项目3 认识网络体系结构

素质目标

1.引导学生树立正确的网络道德观念,了解网络安全的重要性,培养学生的网络素养和信息安全意识。

2.引导学生了解中国互联网的发展历程和现状,了解我国在互联网领域的成就和挑战,培养学生的民族自豪感和责任感。体验感知“体验”我的同学李明从广州给我寄了一封信,他把信封写好了,其中有我的地址、我的姓名、他的地址,并贴好邮票,投入邮筒里。过了一周,我收到了信。信是怎样邮到的呢?信的旅程:广州邮递员把信送到广州火车站,广州火车站工作人员把信和别的信件打包,送到货车厢上,火车启动,包裹到大连,大连火车站工作人员把包裹打开并分类,邮递员把信送到了我的小区,我再去物业取信。“感受”整个过程由三部分人工作完成:邮递员,火车站工作人员,我和李明。三部分人共同协作完成了一封信的发送与接收。探究学习实践活动总结提高探究学习3.1.1协议与体系结构1.网络协议的概念和组成(1)协议的定义协议是指为了使网络中数据进行通信而制定的通信双方共同遵守的规则、约定的集合。3.1.1协议与体系结构(2)协议的组成协议由语法、语义、时序组成。语法:规定通信双方“如何讲”,是将表达一个更完整的内容时所应遵循的格式。即协议的结构。语义:规定通信双方“讲什么”,即协议元素的含义,如控制信息、执行的动作等。时序:规定通信双方“讲的顺序”或“应答关系”,即对实现顺序的说明,解决何时进行通信的问题。3.1.1协议与体系结构2.网络体系结构(协议分层)

(1)体系结构分层为了减少协议设计的复杂性,大部分网络都按层的方式来组织。分层可以把一个复杂的问题变成简单问题的叠加,符合人类的思维习惯。世界上的组织的结构都是层次化的,完成一项任务也各有分工。分层的好处有:各层之间相互独立,有利于模块化设计;有利于实现和维护;易于标准化。前面我们提到的收发邮件的过程就是一个典型的分层结构,如图3-1所示。3.1.1协议与体系结构3.1.1协议与体系结构(2)网络体系结构的基本概念3.1.2OSI参考模型1.OSI的制定建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共享,而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。对于网络的广泛实施,国际标准化组织ISO(InternationalStandardOrganization),经过多年研究,在1983年提出了开放系统互连OpenSystemInterconnection,参考模型)OSI,这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构,给网络设计者提供了一个参考规范。

OSI参考模型共有七层,由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。3.1.2OSI参考模型2.OSI参考模型的特性(1)一种将异构系统互联的分层结构。(2)提供了控制互连系统交互规则的标准骨架。(3)定义了一种抽象结构,而并非具体实现的描述。(4)不同系统上的相同层的实体称为同等层实体。(5)同等层实体之间的通信由该层的协议管理。(6)相邻层间的接口定义了原语操作和低层向上层提供的服务。(7)所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务。(8)直接的数据传送仅在最低层实现。(9)每层完成所定义的功能,修改本层的功能并不影响其他层。3.1.2OSI参考模型3.结构3.1.2OSI参考模型4.各层功能

OSI参考模型各层的主要功能简述如下:应用层:是用户访问网络的接口,为网络应用提供访问网络的手段。解决如何访问网络的问题。表示层:完成数据格式转换以及数据加密、压缩等。解决信息表示问题。会话层:是进程-进程的层次,完成进程之间的会话管理。不参与数据传输,但对数据传输进行管理。传输层:是端-端层次,从端到端(主机-主机)经通信子网透明地传输报文,完成两台主机上两个进程之间的数据通信。3.1.2OSI参考模型网络层:是节点-节点层次,在通信子网中进行路由选择。网络层主要完成使数据分组跨越通信子网从一个节点到另一个节点的传送。端点与节点的区别如图3-4所示。3.1.2OSI参考模型数据链路层:是相邻节点层次,完成相邻节点之间可靠的数据传输。利用差错控制技术,该层将不可靠的物理链路改造成对网络层来说是无差错的数据链路(差错控制);还要协调收发双方的数据传输速率(流量控制)。物理层:确保原始数据位流能够在物理媒体上传输。3.1.2OSI参考模型5.OSI参考模型中的数据传输3.1.3TCP/IP体系结构网络协议是指为网络数据交换而制定的规则、约定与标准的集合,一个协议主要是由语法、语义与时序组成。网络协议很多,但目前广泛使用的通信协议是TCP/IP协议,尤其是作为Internet使用的协议,得到了广泛的应用和推广。3.1.3TCP/IP体系结构1.TCP/IP协议的定义

TCP/IP协议(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol),即传输控制协议/网际协议,源于美国国防部高级研究计划局的ARPANET网,其目的在于能够让各种各样的计算机都可以在一个共同的网络环境中运行,现已成为Internet网的通信协议。目前TCP/IP协议泛指以TCP/IP为基础的一个协议集。3.1.3TCP/IP体系结构2.TCP/IP协议的作用网络互联要解决的是异构网络系统的通信问题,目的是向高层隐藏底层物理网络技术的细节,为用户提供统一的通信服务。TCP/IP协议就是这一技术的体现,它是一个协议系列,目前已包含了100多个协议,用来将各种计算机和数据通信设备组成实际的计算机网络。TCP和IP是其中的两个协议,也是最基本、最重要的两个协议,是广为人知的,因此,通常用TCP/IP协议来代表整个Internet协议系列。3.1.3TCP/IP体系结构3.TCP/IP协议的分层模式3.1.3TCP/IP体系结构3.1.3TCP/IP体系结构3.1.3TCP/IP体系结构4.OSI与TCP/IP的比较

OSI参考模型和TCP/IP参考模型都采用了层次结构,但前者是七层模型,后者是四层结构。相同点:3.1.3TCP/IP体系结构

(1)TCP/IP与OSI相比,简化了高层的协议,简化了会话层和表示层,将其融合到了应用层,使得通信的层次减少,提高了通信的效率。

(2)OSI参考模型先定义了参考模型,后逐步定义各层的协议,通用性强,但实现困难。TCP/IP则正好相反,先有协议,人们为了对它分析研究,才制定了TCP/IP模型,当然模型与各个协议符合得很好,实用性强,但通用性不足,不适合描述其他非TCP/IP网络。

(3)OSI参考模型的概念清晰,明确定义了服务、接口和协议的概念及它们之间的关系;而TCP/IP参考模型没有明确区分这三个概念,功能描述和实现细节混在一起。

(4)面向连接和无连接的服务。主要不同点如下:3.1.4互联网协议IP1.IP协议

IP协议是一种不可靠、无连接的数据包传送服务协议———尽力(besteffort)服务;任何可靠的、面向连接的或者有保证的服务必须由IP的上层协议来实现。3.1.4互联网协议IP2.IP层传输服务的特点(1)不可靠(unreliable)

IP不重传损坏或丢失的分组。(2)无连接(connectionless)每个IP分组被独立处理,IP不维护传输的各种状态(例如主机间的关联、分组的顺序等)。(3)无保证(besteffort)

IP不提供任何有关传输质量的保证(例如吞吐量、时延等)。3.1.4互联网协议IP3.IP协议的主要功能IP地址寻址１IP数据包的分段和重组２IP数据包的路由转发３3.1.4互联网协议IP4.IP数据报的封装、分段与重组源机器取得要传输的数据并把它分割成最大64KB的数据包,每个数据包沿网络传输,传输过程中IP数据包可能被网关分成更小的片,所有片到达目标机器后,重新汇编成本来数据。

(1)IP数据包长度最大为64KB,但实际中应与MAC帧一起考虑,最好是一个IP数据包正好装入一个MAC帧中,如EthernetMAC帧数据最长为1500Byte,IP数据包就取1500Byte(MTU)。

(2)IP数据包在经过网关(路由器)传输时,它将被划分为更小的报片,这是由于网关的出口可能为其他介质:如X.25容许数据长度为128Byte(缺省),因此必须将IP数据包划分成报片。数据包分片后仍是IP数据包格式,由目标机(而不是下一个网关)组合成原来的IP数据包,这是由于网关的存储和处理限制,报片传输的路径不同。实践活动任务1划分子网1.为什么要划分子网?假设某个组织仅有一个ClassB地址。该组织下的每一个部门都希望有自己的网络。32位IP地址中的网络地址部分是有限的,要想扩充网络地址可采用子网技术。同时便于管理和使用。任务1划分子网2.如何划分子网?在IP地址结构中加入一个新的层次,即从主机地址部分划分出一个新的部分,称为子网地址(SubnetNumber),子网划分基本思想如图3-9所示。。其中,networknumber表示网络地址,hostnumber表示主机地址,subnetnumber表示子网地址。任务1划分子网这样,一个组织可以自由地赋予它内部的每个部门一个子网地址。在内部,这些子网被看作是不同的网络。在外部,这些子网的结构是不可见的,三级层次结构如图3-10所示。任务1划分子网例:一个大型跨国公司的管理者从网络管理中心获得一个A类IP地址121.0.0.0,需要划分1000个子网。分析:该公司需要1000个物理网络,加上主机号全0和全1的两种特殊地址,子网数量至少为1002个;选择子网号的位长为10,可以用来分配的子网最多为1024个,能满足用户要求。任务1划分子网

A类子网划前后对比如图3-11所示。任务1划分子网划分各子网后的地址范围如图3-12所示。任务2使用WIRESHARK抓包软件步骤1打开eNSP软件,建立拓扑结构,双机与交换机相连拓扑结构如图3-13所示。任务2使用WIRESHARK抓包软件步骤2配置PC1和PC2的IP地址与子网掩码,如图3-14、图3-15所示。任务2使用WIRESHARK抓包软件步骤3在交换机的Ethernet0/0/2端口处抓包,如图3-16所示。