第4章4.3 因特网组成

4 3因特网的组成 4 3 1网络分层结构与TCP IP协议4 3 2IP协议与路由器4 3 3因特网的发展及其结构4 3 4因特网的接入 4 3 1网络分层结构与TCP IP协议 1 网络的分层结构 2 TCP IP协议 栈 网络协议 网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则 标准或约定的集合 是网络上所有设备 网络服务器 计算机及交换机 路由器 防火墙等 之间通信规则的集合 它规定了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义 大多数网络都采用分层的体系结构 每一层都建立在它的下层之上 向它的上一层提供一定的服务 而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽 一台设备上的第n层与另一台设备上的第n层进行通信的规则就是第n层协议 在网络的各层中存在着许多协议 接收方和发送方同层的协议必须一致 否则一方将无法识别另一方发出的信息 网络协议使网络上各种设备能够相互交换信息 一个网络协议至少包括三要素 语法用来规定信息格式 数据及控制信息的格式 编码及信号电平等 语义用来说明通信双方应当怎么做 用于协调与差错处理的控制信息 同步规定通信事件发生的顺序并详细说明 1 网络的分层结构 文件处理模块 主机甲 主机乙 文件处理模块 通信服务模块 通信服务模块 网络接入模块 网络接入模块 物理通信网络 网络接口 网络接口 计算机网络为什么要划分层次 例 主机甲通过网络向主机乙传送一个文件 甲乙双方均划分为三层 其分工为 从指定位置处读出文件 然后交给下层模块进行发送 把文件保存到指定的文件夹中 将文件分成一个个包 交给下层模块传输 将一个个包组装成文件 负责完成与具体物理网络的接口 将数据包转换成帧 按帧在物理网上传输 从物理网上接收帧 将数据帧转换成数据包 计算机网络分层的好处 优点 各层之间是独立的灵活性好结构上可分割开易于实现和维护能促进标准化工作划分为多少层 若层数太少 就会使每一层太复杂 若层数太多 描述和综合各层功能时太繁琐 2 TCP IP协议 栈 计算机网络的分层结构中 不同计算机的同一层必须共同遵循相同的规则和约定 才能正确地进行数据通信 这些规则和约定就是网络协议现在的大多数局域网和因特网 采用的是发源于美国国防部的TCP IP协议系列 什么是TCP IP协议 TCP IP是网络互连的工业标准 它包含了100多个协议 其中 TCP 传输控制协议 和IP 网际协议 是两个最基本 最重要的协议 负责把数据封装为TCP或UDP数据报 在两个应用程序之间传送数据 负责把数据封装为IP数据报 并负责把IP数据报从发送方计算机通过物理网络传送到接受方计算机 负责将IP数据报封装成能在物理网络 局域网 广域网 中传输的帧 并进行传输 应用程序与应用程序之间通信时使用的协议 例 浏览网页时使用的TCP IP协议 浏览器使用HTTP协议向Web服务器请求网页 网页所对应的HTML文档拆分并封装为若干个TCP数据报 由Web服务器一个一个地进行发送 负责把每个TCP报封装为IP数据报 在路由器之间进行传送 直到目的计算机所在局域网连接的路由器为止 路由器负责将IP数据报封装成以太网帧 在局域网中传输给浏览器 4 3 2IP协议和路由器 TCP IP协议定义了主机 host 这一概念 是指任何按照TCP IP协议连接到网络上的计算设备 在网络中它们都运行TCP IP协议软件 为了屏蔽不同物理网络中计算机地址的差异 IP协议必须为全网所有计算机统一分配地址 简称IP地址 现在用的IP协议为第4版 简称IPV4 因特网上的计算机如何统一编址 因特网上的每台计算机使用 IP地址 作为其标识IP地址的特点 惟一性 网络上每台计算机都有一个惟一的IP地址简明性 所有地址的长度都是32个二进位IP地址的格式 包含网络号和主机号2个部分网络号 指明主机所在网络的编号 主要是划分网络 也用作路由寻址 主机号 指主机在网络中的编号 5类IP地址的具体格式 0123431 1 1 1 10 备用 E类 两个特殊的IP地址 主机号为 全0 的IP地址 称为网络地址 用来表示整个一个网络主机号为 全1 的IP地址 称为直接广播地址 指整个网络中的所有主机 10000000000010110000001100011111 机器中存放的IP地址是32bit二进制代码 每隔8bit插入一个空格能够提高可读性 10000000000010110000001100011111 12811331 将每8bit的二进制数转换为十进制数 128 11 3 31 采用点分十进制记法则进一步提高可读性 IP地址的 点分十进制 表示 IP地址是一个32位的地址码 书写和记忆很不方便 点分十进制 表示 用4个十进制数来表示一个IP地址 每个十进制数对应IP地址中的8位 1个字节 相互间用小数点 隔开 例如 IP地址的 点分十进制 表示 点分十进制表示二进制表示IP地址类型 网络类型 网络号和IP地址举例 选讲 什么是子网 考虑 小型网络越来越多 只有几十台主机 有的甚至只有2 3台计算机 如果这些小网络也占用一个网络号 地址空间浪费太大 为此引入了 子网 的概念子网 把标准IP地址中的主机号划分成 子网号 和 主机号 两部分 也就是把一个大网划分成若干小一些的 子网 例如 对于C类地址中的8位主机号 划出2位作为子网号 那么2个子网的每一个均可容纳62台主机划出3位作为子网号 那么6个子网中每个可容纳的主机减少为30台 注 全0和全1通常不能作为子网号 关于子网掩码 子网掩码 一个32位的代码 其中与IP地址中网络号 子网号对应位置处的二进位是 1 与主机号对应位置处的二进位是 0 三类IP地址的默认子网掩码 A类地址 255 0 0 0B类地址 255 255 0 0C类地址 255 255 255 0子网掩码的用途 从IP地址中分离出网络号和子网号方法 使用子网掩码与IP地址进行逻辑乘 IP地址的重要特点 IP地址是一种分等级的地址结构 分两个等级的好处是 IP地址管理机构在只分配网络号 方便了IP地址的管理 路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组 可使路由表中的项目数大幅度减少 减小了所占的存储空间 IP地址与硬件地址 TCP报文 首部应用层数据 首部数据部分 首部数据部分尾部 IP数据报 MAC帧 IP地址 硬件地址 网络层及以上使用IP地址 链路层及以下使用硬件地址 IP数据报的格式 相互连接的异构网络 它们使用的数据包 或帧 格式互不兼容 因此不能直接将一个网络送来的包传送给另一个网络解决方法 IP协议定义了一种独立于各种物理网的统一的数据包格式 称为IP数据报 IPdatagram IPv4数据报格式 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 应用进程把需要传送的文件交给应用层 文件数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 应用层把文件数据加上应用层首部 成为应用层PDU 交给传输层 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 传输层加上首部 成为传输层报文 TCP报文或UDP报文 交给网络层 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 网络层加上首部成为IP数据报 IP分组 然后交给数据链路层 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 链路层再加上链路层的首部 成为数据链路层的帧 交给物理层进行传送 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 物理传输媒体 主机甲 AP2 AP1 电信号 或光信号 在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层 主机乙 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 物理层接收到比特流 上交给数据链路层 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 数据链路层剥去帧的首部 取出数据部分 上交给网络层 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 网络层剥去首部 取出数据部分上交给传输层 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 传输层剥去首部 取出数据部分上交给应用层 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 应用层剥去首部 取出文件数据上交给应用进程 文件数据 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机甲 AP2 AP1 主机乙 我收到了AP1发来的文件 选讲 采用TCP IP协议时主机甲向主机乙传送文件的过程 网络互连与路由器 异构网络的互连问题 为了把不同类型的网络互连成一个统一的网络 必须解决 所有计算机应统一编址传输的数据包格式应该统一 解决方案 统一采用TCP IP协议 使用的网络互连设备 路由器 路由器的功能 在两个物理网络之间转发IP数据报 主机A 主机B 若B与A在同一个网络中 IP数据报就直接经网络1交给B而不需要经过路由器若B与A不在同一网络中 则主机A应将IP数据报发送给所在网络中的路由器 由路由器按转发表将IP数据报进行转发 路由器的作用与连接 路由器是一种能够连接异构网络的分组交换机 其作用是 按照路由表在网络之间转发数据包根据需要对数据包的格式进行转换路由器的IP地址设置 当路由器某端口连接一个物理网络时 该端口应分配IP地址该IP地址的网络号 必须与所连接物理网络的网络号相同例 路由器的工作过程 工作过程 发送端计算机将数据封装成IP数据报的形式 发送给路由器路由器接收到IP数据报之后 根据IP数据报中目的地主机的IP地址 查找路由表 选择转发路径根据下个网络所使用的协议 将IP数据报封装成相应的数据包 帧 格式 送入缓冲器中排队在数据链路空闲时将数据包转发到另一网络若目的地计算机就在该网络上 则送达计算机 否则再传送给下一个路由器进行处理例 主机A 主机B 路由表实例 R1 R2 10 0 0 4 R3 网110 0 0 0 网220 0 0 0 网330 0 0 0 网440 0 0 0 20 0 0 7 20 0 0 9 30 0 0 2 30 0 0 1 40 0 0 4 分组转发算法 4 3 3因特网的发展及结构 因特网的发展过程 因特网 互联网 是将遍布世界各地的计算机网络互连而成的一个超级计算机网络因特网发展的3个阶段 第1阶段 起源于1969年的美国国防部ARPANET网 4个大学互连 1983年确定TCP IP协议作为ARPANET的标准协议第2阶段 20世纪90年代起 美国政府机构和公司的计算机也纷纷入网 建成了由主干网 地区网和校园网 或企业网 三级结构组成的因特网第3阶段 迅速扩大到全球约100多个国家和地区 逐渐形成了多层次ISP结构的因特网 出现了因特网服务提供商ISP TimBerners Lee 基于ISP的多层结构的因特网 因特网的2大组成部分 边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成 这部分是用户直接使用的 用来进行通信和资源共享 核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成 他们是为边缘部分服务的 提供连通性和交换 因特网服务提供商ISP ISP 拥有自己的通信线路拥有从因特网管理机构申请得到的许多IP地址用户计算机若要接入因特网 必须获得ISP分配的IP地址 对于单位用户 ISP通常分配一批地址 如一个或若干个C类网络号 单位的网络中心再对网络中的每一台主机指定其子网号和主机号 使每台计算机都有固定的IP地址对于家庭用户 ISP一般不分配固定的IP地址 而采用动态分配的方法 即上网时由ISP的DHCP服务器临时分配一个IP地址 下网时立即收回给其他用户使用 Internet用户数目的增长 Source 联合国 2009年因特网的用户数目已超过18亿 连接了数百万个网络 4亿多台计算机 因特网主机的IP地址及其域名 因特网采用TCP IP协议由大量网络和计算机互连而成 网络中的每一台主机都有一个IP地址IP地址用4个十进制数字来表示 不便记忆和使用因特网采用域名 domainname 作为IP地址的文字表示 易用易记 例如 南京大学的WWW服务器的IP地址是 202 119 32 7它对应的域名是 用户可以按IP地址访问主机 也可按域名访问主机主机IP地址与域名的关系 一个IP地址可对应多个域名 一个域名只能对应一个IP地址主机从一个物理网络移到另一个网络时 其IP地址必须更换 但可以保留原来的域名 因特网域名的结构 域名的格式 5级域名 4级域名 3级域名 2级域名 顶级域名举例 中国南京大学校园网www服务器的域名为 主机名 网络名 机构名 国家名美国哈佛大学校园网www服务器的域名为 www harvard edu主机名 网络名 机构名 因特网域名命名规则 只许使用字母 数字和连字符 以字母或数字开头并结尾 域名总长度不超过255个字符顶级域名规定 国际顶级域名 int 国际组织 国家顶级域名 例 cn 中国 uk 英国 通用顶级域名 com 营利性组织 net 网络服务机构 美国专用 org edu gov mil等我国对二级域名的规定 机构类别域名 ac科研机构 com企业 net网络服务机构 org非营利性组织 edu教育机构 gov政府部门行政区域域名 例 bj北京 sh上海 js江苏 因特网的域名空间 为避免域名重复 因特网的域名空间划分为许多不同的域 每个域又分若干子域 从而构成因特网的域名空间 域名系统与域名服务器 域名系统 DomainNameSystem DNS 将主机域名翻译为主机IP地址的软件 它是一个分布式数据库系统 域名服务器 DomainNameServer DNS 运行域名系统软件的一台服务器每个因特网服务提供商 ISP 或校园网都有一个域名服务器 它用于实现入网主机域名与IP地址的转换为实现域名的查找 需要在本地网域名服务器与上级网的域名服务器之间建立链接 4 3 4因特网的接入 城域网在因特网接入中起重要作用 什么是城域网 以高速光纤传输网为平台 与国家主干网连接 提供宽带IP出口采用多种宽带和窄带接入技术 构成不同的接入网 实现因特网接入服务 满足人们访问因特网的需求汇聚点 POP 汇接接入网的流量 进行数据的转发与交换 接入网的作用 使用各种不同接入技术 解决 最后一公里 问题 电话拨号接入 ADSL接入 有线电视接入 光纤接入 无线接入 接入技术1 电话拨号接入 通过本地公用电话网接入计算机网络设备 电话MODEM 调制解调器 技术原理 数字调制最高传输速率 56Kbps 把计算机送出的数字信号调制成为适合于在用户线上传输的音频模拟信号 把从电话线接收到载波信号恢复成数字信号送给计算机 缺点 传输速率低每次都要拨号上网时不能通电话费用不便宜 接入技术2 ADSL 不对称数字用户线 ADSL 也通过本地公用电话网接入计算机网络配置 ADSLModem以太网网卡原理 频分多路复用 数字调制传输速率 上传 64kbps 256kbps下行速度 1 8Mbps 1 上网和通话互不影响 2 不需要缴付额外的电话费 3 传输速率可根据线路情况调整 接入技术3 有线电视网接入 有线电视已经广泛采用光纤同轴电缆混合网 HybridFiberCoaxial 简称HFC 进行信息传输 HFC主干线部分采用光纤连接到小区 然后在 最后1公里 时使用同轴电缆以树枝型总