tcpip整体构架分析

1、TCP/IP整体构架分析 传统的OSI（开放式系统互连）参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。而TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型，它采用了4层结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为： 应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输协议（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。 传输层：此层提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。 网络层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。 网络接口层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、Serial Line等）来传送数据。 下面简单介绍TCP/IP中协议的功能： 1 IP

2、 网际协议IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。 IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层-TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。 高层的TCP和UDP服务在接收数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。也可以这样说，IP地址形成了许多服务的认证基础，这些服务相信数据包是从一个有效的主机发送来的。IP确认包含一个选项，叫作IP source routing，可以用来指定一条源地址和目的地址之间的直接路径。对于一些TCP和UDP的服务来说，使用了该选项的IP包好象是从路径上的最后一个系统传递过来的，而不是来自于它的真实地点。这个选项是为了测试而存在的，说明了它可以被用来欺骗系统来进行平常是被禁止的连接。那么，许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。 2. TCP 如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包

3、，那么IP将把它们传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。TCP将它的信息送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层、设备驱动程序和物理介质、最后到接收方。 面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、Xwindows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。 3.UDP UDP与TCP位于同一层，但不提供任何顺序或重新排序功能，因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询-应答的服务，例如NFS。欺骗UDP包比欺骗TCP包更容易，因为UDP没有建立初始化连接（也可以称为握手）（因为在两个系统间没有虚电路），也就是说，与UDP相关的服务面临着更大的危险。 4.ICMP ICMP与IP位于同一层，它被用来传送IP的的控制信息。它主要是用来提供有关通

4、向目的地址的路径信息。ICMP的Redirect信息通知主机通向其他系统的更准确的路径，而Unreachable信息则指出路径有问题。另外，如果路径不可用了，ICMP可以使TCP连接体面地终止。PING是最常用的基于ICMP的服务。 三、TCP/IP各层的安全性和提高各层安全性的方法 TCP/IP的层次不同提供的安全性也不同，例如，在网络层提供虚拟私用网络，在传输层提供安全套接服务。 1、网络层的安全性 在过去十年里，已经提出了一些方案对网络层的安全协议进行标准化。例如，安全协议3号(SP3)就是美国国家安全局以及标准技术协会作为安全数据网络系统(SDNS)的一部分而制定的。网络层安全协议(NLSP)是由国际标准化组织为无连接网络协议(CLNP)制定的安全协议标准。集成化NLSP(I-NLSP)是美国国家科技研究所提出的包括IP和CLNP在内的统一安全机制。SwIPe是另一个网络层的安全协议，由Ioannidis和Blaze提出并实现原型。所有这些提案的共同点多于不同点。事实上，他们用的都是IP封装技术。其本质是，纯文本的包被加密，封装在外层的IP报头里，用来对加密的包进行Intern

5、et上的路由选择。到达另一端时，外层的IP报头被拆开，报文被解密，然后送到收报地点。 Internet工程特遣组(IETF)已经特许Internet协议安全协议(IPSEC)工作组对IP安全协议(IPSP)和对应的 Internet密钥管理协议(IKMP)进行标准化工作。IPSP的主要目的是使需要安全措施的用户能够使用相应的加密安全体制。该体制不仅能在目前通行的IP(IPv4)下工作，也能在IP的新版本(IPng或IPv6)下工作。该体制应该是与算法无关的，即使加密算法替换了，也不对其他部分的实现产生影响。此外，该体制必须能实行多种安全政策，但要避免给不使用该体制的人造成不利影响。按照这些要求，IPSEC工作组制订了一个规范：认证头(Authentication Header，AH)和封装安全有效负荷(Encapsulating Security Payload，ESP)。简言之，AH提供IP包的真实性和完整性，ESP提供机要内容。 IP AH指一段消息认证代码(Message Authentication Code，MAC)，在发送IP包之前，它已经被事先计算好。发送方用一个加密密钥

6、算出AH，接收方用同一或另一密钥对之进行验证。如果收发双方使用的是单钥体制，那它们就使用同一密钥；如果收发双方使用公钥体制，那它们就使用不同的密钥。在后一种情形，AH体制能额外提供不可否认的服务。有些在传输中可变的域，如IPv4中的time-to-live域或IPv6中的hop limit域，都是在AH的计算中必须忽略不计的。RFC 1828首次规定了加封状态下AH的计算和验证中要采用带密钥的MD5算法。而与此同时，MD5和加封状态都被批评为加密强度太弱，并有替换方案提出。 IP ESP的基本想法是整个IP包进行封装，或者只对ESP内上层协议的数据(运输状态)进行封装，并对ESP的绝大部分数据进行加密。在管道状态下，为当前已加密的ESP附加一个新的IP头(纯文本)，它可以用来对IP包在Internet上作路由选择。接收方把这个IP头取掉，再对ESP进行解密，处理并取掉ESP头，再对原来的IP包或更高层协议的数据就象普通的IP包那样进行处理。RFC 1827中对ESP的格式作了规定，RFC 1829中规定了在密码块链接(CBC)状态下ESP加密和解密要使用数据加密标准(DES)。 AH与

7、ESP体制可以合用，也可以分用。不管怎么用，都逃不脱传输分析的攻击。人们不太清楚在网络层上，是否真有经济有效的对抗传输分析的手段，但是在Internet用户里，真正把传输分析当回事儿的也是寥寥无几。 1995年8月，Internet工程领导小组(IESG)批准了有关IPSP的RFC作为Internet标准系列的推荐标准。除RFC 1828和RFC 1829外，还有两个实验性的RFC文件，规定了在AH和ESP体制中，用安全散列算法(SHA)来代替MD5(RFC 1852)和用三元DES代替DES(RFC 1851)。 在最简单的情况下，IPSP用手工来配置密钥。然而，当IPSP大规模发展的时候，就需要在Internet上建立标准化的密钥管理协议。这个密钥管理协议按照IPSP安全条例的要求，指定管理密钥的方法。因此，IPSEC工作组也负责进行Internet密钥管理协议(IKMP)，其他若干协议的标准化工作也已经提上日程。 大多数IPSP及其相应的密钥管理协议的实现均基于Unix系统。任何IPSP的实现都必须跟对应协议栈的源码纠缠在一起，而这源码又能在Unix系统上使用，其原因大概就在于此

8、。但是，如果要想在Internet上更广泛地使用和采纳安全协议，就必须有相应的DOS或Windows版本。而在这些系统上实现网络层安全协议所直接面临的一个问题就是，PC上相应的实现TCP/IP的公共源码资源什么也没有。 网络层安全性的主要优点是它的透明性，也就是说，安全服务的提供不需要应用程序、其他通信层次和网络部件做任何改动。它的最主要的缺点是: 网络层一般对属于不同进程和相应条例的包不作区别。对所有去往同一地址的包，它将按照同样的加密密钥和访问控制策略来处理。这可能导致提供不了所需的功能，也会导致性能下降。针对面向主机的密钥分配的这些问题，RFC 1825允许(甚至可以说是推荐)使用面向用户的密钥分配，其中，不同的连接会得到不同的加密密钥。但是，面向用户的密钥分配需要对相应的操作系统内核作比较大的改动。 虽然IPSP的规范已经基本制订完毕，但密钥管理的情况千变万化，要做的工作还很多。尚未引起足够重视的一个重要的问题是在多播(multicast)环境下的密钥分配问题，例如，在Internet多播骨干网(MBone)或IPv6网中的密钥分配问题。 简而言之，网络层是非常适合提供基于主机

9、对主机的安全服务的。相应的安全协议可以用来在Internet上建立安全的IP通道和虚拟私有网。例如，利用它对IP包的加密和解密功能，可以简捷地强化防火墙系统的防卫能力。RSA数据安全公司已经发起了一个倡议，来推进多家防火墙和TCP/IP软件厂商联合开发虚拟私有网,该倡议被称为S-WAN(安全广域网)倡议,其目标是制订和推荐网络层的安全协议标准。 2、传输层的安全性 在网络应用编程中，通常使用广义的进程间通信(IPC)机制来与不同层次的安全协议打交道。在Internet中提供安全服务的首先一个想法便是强化它的IPC界面，如BSD Sockets等，具体做法包括双端实体的认证，数据加密密钥的交换等。Netscape通信公司遵循了这个思路，制定了建立在可靠的传输服务(如TCP/IP所提供)基础上的安全套接层协议(SSL)。SSL主要包含以下两个协议： SSL记录协议。它涉及应用程序提供的信息的分段、压缩、数据认证和加密。SSLv3提供对数据认证用的MD5和SHA以及数据加密用的R4和DES等的支持，用来对数据进行认证和加密的密钥可以通过SSL的握手协议来协商。 SSL握手协议。用来交换版本号、加密算法、(相互)身份认证并交换密钥。SSLv3 提供对Deffie-Hellman密钥交换算法、基于RSA的密钥交换机制和另一种实现在 Fortezza chip上的密钥交换机制的支持。 Netscape通信公司已经向公众推出了SSL的参考实现(称为SSLref)。另一免费的SSL实现叫做SSLeay。SSLref和SSLeay均可给任何TCP/IP应用提供SSL功能。Internet号码分配当局(IANA)已经为具备SSL功能的应用分配了固定端口号，例如，带SSL的 HTTP(https)被分配的端口号为443，带SSL的SMTP(ssmtp)被分配的端口号为465，带SS

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