6网络学堂之六：初识网络体系结构与协议

1、在上-篇我们介绍了网卡的一些基础知识，女i网卡的分类和选购。木篇原计划是要正式介绍 网卡的软、硬件安装与配置，但是考虑到我们i前还不具备网卡安装（指软件安装方面）的 一些必备知识，如osl/rm参考模型、tcp/ip协议、ip地址分配等，所以本篇还是先介 绍有关基础知识。一、osi/rm 模型osi / rm是iso在网络通信方而所定义的开放系统互连模型，1978 iso （国际化标准 组织）定义了这样一个开放协议标准。有了这个开放的模型，各网络设备厂商就可以遵照 共同的标准来开发网络产品，最终实现彼此兼容。整个0 sl/r m模型共分7层，从下往上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输 层

2、、会话层、表示层和应用层，如图1所示。7应用层a处理网烙应用65会话层互连主机通信4增到蜩连搖3网络层址和域短路径2接入介质1二18制传输图1当接受数据时，数据是自下而上传输；当发送数据时，数据是自上而下传输。下血简 要介绍这几个层次。（1）物理层这是整个osi参考模型的最低层，它的任务就是提供网络的物理连接。所以，物理层 是建立在物理介质上（而不是逻辑上的协议和会话），它提供的是机械和电气接口。主要包 括电缆、物理端口和附属设备，如双绞线、同轴电缆、接线设备（如网卡等）、rj-45接 口、串口和并口等在网络屮都是工作在这个层次的。物理层捉供的服务包括：物理连接、物理服务数据单元顺序化（接收物

3、理实体收到的比 特顺序，与发送物理实体所发送的比特顺序相同）和数据电路标识。（2）数据链路层数据链路层是建立在物理传输能力的基础上，以帧为单位传输数据，它的主要任务就是 进行数据封装和数据链接的建立。封装的数据信息中，地址段含有发送节点和接收节点的地 址，控制段用来表示数格连接帧的类型，数据段包含实际要传输的数据，差错控制段用来检测传输中帧出现的错误。数据链路层可使用的协议有slip、ppp、x25和帧中继等。常见的集线器和低档的交 换机网络设备都是工作在这个层次上，modem z类的拨号设备也焰。工作在这个层次上的 交换机俗称“第二层交换机”。具体讲，数据链路层的功能包括：数据链路连接的建立

4、释放、构成数据链路数据单元、 数据链路连接的分裂、定界与同步、顺序和流量控制和差错的检测和恢复等方面。（3）网络层网络层属于osi中的较高层次了，从它的名字可以看出，它解决的是网络与网络之间, 即网际的通信问题，而不是同一网段内部的事。网络层的主要功能即是提供路由，即选择到 达目标主机的最住路径，并沿该路径传送数据包。除此z外，网络层还要能够消除网络拥挤, 具有流量控制和拥挤控制的能力。网络边界中的路由器就工作在这个层次上，现在较高档的 交换机也可直接工作在这个层次上，因此它们也提供了路rh功能，俗称“第三层交换机”。网络层的功能包括：建立和拆除网络连接、路径选择和屮继、网络连接多路复川、分段

5、 和组块、服务选择和传输和流量控制。（4）传输层传输层解决的是数据在网络z间的传输质量问题，它属丁较高层次。传输层川丁捉高网 络层服务质量，捉供可靠的端到端的数据传输，如常说的qos就是这一层的主要服务。这 一层主要涉及的是网络传输协议，它提供的是一套网络数据传输标准，如tcp协议。传输层的功能包括：映像传输地址到网络地址、多路复用为分割、传输连接的建立与释 放、分段与重新组装、组块与分块。根据传输层所提供服务的主要性质，传输层服务可分为以下三大类：a类：网络连接具有可接受的差错率和可接受的故障通知率，a类服务是可靠的网络服 务，一般指虚电路服务。c类：网络连接具有不可接受的差错率，c类的服务

6、质量最差，提供数据报服务或无线 电分组交换网均属此类。b类：网络连接具有可接受的差错率和不可接受的故障通知率，b类服务介于a类与c 类z间，在广域网和互联网多是提供b类服务。（5）会话层会话层利用传输层來提供会话服务，会话可能是一个用户通过网络皆录到一个主机，或 一个正在建立的用于传输文件的会话。会话层的功能主要有：会话连接到传输连接的映射、数据传送、会话连接的恢复和释放、 会话管理、令牌管理和活动管理。（6）表示层表示层川于数据管理的表示方式，如川于文木文件的ascii和ebcdic，川于表示数 字的1s或2s补码农示形式。如果通信双方用不同的数据表示方法，他们就不能互相理解。 表示层就是川

7、于屏蔽这种不同之处。表示层的功能主要有：数据语法转换、语法表示、表示连接管理、数据加密和数据压缩。（7）应用层这是osi参考模型的最高层，它解决的也是最高层次，即程序应用过程中的问题，它 立接而对用八的具体应用。应川层包含用户应川程序执行通信任务所需要的协议和功能，如 电子邮件和文件传输等，在这一层屮tcp/ip协议中的ftp、smtp、pop等协议得到了 充分应用。以上简单地介绍了 osi参考模型的七个层次，并对各个层次的主要应川及功能作了简 单的介绍，这样我们在后而的学习中就可联系到osi的对应层次进行学习，以实践加强理 论学习。二、网络协议忖前网络协议有许多种，但是最基本的协议是tcp/

8、ip协议，许多协议祁是它的子协 议。下血我们就对tcp /ip协议作一下简单介绍。1 tcp / ip协议基础tcp / ip协议包扌舌两个子协议：一个是tcp协议（transmission control protocol, 传输控制协议），另一个是ip协议（internet protocol,互联网协议），它起源于20 1u：纪 60年代末。在tcp/ip协议中，tcp协议和ip协议各有分工。tcp i办议是ip协议的高层协议， tcp在ip之上提供了一个可靠的，连接方式的协议。tcp协议能保证数据包的传输以及止 确的传输顺序，并h它可以确认包头和包内数据的准确性。如果在传输期间出现丢包或

9、错包 的情况，tcp负责重新传输出错的包，这样的可靠性使得tcp/ip协议在会话式传输中得 到充分应用。ip协议为tcp/ip协议集中的其它所有协议提供“包传输”功能，ip协议为计 算机上的数据提供一个故有效的无连接传输系统，也就是说ip包不能保证到达忖的地，接 收方也不能保证按顺序收到ip包，它仅能确认ip包头的完整性。最终确认包是否到达日的 地，还要依靠tcp协议，因为tcp协议是有连接服务。【说明】在计算机服务中如果按连接方式来分的话，可分为“有连接服务”和“无连接服务” 两种。“有连接服务”必须先建立连接才能提供相应服务，而“无连接服务”则不需先建立连接。 tcp协议是一种典型的有连接

10、协议，而udp协议则是典型的无连接服务。（1） tcp / p协议所包括的协议和工具tcp /ip协议是一纽网络协议的集合，它主要包括以下儿方而的协议和工具。tcp/ip协议核心协议这些核心协议除了口身外，述包括用户数据报协议（udp协议）、地址代理协议（arp 协议）以及网间控制协议（icmp协议）。这组协议提供了一系列计算机互连和网络互连的 标准协议。应用接口协议这类协议主要包括windows套接字（socket，用于开发网络应用程序）、远程调用、 netbios协议（用于建立逻辑名和网络上的会话）和网络动态数据交换（network,用于通 过网络共享嵌入在文本中的信息）。基木的tcp /

11、ip协议互连应用协议主要包括finger> ftp、rep、rsh、tel net > tftp等协议。这些工具协议使得windows系 统用户使用非microsoft系统计算机上（如unix系统计算机）的资源成为可能。tcp/ip协议诊断工具这些工具包扌舌 arp、host name、ipconfig、 n bstat n etstat> pin g 和 route,它们可用来 检测并恢复tcp /ip协议网络故障。有关服务和管理工具这些服务和管理工具包括ftp服务器服务（用于在两个远程计算机z间传输文件，这 是远程控制通信屮的关键功能）、网际命名服务wins （jij于在

12、一个网际上动态记录和询问 计算机的名字）、动态计算机配置协议dhcpc用于在windows nt计算机上口动配置tcp /ip协议）以及tcp/ip协议打印（主要用于远程打印和网络打印）o简单网络管理协议代理（snmp）这个工具允许通过使用管理工具（如usun net manages"或“hp open view”）,从远 程管理windows nt计算机。tcp/ip的主要协议简述为了使读者能全而了解一些基木的网络通信协议和服务，本节就对tcp /ip协议所包 括的儿种主要协议进行简要说明。远程登录协议（telnet）telnet协议是用来登录到远程计算机上，并进行信息访问，通过它

13、可以访问所有的数据 库、联机游戏、对话服务以及电子公告牌，如同与被访问的计算机在同一房间中工作-样， 但只能进行些字符类操作和会话。文件传输协议（ftp）这是文件传输的基本协议，有了 ftp协议就可以把的文件进行上传，也可从网上得到 许多应川程序和信息（下载），有许多软件站点就是通过ftp协议来为川户提供下载任务 的，俗称“ftp服务器”。最初的ftp程序是工作在unix系统下的，而目前的许多ftp程 序是工作在windows系统下的。ftp程序除了完成文件的传送之外，还允许用八建立与远 程计算机的连接，登录到远程计算机上，并可在远程计算机上的目录间移动。电子邮件服务（email）电子邮件服务

14、是1=1前最常见、应用最广泛的一种到联网服务。通过电子邮件，可以与 internet ±的任何人交换信息。电子邮件的快速、高效、方便以及价廉，越来越得到了广泛 的应用，目前只要是上过网的网民就肯定用过电子邮件这种服务。目前，全球平均每天约有 儿千万份电子邮件在网上传输。www服务www服务（3w服务）也是廿前应用最广的一种基本互联网应用，我们每天上网都要 用到这种服务。通过www服务，只要用鼠标进行本地操作，就可以到达世界上的任何地 方。山于www服务使用的是超文本链接（html）,所以可以很方便的从一个信息页转 换到另一个信息页。它不仅能查看文字，还可以欣赏图片、咅乐、动画。最流行

15、的www 服务的程序就是微软的ie浏览粘。简单邮件传输协议（smtp）smtp是tcp /ip协议族的一个成员，这种协议认为你的计算机是永久连接在internet 上的，而认为你在网络上的计算机在任何时候是可以被访问的。它适川于永久连接在 internet的计算机，但无法使用通过slip/ppp协议连接的用八接收电子邮件。解决这个 问题的办法是在邮件计算机上同时运行smtp和pop协议的程序，smtp负责邮件的发送 和在邮件计算机上的分拣和存储，pop协议负责将邮件通过slip / ppp协议连接传送到用 户计算机上。信息服务（gopher）gopher最早lli现在1991年，它是第一个操作

16、简便、使用广泛的从internet服务器上 获取信息的客户应用程序。除了操作简便外，它的另一个特点是速度快。gopher运行时， 将显示一个交互式的供用八选择的菜单，菜单中的选项山简单的短句纽成，每个短句通常指 向另一个菜单,并最终指向有用的文件。gopher是帮助用户在internet信息海洋中搜索有 用信息的导航器。用户只要关心浏览的内容，而不必关心具体的服务器。文件检索服务（archie）它是一个从整个internet ±匿名ftp服务器获取文件的服务。其完全依赖于匿名ftp 系统的管理员，他们将站点在全世界的archie服务器进行了注册，archie仅通过文件名进 行检索。2

17、 ip协议目前正在使用的ip协议是第4版的，称之为“ipv4”，新版本的ip协议正在完善过程中, 它就是经常可以在各人it媒体中见到的ipv6o ipv6所要解决的主要是ipv4协议中ip地址 远远不够的现象。ipv4所采用的是32位，而ipv6则是128位，是原来的4倍。ipv6所提 供的ip地址数已可算是天文数字了，据专家们分析，这个数字的ip地址可以使全球的每一 个人都可拥有10以上的ip地址，这么多的ip地址相信再也不会出现ipv4那样除了美国外, 各国都出现ip地址短缺现象，为将來实现移动上网打下了坚实的基础。但这属于较新技术, 在此就不作详细介绍，本文仍以目前主流的ipv4协议为基

18、础进行介绍。ip协议的功能是把数据报在互联的网络上传送，通过将数据报在一个个ip协议模块间 传送，直到廿的模块。网络中每个计算机和网关上都有ip协议模块。数据报在一个个模块 间通过路由处理网络地址传送到h的地址，因此搜寻网络地址对丁 ip协议分重要的功能。 另外，因为各个网络上的数据报大小可能不同，所以数据报的分段也是ip协议的不口j或缺 的功能，不然对于一些网络帶宽较窄的网络，大的数据报就无法正确传输了。下而主要介绍 我们初级学者所关心的现行方面问题。（1） ip地址在计算机寻址小经常会遇到“名字”、“地址”和“路由”这三个术语，它们z间是有较大区别 的。名字是要找的，就像的人名一样；而地址

19、是川来指出这个名字在什么地方，就像人的住 址一样；路由是解决如何到达目的地址的问题，就像已经知道了某个人住在什么地方，现在 要考虑走什么路线、采用什么交通丄具到达目的地方最为简便。这里所介绍的ip协议主要是解决地址的问题。名字和地址进行解析的工作是由其上层 i办议一一tcp i*议完成。ip协议模块将地址和本地网络地址加以映射（就像写信一样，ip i办议只负责把收、发信人的地址写上，把信投进邮箱就可不管了），而将本地网络地址和路 由进行映射则是低层协议（如路由协议）的任务，所以说ip协议是-个无连接的服务。ip协议要寻找的哋址”是32位长（4个分段的16进制组成），由网络号（网络id） 和主机

20、号（主机id）两部分构成，如图2所示。> 32 位 j1字节1字节f 8位*亠8位j1字节 _8 位 *1字节f 8位按照ip协议规定因特网上的地址共有a、b、c、d、e五类。a类ip地址：川前面8位来标识网络号，其屮规定最前面一位为“0”，24位标识主机地址, 即a类地址的第一段取值（也r卩网络号）可以是“0000000101111111”之间任一数字，转 换为十进制后即为1128之间。主机号没有做硬性规定，所以它的ip地址范围为u -55% a类地址是为人型政府网络而提供，因为a地址屮右-54 和 127

21、.0.0.0-54 这两段地址有专门用途，所以全世 界总共只有126个可能的a类网络。每个a类网络最多可以连接16777214台计算札 这 类地址数是最少的，但这类网络所允许连接的计算机是最多的。b类ip地址：用前面16位来标识网络号，其中最前曲两位规定为“10”，16位标识主 机号，也就是说b类地址的第一段“1000000010111111”,转换成十进制后即为128191 z间，第一段和第二段合在一起表示网络地址，它的地址范围为“-55”。b类地址适用于中等规模的网络,全世界大约有16000个b类网络, 每个b类网络最多

22、可以连接65534台计算机。这类ip地址通常为中等规模的网络提供。其 屮-54地址段有专门用途。c类ip地址：用前而24位来标识网络号，其中最前而三位规定为“110”，8位标识主 机号。这样c类地址的第一段取值v1100000011011111mz间，转换成十进制后即为 192223。第一段、第二段、第三段合在一起表示网络号，最后一段标识网络上的主机号, 它的地址范围-55% c类地址适川于校园网等小型网络，每个 c类网络最多可以有254台计算机。这类地址是所有的地址类型中地址数最多的，但这类 网络所允许连接

23、的计算机是最少的。这类ip地址可分配给任何有需要的人。其中 -55为企业局域网专川地址段。d类地址：它川于多重广播组，一个多重广播组可能包括1台或更多主机，或根木没 有。d类地址的最高位为1110,第一段八位体为“1110000。11101111”，转换成十进制即 为224239,剩余的位设计客户机参加的特定组，它的地址范围为“ 55%在多重广播操作中没有网络或主机位，数据包将传送到网络中选定的主 机子集中，只有注册了多重广播地址的主机才能接收到数据包。microsoft支持d类地址， 川于应川程序将多

24、重广播数据发送到网络间的主机上，包括wins和microsoft netshowoe类地址：这是一个通常不用的实验性地址，保留作为以后使用。e类地址的最高位 为11110,第一段八位体为u1111000011110111",转换成十进制即为240一247。ipv4协议屮对首段位为248 254的地址段暂无规定。 以上各类ip地址结构如图3所示。0 1234 567：815：1623 2431：a央©网珞前班|主机号 . .b-%10| .c真江101网络弟d捷江江1|0血播（multicast） 地址e-il 1110傑苗使用图3其实还有一类ip地址，就是以“127”开头的

25、ip地址，这类ip地址也是属于保留使用的, 这类地址属于环路测试类ip地址。这类ip地址不能作为计算机的ip地址用，也就不能在 网络上使用这样的ip地址来标识计算机的位置，更不能通过在浏览器或者其他搜索位置输 入这样的ip地址，来搜索想要查找的计算机，因为它只能在木地计算机上用于测试使用。子网掩码和域名以上介绍的是网络ip地址，但随着网络的发展ipv4标准小的ip地址远不够用，为 了解决这一矛盾，于是乂在ip地址加上子网掩码来进一步识别。在tcp/ip协议屮规定， a类网络的子网掩码格式为“”形式，后面的“0”可以为“0254”之间任一数字。b类 网络的子网掩码格式为“”，c类网络的子网掩码为格式为“”，同样 其中的“0”可以是“0一254”z间任一