大学计算机网络技术实用教程-张怀中-大学教学资料课件PPT
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第2章 网络体系结构与TCP/IP协议,本章学习目标: 本章主要讲解计算机网络的体系结构与TCP/IP协议。通过本章的学习 ，读者应掌握以下内容： 计算机网络通信协议 TCP/IP协议 IP地址的规划 计算机网络新技术,2.1 计算机网络的体系结构,2.1.1 计算机网络体系结构的形成,计算机网络是个非常复杂的系统。为了说明这一点，可以设想一个最简单的情况：连接在网络上的两台计算机要互相传送文件。显然，在这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路。但这还远远不够，至少还有以下几件工作需要完成：,（1）发起通信的计算机必须将数据通信的通路激活（activate）。（2）要告诉网络如何识别接收数据的计算机。 （3）发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据。,（4）发起通信的计算机必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好文件接收和存储文件的准备工作。 （5）若计算机的文件格式不兼容，则至少其中的一台计算机应完成格式转换功能。 （6）对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失，网络中某个节点交换机出现故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确,由此可见，相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。为了设计这样复杂的计算机网络，早在最初的ARPANET设计时即提出了分层的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。,2.1.2 划分层次的必要性,在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换数据的格式以及有关的同步问题。这里所说的同步不是狭义的（即同频或同频同相）而是广义的，即在一定的条件下应当发生什么事件（如发送一个应答信息），因而同步含有时序的意思。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（network protocol）。网络协议也可简称为协议。更进一步讲，网络协议主要由以下三个要素组成： （1）语法，即数据与控制信息的结构或格式。 （2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 （3）同步，即事件实现顺序的详细说明。,由此可见，网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分。,协议通常有两种不同的形式，一种是用便于阅读和理解的文字描述的，一种是用计算机能够理解的程序代码描述的。这两种不同形式的协议都必须能够对网络上交换的信息做出精确的解释。,对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应采用层次式的。 分层可以带来很多好处。例如：,（1）各层之间是独立的。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。这样，整个问题的复杂程度就下降了。,（2）灵活性好。当任何一层发生变化时（例如由于技术的变化），只要层间接口关系保持不变，则这层以上或以下的各层均不受影响。此外，对某一层提供的服务还可进行修改。当某一层提供的服务不再需要时，甚至可以将这层取消。,（3）结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。 （4）易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理。 （5）能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有明 确的说明。 分层时应注意使每一层的功能非常明确。通常每一层所要实现的一般功能往往是下面的一种或几种： （1）差错控制。使得和网络对端的相应层次的通信更加可靠。 （2）流量控制。控制发送端的发送速率不要太快，使接收端来得及接收。 （3）分段和重装。发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。,（4）复用和分用。发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。 （5）连接建立和释放。交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。 分层当然也有一些缺点，例如，有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销。,我们将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构（architecture）。,2.1.3 网络标准化组织,所谓标准是文档化的协议中包含的推动某一特定产品或服务应如何被设计或实施的技术规范。通过标准，不同的生产厂商可以确保产品、生产过程以及服务适合他们的目的。,由于目前网络界所使用的硬件、软件种类繁多，因此标准就显得尤其重要。如果没有标准，就可能由于一种硬件不能与另一种兼容，或者因一个软件应用程序不能与另一个通信而导致不能进行网络设计。例如，一个厂商设计一个插头为1厘米宽的网络电缆，而另一公司生产的槽口宽为0.8厘米，则无法将电缆插入这种槽口。,由于计算机工业发展迅速，许多不同的组织都在开发自己的标准。,1ANSI ANSI（美国国家标准协会）是由1000多名来自工业界和政府的代表组成的组织，负责制定电子工业的标准，此外也制定其他行业的标准，如化学和核工程、健康和安全以及建筑行业的标准。ANSI也代表美国制定国际标准。,2EIA EIA（电子工业联盟）是一个商业组织，它代表全美的各电子制造公司。EIA包括几个下属组织：电信工业协会（TIA）；用户电子生产商协会（CEMA）；电子部件、组装、设备与供应协会（ECA）；联合电子设备工程委员会（JEDEC）；固态技术协会。每个特定组根据自身的研究领域，还负责承办会议、展览及研讨会。,3IEEE IEEE（电气与电子工程师学会或称为I-3-E），是一个由专业工程人士组成的国际社团，其目的在于促进电气工程和计算机科学领域的发展和教育。,4ISO ISO（国际标准化组织）是一个代表130个国家的标准组织的集体，它的总部设在瑞士的日内瓦。ISO的目标是制定国际技术标准以促进全球信息交换和无障碍贸易。,5ITU ITU（国际电信同盟）是联合国特有的管理国际电信的机构，它管理无线电和电视频率、卫星和电话的规范、网络基础设施、全球通信所使用的关税率。,2.1.4 计算机网络通信协议,前面已经提到OSI开放系统互连参考模型采用了7个层次的体系结构，由低层至高层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图2-1所示。现简要介绍一下各层的主要功能。,图2-1 七层协议示意图及其主要功能,（1）物理层（Physical Layer）。物理层的任务就是透明地传送比特流。在物理层上传输数据的单位是比特。,物理层要考虑用多大的电压代表“l”或“0”，以及当发送端发出比特“l”时，在接收端如何识别出这是比特“l”而不是比特“0”。 确定连接缆线材质，确定连接器引线的数目及定义、接头的几何尺寸和锁紧装置等。 指出传输1比特信息占用多长时间。 采用何种传输方式。 初始连接如何建立。 当双方结束通信时如何拆除连接。,（2）数据链路层（Data Link Layer）。在发送数据时，数据链路层的任务是将在网络层提供的IP数据报组装成帧（framing），在两个相邻节点间的链路上传送以帧（frame）为单位的数据。数据链路层有时也常简称为链路层。 数据链路层还要解决如下问题： 1）透明性问题。 2）控制问题。,（3）网络层（Network Layer）。网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。在发送数据时，网络层将传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，分组也叫做IP数据报，或简称为数据报。,（4）传输层（Transport Layer）。传输层主要负责确保数据可靠、顺序、无错地从点到传输到点（、点可能在也可能不在相同的网络段上）。因为如果没有传输层，数据将不能被接收方验证或解释，所以，传输层常被认为是OSI模型中最重要的一层。,在网络中，传输层发送一个ACK（应答）信号以通知发送方数据已被正确接收。如果数据有错，传输层将请求发送方重新发送数据。同样，假如数据在一给定时间段未被应答，发送方的传输层也将认为发生了数据丢失从而重新发送它们。工作在传输层的一种服务是TCP/IP协议套中的TCP（传输控制协议），另一项传输层服务是IPX/SPX协议集的SPX（序列包交换）。,（5）会话层（Session Layer）。会话层是用户应用程序与网络的接口，属于进程级的层次。进程是操作系统中由多道程序并行执行而引出的一个概念，它与程序的概念不同，程序是一个静态的概念，而进程是一个动态的概念，是程序的执行，是有生存期的,（6）表示层（Presentation Layer）。在计算机与用户进行数据交换时，并不是交换随机比特流，而是交换一些有具体意义的数据信息。不同的计算机可能采用不同的编码方法来表示这些数据类型和数据结构，为让采用不同编码方法的计算机能够通信，能相互理解所交换的数据，可以采用抽象语法来定义数据结构，并对其按某种标准进行编码。表示层管理这些抽象数据结构，并负责在计算机内部表示和网络的标准表示法之间进行转换。 表示层的另一功能是完成数据加密和解密。 此外，表示层所提供的功能还有数据压缩。,（7）应用层（Application Layer）。应用层是OSI网络协议体系结构的最高层，是计算机网络与最终用户之间的界面，为网络用户之间的通信提供专用的程序。 从功能划分看，OSI的7层协议的低6层主要用于解决通信和表示问题，以实现网络服务功能，而应用层则提供使用特定网络服务所需要的各种应用协议。 应用层的一个主要功能是提供虚拟终端，使所有不同类型的终端都能通过这种终端协议与网络主机互连。这种终端协议就称为虚拟终端协议。 应用层的另一个功能是提供文件传输协议FTP。和收发电子邮件功能。 图2-2描述了应用进程的数据在各层的传递过程。为简单起见，假定两个主机是直接相连的。,图2-2 数据封装,假定计算机1的应用进程向计算机2的应用进程传送数据。 在OSI参考模型中，对等层以协议数据单元（PDU）为单位传送数据。在信宿方，来自信源的比特流从第1层依次递交至第7层。 任何两个同等的层次之间，如图2-3中的水平线所示的那样，将数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方，这就是所谓的“对等层”之间的通信。以前经常提到的各层协议，实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项约定。 图2-3 对等层之间的通信,图2-3 对等层之间的通信,2.2 TCP/IP协议体系,2.2.1 TCP/IP与OSI体系结构的对比,在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是很不相同的。例如：,（1）TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互联问题，并将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部分。但ISO和CCITT最初只考虑到全世界都使用一种统一的标准公用数据网将各种不同的系统互联在一起。后来，ISO认识到了网际协议IP的重要性，然而已经来不及了，只好在网络层中划分出一个子层来完成类似TCP/IP中IP的作用。 （2）TCP/IP一开始就将面向连接服务和面向无连接服务并重，而OSI在开始时只强调面向连接这种服务。一直到很晚OSI才开始制定面向无连接服务的有关标准。,（3）TCP/IP较早就有较好的网络管理功能，而OSI到后来才开始考虑这个问题。,图2-4 TCP/IP与OSI两种体系结构的对比,2.2.2 TCP/IP体系结构,TCP/IP是Internet采用的协议标准，也是全世界采用的最广泛的工业标准。实际上TCP/IP是一个协议系列，包含100多个协议，用来将各种计算机和数据通信设备组成计算机网络。这个协议系列的正确名字是Internet协议系列，TCP和IP只是其中的两个协议。由于它们是最基本、最重要的两个协议，也是广为人知的，因此，通常用TCP/IP来代表整个Internet协议系列。 与开放系统互连（OSI）等其他的网络互连协议一样，可以用一个分层模型来说明TCP/IP的体系结构和功能。但是，TCP/IP协议的体系结构并没有采用7层模型，只实际定义了四个层次，如图2-4所示。其说明如下：,（1）网络接口层。网络接口层定义了与某特定介质的物理连接特性，以及用于在该介质上发送和接收的信息帧的格式。,（2）网络层。网络层负责将数据分组从源转发到目的地。,在网络层中与IP协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议ARP （Address Resolution Protocol），逆地址解析协议RARP（Reverse Address Resolution Protocol），因特网控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol），因特网组管理协议IGMP（Internet Group Management Protocol）。,（3）传输层。传输层运行于网络层之上，它由两个协议组成。在源和目的地之间，TCP提供一种面向连接的、可靠的传输服务；而UDP则提供一种无连接的、不可靠的传输服务。TCP和UDP都运行于主机上，能够分别为不同的应用程序提供特a定的服务。 （4）应用层。应用层中各种应用程序都使用了低层TCP/IP的服务。例如，用于终端仿真的Telnet、用于文件传输的文件传输协议（FTP）、用于主页浏览的超文本传输协议（HTTP）及用于电子邮件的简单邮件传输协议（SMTP）等，都是TCP/IP许多著名的应用实例中的一部分。,2.3 IP编址方案,在TCP/IP协议栈中，编址由互联网协议（Internet Protocol，IP）规定。IP标准规定每台主机分配一个32位二进制数作为该主机的互联网协议地址（Internet Protocol Address），常简写为IP地址或互联网地址（这三项在书中作为同义词使用）。在互联网上发送的每个包中含有这种32位的发送方（源）IP地址和想要送达的接收方（目的）IP地址。这样，为了在使用TCP/IP的互联网上发送信息，一台计算机必须知道接收信息的远程计算机的IP地址。综上，互联网地址（IP地址）是一个分配给一台主机，并用于该主机所有通信的惟一的32位二进制数。,2.3.1 IP地址层次,IP地址层次保证了两个重要性质： （1）每台计算机分配一个惟一地址（即一个地址不分配给多台计算机）。 （2）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。 第一个性质得到保证，因为整个地址包括前缀和后缀，它们分配时保证惟一性。如果两台计算机从属于同一个物理网络，,一旦选择了IP地址的长度并决定把地址分为两部分，就必须决定每部分包含多少位。前缀部分需要足够的位数以允许分配惟一的网络号给互联网上的每一个物理网络，后缀部分也需要足够位数以允许从属于一网络的每一台计算机都分配一个惟一的后缀。 由于一个互联网可包括任意的网络技术，所以可能一个互联网由少量大的物理网络构成，而同时另外一个互联网由许多小的网络构成。更重要的是，单个互联网能混合包含大网络和小网络。因此，选择一个能满足大网和小网组合的折衷编址方案。这个方案将IP地址空间划分为3个基本类：每类有不同长度的网络号和主机号。 地址的前四位决定了地址所属的类别并且确定如何将地址的其余部分划分网络号和主机号。图2-5表示了五类地址的前几位用来决定类别和网络号及主机号的划分方法（数字按照TCP/IP协议惯例，以0作为第一位，从左到右计数）。,2.3.2 IP地址分类,图2-5 五类地址示意图,1A类地址 设计IPv4A类地址的目的是支持巨型网络，这种结构使主机地址数很大。 一个A类IP地址仅使用第一个8位位组表示网络地址，剩下的3个8位位组表示主机地址。A类地址的第一个位总为0因此仅有127个可能的A类网络。 A类地址后面的24位表示可能的主机地址，A类网络地址的范围从到。从技术上讲，也是一个A类地址，但是它已被保留作闭环（look back）测试之用而不能分配给其一个网络。 每一个A类地址能支持16777214个不同的主机地址，这个数是由2的24次方再减去2得到的。减2是必要的，因为IP把全0保留为表示网络而全1表示网络内的广播地址。五类地址各数据的比较如表2-1所示。,表2-1 五类地址的各数据比较,2B类地址 设计B类地址的目的是支持中到大型的网络。B类网络地址的范围从到。 一个B类IP地址使用两个8位位组表示网络号，另外两个8位位组表示主机号。B类地址的第1个8位位组的前两位总置为10，剩下的6位既可以是0也可以是1，这样就限制其范围小于等于191，由128+32+16+8+4+2+1得到。最后的16位（2个8位位组）标识可能的主机地址。每一个B类地址能支持64534个惟一的主机地址，这个数由2的16次方减2得到。B类网络仅有16384个。,3C类地址 C类地址用于支持大量的小型网络。C类地址使用三个8位位组表示网络地址，仅用一个8位位组表示主机号。 C类地址的前3位数为110，前两位和为192（128+64），这形成了C类地址空间的下界。C类网络地址范围从至。最后一个8位位组用于主机寻址。每一个C类地址理论上支持最大256个主机地址（0255），但仅有254个可用，因为0和255不是有效的主机地址。可以有2097152个不同的C类网络地址。 注意在IP地址中，0和255是保留的主机地址。IP地址中所有的主机地址为0用于标识局域网，同样，全为1表示在此网段中的广播地址。,4D类地址 D类地址用于IP网络中的组播（multicasting，又称为多目广播）。D类组播地址机制仅有有限的用处。一个组播地址是一个惟一的网络地址，它能指导报文到达预定义的IP地址组。 和其他地址空间一样D类地址空间，有其数学限制，D类地址空间的范围从到54。,5E类地址 E类地址虽被定义但却为IETF所保留作研究之用。因此Internet上没有可用的E类地址。E类地址有效的地址范围从至55，考虑到E类地址作研究之用且仅在IETF内部使用，因此，在这里没有必要作进一步讨论了。,6特殊IP地址 除了给每台计算机分配一个地址外，让地址用于表示整个网络或一组计算机也很方便。IP定义了一套特殊地址格式，称为保留地址（reserved address）。也就是说，特殊地址从不分配给主机。表2-2说明每个特殊地址格式的语法和语义。 表2-2 特殊地址格式的语法和语义,对上表的说明如下。 网络地址：指网络本身而非联到该网络上的主机。 广播地址：在网络前缀后面增加一个所有位全为1的后缀便形成了网络的广 播地址。 回环地址：IP定义一个回环地址（loop back address）用于测试网络应用程序。IP保留A类网络前缀127供回送时使用。,2.4 IP数据报的格式,IP数据报的格式能够说明IP协议都具有什么功能。在TCP/IP的标准中，各种数据格式常常以32bit（即4字节）为单位来描述。图2-6是IP数据报的完整格式。 从图2-6中可看出，一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度的，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。下面介绍首部各字段的意义,1IP数据报首部的固定部分中的各字段 （1）版本。占4bit，指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议的版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为4（即IPv4）。以前的3个版本目前已不使用。,固定部分,（字节）,可变部分,图2-6 IP数据报的格式,（2）首部长度。占4bit，可表示的最大数值是15个单位（一个单位为4字节），因此IP的首部长度的最大值是60字节。,（3）服务类型。占8bit，用来获得更好的服务，其
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