1) 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，(硬件接口，ARP,RARP)

2) 网络层，有时也称作互联网层，(IP, ICMP, IGMP)I C M P是I P协议的附属协议,I P层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。P i n g和Tr a c e r o u t e它们都使用了I C M P

3) 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。(TCP, UDP)

4) 应用层负责处理特定的应用程序细节。

一个互连网就是一组通过相同协议族互连在一起的网络。

构造互连网最简单的方法是把两个或多个网络通过路由器进行连接。它是一种特殊的用

于网络互连的硬件盒。路由器的好处是为不同类型的物理网络提供连接：以太网、令牌环网、

点对点的链接和F D D I（光纤分布式数据接口）等等。

连接网络的另一个途径是使用网桥。网桥是在链路层上对网络进行互连，而路由器则是

在网络层上对网络进行互连。网桥使得多个局域网（ L A N）组合在一起，这样对上层来说就好像是一个局域网。

有三类I P地址：单播地址（目的为单个主机）、广播地址（目的端为给定网络上的所有主

机）以及多播地址（目的端为同一组内的所有主机）。在T C P / I P领域中，域名系统（D N S）是一个分布的数据库，由它来提供 I P地址和主机名之间的映射信息。

T C P传给I P的数据单元称作 T C P报文段或简称为T C P段（T C P

s e g m e n t）。I P传给网络接口层的数据单元称作I P数据报(IP datagram)。通过以太网传输的比特流称作帧(Fr a m e )。

由于T C P、U D P、I C M P和I G M P都要向I P传送数据，因此I P必须在

生成的I P首部中加入某种标识，以表明数据属于哪一层。为此， I P在首部中存入一个长度为8 b i t的数值，称作协议域。1表示为I C M P协议，2表示为I G M P协议，6表示为T C P协议，1 7表示为U D P协议。

类似地，许多应用程序都可以使用 T C P或U D P来传送数据。运输层协议在生成报文首部时要存入一个应用程序的标识符。 T C P和U D P都用一个1 6 b i t的端口号来表示不同的应用程序。T C P和U D P把源端口号和目的端口号分别存入报文首部中。

网络接口分别要发送和接收I P、A R P和R A R P数据，因此也必须在以太网的帧首部中加入某种形式的标识，以指明生成数据的网络层协议。为此，以太网的帧首部也有一个 16 bit的帧类型域。

为协议I C M P和I G M P定位一直是一件很棘手的事情。在图1 - 4中，把它们与I P放在

同一层上，那是因为事实上它们是I P的附属协议。但是在这里，我们又把它们放在I P层

的上面，这是因为ICMP和IGMP报文都被封装在IP数据报中。

对于A R P和R A R P，我们也遇到类似的难题。在这里把它们放在以太网设备驱动程

序的上方，这是因为它们和I P数据报一样，都有各自的以太网数据帧类型。但在图2 - 4

中，我们又把A R P作为以太网设备驱动程序的一部分，放在I P层的下面，其原因在逻

辑上是合理的。

2、链路层

在T C P / I P协议族中，链路层主要有三个目的：（1）为I P模块发送和接收I P数据报；（2）为A R P模块发送A R P请求和接收A R P应答；（3）为R A R P发送R A R P请求和接收R A R P应答。T C P / I P支持多种不同的链路层协议，这取决于网络所使用的硬件，如以太网、令牌环网、F D D I（光纤分布式数据接口）及R S-2 3 2串行线路等。

以太网和IEEE 802封装： 当今 T C P / I P采用的主要的局域网技术。它采用一种称作 C S M A / C D的媒体接入方法，其意思是带冲突检测的载波侦听多路接入（Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection）。它的速率为10 Mb/s，地址为48 bit。I E E E（电子电气工程师协会） 8 0 2委员会公布了一个稍有不同的标准集。

S L I P的全称是Serial Line IP。它是一种在串行线路上对I P数据报进行封装的简单形式

P P P，点对点协议修改了S L I P协议中的所有缺陷。P P P包括以下三个部分：

1) 在串行链路上封装 I P数据报的方法。 P P P既支持数据为8位和无奇偶检验的异步模式大多数计算机上都普遍存在的串行接口），还支持面向比特的同步链接。

2) 建立、配置及测试数据链路的链路控制协议（ L C P：Link Control Protocol）。它允许通

方进行协商，以确定不同的选项。

3) 针对不同网络层协议的网络控制协议（ N C P：Network Control Protocol）体系。当前定义的网络层有I P、O S I网络层、D E C n e t以及A p p l e Ta l k。例如，IP NCP允许双方商定是报文首部进行压缩，类似于C S L I P（缩写词N C P也可用在T C P的前面）。

大多数的产品都支持环回接口（Loopback Interface），以允许运行在同一台主机上的客户

程序和服务器程序通过 T C P / I P进行通信。一旦传输层检测到目的端地址是环回地址时，应该可以省略部分传输层和所有网络层的逻辑操作。但是大多数的产品还是照样完成传输层和网络层的所有过程，只是当I P数据报离开网络层时把它返回给自己。正因为不经过链路层，所以这种数据包不会出现在网络上。

以太网和8 0 2 . 3对数据帧的长度都有一个限制，其最大值分别是1 5 0 0和1 4 9 2字节。链路层的这个特性称作MTU字节网络M T U，最大传输单元。

T C P / I P成功的原因之一是它几乎能在任何数据链路技术上运行。

3、I P是T C P / I P协议族中最为核心的协议。所有的T C P、U D P、I C M P及I G M P数据都以I P数据报格式传输。

不可靠（u n r e l i a b l e）的意思是它不能保证 I P数据报能成功地到达目的地。 I P仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， I P有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 I C M P消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如T C P）。

无连接（c o n n e c t i o n l e s s）这个术语的意思是I P并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， I P数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是 A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。

为了计算一份数据报的 I P检验和，首先把检验和字段置为 0。然后，对首部中每个 16 bit

进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串 16 bit的字组成），结果存在检验和字段中。当收到一份I P数据报后，同样对首部中每个16 bit进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全 1。如果结果不是全1（即检验和错误），那么I P就丢弃收到的数据报。但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。I P路由选择是简单的，特别对于主机来说。如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或都在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么I P数据报就直接送到目的主机上。否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。大多数的主机都是采用这种简单机制。即 I P层既可以配置成路由器的功能，也可以配置成主机的功能。当今的大多数多用户系统，包括几乎所有的 U n i x系统，都可以配置成一个路由器。我们可以为它指定主机和路由器都可以使用的简单路由算法。本质上的区别在于主机从不把数据报从一个接口转发到另一个接口，而路由器则要转发数据报。内含路由器功能的主机应该从不转发数据报，除非它被设置成那样。在 9 . 4小节中，我们将进一步讨论配置的有关问题。

在一般的体制中，I P可以从T C P、U D P、I C M P和I G M P接收数据报（即在本地生成的数据报）并进行发送，或者从一个网络接口接收数据报（待转发的数据报）并进行发送。 I P层在内存中有一个路由表。当收到一份数据报并进行发送时，它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时，I P首先检查目的I P地址是否为本机的I P地址之一或者I P广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到由 I P首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是这些地址，那么（ 1）如果I P层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发（也就是说，像下面对待发出的数据报一样处理）；否则（ 2）数据报被丢弃。

路由表中的每一项都包含下面这些信息：

* 目的I P地址。它既可以是一个完整的主机地址，也可以是一个网络地址，由该表目中的标志字段来指定（如下所述）。主机地址有一个非0的主机号（见图1 - 5），以指定某一特定的主机，而网络地址中的主机号为0，以指定网络中的所有主机（如以太网，令牌环网）。

* 下一站（或下一跳）路由器（ next-hop router）的I P地址，或者有直接连接的网络 I P地址。下一站路由器是指一个在直接相连网络上的路由器，通过它可以转发数据报。下

一站路由器不是最终的目的，但是它可以把传送给它的数据报转发到最终目的。

*  标志。其中一个标志指明目的 I P地址是网络地址还是主机地址，另一个标志指明下一

站路由器是否为真正的下一站路由器，还是一个直接相连的接口（我们将在 9 . 2节中

详细介绍这些标志）。

为数据报的传输指定一个网络接口。

I P路由选择是逐跳地（h o p - b y - h o p ）进行的。从这个路由表信息可以看出，I P并不知道到 达任何目的的完整路径（当然，除了那些与主机直接相连的目的）。所有的I P路由选择只为数 据报传输提供下一站路由器的 I P地址。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的， 而且下一站路由器与该主机是直接相连的。

    I P路由选择主要完成以下这些功能：

    1) 搜索路由表，寻找能与目的I P地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配）。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标

志字段的值）。

    2) 搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。目的网络上的所有主机都可以通过这个表目来处置。例如，一个以太网上的所有主机都是通过这种表目进行寻径的。这种搜索网络的匹配方法必须考虑可能的子网掩码。关于这一点我们在下一节中进行

讨论。

3) 搜索路由表，寻找标为“默认（ d e f a u l t ）”的表目。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。

如果上面这些步骤都没有成功，那么该数据报就不能被传送。如果不能传送的数据报来自本机，那么一般会向生成数据报的应用程序返回一个“主机不可达”或“网络不可达”的错误。

给定I P地址和子网掩码以后，主机就可以确定 I P数据报的目的是：(1)本子网上的主机；

(2)本网络中其他子网中的主机；( 3)其他网络上的主机。如果知道本机的 I P地址，那么就知道它是否为A类、B类或C类地址(从I P地址的高位可以得知)，也就知道网络号和子网号之间的分界线。而根据子网掩码就可知道子网号与主机号之间的分界线。

举例

假设我们的主机地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1（一个B类地址），而子网掩码为2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 0（其中8b i t为子网号，8 bit为主机号）。* 如果目的I P地址是1 4 0 . 2 5 2 . 4 . 5，那么我们就知道B类网络号是相同的（1 4 0 . 2 5 2），但是子网号是不同的（1和4）。用子网掩码在两个I P地址之间的比较如图3 - 8所示。* 如果目的I P地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 2 2，那么B类网络号还是一样的（1 4 0 . 2 5 2），而且子网号也是一样的（1），但是主机号是不同的。

如果目的I P地址是1 9 2 . 4 3 . 2 3 5 . 6（一个C类地址），那么网络号是不同的，因而进一步的比较就不用再进行了。

I C M P报文通常被I P层或更高层协议（ T C P或U D P）使用。I C M P报文是在I P数据报内部被传输的

ICMP不同类型由报文中的类型字段和代码字段来共同决定。可以确定I C M P报文是一份查询报文还是一份差错报文。因为对I C M P差错报

文有时需要作特殊处理，因此我们需要对它们进行区分。例如，在对I C M P差错报文进行响应

时，永远不会生成另一份I C M P差错报文（如果没有这个限制规则，可能会遇到一个差错产生

另一个差错的情况，而差错再产生差错，这样会无休止地循环下去）。当发送一份I C M P差错报文时，报文始终包含I P的首部和产生I C M P差错报文的I P数据报的前8个字节。这样，接收I C M P差错报文的模块就会把它与某个特定的协议（根据I P数据报首部中的协议字段来判断）和用户进程（根据包含在I P数据报前8个字节中的T C P或U D P报文首部中的T C P或U D P端口号来判断）联系起来。

7、ping程序

发送回显请求的p i n g程序为客户，而称被p i n g的主机为服务器。大多数的T C P / I P

实现都在内核中直接支持P i n g服务器—这种服务器不是一个用户进程（在第6章中描述的两

种I C M P查询服务，地址掩码和时间戳请求，也都是直接在内核中进行处理的）

I C M P回显请求和回显应答报文如图7 - 1所示。

对于其他类型的I C M P查询报文，服务器必须响应标识符和序列号字段。另外，客户发送

的选项数据必须回显，假设客户对这些信息都会感兴趣。

U n i x系统在实现p i n g程序时是把I C M P报文中的标识符字段置成发送进程的I D号。这样

即使在同一台主机上同时运行了多个p i n g程序实例， p i n g程序也可以识别出返回的信息。序列号从0开始，每发送一次新的回显请求就加1。p i n g程序打印出返回的每个分组的序列号，允许我们查看是否有分组丢失、失序或重复。I P是一种最好的数据报传递服务，因此

这三个条件都有可能发生。

敲入p i n g命令，几秒钟过后会在第1行打印出I P地址， D N S就是利用这段时间来确定主机

名所对应的I P地址。通常，第1个往返时间值要比其他的大。这是由于目的端的硬件地址不在A R P高速缓存中的缘故。在发送第一个回显请求之前要发送一个A R P请求并接收A R P应答，这需要花费几毫秒的时间。

IP首部最长为6 0个字节, 固定长度为2 0字节，R R选项用去3个字节（下面我们再讨论），这样只剩下3 7个字节（ 6 0-2 0-3）来存放I P地址清单，也就是说只能存放9个I P地址。I P数据报中的R R选项的一般格式如图所示。

c o d e是一个字节，指明I P选项的类型。对于R R选项来说，它的值为7。l e n是R R选项总字

节长度，在这种情况下为3 9（尽管可以为R R选项设置比最大长度小的长度，但是p i n g程序

总是提供3 9字节的选项字段，最多可以记录9个I P地址。由于I P首部中留给选项的空间有限，

它一般情况都设置成最大长度）。

p t r称作指针字段。它是一个基于1的指针，指向存放下一个I P地址的位置。它的最小值为

4，指向存放第一个I P地址的位置。随着每个I P地址存入清单， p t r的值分别为8，1 2，1 6，最

大到3 6。当记录下9个I P地址后，p t r的值为4 0，表示清单已满。

I P时间戳选项与记录路由选项类似。

8、Traceroute程序

在7 . 3节中，我们描述了I P记录路由选项（ R R）。为什么不使用这个选项而另外开发一个

新的应用程序？有三个方面的原因。首先，原先并不是所有的路由器都支持记录路由选项，

因此该选项在某些路径上不能使用（ Tr a c e r o u t e程序不需要中间路由器具备任何特殊的或可选的功能）。

其次，记录路由一般是单向的选项。发送端设置了该选项，那么接收端不得不从收到的I P

首部中提取出所有的信息，然后全部返回给发送端。在7 . 3节中，我们看到大多数P i n g服务器的实现（内核中的I C M P回显应答功能）把接收到的R R清单返回，但是这样使得记录下来的I P地址翻了一番（一来一回）。这样做会受到一些限制，这一点我们在下一段讨论（ Tr a c e r o u t e程序只需要目的端运行一个U D P模块—其他不需要任何特殊的服务器应用程序）。

最后一个原因也是最主要的原因是， I P首部中留给选项的空间有限，不能存放当前大多

数的路径。在I P首部选项字段中最多只能存放9个I P地址。在原先的A R PA N E T中这是足够的，

但是对现在来说是远远不够的。

Tr a c e r o u t e程序使用I C M P报文和I P首部中的T T L字段（生存周期）。每个处理数据报的路由器都需要把T T L的值减1或减去数据报在路由器中停留的秒数。由于大多数的路由器转发数据报的时延都小于1秒钟，因此T T L最终成为一个跳站的计数器，所经过的每个路由器都将其值减1。T T L字段的目的是防止数据报在选路时无休止地在网络中流动。

当路由器收到一份I P数据报，如果其T T L字段是0或1，则路由器不转发该数据报（接收到

这种数据报的目的主机可以将它交给应用程序，这是因为不需要转发该数据报。但是在通常

情况下，系统不应该接收T T L字段为0的数据报）。相反，路由器将该数据报丢弃，并给信源

机发一份I C M P“超时”信息。Tr a c e r o u t e程序的关键在于包含这份I C M P信息的I P报文的信源地址是该路由器的I P地址。

我们现在可以猜想一下Tr a c e r o u t e程序的操作过程。它发送一份T T L字段为1的I P数据报给

目的主机。处理这份数据报的第一个路由器将T T L值减1，丢弃该数据报，并发回一份超时

I C M P报文。这样就得到了该路径中的第一个路由器的地址。然后Tr a c e r o u t e程序发送一份

T T L值为2的数据报，这样我们就可以得到第二个路由器的地址。继续这个过程直至该数据报

到达目的主机。但是目的主机哪怕接收到T T L值为1的I P数据报，也不会丢弃该数据报并产生

一份超时I C M P报文，这是因为数据报已经到达其最终目的地。那么我们该如何判断是否已经

到达目的主机了呢？

Tr a c e r o u t e程序发送一份U D P数据报给目的主机，但它选择一个不可能的值作为U D P端口

号（大于30 000），使目的主机的任何一个应用程序都不可能使用该端口。因为，当该数据报

到达时，将使目的主机的U D P模块产生一份“端口不可达”错误（见6 . 5节）的I C M P报文。

这样，Tr a c e r o u t e程序所要做的就是区分接收到的I C M P报文是超时还是端口不可达，以判断什么时候结束。