第3章：计算机网络体系结构.ppt

第3章网络体系结构与网络协议 学习要点 协议 层次 接口与网络体系结构的基本概念 网络体系结构的层次化研究方法 OSI参考模型及各层的基本服务功能 TCP IP参考模型的层次划分 各层的基本服务 功能与协议族OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 社会上存在的邮政系统 3 1网络体系结构的基本概念 协议 层次 接口与体系结构的概念 协议 protocol 层次 layer 接口 interface 体系结构 architecture 协议 网络协议是为网络数据交换而制定的规则 约定与标准 网络协议的三要素 语义 语法与时序 语义 是对协议元素的含义所进行的解释 例如 需要发出何种控制信息 完成何种动作以及得到的响应等 语法 是若干个协议元素和数据组合在一起以表达一个完整的内容所应该遵循的格式 也就是对信息的数据结构所做的种种规定 时序 事件实现顺序的详细说明 例如 在双方进行通信时 发送方发出一个数据报文 如果接收方正确收到 则回答接收正确 如果接收方收到错误信息 则要求重发一次 层次 layer 层次是人们对复杂问题处理的基本方法 将总体要实现的很多功能分配在不同层次中 对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定 不同的系统分成相同的层次 不同系统的同等层次之间具有相同的功能 不同系统的最低层之间存在着 物理 通信 不同系统的对等层次之间存在着 虚拟 通信 对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定 高层使用低层提供的服务时 并不需要知道低层服务的具体实现方法 层次 接口 interface 接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点 同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口 低层向高层通过接口提供服务 只要接口条件不变 低层功能不变 低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作 网络体系结构 networkarchitecture 一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集 网络协议是按层次结构来组织的 网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构 网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义 体系结构是抽象的 而实现是指能够运行的一些硬件和软件 计算机网络中采用层次结构的优点 1 各层之间相互独立2 灵活性好3 易于实现与维护4 有利于促进标准化 3 2OSI参考模型 3 2 1OSI参考模型的基本概念在制定计算机网络标准方面 起着很大作用的两大国际组织是 国际电报与电话咨询委员会 CCITT 国际标准化组织 ISO CCITT与ISO的工作领域不同 CCITT主要是考虑通信标准的制定 ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构 在OSI中的 开放 是指只要遵循OSI标准 一个系统就可以与位于世界上任何地方 同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信 3 2 2OSI参考模型的结构 ISO划分七层结构的基本原则 网中各结点都具有相同的层次 不同结点的同等层具有相同的功能 同一结点内相邻层之间通过接口通信 每层可以使用下层提供的服务 并向其上层提供服务 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信 OSI参考模型的结构 3 2 3OSI参考模型各层的功能 物理层的主要功能 利用传输介质为通信的网络结点之间建立 管理和释放物理连接 实现比特流的透明传输 为数据链路层提供数据传输服务 说明电压 线速和线缆等物理层的数据传输单元是比特 数据链路层的主要功能 在物理层提供的服务基础上 数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接 传输以 帧 为单位的数据包 采用差错控制与流量控制方法 使有差错的物理线路变成无差错的数据链路 网络层的主要功能 通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径 为数据在结点之间传输创建逻辑链路 实现拥塞控制 网络互连等功能 传输的数据单元是 分组 传输层的主要功能 向用户提供可靠端到端 end to end 服务 处理数据包错误 数据包次序 以及其他一些关键传输问题 传输的数据单元叫 报文 传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节 是计算机通信体系结构中关键的一层 会话层的主要功能 负责维护两个结点之间的传输链接 以便确保点 点传输不中断 管理数据交换 表示层的主要功能 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式 数据格式变换 数据加密与解密 数据压缩与恢复 应用层的主要功能 为应用程序提供了网络服务 3 2 4OSI环境中的数据传输过程OSI环境 OSIenvironment OSI环境中的数据流 3 3TCP IP参考模型 3 3 1TCP IP参考模型的发展在TCP IP协议研究时 并没有提出参考模型 1974年 定义了最早的TCP IP参考模型 80年代 对TCP IP参考模型进一步的研究 TCP IP协议一共出现了6个版本 后3个版本是版本4 版本5与版本6 目前我们使用的是版本4 一般被称为IPv4 IPv6被称为下一代的IP协议 TCP IP协议的特点 开放的协议标准 独立于特定的计算机硬件与操作系统 独立于特定的网络硬件 可以运行在局域网 广域网 更适用于互连网中 统一的网络地址分配方案 使得整个TCP IP设备在网中都具有唯一的地址 标准化的高层协议 可以提供多种可靠的用户服务 3 3 2TCP IP参考模型各层的功能 应用层 applicationlayer 传输层 transportlayer 互连层 internetlayer 主机 网络层 host to networklayer TCP IP参考模型与OSI参考模型的对应关系 TCP IP参考模型 应用层传输层网络层网络接口层 主机A 主机B 路由器 网络2 网络1 应用层传输层网络层网络接口层 网络层网络接口层 4321 TCP IP四层协议的表示方法举例 主机 网络层 TCP IP参考模型的最低层 负责通过网络发送和接收IP数据报 允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议 例如局域网的Ethernet 令牌网 分组交换网的X 25 帧中继 ATM协议等 当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时 就可以认为是这一层的内容 充分体现出TCP IP协议的兼容性与适应性 它也为TCP IP的成功奠定了基础 互连层 相当OSI参考模型网络层无连接网络服务 处理互连的路由选择 流控与拥塞问题 IP协议是一种无连接的 提供 尽力而为 服务的网络层协议 传输层 主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端 端连接 传输控制协议TCP TransportControlProtocol 是一种可靠的面向连接协议 用户数据报协议UDP UserDatagramProtocol 是一种不可靠的无连接协议 应用层 网络终端协议Telnet文件传输协议FTP简单邮件传输协议SMTP域名系统DNS简单网络管理协议SNMP TCP IP协议栈 TCP IP协议栈 IP地址 Internet的网络地址是指连入Internet网络的计算机的地址编号 所以 在Internet网络中 网络地址是一台计算机唯一的标识 我们知道 Internet是由几千万台计算机互联组成的 而我们要确认网络上的每一台计算机 靠的是能唯一标志该计算机的网络地址 这个地址就叫做IP InternetProtocol的简写 地址 即用Internet协议语言表示的地址 IP地址由网络号与主机号两部分组成 网络号标识一个逻辑网络 主机号标识网络中一台主机 一台Internet主机至少有一个IP地址 而且这个IP地址是全网唯一的 IP地址的分类 IP地址长度为32位 采用x x x x的格式来表示 每个x为8位 例如 202 113 29 119 每个x的值为0 255 这种格式的地址被称为点分十进制地址 根据不同的取值范围 IP地址可以分为五类 IP地址中前5位用于标识IP地址的类别 A类地址的第一位为 0 B类地址的前两位为 10 C类地址的前三位为 110 D类地址的前四位为 1110 E类地址的前五位为 11110 其中 A类 B类与C类地址为基本的IP地址 类是广播地址 类保留给将来使用 默认的网络掩码是根据IP地址中的第一个字段确定的 IP地址的分类 A类地址A类地址的表示范围为 1 0 0 0 126 255 255 255默认网络掩码为 255 0 0 0A类地址分配给规模特别大的网络使用 A类网络用第一组数字表示网络本身的地址 后面三组数字作为连接于网络上的主机的地址 分配给具有大量主机 直接个人用户 而局域网络个数较少的大型网络 例如IBM公司的网络 B类地址B类地址的表示范围为 128 0 0 0 191 255 255 255默认网络掩码为255 255 0 0B类地址分配给一般的中型网络 B类网络用第一 二组数字表示网络的地址 后面两组数字代表网络上的主机地址 C类地址C类地址的表示范围为 192 0 0 0 223 255 255 255默认网络掩码为 255 255 255 0C类地址分配给小型网络 如一般的局域网和校园网 它可连接的主机数量是最少的 采用把所有用户分为若干的网段进行管理 C类网络用前三组数字表示网络的地址 最后一级数字作为网络上的主机地址 A类地址的网络数最少 只有126个 但网络巨大 在每个网络中可以容纳的主机数目是16387064台 C类地址的网络数最多 有2064512个 但网络很小 每个网络只能容纳254台主机 实际上 还存在着D类地址和E类地址 但这两类地址用途比较特殊 D类地址称为广播地址 供特殊协议向选定的节点发送信息时用 E类地址保留给将来使用 各类地址的前部分表示网络号 后部分则表示在该网络中的各个主机号 所有主机号为0 TCP IP协议规定 各位全为 0 的网络号被解释成 本 网络 或者为1的地址保留作为广播地址 所谓广播 指同时向网上所有主机发送报文 用于系统管理员对系统内发布有关信息 当你的计算机被分配了一个IP地址时 你要给它一个子网屏蔽码 子网屏蔽的目的是让TCP IP能够区别网络ID和主机ID 如 一个C类IP地址为202 116 160 117 则表示它的网络ID为202 116 160 主机ID是117 子网屏蔽码为255 255 255 0 由于IP地址的容量限制 加上目前Internet的发展速度 目前正在对IP协议进行修改完善 研制中的第六版IP协议 将扩展IP地址长度到16字节 从而大大增加了IP地址空间 主机标识的有关规定全 1 和全 0 的地址是专用的 不能进行分配 每一台主机都必须有一个非零的主机标识 全 1 的主机标识保留作为该网络的广播地址 全 0 的主机标识用于代表该网络本身 127 0 0 0是保留地址 不能作为网络地址 127 0 0 1称为自返或回送 Loopback 地址 用于回路测试 2 2 4私有网络地址 PrivateNetworkAddress RFC1597 为那些没有连接到Internet或者安装了防火墙的组织 预留了一系列私有网络地址 私有网络地址包括 A类10 0 0 0 10 255 255 255B类172 16 0 0 172 31 255 255C类192 168 0 0 192 168 255 255 RFC INTERNET的工作文件 其主要内容为TCP IP协议标准和相关文档的一系列注释和说明 一般的 32位的IP地址分为两部分 即网络号和主机号 我们分别把他们叫做IP地址的 网间网部分 和 本地部分 子网编址技术将本地部分进一步划分为 物理网络 部分和 主机 部分 如图 网间网部分物理网络主机 网间网部分 本地部分 其中 物理网络 用于标识同一IP网络地址下的不同物理网络 既是 子网 子网掩码与子网分配技术 补充 本地 Nx 子网掩码IP协议标准规定 每一个使用子网的网点都选择一个32位的位模式 若位模式中的某位置1 则对应IP地址中的某位为网络地址 包括网间网部分和物理网络号 中的一位 若位模式中的某位置0 则对应IP地址中的某位为主机地址中的一位 例如位模式 11111111111111111111111100000000中 前三个字节全1 代表对应IP地址中最高的三个字节为网络地址 后一个字节全0 代表对应IP地址中最后的一个字节为主机地址 这种位模式叫做子网模 subnetmask 或 子网掩码 为了使用的方便 常常使用 点分整数表示法 来表示一个IP地址和子网掩码 例如B类地址默认子网掩码为 11111111111111111111111100000000 即 255 255 255 0IP协议关于子网掩码的定义提供一种有趣的灵活性 允许子网掩码中的 0 和 1 位不连续 但是 这样的子网掩码给分配主机地址和理解寻径表都带来一定困难 并且 极少的路由器支持在子网中使用低序或无序的位 因此在实际应用中通常各网点采用连续方式的子网掩码 像255 255 255 64和255 255 255 160等一类的子网掩码不推荐使用 子网掩码与IP地址子网掩码与IP地址结合使用 可以区分出一个网络地址的网络号和主机号 例如 有一个C类地址为 192 9 200 13其缺省的子网掩码为 255 255 255 0则它的网络号和主机号可按如下方法得到 将IP地址192 9 200 13转换为二进制11000000000010011100100000001101 将子网掩码255 255 255 0转换为二进制11111111111111111111111100000000 将两个二进制数逻辑与 AND 运算后得出的结果即为网