）：傳送端主機的Port Number • 目的埠（Destination Port，16bits）：目的地主機的Port Number • 訊息長度（Length，16bits）：header+data的長度（以byte為單位） • 加總查核碼（Checksum，16bits）：header+pseudo header+data • 資料（Data，16bits）：應用層傳來的訊息（Message）資料

  35. 傳輸控制協定（Transmission Control Protocol，TCP） • 端點對端點之間的錯誤偵測與更正功能，提供可靠、連結導向的傳輸服務。 • 用 16 bits 的埠號（Port Number）決定所服務的上層AP。 • 以三段式交握（3-way & 4-way Hands-hake）來建立與結束連結。 • 以確認重傳（Positive Acknowledgement with Re-transmission，PAR）的方式來提供可靠性。

  36. TCP Segment Format

  37. TCP 的資料節 segment Bit 0 4 8 16 24 31 1 來源埠 目的埠 2 序號 Sequence Number 字組Word 3 確認號碼 Acknowledge Number 表頭Header 4 偏移量 保留 旗標 訊框 Window 加總查核碼 checksum 緊急指標 5 6 選項 填補 資料由此開始…

  38. TCP Segment Header 欄位（1） • 來源埠（Source Port，16bits）：傳送端主機的port number • 目的埠（Destination Port，16bits）：目的地主機的 port number • 序號（Sequence Number，32bits）： • SYN＝0：此序號指出該 Segment 的第一個 Byte 是整個 Stream 的第幾個 Byte。 • SYN＝1：為初始序號（Initial Sequence Number，ISN），整個 Stream 的第一個 Segment 的第一個位元的號碼為 ISN+1。

  39. TCP Segment Header 欄位（2） • 確認號碼（Acknowledge Number，32bits）：代表下一次希望收到 Segment 的 Sequence Number。 • 資料位移（Data Offset，4 bits）：TCP Header 的長度（以 32 bit 字組為單位） • 保留（Reserved，6 bits）：均設為 0 • 訊窗（Windows，16 bits）：緩衝器（Buffers）還能接收的 byte 數目。

  40. TCP Segment Header 欄位（3） • 控制位元（Control Bits，6 bits）： • URG：Urgent Pointer field significant • ACK：Acknowledgement field significant • PSH：Push Function • RST：Reset the connection • SYN：Synchronize sequence numbers • FIN：No more data from sender

  41. TCP Segment Header 欄位（4） • 加總查核碼（Checksum，16bits）：所有Header 與 Text 的 16 bit 字組的總和取其 1’s complement • 緊急指標（Urgent Pointer，16 bits） • 選項（Option） • 填補（Padding）：加在Option後面使 TCP Header長度為32 bits倍數 • 資料（Data，16bits）：上層的資料

  42. 3-way handshake 建立連結 • Host 1 設定同步訊號SYN（包含ISN）送給Host 2 • Host 2 收到 SYN 後設定ACK以及自己的SYN，通知 Host 1。 • Host 1 送出ACK給Host 2

  43. 4-way Handshake 結束連結 • Host 1 設定結束訊號FIN 送給Host 2 • Host 2 收到 FIN 後設定ACK以及自己的FIN，通知 Host 1。 • Host 1 送出ACK給Host 2

  44. TCP 的確認重傳 • 以確認重傳（Positive Acknowledgement with Retransmission，PAR）的方式來提供可靠性。 • 封包遺失需要重傳。或是接收對方的 segment，使用 checksum 檢查是否正確： • good：送 ACK 給對方（確認）。 • bad：丟棄此 segment。經一段時間（timeout）對方發現沒有收到ACK便會重送（retransmit）此 segment。

  45. 資料遺失與重傳 設定重傳的timeout時間

  46. 可調節的重傳時間 計算每次收到回應的時間，便可求出此連結平均的 round-trip delay，以設定重傳的timeout時間

  47. TCP 的流量控制（Flow Control） • TCP 將資料視為連續不斷的byte-stream，因此必需維護 bytes 順序與流量控制。 • 在建立 Connection 時，雙方以 SYN 通知對方自己的 ISN。每個 Segment 依照其 Sequence Number重組為 Stream。 • Receiver 利用 ACK 讓 Sender 知道它已接收那些資料，以及還能接收多少資料。

  48. Sliding Window Window (specifies which streams are want to be received) 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 Window Slides Window 已收到的資料 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001

  49. 流量控制範例一 Window=6000 已收到的資料 目前的segment 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 Source 目前送出segment 的序號=4001 確認號碼=2001 起始序號(ISN)=0

  50. 流量控制範例二

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