信息传输原理与应用-信息传输-资料包-教案1-第四章

1、第4章网络体系结构 网络体系结构：从功能上描述、逻辑构成网络组织：从实现方面描述、物理构成网络配置：从应用上描述。网络体系结构的概念处理级：全部处理中心和终端（资源子网）传送级：节点机的数据交换机（通信子网）分层结构实现独立、灵活、结构上可分隔开、各层都可以采用最合适的技术来实现，易于实现和维护，促进标准化工作。网络协议通信双方必须遵守，事先约定好的规则。三要素：语法、语义、同步4.1网络结构的分层4.1.1层次结构 1网络通信协议 协议作为用来描述双方之间信息交换过程的一个术语，在通信网络中，协议就是指在两台通信设备之间管理数据交换的一整套规则。 通信协议由语义、语法和定时三个部分组成。 通

2、信协议所实现的功能主要有以下几点 拆除连接，释放所占资源。 数据传输服务（确定数据传输方向以及选择合适路径。） 差错控制 网络间多路传输 信息流量的控制 信息数据的分割封包和拆卸重组。 2协议分层 分层的基本原则主要是：每一层需要最大限度地减少在相邻层间传输信息的数量，来完成一组特定的有明确含义的协议。 4.1.2OSI参考模型 网络体系结构:定义：网络各层及其协议的集合。早期：各公司自己建立的。相同点：分层，意向提供服务。不同点：封闭，协议。缺点：协议转换（网网）困难。后期：建立OSI开放系统互连。1OSI的参考模型分层原则 应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层1234567底层:

3、负责网络数据传输高层:负责主机之间的数据传输2OSI的参考模型各层的简介 第一层物理层：物理层是为了在物理传输介质上传输原始的数据比特流，从而提供机械的、电气的、功能性的和规程性的性能。 第二层数据链路层：数据链路层是通过校验、确认和反馈重发等手段将原始的由外界噪声干扰等因素可能发生差错的物理连接改造成无差错的数据链路。 2OSI的参考模型各层的简介第三层网络层：网络层提供在两传送层实体间，经网络连接交换服务数据单元的有关功能和规程。 第四层传输层：传输层是第一个端对端的传输控制层，又称主机主机层。其主要功能是建立、拆除和管理传送站。 第五层会话层：会话层允许不同机器上的用户建立、管理和终止应

4、用程序间的会话关系，在协调不同应用程序之间的通信时要涉及会话层，该层使每个应用程序知道其它应用程序的状态。 2OSI的参考模型各层的简介第六层表示层：关注于所传输的信息的语法和意义，它把来自应用层与计算机有关的数据格式处理成与计算机无关的格式，以保障对端设备能够准确无误地理解发送端数据。 第七层应用层：应用层是开放系统互连基本模型的最高层，为应用程序提供网络服务。 3对等通信 在OSI参考模型中，终端主机的每一层并不能直接与相对应层直接通信，而是通过下一层为其提供的服务来间接与对端对等层交换数据。下一层通过服务访问点（SAP Service Access Point）为上一层提供服务。 Hos

5、t AHost BAPDU应用层数据单元PPDU表示层数据单元SPDU会话层数据单元Segment（段）Packet（包）Frame（帧）Bit（比特）应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层4数据封装 封装（encapsulation）是指网络节点（node）将要传送的数据用特定的协议头打包，来传送数据 主机服务器交换机路由器应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层DataDataHHDataHDataDataHHDataH4.2通信子网协议 4.2.1物理层 物理层为物理服务用户提供建立

6、物理连接、传输物理服务数据单元和拆除物理连接的手段 1机械特性 机械特性规定了DTE与DCE实际的物理连接。 2电气特性电气特性规定了数据交换信号以及有关电路的特性，决定了电压变化的定时关系。 3功能特性功能特性规定了接口信号所具有的特定功能。4规程特性规程特性就是。指DTE和DCE为完成物理层功能在各线路上的动作序列或动作规则。 4.2通信子网协议4.2.2数据链路层 数据链路层的任务是以物理层为基础，提供对物理层的控制，检测并纠正可能出现的错误，使之对网络层显现一条无错线路，并且进行流量控制，流量控制可以在数据链路层实现，也可以由传输层实现。 4.2.2数据链路层1数据链路层的设计 为网络

7、层提供设计良好的链路服务接口；把物理层传来的比特流组合成帧；处理传输差错；协调帧的发送的接收的速率；数据链路的管理。 2数据链路的服务数据链路层提供的基本服务是在两个网络实体之间，建立一个或多个数据链路（逻辑）连接，并在确立的连接上交换数据。 3数据帧传输4差错控制和流量控制 5流量控制为了确保发送方发送数据包的速度不会快于接收方处理接收信息的速度，必须提供一种有效的数据流控制方法。流量控制保证发送方和接收方处理数据的速度一致。流量控制必须对数据传输率进行管理，并考虑接收方的数据缓冲能力。 6链路管理 除了数据链路的建立、维护和拆除外，数据链路层还要提供一些其它链路管理的功能。 例如：提供各种

8、服务质量参数，包括漏检差错率、传输延迟和吞吐量等。链路管理对无连接的服务来说还算简单，但对面向连接的服务就要复杂得多了。例如必须建立和释放连接、对序号初始化以及差错后的重新初始化等。 7数据控制规程（HDLC） 这里简单介绍两种最常用的用于同步传输的协议，一种是面向字符的“基本型”协议；另一种是面向位的“高级数据链路控制规程”（HDLC）。 面向字符的链路控制规程主要有“基本型”和“扩充基本型”两种 （2）高级数据链路控制规程（HDLC） HDLC的特点有：一是使用固定“封装”式的帧结构和0插入、检出技术来传输数据，实现了数据的透明传输；二是传输方式是面向位的，即任意比特数的任何序列都能以帧的

9、形式传输，它主要由三部分组成：帧结构、规程要素、规程分类。 4.2.3网络层 网络层检查网络拓扑，以决定传输报文的最佳路由，其关键问题是确定数据包从源端到目的端如何选择路由。网络层通过路由选择协议来计算路由。存在于网络层的设备主要有路由器、三层交换机等。 4.3传输层及高层协议 4.3.1传输层 1传输服务传输服务由于网络不同而各有所异、但是至少都能向其用户（应用进程或会话层实体）提供可靠的端端通信服务，以此来保证网络的高层不受通信子网的影响 4.3.2会话层 会话层允许不同机器上的用户建立、管理和终止应用程序间的会话关系，在协调不同应用程序之间的通信时要涉及会话层，该层使每个应用程序知道其它

10、应用程序的状态。同时，会话层也提供双工（duplex）协商、会话同步等等 4.3.3表示层 表示层完成网络通信中重复使用的公共功能。表示层为了上层用户提供共同需要的数据或信息表示方法的服务。大多数用户间并非仅交换随机的比特数据，而是要交换诸如地址、日期、报表、发票之类的信息。它们是通过字符串，正数型、浮点数以及由简单类型组合成的各种数据结构来表示的。 4.3.4应用层 1文件传送、访问和管理文件处理是网络甚至于一些分布式系统的一种最基本服务，其实现了在异种机之间传送文件的功能。 2电子邮件电子邮件系统由用户和报文传输代理这两个基本的部分组成。 4.3.4应用层3虚拟终端虚拟终端的目的是为了不同

11、的实终端能够通过互联的开放系统能彼此理解和协调工作，虚拟终端是用网络定义的一种统一的终端格式，如定义了统一的字符集、终端命令、格式控制符等。 4简单网络管理在当今的因特网（Internet）中，需要对网络进行有效的管理。 4.3.4应用层5查询服务和远程作业登录现在不断扩大的网络的应用要求中，希望在一个大型的网络中，能使用查询服务找到某个网络用户或某种服务的名字。 4.4TCP/IP协议 TCP/IP（传输控制协议/互联网络协议）协议是Internet最基本的协议，简单地说，就是由底层的IP协议和TCP协议组成的。 应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层传输层网络层7654321物理层

12、数据链路层OSI参考模型TCP/IP应用层通信功能 1 物理层对应于网络的基本硬件，这也是Internet物理构成，即我们可以看得见的硬件设备，如PC机、互连网服务器、网络设备等，必须对这些硬件设备的电气特性作一个规范，使这些设备都能够互相连接并兼容使用。通信功能12 数据链路层数据链路层对应于OSI七层参考模型的第二层，它定义了将数据组成正确帧的规程和在网络中传输帧的规程，帧是指一串数据，它是数据在传输中的单位。 通信功能3 互联网层本层定义了互联网中传输的“信息包”格式，以及从一个用户通过一个或多个路由器到最终目标的“信息包”转发机制。4传输层它对应于OSI七层参考模型的第四层。它为两个用

13、户进程之间建立、管理和拆除可靠而又有效的端到端连接。 通信功能5应用层它对应于OSI七层参考模型的第六、七层。它定义了应用程序使用互联网的规程。 应用层包含大量常用的应用程序，例如HTTP（HyperText Transfer Protocol 文本传输协议）、Telnet(远程登陆)、FTP（File Transfer Protocol）等。 4.4.2通信协议1网际协议IP 网际协议IP协议提供了能适应各种各样网络硬件的灵活性，对底层网络硬件几乎没有任何要求，任何一个网络只要可以从一个地点向另一个地点传送二进制数据，就可以使用IP协议加入Internet了。 4.4.3通信协议2传输控制协

14、议TCP TCP协议被称作一种端对端协议。这是因为它为两台计算机之间连接起了重要作用：当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时，TCP协议会让它们建立一个连接、发送和接收数据以及终止连接。 4.4.4IP地址和域名 IP地址是一个32位的二进制地址，为了便于记忆，将它们分为4组，每组8位，由小数点分开，用四个字节来表示，而且，用点分开的每个字节的数值范围 IP地址分类 一般将IP地址按节点计算机所在网络规模的大小分为A，B，C，D，E类 010110111011110Network (7bit)Network (14bit)Network (21bit)组播地址保留Host (24bit)Ho

15、st (16bit)Host (8bit)A类地址B类地址C类地址D类地址E类地址A类地址 A类地址的表示范围为：-55，默认网络掩码为：；A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，第一个字节以“0”开始。后面三组数字作为连接于网络上的主机的地址。分配给大量主机（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。A类网络地址的有效位数为817位，A类地址的第一字节为1126之间（127留作它用）。A类主机地址的有效位数为后面的三个字节24位，每一个A类网络共有224个A类IP地址。 B类地址B类地址的表示范围为：-55，默认网络掩码为：；B类地

16、址分配给一般的中型网络。B类网络用第一、二组数字（前两个八位数组），第一字节以“10”开始。因此，B类网络地址的有效位数为16214位，B类地址的第一个字节为128191之间，前两组数字表示网络的地址，后面两组数字（二个字节16位）代表网络上的主机地址。B类网络地址有效位数为16214位。每一个B类网络共有216个B类IP地址。 C类地址 C类地址的表示范围为：-55，默认网络掩码为：；C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，采用把所属的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，最后一组数字作为网络上的主机地址。 D类地址 D类地址第一

17、个8位数组以“1110”开头，因此，DODF类地址的第一个字节为224239，D类地址通常作为组播地址（广播地址）。E类地址第一个字节为240255之间，用于科学研究。 特殊IP地址 IP地址用于唯一的标示一台网络设备，但并不是每一个IP地址都是可用的，一些特殊的IP地址被用于各种各样的用途，不能用于标示网络设备。 网络部分主机部分地址类型用途Any全“0”网络地址代表一个网段Any全“1”广播地址特定网段的所有节点127any回环地址回环测试全“0”所有网络用于指定默认路由全“1”广播地址本网段所有节点3域名系统 域名由几个英文单词组成，如具有一定的意义，其中cn代表中国，edu代表教育网，

18、gzeis代表广州市电子信息学校，www代表全球网（或称万维网），整个域名合起来就代表中国教育网上的广州市电子信息学校站点。Internet的域名系统是为方便解释机器的IP地址而设立的。 4.5子网规划 4.5.1无子网编址 对于没有子网的IP地址组织，外部将该组织看作单一网络，不需要知道内部结构。例如，所有到地址172.16. X.X的路由被认为同一方向，不考虑地址的第三和第四个8位分组，这种方案的好处是减少路由表的项目。但这种方案设法区分一个大的网络内不同的子网网段，这使网络内所有主机都能收到在该大的网络内的广播，会降低网络的性能，另外也不利于管理。 4.5.2带子网编址 从地址分配的角度

19、来看，子网是网段地址的扩充。 B类网段以太网以太网 ，4.5.3带子网编址实例 网络设备使用子网掩码决定IP地址中那部分为网络部分，那部分为主机部分。子网掩码使用与IP地址一样的格式。子网掩码网络部分和子网部分全都是1，主机部分全都是0。缺省状态下，如果没有进行子网划分，A类网络的子网掩码为，B类网络的子网掩码为，C类网络子网掩码为。 4.5.4 子网规划 网段地址是一个C类地址：。假设需要20个子网，其中每个子网5个主机，就要把主机地址的最后一个八位组分成子网部分和主机部分。子网部分的位数决定了子网的数目。在这个例子中子网部分占有5位，最大可提供30（252）个子网。剩余3位为主机部分。一共

20、有8个（23）值。主机部分全是0的IP地址，是保留地址；主机部分全是1的IP地址是本子网的广播地址。这样就剩余6个主机地址。可以满足需要。C类子网规划 4864844824848748548348B类子网规划实例 对于B类网络来说，如果子网有八位，则能提供254个子网，每个子网可容纳254台主机 子网地址主机地址54广播地址55IP主机地址20子网掩码C类子网规划实例 子网地址20主机地址2126广播地址27IP主机地址21子网掩码48子网位数子网掩码子网数每一子网主机数29226232463044014145483066526223变长子网掩码（VLSM） VLSM技术，对节点数比较多的子网

21、采用较短的子网掩码，子网掩码较短的地址可表示的网络/子网数较少，而子网可分配的地址较多；节点数比较少的子网采用较长的子网掩码，可表示的逻辑网络/子网数较多，而子网上可分配地址较少。这种寻址方案必能节省大量的地址，节省的这些地址可以用于其它子网上。 60/302/274/276/2728/2764/3068/3072/30ISP通告4无类域间路由（CIDR） CIDR无类域间路由是由RFC1817定义，CIDR突破了传统IP地址分类，把路由表中的若干条路由汇聚为一条路由，减少了路由表的规模，提高了路由器的可扩展性。 60/30 2/27 4/27 6/27 28/27 64/30 68/30 7

22、2/30 ISP 通告 本章小结 11 OSI参考模型：物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。22 通信子网协议：物理层涉及电压、电缆线、数据传输速率、接口等的定义。物理层的主要网络设备为中继器、集线器等。数据链路层的任务是以物理层为基础，提供对物理层的控制，检测并纠正可能出现的错误，使之对网络层显现一条无错线路，并且进行流量控制，流量控制可以在数据链路层实现。数据链路层与物理地址、网络拓扑、线缆规划、错误校验、流量控制等有关。为网络层提供透明的，正确的和有效的传输线路，通过数据链路协议，实施对二进制数据进行正确、可靠的传输。数据链路层协议要保证建立、拆除链路、流量控制、同步

23、控制和差错控制等一系列功能。网络层是通信子网与资源子网之间的接口，也是高、低层协议之间的界面层。网络层是控制通信子网、处理端对端数据传输的最低层。网络层的主要功能是路由选择、流量控制、传输确认、中断、差错及故障的恢复等。3 传输层及高层协议：传输层是整个协议层次结构中最核心的一层。它的作用是为本地机和目的机之间提供性能可靠、价格合理的数据传输。传输层的主要功能是在两个用户进程之间建立、管理和删除可靠而高效的端与端连接，以及利用网络层提供的服务来为会话层提供进程间连接的服务和接口。传输层的基本功能是从会话层接受数据，并且在必要的时候把它分成的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。传输层建立、维护虚电路，进行差错校验和流量控制。 3 传输层及高层协议：会话层允许不同机器上的用户建立、管理和终止应用程序间的会话关系，在协调不同应用程序之间的通信时要涉及会话层，该层使每个应用程序知道其它应用程序的状态。同时，会话层也提供双工（duplex）协商、会话同步等等。表示层完成网络通信中重复使用的公共功能。表示层为了上层用户提供共同需要的数据或信息表示方法的服务。交换诸如地址、日期、报表、发票之类的信息。它们是通过字符串，正