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第3章计算机网络协议与体系结构 计算机网络技术基础高等教育出版社 普通高等教育 十一五 国家级规划教材 本章学习目标 了解 计算机网络协议了解 网络系统的分层体系结构掌握 ISO的OSI七层参考模型了解 网络的3个著名标准化组织掌握 ARPA的TCP IP四层模型 3 1网络协议 3 1 1协议的本质网络中的计算机之间进行通信时 的语言被称为 协议 只有能够讲 而且可以理解这些 语言 的计算机才能在网络上与其他计算机彼此通信 从这个意义上讲 协议 就是网络的本质 协议定义了网络上的各种计算机和设备之间相互通信 数据管理 数据交换的整套规则 3 1 2协议的中心任务 在计算机网络的一整套规则中 任何一种协议都需要解决语义 语法和定时的问题 1 协议的语法 如何讲 问题2 协议的语义 讲什么 问题3 协议的定时 讲话次序 问题 3 1 3协议的功能和种类 1 协议的功能 1 分割与重组协议的 分割 功能将较大的数据单元分割成较小的数据包 其反过程为 重组 如图3 1所示 图3 1分割与重组 1 协议的功能 2 寻址协议的 寻址 功能使得设备彼此识别 同时可以进行路径选择 如图3 2 图3 2路径选择 1 协议的功能 3 封装与拆装协议的 封装 功能是指在数据单元 数据包 的始端或者末端增加控制信息 其相反的过程是 拆装 如图3 3 图3 3数据封装与拆装 1 协议的功能 4 排序 图3 4排序 1 协议的功能 5 信息流控制协议的流量控制功能是指在信息流过大时 所采取的一系列措施 如图3 5示 图3 5信息流控制 1 协议的功能 6 差错控制 7 同步 8 干路传输 9 连接控制2 协议的分类 1 标准或非标准协议 2 直接或间接协议 3 整体的协议或分层的结构化协议 3 2计算机网络体系结构 3 2 1计算机网络体系结构工作流程计算机网络体系结构的工作流程与图2 6所示的邮政系统的工作流程十分相似 图2 6中 清楚地表明了信件发送和接收的过程 以及怎样利用邮政系统来发送和接收信件 在图2 6所示的邮政系统中 将发信端和收信端从上到下分为A B C D四个层次 3 2计算机网络体系结构 1 发送端 发件人所在地区 在 发信人端 是按照从上至下 即A B C D的顺序进行处理的 在每一层 都是按照本层和下层联系的要求 依次封装成新的邮包 并加入本层特有的标签 之后 再传递到下一层指定的位置 2 接收端 收件人所在地区 在接收端是按照由下至上 即D C B A 的顺序进行处理的 在每一层 都是依次拆封收到的包装 完成本层应当完成的功能 图3 6邮政系统中信件传递工作过程示意图 3 2计算机网络体系结构 这种分层体系结构的最大优点是层与层相互独立 而且每层无须知道其他层次的功能 改变某一层的功能不会影响其他层的工作 3 2 2计算机网络体系结构概述1 层次化体系结构中的几个基本概念 1 协议 protocol 2 层次 layer 3 接口 interface 3 2计算机网络体系结构 4 层次性模型结构一个功能完备的计算机网络系统 采用了层次性结构 每层都会包含一个或多个协议 为此 我们将网络层次性结构模型与各层次协议的集合定义为计算机网络的体系结构 5 实体 Entity 实体通常是通信时能发送和接收信息的具体的软硬件设施 3 2计算机网络体系结构 6 数据单元 DataUnit 在OSI参考模型的不同结点内的对等层传送的是相同名称的数据包 这种网络中传输的数据包 被称为 数据单元 由于每一个层次完成的功能不同 处理的数据单元的大小 名称和内容也就不相同 如 帧 分组 报文等 另外 数据单元不同 地址的类型也不相同 如 物理 MAC 地址 IP地址 端口号等 2 网络体系结构的研究意义与划分原则 各层之间相互独立 结构上独立分割 灵活性好 易于实现和维护 有益于标准化的实现 3 3ISO的七层参考模型 3 3 1OSI七层参考模型的层次划分原则与功能1 OSI参考模型的基本知识国际标准化组织 ISO 颁布的开放系统互连参考模型 OSI RM 即七层网络通信模型 OSI RM体系结构七层模型从上到下依次为应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层和物理层 参见图3 7 图3 7OSI RM网络模型的结构示意图 2 OSI参考模型的层次划分原则 网络中各结点都划分为7个相同的层次结构 不同结点的相同层次都有相同的功能 同一结点内各相邻层次之间通过层间接口 并按照接口协议进行通信 每一层直接使用下面一层提供的服务 间接的使用下面所有层的协议 每一层都向上一层提供服务 不同结点之间按同等层的同层协议的规定 实现对等层之间的通信 网络中还有其他的体系结构的模型的分层数目虽然各不相同 但目的和分层思想都是类似的 3 OSI RM七层模型的各层的功能 1 应用层 Application 功能 为了满足用户的需要 根据进程之间的通信性质 负责完成用户要完成的各种程序或网络服务的接口工作 处理的数据单元 报文 处理的地址 进程标识 端口号 3 OSI RM七层模型的各层的功能 2 表示层 Presentation 功能 处理结点间或通信系统间信息表示方式方面的问题 处理的数据单元 报文 3 会话层 Session 功能 会话层的主要作用是组织 协商 管理两个应用进程之间的会话 会话的含义 就是在不同主机的应用进程之间建立 维持联系 处理的数据单元 报文 3 OSI RM七层模型的各层的功能 4 运输层 Transport 功能 在两个端系统 源站和目的站 的会话层之间 建立一条可靠或不可靠的运输连接 以透明的方式传送报文 处理的数据单元 报文段 处理的地址 进程标识 TCP和UDP端口号 3 OSI RM七层模型的各层的功能 5 网络层 Network 功能 使用逻辑地址 IP地址 进行寻址 通过路由选择算法为数据分组通过通信子网选择最适当的路径 并提供网络互联及拥塞控制功能 处理的数据单元 分组 处理的地址 逻辑地址 如 IP地址 3 OSI RM七层模型的各层的功能 6 数据链路层 DataLink 功能 负责在两个相邻结点间的线路上 无差错地传送以 帧 为单位的数据 处理的数据单元 数据帧 处理的地址 硬件的物理地址 3 OSI RM七层模型的各层的功能 7 物理层 Physical 功能 为 数据链路层 提供一个物理连接 物理层定义了以下4个规章特性 用以确定如何使用物理传输介质来实现两个结点间的物理连接 物理层协议 处理的数据 二进制比特信号 如 二进制的基带信号或模拟信号 处理的地址 直接面向物理端口的各个管脚 如RS 232的管脚 4 OSI参考模型的各个部分 1 OSI模型在功能上分为3个部分 2 OSI模型从控制上分为2个部分 第1 2 3层 即物理层 数据链路层和网络层属于通信子网 负责处理数据的传输 转发 交换等通信方面的问题 第4 5 6 7层 即传输层 会话层 表示层和应用层属于资源子网 负责数据的处理 网络服务 网络资源的访问和服务方面的问题 3 3 2OSI参考模型结点间的数据流 在OSI环境中 主机与主机之间通信时 实际的数据流是如何传递的呢 1 OSI参考模型主机结点间通信的数据流不同的主机之间在没有中间结点设备时 主机之间数据通信的数据流动参见图3 8 图3 8OSI环境中主机结点之间传输的数据流 3 3 2OSI参考模型结点间的数据流 1 发送结点在发送方结点内的上层和下层之间传输数据时 每经过一层都对数据附加一个信息头部 即 封装 而该层的功能正是通过这个 控制头 附加的各种控制信息 来实现的 2 接收结点在接收方结点内 这七层的功能又依次发挥作用 并将各自的 控制头 去掉 即 拆封 同时完成各层相应的功能 不同的主机之间在有中间结点 网络互联设备 时 主机之间进行数据通信的实际传输的数据流动参见图3 9 图3 9OSI环境中含有中间结点的主机系统间传输的数据流 3 4TCP IP参考模型 3 4 1TCP IP参考模型概述1 模型的名称与制定者 1 TCP IP的名称中文名称是 传输控制协议 互连网络协议 TCP IP模型是一个协议集 2 制定者ARPA的英文全称是 AdvancedResearchProjectsAgency 其中文名称是 美国国防部高级研究计划局 2 TCP IP四层参考模型 参见表3 1和表3 2 表3 2OSI与TCP IP标准比较 3 4 2TCP IP协议簇 TCP IP四层参考模型 虽然不是ISO的标准 是Internet上使用的主要标准 因而成为一种 实际上的工业标准 1 网络接口层TCP IP的最低层是网络接口层 该层可以直接兼容常用的局域网和广域网协议 2 网际层 Internet 3 4 2TCP IP协议簇 网际层又被称为互联层 互联网络层或网间网络层 主要负责相邻结点之间 数据分组的逻辑 IP 地址寻址与路由 IP InternetProtocol 网际协议 为IP数据包进行寻址和路由 ICMP InternetControlMessageProtocol 网际控制报文协议 用于处理路由 协助IP层实现报文传送的控制机制 并为IP协议提供差错报告 3 4 2TCP IP协议簇 ARP AddressResolutionProtocol 地址解析协议 用于完成主机的IP Internet 地址向物理地址的转换 RARP ReverseAddressResolutionProtocol 逆向地址解析协议 用来完成主机的物理地址到IP地址的转换或映射功能 3 传输层 Transport 传输层又称运输层 提供端到端的可靠或不可靠的通信服务 端到端的通信服务通常是指网络结点间应用程序之间的连接服务 TCP TransmissionControlProtocol 传输控制协议 是一种面向连接的 高可靠性的 提供流量与拥塞控制的传输层协议 UDP UserDatagramProtocol 用户数据报协议 是一种面向无连接的 不可靠的 没有流量控制的传输层层协议 3 传输层 Transport TCP或UDP端口号 port 定义 不同的进程用进程号或进程标识惟一地标识出来 进程标识符就是 端口号 又被称为 进程地址 端口号的表示 端口号的长度定义为16位二进制 其值可以是0 65535之间的任意十进制整数 全局端口号 又称 默认端口号 或 公认端口号 每个客户进程都知道相应服务器的全局端口号 默认端口号的值定义在0 1023范围内 端口号与传输层协议的关联 TCP和UDP有各自独立的端口号 如表3 3和表3 4所示 表3 3TCP端口号与服务进程 端口号服务进程说明20FTP文件传输协议 数据连接 21FTP文件传输协议 控制连接 23Telnet远程登录或仿真 虚拟 终端协议25SMTP简单邮件传输协议53DNS域名服务80HTTP超文本传输协议110POP邮局协议111RPC远程过程调用 表3 4UDP端口号与服务进程 端口号服务进程说明53DNS域名服务67BOOTP引导程序协议又称自举协议67DHCP动态主机配置协议69TFTP简单文件传输协议111RPC远程过程调用123NTP网络时间协议161SNMP简单网络管理协议 套接字 Socket 套接字 Socket 套接字中的IP地址组件可以协助标识和定位目标计算机 而其中的端口则决定数据所要送达的具体应用程序 定义 套接字 即Socket地址 又称 套接字 或 插口 它是应用子程序连接的标识 也是传输层的一种地址 组成 套接字由IP地址 32位 和端口号 16位 总共48位二进制组成 应用 有了编程套接字的信息 网络通信的编程才能实现 4 应用层 Application TCP IP模型的应用层与OSI模型的上3层相对应 应用层常用的协议有下几类 1 依赖于TCP协议的应用层协议 2 依赖于无连接UDP协议的应用层协议 3 非标准化协议非标准化协议属于用户自己开发的专用应用程序 它们建立在TCP IP协议簇基础上 3 5TCP IP协议的基本参数 3 5 1IPV4编址技术在TCP IP网络中 每个节点 计算机或设备 都有一个惟一的IP地址 根据其IP地址 可以找到这台计算机所在网络的编号 以及该计算机在该网络上的主机编号 1 IP地址的表示每个IP地址由32位二进制位组成 IP地址分为4个部分 每部分的8位二进制使用十进制数字表示 使用点分十进制的方式表示 如 128 64 32 8 3 5TCP IP协议的基本参数 2 IP地址的结构每个IP地址由两部分组成 其两层地址结构如图3 10所示 图3 10TCP IP网络中IP地址的结构 2 IP地址的结构 1 网络地址网络地址用于辨认网络 又被称为 网络编号 网络ID或网络标识 2 主机地址主机地址用于辨认同一网络中的主机 也被称为主机ID 主机编号或主机标识 3 IP地址的划分 Internet委员会定义了5种标准的IP地址类型 格式参见图3 11 1 A类地址 一般分配给大规模的网络 2 B类地址 一般分配给中等规模的网络 3 C类地址 一般分配给小规模的网络 4 D类地址 用于多播 所谓的多播就是把数据同时发送给一组主机 5 E类地址 是为将来预留的 也可以作为实验地址 图3 11IP地址的分类结构 4 特殊IP地址及其使用 1 本网地址将IP地址中主机地址位的各位全为 0 的IP地址叫做 本网地址 也被称为 0 地址 2 直接广播地址 DirectedBrordcasting 将主机号各位全为 1 的IP地址称为直接广播地址 该地址主要用于广播 4 特殊IP地址及其使用 3 有限广播地址 LimitingBrordcasting TCP IP协议规定 32比特位全为 1 的IP地址 255 255 255 255 为 有限广播地址 这个地址主要用来进行本网广播 当需要在本网内广播 又不知道本网的网络号时 即可使用 有限广播地址 4 回送地址IP地址中以127开始的IP地址作为保留地址 被称为 回送地址 3 5 2IP地址的使用 1 IP地址中网络地址的使用规则 网络地址必须惟一 网络地址的各位不能全为 0 网络地址字段的各位不能全为 1 网络地址不能以127开头 IP地址的32位不等全为 1 2 IP地址中主机地址的使用规则 在网络地址相同时 主机地址 编号 必须惟一 主机编号的各位不能全为0 主机编号的各位不能全为 1 3 私有地址和公有地址 允许在Internet中使用的IP地址为公有地址 仅在局域网中使用的IP地址为私有地址 InterNIC在IP地址中专门保留了以下三个区域作为私有地址 10 0 0 0 8 10 0 0 0 10 255 255 255 8表示32位二进制中的前8位是网络地址 172 16 0 0 12 172 16 0 0 172 31 255 255 12表示32位中的前12位是网络地址 192 168 0 0 16 192 168 0 192 168 255 255 16表示32位中的前16位是网络地址 4 IP地址的分配和使用的基本原则 同一个网络内的所有主机应当分配相同的网络地址 而同一个网络内的所有主机必须分配不同的主机编号 不同网络内的主机必须分配不相同的网络地址 但是可以分配相同的主机编号 例如 不同网络132 112 0 0和152 112 0 0中的A主机和X主机 在私有网络中 仅使用IP地址是无法区分网络地址和主机编号的 因此 IP地址必须结合子网掩码一起使用 3 5 3TCP IP协议的基本参数 在配置TCP IP协议时 一共有3个重要参数 即IP地址 子网掩码和默认网关 1 子网掩码 subnetmasks 1 什么是子网掩码 2 默认子网掩码的类型表3 5列出了各类网络默认的子网掩码 3 子网掩码的两个功能 区分IP地址的网络编号与主机编号 用于划分子网 2 默认网关或IP路由 defaultgateway或IProuter 默认网关 又称IP路由 简单地说 默认网关就是通向远程网络的接口 默认网关负责对非本网段的数据包进行处理 并转发到目的网络上 在配置TCP IP时若没有指明默认网关 则通信仅局限于本地网络 当TCP IP主机在不同网络 包含子网段 之间通信时 至少应当配置IP地址 子网掩码和默认网关3个参数 3 5 4划分子网 1 子网和超网子网的类型有IP子网 超网和VLAN子网等 1 IP子网 subnet 子网技术就是将一个大网络划分成几个较小网络的技术 子网是多网络环境中的一个网络 将网络分解成多个子网时 要求各子网使用不同的子网编号 3 5 4划分子网 2 超网 supernet 由于Internet迅猛发展 因特网中的主机数目剧增 IPv4中的地址已消耗殆尽 为了解决这个问题 Internet信息管理中心设计了 超网 的管理方法 超网就是将一个单位所属的多个同类型的网络地址 大多是C类地址 合并为一个更大地址范围的逻辑网络 这样既可以满足用户的需求 又避免了IP地址的浪费 2 划分IP子网的原因 1 充分利用现有的IP地址资源 2 减轻网络的拥挤 提高网络的性能 3 提高网络层设备的工作效率 4 提高安全性和可管理性 5 利于混合不同的物理