网络互联概念体系结构与协议

1、第一讲 网络互联概念、体系结构与协议1.网络互联的动机社会的进步和科技的发展，使得人们对信息的共享在广度与深度两个方面都提出了更高的要求，这就是网络互联的主要动机，但是，许多网络都是独立的实体，仅为某个集团服务。更重要的是，没有一个网络能满足所有的用途，因此，在单一的硬件技术基础上不可能建立一种通用网络。为了实现各种网络的互联，国际标准化组织（ISO）制定了开放系统互联（Open System Interconnectin，OSI）参考模型。所谓开放，就是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的同样遵循这一标准的其他任何系统进行通信。OSI模型提供了一个讨论不同网络协议的参考

2、点。尽管OSI的体系结构从理论上讲是比较完整的，其各层协议也考虑得很周到，但实际上，完全符合OSI各层协议的商用产品却极少进入市场，远远不能满足各种用户的需要。而使用TCPIP协议的产品却大量涌入市场，几乎所有的工作站都配有TCPIP协议，这就使得TCPIP成为计算机网络的事实上的国际标准。2.OSI参考模型OSI参考模型采用了如图1所示的七个层次的体系结构。各层的主要任务为： a.物理层：在通信信道上传输比特流；b.数据链路层：为网络层提供无差错的数据传输；c.网络层：控制子网的操作；d.运输层：提供端点间可靠、透明的数据传送，提供端到端的差错控制和流控制；e.会话层：提供不同主机间通信的应

3、用进程之间的建立，组织和协调；f.表示层：解决用户信息的语法表示问题；g.应用层：包含了一系列经常需要的协议。3.TCPIP参考模型TCPIP参考模型见图2，其中，主机网络层指出应用哪些协议可以传输IP分组；网络互联层的主要任务是使主机发送传输分组数据到网络并独立地传送到目的地；运输层的任务是提供源和目的主机对等实体间的会话；应用层包含所有的高层协议。第二讲 物理网络协议1.物理层物理层主要考虑的是怎样才能在开放系统的传输媒介上传输各种数据的比特流。它的作用是屏蔽不同传输媒介及不同通信手段之间的差异，使数据链路层感觉不到这些差异，而只需考虑如何完成本层的协议和服务，不必考虑网络具体的传输媒介是

4、什么。传输媒介的物理特性有以下四个方面：a，机械特性：说明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列，固定和锁定装置等；b.电气特性：说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么范围；c.功能特性：说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义；d.规程特性：说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。物理层的主要功能是信号的调制解调、前缀的生成与去除（以供同步）、比特流的传输与接收。2.数据链路层帧是在数据链路层上发送方与接收方根据双方的协议按序排列的比特流，帧同步是指接收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么时刻。帧按不同网络体系结构创建（如Ethernet、ARCNET、T

5、oken Ring）。每种网络结构有其独特的帧类型。帧寻址用介质访问控制（MAC）地址来定义，MAC地址一般由制造商编程到网络接口设备中，用户不能改变。数据链路层的主要功能是提供一个或多个服务访问点（SAP）；传输时，将数据组成帧并加上地址和错误识别域；接收时，将数据拆包并实现地址识别和错误识别；管理传输媒介访问。第三讲 Internet层物理层和数据链路层并不属于TCPIP协议，它们仅实现了同一物理网络内的帧传输。为了实现网络互联，必须用路由器把彼此独立的网络互联起来。路由器应能在不改变所连接的子网的网络结构前提下提供网络间的链路，为连到不同网络的端系统的进程提供路由和数据递交功能。 TCP

6、IP协议实现了网络间的互联，它由一组协议簇组成，其中最主要的协议是网际协议（IP）和传输控制协议（TCP）。为了在互联网上投递IP数据报，首先要解决互联网上的寻址问题。各种网络之间的寻址方式往往是不相同的。在同一网络内物理地址与接口硬件有关，当把接口移到新机器上或替换失效的硬件接口将改变机器的物理地址。两个需要通信的双方无法依赖不兼容的随时可能改变的物理地址来通信。为此，TCPIP协议采用了IP地址方案。1.IP地址TCPIP使用32位的二进制数作为通用的机器标识符，称为IP地址（Internet Protocol Address）。32位IP地址被分成前缀（Prefix）与后缀（Suffix

7、）两个部分。前缀表示该计算机所接入的物理网络，后缀表示该物理网络上的某特定主机。为了满足不同规模的物理网络对地址的需求，将IP地址分成五类（见图3）。其中A类、B类和C类用作主机地址（Host Addresses），称为主要类别（Primary Classes），根据网络规模分给相应类别的IP地址；D类是多播地址（Multicast Address）；E类保留为今后使用。为了易于理解，IP地址的表示采用点分十进制表示法（Dotted Decimal Notation），即每8位二进制数值用十进制数表示，且每个量之间用一个点分开。为了保证所分配的IP地址在Internet中的唯一性，Intern

8、et编号分配管理机构IANA（Internet Assigned Number Authority）对所分配的编码有最终控制权。当一个组织加入Internet时，可以从Internet网络信息中心INTERNIC（INTERnet Network Information Center）那里获得网络地址。IP地址是指向网络连接的。因此，多地址主机（Multi Homed Host）和路由器的每一个连结有一个地址。除了指向连接的地址外，IP还有如下特殊地址：a.网络地址（Network Address）：IP把主机号的所有位都为“0”的地址保留给网络本身；b.定向广播地址（Directed Bro

9、adcast Address）：IP把主机的所有位都为“1”的地址指定为定向广播地址；c.有限广播地址（Limited Broadcast Address）：由32个“1”组成，它只向本地网络广播；d.本主机地址（This Computer Address）：由32个“0”组成，仅在系统启动时允许使用，并且永远都不是有效目的地址；e.回送地址（Loopback）：用于检测网络应用软件，允许在一台计算机上进行通信试验，它永远不能在一个网络上出现。2.捆绑协议地址IP地址的分配是独立于机器的物理硬件地址的，为了在物理网络上传送分组给下一跳（可以是目的地或另一个路由器），下一跳的IP地址必须转换成它

10、所对应的物理地址，并用这个物理地址传送该帧。由IP地址确定其对应的硬件地址的过程叫地址解析（Address Resolution），地址解析算法可以分成以下三种基本类型。a.表查询（Table Lookup）：将协议地址与其对应的物理地址进行捆绑存入内存的一个表中，当需要进行地址解析时，由软件在表中进行查找。b.紧密关联形式计算（Closed-Form Computation）：分配给计算机的协议地址是根据其物理地址经过仔细挑选的，使得计算机的物理地址可以由它的协议地址经过基本的逻辑和算术运算计算出来。c.信息交换（Message Exchange）：位于同一物理网络的计算机通过交换信息进行地

11、址解析。TCPIP协议包含了地址解析协议（ARP）。ARP标准定义了两种基本信息类型：请求与响应。当一台主机要求转换一个IP地址时，它广播一个含有该IP地址的ARP请求，如果该请求与一台机器的IP地址匹配，则该机器发出一个含有所需物理地址的应答。应答是直接发给广播该请求的机器的。在使用ARP的计算机上都保留了一个高速缓存，用于存放最近获得的IP地址到物理地址的绑定，在发送分组时，计算机先到缓存中寻找所需的绑定，如没有，则发出一个ARP请求。接收方在处理ARP分组之前，先更新它们缓存中发送方的IP地址到物理地址的绑定信息，再进行响应或抛弃。3.IP数据报与数据传输在TCPIP互联网上传输的一个分

12、组叫IP数据报（Datagram），每个数据报包含一个头部和位于其后的数据（见图4）。在数据报头部的源和目的地址都采用IP地址。位于数据报传输路径上的每一个路由器从数据报头部提取目的地址，由目的地址在路由器的路由表中查找发往目的地的下一跳地址，然后路由器将数据报传递给下一跳，直至到达目的地。路由表有三个基本字段：目的网络地址字段，目的网络地址的地址掩码字段和到达目的网络的下一跳字段。在数据报头部的目的地址总是数据报的最终目的地址。目的地址与其对应的掩码“按位与”操作，得出目的地址主机所在的网络的网络地址。然后，根据这个网络地址，决定下一跳地址，通过一个特定的连接，将数据发给下一跳。IP数据报首

13、部格式包含以下内容：a.版本号（Vers），包含了生成该数据报的IP协议的版本信息，它用来证实发送方，接收方和它们之间的所有路由器都同意的数据报格式。b.首部长度（Header Length）字段，给出了以32位字长为单位的首部长度。c.服务（Service Type）字段，包含5个子字段，3个比特的优先级干字段指明本数据报的优先级，允许发送方表示本数据报的重要程度。优先级的值从0（普通优先级）到7（网络控制），D、T和R位表示本数据报所希望的运输类型，这些位的值为1时，D代表低时延，T要求高吞吐量，R要求高可靠性。d.总长度（Total Length）字段，给出了以8位组为单位的IP数据报长

14、度。e.寿命（Time to Live）字段，设置了该数据报在互联网中允许存在的时间（秒）或允许经过的路由器的数目。它是一个介于1255之间的整数。f.首部校验和（Header Checksum）字段，用于保证首部数据的完整性。IP校验和的计算是把首部看成一个16位的整数序列，对每个整数分别计算其二进制反码，然后相加，再对结果计算一次二进制反码而求得。为了计算校验和，假定首部校验和字段为0。g.源站地址（Source IP Address）和目的站地址（Desination IP Address）字段，包含了数据报的（原始）发送方和（最终）接收方的32位IP地址。h.选项（IP Options

15、）字段，增加了IP数据报的灵活性。i.填充（Padding）字段，依赖于选项，它填充“0”以保证数据报的长度是32位的整数倍。4.IP封装、分片与重组数据报作为物理帧的数据封装在特定的物理帧内，通过帧的传输来实现数据报的传输。数据帧头部的目的地址是数据报送往目的地的下一跳的物理地址。数据报在源站进行封装，将物理帧传给下一跳，接收者从物理帧中的数据区提取数据报，丢掉帧的头部，然后采用下一个物理网络的帧格式进行封装，又传给下一跳，直至目的地。MTU（Maximum Transmission Unit）是指一个特定的网络所允许的物理帧的最大数据量，当路由器收到一个大于其要转发的网络的MTU的数据报时

16、，路由器必须将这个数据报分成可通过该网络的数据报片，每一片仍采用数据报的格式，且保留原数据报的标识符，但只包含原数据报的部分数据，在需要时，数据报片可以再次分片。在一个TCPIP互联网上，一旦数据报分片后，每片都作为独立的数据报传送，一直等到到达目的网点的主机后，才对它们重组。目的网点的主机通过数据报首部的标识符来查证各片是否为同一个数据报的分片，且根据片偏移及标志来控制分片和重组。目的主机首次接到某一数据报的一个分片时，就启动一个计时器，如果在收到所有分片之前计时器超时，则接收机废弃已收到的分片，不对数据报处理。5.差错报告机制为了让互联网中的路由器报告错误或提供有关意外情况的信息，设计者在

17、TCPIP中加入了一个特殊用途的报文机制，叫做Internet控制报文协议（ICMP）。ICMP定义了五类错误信息和四种报告信息。a.源站抑制：当路由器收到大多的数据报以致没有足够的缓冲区来处理时，路由器放弃到达的额外数据报，使用ICMP源站抑制报文向初始源网点报告拥塞，并请求它减慢目前的数据报发送速率。b.数据报超时：当一个路由器将一个数据报的寿命字段的值减为零时，路由器放弃该数据报并发送一个超时信息；当一台主机对某一个数据报的重组时间截止时，而该数据报的分片还没有全部到达，主机放弃分片并发送一个超时信息。c.目的地不可达：当一个路由器检测出一个数据报不能发往它的目的地时，路由器发送一个目的

18、地不可达的信息。d.重定向：当路由器检测到一台主机使用非优化路由时，它向该主机发送一个重定向的ICMP报文，请求该主机改变路由并把初始数据报向它的目的站转发。e.分片请求：如果路由器收到一个不允许分片的数据报，而它又大于必须经过的转发网络的MTU，则路由器放弃数据报，发送一个分片请求信息。f.回送请求应答：一个回送请求信息能够送到任意计算机的ICMP软件。为了响应一个回送请求，ICMP软件需要发送一个ICMP回送应答信息，应答和请求传递相同的数据。g.地址掩码请求、应答：一台主机在系统自举时广播一个地址掩码请求。收到请求的路由器发送一个包含该计算机所在网络的32位掩码的应答。ICMP报文是在I

19、P数据报的数据区中传送的，并且在报文的开始有三个固定长度的字段：类型字段、代码字段和校验和字段。报文类型字段决定了剩余部分的格式及其含义。第四讲 可靠的运TCP1.TCP的连接建立传输控制协议是TCPIP协议中提供可靠性的运输层协议。TCP被称为端到端的协议是因为它提供了一个计算机的应用进程与另一个远方的计算机应用进程的直接连接。TCP应用IP数据报传送信息。每个TCP信息封装在IP数据报中，通过IP数据报在互联网上传输。可靠的数据流投递服务确保在机器之间进行没有重复或丢失的数据流投递，而底层的通信系统仅仅提供不可靠的分组投递，因此，协议软件采用带重传的肯定确认技术作为提供可靠性的基础，每发出

20、一个报文段，TCP就设定一个定时器并等待确认信息。如果在报文段中数据的确认到达之前定时器超时，TCP就认为该报文已经丢失或出现损伤，从而重传这一段报文，为了适应互联网络环境下变化的时延，TCP使用自适应重传算法来检测各个连接的时延，并调节相应的定时时限参数。TCP使用三次握手协议来建立连接。握手的第一个报文段码元字段的SYN位被置1；第二个报文的码元字段的SYS和ACK位均被置1，指出这是对第一个SYN报文段的确认并继续握手操作；最后一个握手报文仅仅是一个确认信息，通知目的主机已成功地建立了双方所统一的这个连接。2.缓冲区、流量控制与窗口TCP滑动窗口协议允许随时改变窗口大小，在每个确认中，除

21、了指出已经收到的8位组外，还包括一个窗口通告来说明接收方还能再接收多少8位组的数据。另外，可以把窗口通告的值当做当前的接收缓冲区的大小。使用大小可变的窗日的优点是不仅提供可靠的传输，而且还提供流量控制。如果接收方的缓冲区快要满了，不能接收更多的分组，这时它就发出小的窗口通告值。在极端的情况下，接收方使用零通告值来停止所有的传输；而当缓冲区空间又可被用之后，接收方通告一个非零的窗口值来再次触发数据流。拥塞是由于在一个或若干个交换网点的数据报负荷过载时而出现的严重时延。大多数运输层协议使用超时重传机制，它们对时延增加的响应就是重传数据报，而这又会加剧拥塞，如此循环往复直至网络完全瘫痪，这种现象称为

22、拥塞崩溃。为避免拥塞崩溃， TCP必须在拥塞发生时减少传输。现在TCP标准推荐使用两种技术：慢启动与加速递减，对于每个连接，TCP都记载接收方的确认信息中通告的接收缓冲区的大小。为控制拥塞，TCP又使用第二个值，即拥塞窗口，TCP按下面的式于计算窗口值：Allowed-windowmin（receiver-advertisement，congestion-window）在未发生拥塞的连接中，在稳定状态，拥塞窗口的大小等于接收方通知的窗日的大小。一旦发现丢失报文段，立即将拥塞窗口大小减半（最后减到最小值1）。对于保留在发送窗口的报文段，将重传定时器的时限加倍。在开始新的连接的传输或在拥塞之后增加

23、流量时，仅以一个报文段作为拥塞窗口的初始值，而每当收到一个确认之后，将拥塞窗口大小增加1。为了避免窗口增加过快导致新的拥塞，TCP规定当拥塞窗口增大到发生拥塞时该窗口大小的一半时，TCP进入避免状态，降低窗口增大的速度。在拥塞避免状态中，窗口中所有的报文段都被确认之后，窗口大小也只能增加1。3.TCP报文段格式两台机器上的TCP软件之间传输的数据单元叫报文段。通过报文段的交互来建立连接、传输数据、发出确认、通告窗口大小以及关闭连接，TCP报文段格式如图5所示。图5中，源端口和目的端口字段包含了连接两端对应应用程序进行标识的TCP端口号；序号字段指出了这个报文段在发送方的数据字节流中的位置；确认

24、序号字段指出了本机希望接收的下一个8位组的序号；HLEN字段是一个以32比特为单位的首部长度值；保留字段是为将来的应用而保留的；码元比特字段用来指出报文段的目的和内容；窗口字段给出接收缓冲区的大小，发送这种段就能通告自己每次能接受多少数据；紧急指针字段指出了紧急数据在报文中的结束位置；填充字段与校验和字段，与IP数据报的对应字段的处理相同。第五讲 客户机服务器的交互1.客户机服务器模式服务器是指在网络上可提供服务的任何程序，客户机是一个向服务器发出请求并等待响应的程序。网络采用客户机服务器模式进行通信。一个服务器应用进程被动地等待请求，一个客户机应用进程主动地发起通信。一个服务器应用进程必须在

25、远方的客户机进程尝试进行通信之前与协议软件进行交互，通知本地协议软件它所等待的信息的特定类型，然后就等待信息的到来。当到来的信息与应用进程详细说明的信息类型完全匹配时，协议软件将这个信息移交给应用进程。一个客户机或一个服务器应用进程为了建立通信，需与一个运输层协议直接交互，然后运输协议利用底层协议发送和接受单个的信息。因此，运行客户机或服务器的计算机需要安装一套完整的协议堆栈。2.服务器的复杂性及其实现一个计算机系统如果允许多个应用程序同时运行，我们就说它支持并发。有多于一个控制进程的程序叫并发程序，一个并发服务器同时对多个客户机提供服务。当一个请求到达后，服务器分配给这个请求一个能与存在的进

26、程并行运行的控制进程。服务器程序由两部分组成，一部分用来接受请求，然后创立一个处理这个请求的进程；另一部分包括处理一个请求的代码，当一个请求到来时，主要进程创立一个处理该请求的新进程，一个进程处理一个请求时，运行第二部分，然后终止这个进程。运输协议在分配给每个客户机一个标识符时，也给每个服务器分配一个标识符，位于服务器所在主机上的协议软件利用客户机的标识符和服务器的标识符的组合，来选择并运行服务器中正确的副本。3.应用程序接口应用程序与运输协议之间的交互是通过应用程序接口来进行的。接口细节通常与操作系统有关。为使用TCP，程序必须创建一个插口，为它绑定地址，接受到来的连接，然后使用其他原语通信

27、。最后，当结束插口的使用时，程序必须关闭它。一个应用在使用插口时，必须定义许多细节。为了适应所有的差异，每个插口有许多参数和选项由应用力它们分配值。当一个新进程创立时，它继承了创立它进程的所有开放的插口，并且服务器用来接收连接的插口与主服务器进程同时存在。一个用于特定连接的插口与处理那个特定连接的进程同时消亡。第六讲 著名的服务和高层协议1.域名服务虽然IP地址能方便、紧凑地表示互联网中发送分组的源地址和目的地址，但用户更愿意为机器指派好读的、易记忆的名字。Internet的命名方案被称为域名系统，在语法结构上，每个计算机名由一系列被原点隔开的字符数字片断组成。它采用层次结构，高层位于右边，代

28、表某一大的机构或区域；低层位于左边，代表某一特定的计算机。一个名字服务器是提供名字到地址转换（从域名映射到IP地址）的服务器程序。域名服务器采用层次结构组织，所有的域名服务器连接在一起，形成一个统一的系统，每个服务器知道如何到达根服务器和处于它管理下的名字服务器。当客户机要转换某一域名时，它向某一名字服务器发出请求，如果该名字服务器数据库中存在该域名，则服务器响应请求，如没有，则该服务器成为另一名字服务器的客户机，向另一名字服务器发出请求，待收到请求后，再发给向它提出请求的客户机。2.电子邮件的表示与传输每个电子信箱有一个唯一的地址。它由两部分组成，第一部分指定一个用户的信箱，第二部分指定邮箱

29、所在的计算机。电子邮件信息包含两个部分，第一部分是头部，它包含发送者、接收者和信息的目录；第二部分是主体，由信息文本组成。头部的每一行以一个关键字开头，后面跟着一个冒号和相关信息。关键字告诉电子邮件软件如何解释该行的剩余部分。除了邮件格式，TCPIP协议簇还定义了机器间交换邮件的标准，即简单邮件传送协议（Simple Mail TransferProtocol，SMTP）。它着重关汪底层邮件传递系统如何将报文从一个机器传到另一个机器。3.文件传送与远程文件访问存取远地文件中的数据有两种形式：联机存取和整个文件拷贝，联机共享式存取意味着允许多个程序同时存取一个文件；整个文件拷贝意味着无论何时程序

30、想存取一个文件，它都必须获得一个本地文件副本。文件传送协议（FTP）是TCPIP协议簇中主要的文件传送协议。FTP使用整个文件拷贝，并为用户提供列出远地机器上目录和双向文件传送的能力。简单文件传送协议（TFTP）为只需文件传送的应用提供一个短小而简单的FTP替代方案，它可用于无盘机器的自举。网络文件系统（NFS）提供联机共享式文件存取。4.万维网万维网（World Wide Web）将各种类型的文件集成在一起，Web浏览器（客户机）用HTML协议向Web服务器提交请求，Web服务器查看请求，处理并发回响应。响应可含HTML格式的文本，也可以是图形、声音及二进制文件，还可含有超链（指向其他相同或

31、不同Web服务器上文档的指针）。第七讲 IP的未来1.改变的动机与IPv6的特点更新IP的主要动机是迫在眉睫的地址空间耗尽危机和新的Internet应用的需要，如实时话音和视像通信需要协议保证一定时延限制等。新版IP将被正式分配版本号6。下一版IP的名字将是IPv6。它有如下特点：a.地址位数采用128位地址取代现行的32位地址方案；b.头部格式采用全新的头部格式；c.扩展头部同现行的P的任选项相似；d.话音和视像支持可以使一个数据报与一个预先分配好的资源储备相关连；e.扩展协议，允许新增特性。IPv6数据报由一个固定大小的基本首部作为开头，后接零个或多个扩展首部，再以数据结束一个帧。地址用冒号十六进制表示，即把每个16比特的量用十六进制值表示，各量之间用冒