多平台统一管理软件接口,如何实现多平台统一管理软件接口
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2022-10-12
网络技术——深入解析网络协议:tcp/ip、icmp/igmp、tcp/udp、arp/rarp(网络协议原理与分析)
网络协议通常分不同层次进行开发,每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族,比如TCP/IP,是一组不同层次上的多个协议的组合。TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统
协议分层
每一层负责不同的功能:
链路层,有时也称作数据链路层或网络接口层,通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆(或其他任何传输媒介)的物理接口细节。
网络层,有时也称作互联网层,处理分组在网络中的活动,例如分组的选路。在TCP/IP协议族中,网络层协议包括IP协议(网际协议),ICMP协议(Internet互联网控制报文协议),以及IGMP协议(Internet组管理协议)。
运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中,有两个互不相同的传输协议:TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层,确认接收到的分组,设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信,因此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面,UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机,但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。
应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用程序:
• Telnet远程登录。• FTP文件传输协议。• SMTP简单邮件传送协议。• SNMP简单网络管理协议。
假设在一个局域网(LAN)如以太网中有两台主机,二者都运行FTP协议,图1-2列出了该过程所涉及到的所有协议。
FTP是一种应用层协议,TCP是一种运输层协议,IP是一种网络层协议,而以太网协议则应用于链路层上。TCP/IP协议族是一组不同的协议组合在一起构成的协议族。尽管通常称该协议族为TCP/IP,但TCP和IP只是其中的两种协议而已(该协议族的另一个名字是Internet协议族(Internet Protocol Suite))。
网络接口层和应用层的目的是很显然的——前者处理有关通信媒介的细节(以太网、令牌环网等),而后者处理某个特定的用户应用程序(FTP、Telnet等)。
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FDDI(光纤分布式数据接口)等等。
这些盒子也称作IP路由器(IP Router),但我们这里使用路由器(Router)这个术语。从历史上说,这些盒子称作网关(gateway),在很多TCP/IP文献中都使用这个术语。现在网关这个术语只用来表示应用层网关:一个连接两种不同协议族的进程(例如,TCP/IP和IBM的SNA),它为某个特定的应用程序服务(常常是电子邮件或文件传输)。
一个包含两个网络的互连网:一个以太网和一个令牌环网,通过一个路由器互相连接。尽管这里是两台主机通过路由器进行通信,实际上以太网中的任何主机都可以与令牌环网中的任何主机进行通信。
我们可以划分出端系统(End system)(两边的两台主机)和中间系统(Intermediate system)(中间的路由器)。应用层和运输层使用端到端(End-to-end)协议。在图中,只有端系统需要这两层协议。但是,网络层提供的却是逐跳(Hop-by-hop)协议,两个端系统和每个中间系统都要使用它。
在TCP/IP协议族中,网络层IP提供的是一种不可靠的服务。也就是说,它只是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点,但是并不提供任何可靠性保证。而另一方面,TCP在不可靠的IP层上提供了一个可靠的运输层。为了提供这种可靠的服务,TCP采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。
一个路由器具有两个或多个网络接口层(因为它连接了两个或多个网络)。任何具有多个接口的系统,英文都称作是多接口的(multihomed)。一个主机也可以有多个接口,但一般不称作路由器,除非它的功能只是单纯地把分组从一个接口传送到另一个接口。同样,路由器并不一定指那种在互联网中用来转发分组的特殊硬件盒。大多数的TCP/IP实现也允许一个多接口主机来担当路由器的功能,但是主机为此必须进行特殊的配置。
互联网的目的之一是在应用程序中隐藏所有的物理细节。应用层不能关心(也不关心)一台主机是在以太网上,而另一台主机是在令牌环网上,它们通过路由器进行互连。随着增加不同类型的物理网络,可能会有20个路由器,但应用层仍然是一样的。物理细节的隐藏使得互联网功能非常强大,也非常有用。
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(LAN)组合在一起,这样对上层来说就好像是一个局域网。
TCP/IP的分层
UDP为应用程序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元(例如,发送方指定的一定字节数的信息)。但是与TCP不同的是,UDP是不可靠的,它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的。
IP是网络层上的主要协议,同时被TCP和UDP使用。TCP和UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互联网中进行传输。
ICMP是IP协议的附属协议。IP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。尽管ICMP主要被IP使用,但应用程序也有可能访问它。我们将分析两个流行的诊断工具,Ping和Traceroute,它们都使用了ICMP。
IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。
ARP(地址解析协议)和RARP(逆地址解析协议)是某些网络接口(如以太网和令牌环网)使用的特殊协议,用来转换IP层和网络接口层使用的地址。
互联网的地址
互联网上的每个接口必须有一个唯一的Internet地址(也称作IP地址)。IP地址长32 bit。Internet地址并不采用平面形式的地址空间,如1、2、3等。IP地址具有一定的结构,五类不同的互联网地址格式如上图所示。
区分各类地址的最简单方法是看它的第一个十进 制整数。上图 列出了各类地址的起止范围,其中第一个十进制整数用加黑字体表示。
需要再次指出的是,多接口主机具有多个IP地址,其中每个接口都对应一个IP地址。
由于互联网上的每个接口必须有一个唯一的IP地址,因此必须要有一个管理机构为接入互联网的网络分配IP地址。这个管理机构就是互联网络信息中心(Internet Network Information Centre),称作InterNIC。InterNIC只分配网络号。主机号的分配由系统管理员来负责。
Internet注册服务(IP地址和DNS域名)过去由NIC来负责,其网络地址是nic.ddn.mil。1993年4月1日,InterNIC成立。现在,NIC只负责处理国防数据网的注册请求,所有其他的Internet用户注册请求均由InterNIC负责处理,其网址是:rs.internic.net。
事实上InterNIC由三部分组成:注册服务(rs.internic.net),目录和数据库服务(ds.internic.net),以及信息服务(is.internic.net)。
有三类IP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)。
域名系统
尽管通过IP地址可以识别主机上的网络接口,进而访问主机,但是人们最喜欢使用的还是主机名。在TCP/IP领域中,域名系统(DNS)是一个分布的数据库,由它来提供IP地址和主机名之间的映射信息。
数据封装
当应用程序用TCP传送数据时,数据被送入协议栈中,然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息(有时还要增加尾部信息)
TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段(TCP segment)。IP传给网络接口层的数据单元称作IP数据报(IP datagram)。通过以太网传输的比特流称作帧(Frame)。
以太网数据帧的物理特性是其长度必须在46~1500字节之间。
UDP数据与TCP数据基本一致。唯一的不同是UDP传给IP的信息单元称作UDP数据报(UDP datagram),而且UDP的首部长为8字节。
由于TCP、UDP、ICMP和IGMP都要向IP传送数据,因此IP必须在生成的IP首部中加入某种标识,以表明数据属于哪一层。为此,IP在首部中存入一个长度为8bit的数值,称作协议域。1表示为ICMP协议,2表示为IGMP协议,6表示为TCP协议,17表示为UDP协议。
类似地,许多应用程序都可以使用TCP或UDP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。TCP和UDP都用一个16bit的端口号来表示不同的应用程序。TCP和UDP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IP、ARP和RARP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。
数据分用
当目的主机收到一个以太网数据帧时,数据就开始从协议栈中由底向上升,同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识,以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用(Demultiplexing)
为协议ICMP和IGMP定位一直是一件很棘手的事情。把它们与IP放在同一层上,那是因为事实上它们是IP的附属协议。但是在这里,我们又把它们放在IP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ARP和RARP,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IP数据报一样,都有各自的以太网数据帧类型。我们又把ARP作为以太网设备驱动程序的一部分,放在IP层的下面,其原因在逻辑上是合理的。
客户-服务器模型
大部分网络应用程序在编写时都假设一端是客户,另一端是服务器,其目的是为了让服务器为客户提供一些特定的服务。
可以将这种服务分为两种类型:重复型或并发型。重复型服务器通过以下步骤进行交互:
I1.等待一个客户请求的到来。I2.处理客户请求。I3.发送响应给发送请求的客户。I4.返回I1步。
并发型服务器采用以下步骤:
C1.等待一个客户请求的到来。C2.启动一个新的服务器来处理这个客户的请求。在这期间可能生成一个新的进程、任务或线程,并依赖底层操作系统的支持。这个步骤如何进行取决于操作系统。生成的新服务器对客户的全部请求进行处理。处理结束后,终止这个新服务器。C3.返回C1步。
并发服务器的优点在于它是利用生成其他服务器的方法来处理客户的请求。也就是说,每个客户都有它自己对应的服务器。如果操作系统允许多任务,那么就可以同时为多个客户服务。
对服务器,而不是对客户进行分类的原因是因为对于一个客户来说,它通常并不能够辨别自己是与一个重复型服务器或并发型服务器进行对话。
一般来说,TCP服务器是并发的,而UDP服务器是重复的
端口号
TCP和UDP采用16 bit的端口号来识别应用程序。
服务器一般都是通过知名端口号来识别的。例如,对于每个TCP/IP实现来说,FTP服务器的TCP端口号都是21,每个Telnet服务器的TCP端口号都是23,每个TFTP(简单文件传送协议)服务器的UDP端口号都是69。任何TCP/IP实现所提供的服务都用知名的1~1023之间的端口号。这些知名端口号由Internet号分配机构(Internet Assigned Numbers Authority, IANA)来管理。
到1992年为止,知名端口号介于1~255之间。256~1023之间的端口号通常都是由Unix系统占用,以提供一些特定的Unix服务—也就是说,提供一些只有Unix系统才有的、而其他操作系统可能不提供的服务。现在IANA管理1~1023之间所有的端口号。
客户端通常对它所使用的端口号并不关心,只需保证该端口号在本机上是唯一的就可以了。客户端口号又称作临时端口号(即存在时间很短暂)。这是因为它通常只是在用户运行该客户程序时才存在,而服务器则只要主机开着的,其服务就运行。
大多数TCP/IP实现给临时端口分配1024~5000之间的端口号。大于5000的端口号是为其他服务器预留的(Internet上并不常用的服务)。
标准化过程
究竟是谁控制着TCP/IP协议族,又是谁在定义新的标准以及其他类似的事情?事实上,有四个小组在负责Internet技术。
Internet协会(ISOC,Internet Society)是一个推动、支持和促进Internet不断增长和发展的专业组织,它把Internet作为全球研究通信的基础设施。Internet体系结构委员会(IAB,Internet Architecture Board)是一个技术监督和协调的机构。它由国际上来自不同专业的15个志愿者组成,其职能是负责Internet标准的最后编辑和技术审核。IAB隶属于ISOC。Internet工程专门小组(IETF,Internet Engineering Task Force)是一个面向近期标准的组织,它分为9个领域(应用、寻径和寻址、安全等等)。IETF开发成为Internet标准的规范。为帮助IETF主席,又成立了Internet工程指导小组(IESG, Internet Engineering Steering Group)。Internet研究专门小组(IRIF,Internet Research Task Force)主要对长远的项目进行研究。
IRTF和IETF都隶属于IAB。文献[Crocker 1993]提供了关于Internet内部标准化进程更为详细的信息,同时还介绍了它的早期历史。
RFC
所有关于Internet的正式标准都以RFC(Request for Comment)文档出版。另外,大量的RFC并不是正式的标准,出版的目的只是为了提供信息。RFC的篇幅从1页到200页不等。每一项都用一个数字来标识,如RFC 1122,数字越大说明RFC的内容越新。
所有的RFC都可以通过电子邮件或用FTP从Internet上免费获取。
互联网
一个由两个网络组成的互联网——一个以太网和一个令牌环网。世界范围内的互联网—Internet,以及集中分配IP地址的需要(InterNIC),还讨论了知名端口号(IANA)。internet意思是用一个共同的协议族把多个网络连接在一起。而Internet指的是世界范围内通过TCP/IP互相通信的所有主机集合(超过100万台)。
网络实现
既成事实标准的TCP/IP软件实现来自于位于伯克利的加利福尼亚大学的计算机系统研究小组。从历史上看,软件是随同4.x BSD系统(Berkeley Software Distribution)的网络版一起发布的。它的源代码是许多其他实现的基础。
应用编程接口
使用TCP/IP协议的应用程序通常采用两种应用编程接口(API):socket和TLI(运输层接口:Transport Layer Interface)。前者有时称作“Berkeley socket”,表明它是从伯克利版发展而来的。后者起初是由AT&T开发的,有时称作XTI(X/Open运输层接口),以承认X/Open这个自己定义标准的国际计算机生产商所做的工作。XTI实际上是TLI的一个超集。
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