第二章-计算机网络的层次化结构PPT课件.ppt

第二章计算机网络的层次化结构 教育部人才培养模式改革和开放教育试点教材 计算机网络 教学课件 中央广播电视大学出版社 临夏电大 教师 马俊清 1 内容简介 本章以计算机网络的层次化结构的概念为牵线 引导出一个体系结构 通过它可以将繁杂的计算机网络的知识穿在一起 使读者可以从中得到一个较为清晰的计算机网络的整体概念 学习本章的内容 请大家尽量自觉的遵循层次化的思想 将大量繁杂的有关计算机网络的知识进行分解 按照在各个层次中的位置及其应有的功能各个 击破 能想象出计算机网络的整体架构来 从而达到能够在自己的头脑中 抽象 出计算机网络的每一层的功能以及层与层之间的关系 还要指出的是 在学习过程中应非常重视结合实验指导书的学习 比较判断实际上的设备和操作与所学知识的直接联系 达到遇到某个软硬件产品 就能够判断出它在计算机网络体系结构中的位置 并根据该设备的结构来判断怎样正确地应用 本章的内容将沿着下列思路来讲述 计算机网络为什么要分层次 网络分层次的原则 网络层次模型的构成 每一层的功能和相关标准 2 学习目标 通过本章的学习 应该做到 熟练掌握开放式系统的概念 网络互连模型的两种主要划分方式 掌握协议概念及一些重要的计算机网络通信协议 熟练掌握协议实体 服务和接口的概念 熟练掌握横向控制流和纵向信息流的概念 掌握面向连接和无连接的概念 掌握网络地址的概念 掌握路由选择 流控制 差错检测和纠正等内容 3 2 1引言 2 1 1网络基本概念简介一 数字信道中速率的概念数字通信的内容是以二进制数的方式发送的 表征发送信息快慢的单位是每秒比特数 每位二进制数所含的信息量是 比特 所以每秒可以传输多少比特数就是信道传输的比特率 二 网络协议的概念计算机网络里的各种应用都是要借助通信信道来传输信息的 但现代使用网络服务的高层应用程序从来不直接和硬件打交道 而是借助通信管理软件来有效地使用通信信道的硬件资源 这种软件就是按照上面所讲的控制规则来写的 这些规则我们称之为协议 Protocol 4 同等层协议 Peerprotocol 计算机网络的各项功能分成层次化结构后 每一层的功能都有明确的定义 在网络上的任意两台计算机之间要进行通信 都是在着两个点的计算机之间按照规定的协议来进行 对话 在 对话 时 只能在同等层的两个协议 实体 之间进行 控制通信的实体模块之间不能跨层交换信息 即 只有在同等层上的协议实体之间才可以相互联络 这就是同等层协议的概念 主 从的概念在网络上的计算机中 凡是可以主动发出通信请求的一方 就称之为主机 而在通信中从来就不能主动发出请求信息 只能被动 聆听 并执行主机发来指令的计算机称之为从机 还有主 主概念 5 网络层间 服务的概念指网络的低层模块向高层模块提供功能性的支持 高层利用低层的服务来开展工作 单工通信和双工通信的概念单工通信 就是通信只在一个方向上发生 例广播电台 机 电视转播等 双工通信 就是在相对的方向上可以同时传输信息 例如电话 会议电视等 半双工通信 这种通信方式可以实现双向通信 但不能在两个方向上同时进行 必须轮流交替的进行 例如步话机通信等 第一层 第二层 第二层 第一层 服务 服务 图 层次和服务的概念 6 2 1 2计算机网络的模型 目前 国际上并列存在着许多个计算机网络的标准 其中最有影响的是国际标准化组织的 国际标准化组织 开放式系统互连 标准和因特网的 传输控制协议 互联网络协议 标准 第四层 第三层 第二层 第一层 第一层 第二层 第三层 第四层 服务 服务 服务 服务 服务 服务 原始比特流 对象 消息 字符集合 图 层次化模型图 7 网络模型四层结构 依次从低到上是链路层 网络层 运输层和应用层 信息在多层模型中的递交过程 层间服务的模型 应用层 运输层 网络层 链路层 链路层 网络层 运输层 应用层 原始比特流 对象 消息 字符集合 图 多层模型中信息的递交过程 信息流 信息流 8 2 1物理层 计算机网络中物理层的任务物理层的任务就是在传送信息时 要解决怎样把从相邻较高一层交下来要向外发送的的信息用适合所选用传输媒体的物理特性的方式传递到媒体上去进行传输 或者反过来 实现从物理传输媒体上把信号取下来转变为适合计算机内部运用的代码 物理传输媒体 光纤 图 光纤实物模型 9 双绞线 以箔屏蔽以减少干扰和串音 3类 5类双绞线外没有任何附加屏蔽 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 10 同轴电缆 11 无线方式 通信卫星 计算机 计算机 计算机 距离d 距离d 12 各种传输介质频带范围比较 13 局域网用传输介质性能比较 14 带宽和时延的概念 带宽 是指在一个物理信道内可以传输频率的范围 个信道的带宽越宽 则在单位时间内能够传输的信息量就越大 在各种传输媒体中 光纤的带宽就很宽 所以光纤的数据传输容量就很大 注意带宽和数据传输速率的概念是不同的 不要理解为一码事 数传率的单位是每秒传输的比特数 bps 它只是与带宽有密切关系 时延 时延的概念很好理解 信号不论是在何种传输媒体中传输 总要经过一定的时间 就拿太阳光来说 从太阳传到地球也要6分多钟 所以就有所谓的时间的延迟的概念 同一种媒体内传输信号的时延值在信道长度固定了以后是不可变的 不可能通过减低时延来增加容量 而惟一可行的方法只能是增加信道的带宽 物理传输信息编码和调制技术 编码和解码的概念编码 把脉冲信号转变成适合物理传输介质传送的一种能量的形式代码 解码 当某种能量的形式的信号到达传输介质另一端时 把这个能量形式的信息转换回数字信号的过程 调制技术介绍调制 模拟信号转换为数字信号 解调 数字信号转换为模拟信号 15 物理接口标准和信道复用技术 本地异步通信接口 信道复用技术时分复用把一个宽的信道分成许多小时间片 让每一个小时间片分别传输一路信号 若干个小时间片组成一组 这个组有一个专业名词叫 帧 这样按时间顺序一帧一帧的传输 就可以周而复始地用来支持多路信号的传输了 频分复用将一个信道内可以传输的带宽按其频谱划分成许多更小的频段 每一个频段用来传递一路信号 用这种方式共享一个较大带宽的信道的技术称为频分复用 波分复用用于光纤带宽的一种技术 它在光纤中以不同的波长为载波来传递多路信号 从而实现共同传输大量信息的频分复用 16 基本传输技术介绍 技术 是同步数据传输系统的英文缩写 技术 是异步传输模式的英文缩写 直接在光纤上传 的技术 接入技术介绍综合业务数字网 高速数字接入设备 同轴电缆带调治解调器 ableModem 局域网 LAN 无线接入 Wireless 17 2 3链路层 计算机网络中链路层的功能实现与相邻节点的无差别通信 链路层的通信协议 面向连接与无连接所谓面向连接的通信是指通信双方在进行通信之前 要事先在双方之间建立起一个完整的沟通通道 这个通道也就是连接 在通信过程中 整个连接的情况一直被实时监控和管理 而无连接的通信 就不需要事先建立一个联络两个节点的连接 通信时 发送节点就可以往网络上发送信息 让信息自主的在网络上传 让该信息的传送尽量往目的节点送 18 面向连接 通信的 连接 在通信之前建立 通信过程中 始终使用这条建立的连接 通信之后拆掉这条 连接 路由器 LAN1 LAN3 路由器 LAN4 路由器 LAN2 路由器 路由器 19 无连接 网络中的信息单元被独立对待 这些信息单元经过一系列的网络和路由器 最终到达目的节点 路由器 LAN1 LAN3 路由器 LAN4 路由器 LAN2 路由器 路由器 信息包1 信息包2 20 物理地址 成帧 纠错和流控制 帧与报文 报文 用户传输的数据 帧 发送端和接收端之间通过链路传送的一个完整的信息组的信息单位 帧 起始标志 接收站标识 控制段 帧校验序列 数据 帧 21 流量控制 窗口机制连续ARQARQWt 1Wr 1回退n步ARQ1Wr 22 通信信道容量的静态和动态分配 链路层的例子 Internet链路层协议 PPP PPP Point to PointProtocol点到点协议 是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议 提供全双工操作 并按照顺序传递数据包 设计PPP的目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据 使其成为各种主机 网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案 23 PPP由3部分协议构成 包括 链路控制协议LCP LinkControlProtocol LCP负责创建 维护或终止一次物理连接 网络控制协议NCP NetworkControlProtocol NCP是一族协议 负责解决物理连接上运行什么网络协议 以及解决上层网络协议发生的问题 认证协议口令验证协议PAP PasswordAuthenticationProtocol 发送用户名和口令 明文传输 挑战握手验证协议CHAP Challenge HandshakeAuthenticationProtocol 发送用户名和口令摘要 通过比对口令摘用进行用户认证 24 PPP帧格式 标志字段 7E 01111110 地址字段 FF 11111111 控制字段 03 00000011 协议字段两个字节协议字段值 0021 PPP帧的信息是IP数据报 C021 信息字段是PPP链路控制数据 8021 表示是网络控制数据 帧校验序列FCS与HDLC的相同 PPP不是面向比特的 因此帧的长度应为整数个字节 固定不变 25 PPP工作过程 26 2 4 1网络层的基本功能实现端节点和端节点之间无误的信息传递 2 4 2网络地址计算机网络中 每一层都具有和对方同等层对话的控制功能 所以从各个层次的角度来说 它们必须有自己能够识别的地址机制 在网络的层次化模型中 只有同一层的模块之间可以相互通信和对话 所以网络层也有自己的地址机制 在网络技术中也就是IP地址 1 整个因特网的统一地址计算机网络的设计完全是用软件在现有的物理网络上实现的 它与硬件完全无关 这就是他的独特之处 在网络层之下的链路层 包括物理接口 的硬件可以是完全不同的物理网络技术的计算机 尽管他们不知道彼此的物理地址 但可以通过IP协议进行通信 2 网络层 27 2 IP地址的格式什么是IP地址IP地址是在网络上分配给每台计算机或网络设备的32位数字标识 在Internet上 每台计算机或网络设备的IP地址是全世界唯一的 在实际应用中 将这32位二进制数分成4段 每段包含8位二进制数 为了便于应用 将每段都转换为十进制数 段与段之间用 号隔开 IP地址采用两级结构 一部分表示主机所属的网络 另一部分代表主机 班级 学号 IP地址的用途确定设备或网络的唯一性为访问网络上的资源提供标识注意 MAC地址 48位 不变 与IP地址的区别 身份证号与居住地 IPCONFIG ALL IP地址与主机的区别 一台计算机可以有多个IP如路由器 28 IP地址的分类 A类地址格式 第一字节的值 1 127间的整数网络部分占一个字节主机部分占三个字节 第一字节取值范围 最小 0000 0000最大 0111 1111 十六进制 7F 十进制 7 16 15 127最多网络数 126每网络中最多主机数 约1600万 29 B类地址格式 第一字节的值 128 191间的整数网络部分占二个字节主机部分占二个字节 第一字节取值范围 最小 1000 0000 80H 十进制 8 16 0 128最大 1011 1111 BFH 十进制 11 16 15 191最多网络数 16000每网络中最多主机数 约65000个 30 C类地址格式 第一字节的值 192 223间的整数网络部分占三个字节主机部分占一个字节 第一字节取值范围 最小 1100 0000 C0H 十进制 12 16 0 192最大 1101 1111 DFH 十进制 13 16 15 223最多网络数 约200万每网络中最多主机数 254个 31 IP地址分类比较 32 3 特殊的IP地址回送地址 A类网络地址127是一个保留地址 用于网络软件测试及本地机进程间通信 称为 回送地址 任何程序一旦使用回送地址发送数据 协议软件立即返回 而不进行任何网络传输 含有网络号127的数据报不可能出现在网络上 4 网络传输的错误报告ICMP InternetControlMessagsProtocol 协议 由于IP本身是一个用来传送包数据的协议 它仅有冗余校验或生存时间超时来发现传送的基本纠错功能 但如果网络上出现错误需要报告 进行更深入的控制层的话 就可以用专门的ICMP协议来完成 ICMP协议可以用来在Internet上发送测试信息 以获得相应的测试结果 可以用来跟踪路由信息 找到最佳的传输路径 33 2 4 3路由问题 在链路层 每两台计算机都是相邻的 也就是说 它们不必经过第三台计算机的中转就可以实现信息交换 网络层的功能定义为从终端点到终端点的通信 所谓终端点是指发送的一方或者接收的一方 中间参与中转的节点都不是终端点 这样在复杂的网络中 就会产生一个从着一终端断点到那一终端断点之间如何走的问题 也就是路由问题 路由有静态路由和动态路由之分 静态路由的特点是开销小 不灵活 动态路由可以自动处理网络内部发生的情况 2 4 4地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP 地址解析协议ARP AddressResolutionProtocol 是在仅知道主机的IP地址时确定其物理地址的一种协议 因IPv4和以太网的广泛应用 其主要用作将IP地址翻译为以太网的MAC地址 但其也能在ATM和FDDIIP网络中使用 ARP具体说来就是将网络层 IP层 也就是相当于OSI的第三层 地址解析为数据连接层 MAC层 也就是相当于OSI的第二层 的MAC地址 34 ARP解析过程 局域网内部 文件服务器 集线器 HostA 集线器 HostB 路由器 路由器 202 207 124 21800 02 3F AE 0F 6D 202 207 124 100 90 4B 0A 8A 83 60 10 124 102 00 4C 4F 4F 50 60 10 124 302 00 4C 3F 4F 80 202 207 124 21600 02 3F BE 3F 6D A 文件服务器A发送ARP请求包 目的IP地址为202 207 124 126 目的MAC地址FF FF FF FF FF FF广播域中所有其它主机将收到ARP报文中A的MAC和A的IP对应关系记入本机ARP缓存 然后对比目的IP地址 如果发现是对自己IP的请求 则发送响应包 在源地址中填上自己的MAC地址 目的地址填上A的MAC地址 35 ARP解析过程 远程网络主机 文件服务器 集线器 HostA 集线器 HostB 路由器 路由器 202 207 124 21800 02 3F AE 0F 6D 202 207 124 100 90 4B 0A 8A 83 60 10 124 102 00 4C 4F 4F 50 60 10 124 302 00 4C 3F 4F 80 202 207 124 21600 02 3F BE 3F 6D A BA准备发送信息给B 发现B和自己不在一个网段上 则将信息发送给本机所配默认网关 如果不知道默认网关的MAC 则采用和本地网络同样的方法 发送ARP请求报文 路由器收到解析请求 则将自己的MAC地址返回主机A 在对端 路由器收到数据报后 同样要根据IP地址查找对应的主机B 36 反向地址解析协议RARP ReverseAddressResolutionProtocol 就是将局域网中某个主机的物理地址转换为IP地址 比如局域网中有一台主机只知道物理地址而不知道IP地址 那么可以通过RARP协议发出征求自身IP地址的广播请求 然后由RARP服务器负责回答 将MAC地址绑定到IP地址 发送数据的源设备 主机或者网络设备 知道自己的MAC地址 可是不知道自己的IP地址 源设备发送RARP请求 目的MAC为全1 源MAC为自己的MAC 网络上的RARP服务器接收到该请求 从映射表中查出该设备的IP地址 然后将该IP写入RARP响应分组返回 37 2 4 5流控制 2 4 拥塞控制 定义 当通信子网中有太多分组时 其性能降低 这种情况称为拥塞 拥塞控制原理开环在通信开始时就设计如何处理网络中的分组 使网络不会发生拥塞闭环当拥塞发生时 根据链路反馈信息 对拥塞进行处理实现 监测通信子网何时何地发生了拥塞将拥塞信息传送到可采取行动的地方调整系统操作更正问题解决拥塞的办法 增加资源 降低载荷 38 防火墙 防火墙 Firewall 是一个系统 或一组系统 它能增强机构内部网络的安全性 防火墙系统决定了哪些内部服务可以被外界访问 外界的哪些人可以访问内部的特定的服务 以及哪些外部资源可以被内部人员访问 要使一个防火墙有效 所有进入和外出的信息都必须经过防火墙 接受防火墙的检查 防火墙必须只允许授权的数据通过 并且防火墙本身也必须能够免于渗透 但不幸的是 防火墙系统一旦被攻击者突破或迂回 就不能提供任何的保护了 防火墙的实现方式包括包过滤路由器和应用层网关 包过滤路由器可以过滤协议 ICMP UDP TCP等 只允许特定的协议通过 应用层网关就是我们常说的代理服务器 它可以提供比路由器更严格的安全策略 我们平时的各种限制就是在应用层实现的 单位内部网络 防火墙 39 网络互连技术 中继器 RPrepeater 是连接网络线路的一种装置 常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作 中继器是最简单的网络互联设备 主要完成物理层的功能 负责在两个节点的物理层上按位传递信息 完成信号的复制 调整和放大功能 以此来延长网络的长度 网桥 GateBridge 网桥 GateBridge 是工作在OSI第二层 数据主连路层 上的 有在不同网段之间再生信号的功能 它可以有效地联接两个局域网 使本地通信限制在本网段内 并转发相应的信号至另一网段 网桥通常用于联接数量不多的 同一类型的网段 3 交换机 Switch 也叫交换式集线器 是一种工作在OSI第二层 数据链路层 上的 基于MAC 网卡的介质访问控制地址 识别 能完成封装转发数据包功能的网络设备 40 4 路由器 Router 路由器是工作在网络层的重要设备 它是用来在网络层上对设备实行相互连接 路由器的任务主要用来实现协议转换和路由选择 5 网关 Gateway 能够进行高层 网络层之上 协议转换的网络连接设备一些常用的路由器在路由功能基础上增加了协议转换功能 可以实现网关的功能网关也可以利用计算机加上网关软件实现Windows网络连接属性中的默认网关实际上是指默认路由 网络设备总结 41 IP互联网的工作机理 文件服务器 集线器 HostA 集线器 HostB 路由器 路由器 应用层 传输层 网络层IP 以太网 应用层 传输层 网络层IP 以太网 42 2 5运输层 运输层的作用运输层就是完成从终端点到另一终端点的可靠的传输服务 利用网络层提供的服务向其用户 一般是应用层的进程 提供有效 可靠且价格合理的服务 从实现网络传输的有效性考虑 公用电信网络一般只会实现从物理层到网络层的功能 网络层之上的层次 由通信的两端 即主机来实现 就象传统邮政通信 信件只送到某个通信单位 而不会打开信 检查信件内容是否出现错误 传输控制协议 用户数据报协议UDPUDP协议的特征不可靠面向非连接不使用确认数据报不排序数据报 43 协议 TCP实现可靠传输的方法使用 窗口 技术实现流量控制通信开始前通过 3次握手 交换以下信息 通信窗口大小的调整范围 发送端发送信息的序号 接收端序号通信过程中使用TCP头中的窗口值调整窗口大小 面向连接 通信前通信两端通过 3次握手 保证通信的两端计算机都已经准备好通信所用的资源 缓冲区端口号等 通信结束后 优雅关闭 出错重发 44 运输层服务从支持应用的角度来说 运输层应该向高层提供如下服务 建立和拆除运输层的连接 对电对点的通信实施控制 实现全双工通信控制并保证传输的可靠性 传输连接的建立 拆除和管理 主机A 主机B 发送连接请求 A初始发送序号 N 接收 A初始发送序号 N 连接请求 发送连接确认 B初始发送序号 M确认A发送序号 N 1 2 接收连接确认 B初始发送序号 M 确认序号 N 发送数据 A发送序号 N确认B序号 M 3 接收数据 接收A序号 N 确认序号 N 连接的可靠建立3次握手机制 45 连接的拆除三次握手 Client Server 发送拆除连接请求 接收到拆除请求 发送拆除连接应答 接收到拆除连接应答 发送拆除连接确认 46 流控制机制运输层也使用窗口机制来实现流控制 TCP协议规定在发送或者接收时 应该把自己所拥有的存储缓冲区的大小发送信息或发送应答信息时捎带过去 以便让对方知道发送和接收信息量的尺度 提高通信效率 如果发送方发送信息的速度低于接收方接收信息的速度 则接收方可以向发送方发送一个值为正数的窗口预告 而如果反过来 发送方发的速度比接收方更快的话 则会导致接收方发回的应答信息内捎带的窗口预告值为0 这时 发送放必须停止发送直到再次收到窗口大于0的预告值时方能重新发送 拥塞控制如果网络在通信时发现丢失报文 则通常的做法是重启重发 然而丢失报文的主要原因是网络出现了拥塞现象 而报文的重发有加剧了网络拥塞的程度 TCP协议设计了一个有效的方法 即一旦发现报文丢失 不是立即重发大块报文信息再次把对方的缓冲区全部放满的做法 而是只发送一个含有一块数据的报文 等到对方发送应答信息传回来 再次发送两快加倍数据量的报文过去 如果对方两个应答都正确返回的话 则再次加倍增加发送量 直至信息发过去充满接收方缓冲区的一半时 不在增加 就持续在这个水平上 直到信息传送完毕 47 2 5 7TCP字段格式 在TCP协议字段中 源端口和目标端口是用来指明发送和接收两个端点的位置 第二行的序号是指发送包的编号 第三行是对于对方发过来信息的应答信息 48 2 6应用层 2 6 1应用层环境 应用层是网络模型的最高层 是用户应用程序与网络的接口 应用进程通过应用层协议为用户提供最终服务 所谓应用进程是指在为用户解决某一类应用问题时在网络环境中相互通信的进程 应用层协议是规定应用进程在通信时所遵循的协议 2 6 2客户 服务器交互环境 客户机 服务器这个名词虽然近年来报刊杂志上经常出现 但对这一术语至今尚无统一的定义 首先 客户机 服务器可以被理解为是一个物理上分布的逻辑整体 它是由客户机 服务器和连接支持部分组成 其中客户机是体系结构的核心部分 是一个面向最终用户的接口设备或应用程序 它是一项服务的消耗者 可向其他设备或应用程序提出请求 然后再向用户显示所得信息 服务器是一项服务的提供者 它包含并管理数据库和通信设备 为客户请求过程提供服务 连接支持是用来连接客户机与服务器的部分 如网络连接 网络协议 应用接口等 49 客户机 服务器具有以下特点 1 可实现资源共享 2 可实现管理科学化和专业化 3 可快速进行信息处理 4 能更好地保护原有的资源 50 2 6 3域名系统 域名系统诞生的原因IP不易理解记忆与61 178 193 115 互联网命名机制要解决的问题全局唯一名字便于管理高效进行映射 最高级域名的规定方法 51 2 6 4电子邮件 电子邮件 E mail 是Internet上使用最为广泛的一种服务之一 欲使用电子邮件的人员可到ISP网站注册申请邮箱 获得电子邮件账号 电子邮件地址 及口令 就可通过专用的邮件处理程序接 发电子邮件了 邮件发送者将邮件发送到邮件接收者的ISP邮件服务器的邮箱中 接收者可在任何时刻主动地通过Internet查看或下载邮件 电子邮件可以在两个用户间交换 也可以向多个用户发送同一封邮件 或将收到的邮件转发给其它用户 电子邮件不仅包含文本信息 还可包含声音 图像 视频 应用程序等各类计算机文件 电子邮件地址格式 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