互联网网络体系结构.ppt

Chapter 2 网络体系结构 2.1 网络层次模块结构模型 2.2 OSI参考模型7层层次协议 2.3 TCP/IP分组交换网协议 2.4 IEEE802 LAN体系结构 2.5 网络协议与操作系统 网络体系结构 计算机网络是计算机技术 与通信技术的结合。 物理连线标准 通信规则 网络通信层次标准 协议规定 2.1 网络层次模块结构模型 定义：计算机网络的各层 及其协议的集合。 或计算机网络及其部件应 完成的功能。 计算机网络的原理体系结构 包括5层 应用层：提供OSI服务 运输层：保证端到端的数据发送 网络层：负责分组发送 数据链路层：提供无差错帧传送 物理层：透明的经实际电路传送比特流 协议的必要性 使用裸硬件进行通信就 象用二进制位的0和1编程一 样。 联网的计算机使用软件 ，为应用程序提供方便的高 层接口。这些软件自动处理 大部分低层的通信细节问题 。 协议的分层 下一层为服务的提供者，上一 层为服务用户。 各层向上一层提供“一组原语 ”的操作服务，不说明这些操 作是如何实现的。 协 议 通信双方关于通信如 何进行而达成的一致说明 或约定。 规定计算机信息交 换中信息的格式和含义 的协定。 1. 面向连接服务（虚电路服务 ） 电话通信系统模式 建立连接 数据传送（使用连接） 释放连接 各层的服务分为： 2. 无连接服务 邮政通信系统模式 数据报 确认交付 回答服务 缺点：不能防止报文的 丢失、重复或失序。 2.2 OSI参考模型7层层次协议 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 传输介质 系统A系统B 用户数据用户数据 ISO/OSI七层协议模型 应用层：提供网络与最终用户之间的界面。 表示层：转化特定设备的数据和格式，使通信与设备无关。 会话层：在应用程序之间建立连接和会话，并验证用户身份。 传输层：提供节点之间可靠的数据传输,负责数据格式的转换。 网络层：实现节点间数据包的传输,处理通信堵塞和介质传输速率等问题。 链路层：保证在数据节点之间可靠地传输数据帧 物理层：规定物理线路的机械特性、电气特性、功能特性、过程特性 ISO/OSI七层协议模型-功能 物理层 负责提供和维护物理线路 ，并检测处理争用冲突，提供 端到端错误恢复和流控制。 处理机械的、电气的、功 能的和规程的特性。 如何保证通信信道传输的 原始比特流的正确性。 传输是否是两个方向同时 进行。 最初的链接如何建立。 完成通信后如何终止。 网络接插件有多少针，其 用途如何。 数据链路层 加强物理传输原始比特的功能。 产生和识别帧边界。 解决由于帧的破坏、丢失和重复所出 现的问题。 流量调节机制，防止高速的发送方的 数据把低速的接收方的数据“淹没”。 双向传输中竞争线路的使用权。 广播式网络中处理控制对共享信道的 访问。 网卡是这一层的典型设备。 网络层 路由选择。确定分组从源端到目的 端的路由选择。 拥塞控制 记帐功能 异构网络互联 路由器是这一层的典型设备。 运输层 从会话层接收数据，如果有必要， 将数据分成较小的单元传送，确保到达 对方的各段信息正确无误。 建立运输连接，提高吞吐量，降低费用 使多路复用对会话层透明 真正的源到目的的“端到端”层 解决跨网络连接的建立和拆除 流量控制 13层通过通信子网链接 47层是“端到端”的链接 会话层 进行高层通信控制，允许不同 机器上的用户建立会话关系。 允许进行类似运输层的普通数据传 输。 可用于远程登录到分时系统或在两 台机器之间的文件传输。 1、管理会话：例如令牌 管理 2、同步：建立检查点， 当发现网络崩溃后，只需 重新传送最后一个检查点 后的数据。 表示层 完成某些特定的功能。 网络上传输的信息的语法和语 义。 将数据在计算机内部的表示法 与网络的表示法之间进行转换 。 应用层 提供与用户应用有关的功能。 网络浏览 电子邮件 文件传输 虚拟终端软件 过程作业输入 目录查询 各种通用和专用的功能 2.3 TCP/IP分组交换网协议 2.3.1 TCP/IP Transmission control protocol/ Internet protocol 传输控制协议/网际协议 2.TCP/IP协议结构 Transport Application TCPUDP IP ICMP ARP Internet LAN Technologies WAN Technologies Network IGMP 物理层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 TELNET HTTPFTPSMTP SNMPDNS 3.TCP/IP协议模型和 OSI协议模型的对比 4.TCP/IP存在的问题 对“服务”、“协议”、“接口” 等概念的区分不很清除。 通用性较差。 网络接口简单。 2.3.2 TCP协议 运输层的协议。 提供面向连接的、可靠的服务 。 以报文段方式发送信息。 工作原理 TCP的数据传输机制称为正向 认可与重传。 在传输数据的过程中进行对 方数据的确认。 同时，考虑数据报的正确性， 在收到报文段时，会首先计算校 验和，决定报文的接收与拒绝。 uTCP/IP的历史 1965197019801985 APANET commissioned by DOD 1969 1975 Telnet 1972 FTP 1973 TCP 1974 IP 1981 TCP/IP Protocol Suite 1982 DNS 1984 TCP报文段格式 见书上28页。 2.3.3 IP协议 无连接数据报发送、数据报路由选 择和差错控制。 IP将报文传送到目的主机后，不管 传送正确与否都不进行检验，不回送确 认，也不保证分组的正确顺序，这些功 能都由TCP完成。 TCP与IP比较 TCP：面向链接。 IP：无链接。 TCP：可靠服务。 IP：不可靠服务。 由报头和数据两部分组成 。 报头：20个字节的固定长 度。 数据：可选任意长度。 IP数据报 数据报与帧的区别 物理网络中的帧由硬件识 别。 数据报由软件识别。 封装 将数据报包装成符合 物理网络要求的帧的格式 的过程。 最大传输单元MTU 不同物理网络对帧的大小 的限制。 以太网：1500字节。 X.25广域网：120字节 IP数据报格式 重点了解IPv4 IP数据报格式 版本字段：指示IP协议数据 报的协议版本。 报头长度：指示报头的长度 。 服务类型：占8比特，指示如 何处理数据报。 数据报长度：占16比特，指 示整个IP数据报的长度，包 括报头和数据，最大取值为 65535字节。 标识域：占16比特，用来 控制分片重组，每个数据 报不管分成多少片都具有 相同的标识号，用来确定 该分片属于哪个数据报。 生存时间：占8比特。用来确 定数据报被允许在网络系统中 传输最多可用多少秒。最大值 为255。 协议域：占8比特。用来指示 传输协议类型。6代表TCP协议 ，7代表UDP协议。协议编号全 球统一。 源IP地址： 目标IP地址：指明网络号 和主机号。 选项域：用于网络的控制 。 填充：当选项域不足40字 节时，用0补充。 二进制基本知识 用0和1表示数据。 二进制与十进制关系 十进制 二进制 1 10 11 100 101 110 111 1000 十进制 二进制 0 0 10 4 100 1000 1000,0 32 1000,00 64 1000,000 1000,0000 255 1111,1111 与运算 0与0 结果为 0 0与1 结果为 0 1与0 结果为 0 1与1 结果为 1 1.IP地址 定义：用于标识连入因特网上的每台主机，它 是每台主机唯一的标识。在IPv4中，一个IP 地址由32个二进制比特数字组成，通常被分 割为4段，每段8比特，并用点分十进制表示 。 aaa.bbb.ccc.ddd 每段的取值范围是0255 最多容纳的机器数是：255255255255约 42亿台。 互联网与物理网络是有区别 的。互联网络的目标是产生一个 无缝的通信系统。它由软件生成 ，是一个虚拟的网络。因此，需 要屏蔽下层物理网络的细节，进 行统一编制。发送方将目的地协 议地址放在包中发送。 很多时候，用户甚至不知道 对方的协议地址，而使用计算机 名字，通过DNS转化。 IP地址的层次 每个32位的IP地址被分为前 缀和后缀两个部分。 前缀：用于确定计算机从属的物 理网络。 后缀：用于确定该网络中的一台 计算机。 ISP负责向用户提供IP地址的前缀 。 IP地址层次的作用 1、保证每台计算机分配 一个唯一的地址。 2、保证虽然网络号分配 必须全球一致，但后缀可 本地分配，不需全球一致 。 A、B、C类为基本 类 D类用于组播传输 E类保留 IP地址分类 Network ID and Host ID Network IDHost ID 32 Bits w. x. y. z. 4Example: Class B A类网：aaa的取值为1127，前8位 中的首位为1，并表示网络地址，后 24位表示主机地址，代表主机所在 的网络为大型网。 B类网：aaa的取值为128191，前 两位为10，前16位表示网络地址， 后16位表示主机地址，代表主机所 在的网络为中型网。 C类网： aaa的取值为192223，前 三位为110，前24位表示网络地址， 后8位表示主机地址。 D类网：前4位为1110，后28位为组播 地址。 E类网：前5位为11110，后面各位保留 。 地址类别的计算 计算机：利用地址的头几 位通过位比较快速获得。 人：转化为10进制分析。 IP地址的转换方法 11111111 1286432168421 8 Bits 255 Decimal Value (2) IP地址的分类 Address Classes Class C wxyz Class A Network ID Host ID 0 Class B Network IDHost ID 1 0 Network IDHost ID 1 1 0 地址分类总结 NumberNumber of Networksof Networks 126 16,384 2,097,152 Number of HostsNumber of Hosts per Networkper Network 16,777,214 65,534 254 Class AClass A Class BClass B Class CClass C Range ofRange of Network IDs Network IDs (First Octet)(First Octet) 1 ?126 128 ?191 192 ?223 请指出下列IP地址是哪类IP地址 4 24 判断下列IP地址的类型 B类 7 A类 53 B类 48 C类 A类 C类 (3) 特殊的IP地址 地址类型地址类型网络号网络号 全0 网络号 网络号 全1 127 主机号主机号 全0 全0 全1 全1 任意 本机 网络 直接广播 有限广播 回送 用途用途 系统启动时使用 标识一个网络 在特定网络上广播 在本地网络上广播 测试 举例举例 55 55 IP地址分配原则 在网络中的主机必须有IP地址 一台主机可以有多个IP地址，称该主 机为多址主机（multi-homed) 路由器有多个IP地址，分属不同的网 络，标识了该网络与路由器的一个连 接。一台连接多个网络的计算机，必 须为每个连接分配一个IP地址。 一个组织希望建立含有四个物理网络的 TCP/IP互联网。其中一个小型网络，两个中 型网络和一个大型网络。 15 路由器 5 7 Network ID 分配示例 Router 123 124.x.y.z192.121.73.z131.107.y.z Router Host ID 分配示例 RouterRouter 7 8 9 7 8 9 124.x.y.z192.121.73.z131.107.0.z 123 2.子网 subnet 使用A类地址或B类地址的网 络可以进一步划分子网段，称为 子网。 子网划分的目的：便于管理 。 子网掩码的功能 区分网络ID和主机ID 确定目的地是本地网络还是 远程网络 子网划分的方法 用主机号的高位来标识 子网号，其余位表示主 机号。 子网掩码由32位二进制 位构成，与IP地址的每一位 一一对应； 表现形式 子网掩码中每一位的定义 与IP地址中Network ID对应的 子网掩码位的取值定义为“1”， 与IP地址中Host ID对应的子网 掩码位的取值定义为“0”， 制定规则 子网掩码有二进制和点分十 进制两种表示方法； 表示形式 要求：以IP地址为的网 段为例，划分4个子网。 1. 属于哪类网：B类。（128191） 2. 用哪几位来分割子网： aaa.bbb.ccc.ddd中的ccc的前两位 来划分。（因为aaa.bbb用于确定 网段号。） 3. 具体的划分方法。 8位中每位对应的10进制数的数值 11111111 1286432168421 8 Bits 255 Decimal Value ccc: 128 64 32 16 8 4 2 0 0001166.166.0.x ccc: 128 64 32 16 8 4 2 0 ccc: 128 64 32 16 8 4 2 0 ccc: 128 64 32 16 8 4 2 0 1011 166.166.64.x 166.166.128.x 166.166.192.x 子网掩码运算方法 将子网掩码与IP地址逐 位与运算，通过得到的结果 判断。 缺省的子网掩码定义 Bits Used for Subnet MaskBits Used for Subnet Mask AddressAddress ClassClass Dotted DecimalDotted Decimal NotationNotation Class A Class B Class C 11111111000000000000000000000000 11111111111111110000000000000000 11111111111111111111111100000000 网络号各比特全为1，主 机号各比特全为0。 6 54 请指出下列IP地址缺省的子网掩码 区分网络号和主机号 Class B Example 16.200131.107. 0.0255.255. 131.107. w.x. IP Address Subnet Mask Network ID Host ID16.200 y.z 10000011 01101011 00010000 11001000 11111111 11111111 00000000 00000000 10000011 01101011 00000000 00000000 IP Address Subnet Mask Result 已知：某个网段的IP地址为 。子网掩码为。判断如下 IP地址是否属于这个网段，如果属于，指 明具体的子网。 1. 3 2. 解： 将子网掩码用32位2进制表示为 ： 11111111,11111111,11000000,00000000 2. 分析子网的划分情况： 因为网段IP地址为说明其属于B类网 ； 根据子网掩码的值分析，该子网分为4个子段。 分别为， ， ，。 3. 分析3，将其转化为32位2进制。 10100110,10100110,01011100,00000000 4. 两个2进制数相与的结果为: 10100110,10100110,01000000,00000000 对应的IP地址为: 5. 是给定的三个网段中的一 个, 由此说明3，属于第二个子网 段。 6. 同理分析可得，属于远程网 段。 4. IP路由协议 IP数据报从源主机 无连接的、逐步地传送 到目标主机，这就是IP 协议的路由选择。 IP协议是一个网络层协议， 它所面对的是由多个路由器和 物理网络所组成的网络。 IP协议的任务是提供一个虚拟 的网络找到下一个路由器和 物理网络。 路由表 通过目标网络号和路 由器IP地址，指明到达目 的主机的路由信息。 路由器通过查找路由表 为数据报选择一条到达目的 主机的路由。路由并不需要 完整的端到端的链路，只要 知道下一步应传给哪个路由 器就可以了。 路由表有静态和动态之分 。 目的地 子网掩码 下一跳 直接到 直接到 R2路由器的路由表 R2 路由表结构 网络地址网络地址子网掩码子网掩码 网关地址网关地址 目的地的网络号 通向目的地的本地 网关的IP地址 目的地网络的 子网掩码 net3 net1 net2 net4 5. IPv6 将32位地址空间扩展为128比 特。 2.3.4 TCP/IP的高层协议 SMTP：简单邮件传输协议 DNS：域名系统服务 FTP：文件传输协议 Telnet：虚拟终端协议 NNTP：网络新闻传输协议 HTTP：超文本传输协议 SMTP：简单邮件传输协议 Simple mail transfer protocol 用于收发电子邮件的协议。 每个用户有一个邮箱。 支持文本、语音、图像在内的多种信息格 式。 最终用户对邮件的访问是通过用户代理进 行的。 邮件传输代理MTA，又称 报文传输代理，负责建立与远 程主机的通信和传输邮件。在 本地MTA和远程MTA之间要建立 一个TCP连接，用户代理和MTA 之间进行交互工作。 DNS：域名系统服务 DNS将主机名映射到网络地址。 为每一个拥有IP地址的主机分配一个 便于记忆的域名地址 顶级域名：cn 组织机构： edu,org,net,gov,com,int,mil TCP/IP的域名系统的 主要工作之一是提供一整 套名字管理的方法，就是 将一个合法的主机名字转 化成对应的IP地址。 域名的格式由底层开始， 向上直到树根。其结构的优势 是树中的每一级域的管理机构 负责管理它自己的域。 FTP：文件传输协议 允许文件从一个主机传送到 另一个主机，主机的类型可以不 同。 FTP在主机与远程机之间使 用两个TCP连接。一个用于传输 命令和控制信息，另一个用来传 输数据。 Telnet：虚拟终端协议 以联机方式访问远程计算 机资源的通用工具。 采用虚拟终端技术解决物 理终端不同的问题。 Rlogin 用于远地登录网上某一 个主机。只适用于UNIX和 Linux系统。 HTTP：超文本传输协议 属于Web协议集，用于因特网上 获取主页。 处于应用层。 建立在TCP之上。 具有面向对象的特点和丰富的操 作功能。 2.3.5 UDP协议 运输层的一个重要协议。 提供无连接、不可靠、无流量控制、不排 序的服务。 比TCP简单。 可与IP或其他协议连接。 只充当数据报的发送者和接受者。 一般用于传输数据较少的交互式业务。 2.1.6 TCP/IP模型的其他各层协议 1. ICMP协议 2. IGMP协议 3. ARP与RARP协议 4. 数据链路层和物理层 1. ICMP协议 Internet control message protocol 网际控制报文协议。 通常用于由路由问题而引起的 差错报告和控制，它能从出错点向 发送点发出错误报文或控制报文， 发送点收到这种报文之后，由ICMP 软件处理。 2. IGMP协议 Internet group management protocol Internet 组管理协议。 多播网关与参与多播传送的主 机之间交换信息的协议。 相关知识：单播、广播、多播 工作过程：某个主机加入 一个新的多播组时，按“全主机” 多播地址将组员身份传播出去。 本地多播网关收到该信息后，将 此记录记入相应表格，同时向 其他多播网关通知此组员的身份 信息，以建立必要的路径。 为适应组员身份的动态变化， 本地多播网关周期性地查询本地 主机，以确定哪些主机仍然属于 多播组。 如果查询结果表明某个多播组 中已经没有本地主机成员，多播 网关停止通告相应的组员身份信息， 同时不再接收相应的多播数据报。 3. ARP协议与RARP协议 网络接口层协议。 ARP用于将IP地址转换成物理地 址。 RARP用于将物理地址转换成IP地 址。 以太网地址解析协议 ARP消息格式 ARP地址解析方法 ARP消息的传输和处理 ARP缓存的维护 ARP消息格式 硬件地址类型 2Byte 协议地址类型 2Byte 硬件地址长度 1Byte 协议地址长度 1Byte 操作(请求/应答) 2Byte 发送者的硬件地址 发送方的协议地址 目标的硬件地址 目标的协议地址 0x01 0x00 硬件地址长度=48bit 协议地址长度=32bit 请求=1 应答=2 发送者的硬件地址 发送方的协议地址 目标的硬件地址 目标的协议地址 以太网，IP协议ARP协议的规定 ARP 地址解析方法 查表： 地址联编或映射信息存储在内存的一张表中 多用于广域网 相近形式计算： 根据一定的规则为计算机选择协议地址和硬 件地址，可以从协议地址计算出硬件地址 适用于动态物理地址的网络 消息交换： 通过在网络上交换信息来 获得硬件地址 设计专门的地址解析服务 器，完成解析任务 所有的计算机都参与地址 解析工作 ARP消息的传输和处理 发送一个ARP消息：构造一个ARP帧 请求：构造一个ARP硬件广播帧 帧的类型是ARP类型 ARP消息的操作设成请求 帧的目的地地址为全网广播地址 应答：构造一个确定硬件地址的ARP 应答帧 帧的类型是ARP类型 ARP消息的操作设成应答 帧的目的地地址为发送请求的主机 的硬件地址 处理一个ARP消息 根据帧类型判定是一个ARP帧 将消息中的操作类型取出判定是请 求还是应答 请求：比较请求的协议地址是否与 本地的协议地址相同，相同，则将 请求方的协议地址和硬件地址存入 本地缓存，然后构造一个应答消息 ； 应答：将消息中的地址信息记入自 己的缓存 解析本地IP地址 ARP Cache 08005. . . 8 08004. . . ARP Cache 08004. . . ARP Broadcast 4 4 IP Address = 8 Hardware Address = 08004. . . IP Address = 9 Hardware Address = 08007. . . 3 3 Hardware Address = 08007. . . 2 2 1 1 ping 9 ARP代理：若ARP请求解析另一个网络上的 IP地址，那么，连接这两个网络的路由器 将做出应答，路由器称为ARP代理。将路由 器设置成ARP代理，可以使原主机误认为目 标主机与它在同一网络上。 直接查找网关的硬件地址：由原主机判定 目标所在的网络是在本地还是远程，然后 查找自己的缺省网关的硬件地址，将数据 发往缺省网关。 解析远程IP地址 解析远程IP地址 A Router B ARP Broadcast for Router A ARP for Router B IP Address = 4 Hardware Address = 08004. . . IP Address = 9 Hardware Address = 08009. . . ARP Cache 08009. . . 08006. . . ARP Cache 08004. . . 4 4 1 1 08005. 08006. 2 2 5 5 ping 9 ARP Cache 3 3 ARP Cache的维护 IP AddressIP AddressHardware AddressHardware Address 55 =FFFFFFFFFFFF =080009654321 4=080004321371 =080006723111 =080002345621 9=080009654441 2 2 1 1 ARP命令 Arp -a：查看缓存的内容 。 arp -s：添加静态的表项 。 arp -d：删除表项。 4. 数据链路层和物理层 TCP/IP模型中没有真正描述 这部分内容，可以看作是利用 OSI的下两层。这使TCP/IP具有 相当的灵活性，即与网络的物 理特性无关。 2.4 IEEE802 LAN体系结构 对应于OSI模型的物理层和数据链路层 IEEE802.1（独立于拓扑结构） IEEE802.2（独立于拓扑结构） IEEE802.3（适用于以太网） IEEE802.4（适用于令牌网） IEEE802.5（适用于环型令牌网） IEEE组织 电气与电子工程师协 会。 致力于办公自动化和 轻工业局域网体系结构标 准化研究和制定的机构之 一。 1.IEEE802.1（独立于拓扑结构） 定义了局域网体系结构、 寻址、网络互连、网络管理与 性能测试等规范。 2.IEEE802.2（独立于拓扑结构 ） 定义一个被其他更低层协议使 用的逻辑链路控制（LLC）子层。 LLC协议在包中附加了一个指 明与帧相关的高层协议的信息包头 ，这个包头也声明了每个包的源地 址和目的地。 (1)LLC子层界面服务原语： 在定义一层向其高一层提供服 务时，所使用的形式化服务规范语 句。 指明了用途、调用方法。 指示原语：服务提供者向服务用户指示某 种状态服务。 请求原语：服务用户向服务提供者请求特 定的服务。 (2) LLC的帧结构： ISO-OSI的数据链路层使用HDLC帧格 式。 (3) LLC的操作类型： 包括两种类型：无连接服务操作和连 接服务操作。 3.IEEE802.3（适用于以太网） 主要负责将“差错”的实际传输信 道变换成对上层是可靠的传输信道，具 有介质访问控制功能，并能提供多种介 质访问控制方法。 MAC（介质访问控制子层）子层使 用了一种CSMA/CD技术，是在以太网中 广泛使用的技术。 4.IEEE802.4（适用于令牌网） 5. IEEE802.5（适