网络的结构设计及协议选择.ppt

1、网络结构及协议选择,2.1计算机网络的结构设计,拓扑 在网络中将不同设备根据不同的工作方式进行连接被称作拓扑(Topology)。 总线型结构 星型结构 环型结构 网状结构 ,2.1.1总线型网络结构,1、总线型网络结构的特点 一般使用同轴电缆进行网络连接，不需要中间的连接设备，建网成本较低。 每一网段的两端都需要安装终端电阻器 仅适用连接计算机较少的网络 网络的稳定性差，任一节点出现故障将会导致整个网络的瘫痪。 目前单纯的总线型结构主要用于10Mbit/s的共享网络。,2、总线上的通信方式,网络上的数据以电子信号的形式发送给网络上的所有计算机，但只有计算机地址与信号中的目的地址相匹配的计算机

2、才能接收。 在任何时刻，只有一台计算机可以发送信息，其它想发送信息的计算机必须等待，直到网络空闲。,3、总线上的信号反射和终结器,在总线型网络中，因为数据或电子信号都发送给整个网络，所以这些数据或电子信号将从总线的一端传到另一端。当信号传送到总线的端点时，将产生反射信号，反射信号会继续占用总线，从而阻止了其他计算机发送信号，所以必须消除反射信号。 为了阻止信号反射，总线的两端各需安装一个终结器组件，此终结器通常称为终结电阻器。,4、总线型网络通信的中断,如果总线被分成两部分或者总线的一端没有连接器件，总线就会断开。由于断开的部分没有终结器（终端电阻），信号就会反射，在计算机网络上的活动就会停止

3、，网络将停止工作。,2.1.2星型网络结构,在星型网络中所有的计算机都直接连接到中心节点上，常使用的中心节点有集线器（HUB）或交换机（Switch）。当一台计算机要传输数据到另一台计算机时，都需要通过中心节点。,星型网络结构特点,HUB或Switch可以进行级连。 计算机接入或退出网络时不会影响系统的正常工作。 网络中一般使用双绞线或光纤进行连接，符合现代综合布线的标准。 网络结构满足多种带宽的要求，带宽范围从10Mbit/s、100Mbit/s到1000Mbit/s。 如果HUB或Switch出现故障，与之连接的所有计算机将全部无法通信。,2.1.3 环形网络结构,环形拓扑中所有计算机连成

4、环状，不需要终结器。信号延环的一个方向传播，依次通过每台计算机。,2.1.4 网状网络结构,各节点通过传输线相互连接起来，并且任何一个节点都至少与其他两个节点相连。 网状网络结构特点 具有较高的可靠性，但实现起来费用高、结构复杂、不易管理和维护，在局域网中很少采用，常用在广域网中。,部分网状连接,全连接,2.1.5 网络拓扑结构的变体,大部分的网络都是由两种或两种以上的基本拓扑混合而成。 主要的变体有星型总线和星型环型两种。,1.星型总线网络结构,采用这种结构的网络可以覆盖较大的范围，容易与不同的网络进行连接或断开。,星型总线网络结构的特点： 任何一台计算机发生故障都不会影响整个网络。 如果网

5、络中的HUB或Switch出现故障，整个网络就不能工作。 这种网络的成本较高，总线可作为整个网络的主干，一般需要用光纤等高速介质进行连接。,2.星型环网络结构,在星型环中，计算机也连接到集线器或交换机上，但是与星型总线不同的是集线器或交换机的内部是环状而不是总线状。 物理拓扑：是指真实的网络物理连接。 逻辑拓扑：是指一个网络中的真实的信号路径。,2.2 通信协议及选择,从技术讲，任何决定网络数据传输的方式都可以称为协议。,在局域网中通常把决定数据如何封装和在网络上发送的方式称为通信协议。 封装是指将一个协议的数据（分组或数据包）插入到另外一个协议中，让本地协议“包”着它跨过本地网络。 寻址是指

6、根据对方的网络地址，把数据成功地发送给对方的过程。,常用的3种协议： NetBEUI IPX/SPX TCP/IP,2.2.2NetBEUI协议,NetBEUI协议是随着个人计算机网络的出现而出现的。 早在IBM公司开拓个人计算机网络市场时，需要一种基本的网络协议，该协议只想把几十台计算机连接起来组建成工作组网络，并不想建立大型的网络。 为了满足这个需要， IBM公司开发了 NetBIOS (Network Basic Input/Output System)。NetBIOS中只有18条命令，用于通过网络生成、维护和使用个人计算机之间的连接。,在当今的环境中，NetBIOS是使用很普遍的协议。

7、以太网，令牌环，IBM PC网都支持NetBIOS。在它原始版本中，它仅作为程序和网络适配器的接口。之后，传输类功能加入NetBIOS，使它功能日益增多。 在NetBIOS里，面向连接(tcp)和无连接(udp)通信均支持。它支持广播和复播，支持三个分开的服务：命名,会话，数据报。 NetBIOS命名允许16个字母用在NetBIOS名称中。而微软只允许15个字母用在NetBIOS名称中，第16个为NetBIOS后缀。NetBIOS后缀用在Microsoft Networking 软件中，区别安装的功能，登记的设备和服务。 注意： smb和nbt（在tcp/ip上的NetBIOS）紧密的工作在一

8、起，且都使用137，138，139端口。137端口是NetBIOS名称UDP,138端口是NetBIOS数据报UDP，139端口是NetBIOS会话tcp。,1985年， IBM公司对NetBIOS进行了扩充，成为NetBIOS Extended User Interface,既NetBEUI。 NetBEUI是网络操作系统使用的NetBIOS的加强版本。它规范了在NetBIOS 中未标准化的传输帧。NetBEUI执行OSI LLC2 协议。NetBEUI是原始的PC网络协议和IBM为LanManger（局域网操作器）服务器设计的接口。 协议稍后被微软采用作为Windows操作系统的网络标准。

9、它规定了高层软件通过NetBIOS帧协议发送、接收信息的方法。 NetBEUI是一种传输协议， NetBIOS是一组编程命令，供系统管理网络，即成为一种用于网络管理的API。,2.2.3 IPX/SPX及其兼容协议,IPX/SPX是Novell公司在自己的NerWare网络操作系统中专用的通信协议，它实际上分为IPX和SPX两部分。,IPX/SPX（网际包交换/顺序包交换）是Novell公司的通信协议集。其中，IPX负责选择最佳的路径将数据送到目的地，而SPX主要负责通信中的差错管理。 与NetBEUI形成明显区别的是， IPX/SPX显的比较庞大，在复杂环境下具有很强的适应性。因为IPX/S

10、PX在设计一开始就考虑了多网段的问题，具有强大的路由功能，适合于大型网络使用。当用户端接入NetWare服务器时，IPX/SPX及其兼容协议是最好的选择。,IPX/SPX兼容协议 Windows NT中提供了两个IPX/SPX的兼容协议： NWLink IPX/SPX 兼容协议 NWLink NetBIOS NWLink协议是IPX/SPX协议在微软操作系统网络中的实现，它在继承了IPX/SPX协议优点的同时，更加适应微软的操作系统和网络环境。,NWLink IPX/SPX 兼容协议 类似于Windows 95/98中的“IPX/SPX兼容协议” ，它只能作为客户端的协议，实现对NetWare

11、服务器的访问，离开了NetWare服务器，此兼容协议将失去作用。 NWLink NetBIOS 不但可在NetWare服务器和Windows NT之间传递信息，而且能够用于Windows NT计算机之间、 Windows95/98/Me计算机之间以及Windows NT计算机与Windows95/98/Me计算机的通信。,在Windows 2000和Windows XP中，IPX/SPX兼容协议已不再分为“NWLink IPX/SPX 兼容协议”和“NWLink NetBIOS”两部分，而是被“NWLink IPX/SPX/NetBIOS Compatible Transport Protoc

12、ol”所代替。,2.2.4 TCP/IP协议,TCP/IP协议起源 美国国防部在开发Internet的前身ARPAnet (高级研究项目属网络)中开发了TCP/IP协议（传输控制协议/网际互连协议），其目的是处理不同硬件网络互连中的问题。 TCP/IP协议由两部分组成： TCP负责对网络信息进行处理，翻译为本地网络能够理解的格式； IP规定了不同类型的网络之间如果要通信时，必须遵守的一组规则。 即可以把TCP看作协议中进行翻译的部分，而把IP视为协议中规定通信规则的部分。 TCP/IP协议是由多个子协议所组成的集合。将这种由多个子协议组成的集合称为协议栈。,设置TCP/IP协议,2.2.5 选

13、择通信协议,在选择通信协议时，还应遵循以下的原则： 选择适合于网络特点的协议 选择尽可能少的网络协议 注意协议的版本 注意协议的一致性,2.3 OSI模型,OSI/RM模型常被用来描述网络环境 ，各设备生产商根据这个模型的标准来设计制造自己的产品。 OSI/RM模型规定了网络上的各种硬件设备和软件如何以层的方式来协同工作，完成网络通信。 OSI/RM模型提供了一系列参考指标来说明网络设备的工作原理，以利于排除网络故障。,OSI/RM模型将网络通信的结构分成七层。,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,计算机之间使用何种介质进行连接,数据采取什么方式进行传输,走哪一条路才可

14、以到达对方,对方在什么地方,对方是谁,对方看起来像什么,应该做什么,2.3.1 OSI/RM 模型的特点,OSI/RM模型采用一种分层结构来对网络中两点之间的通信过程进行理论化的描述。它并不规定支持每一层的硬件或软件的模型，但是网络通信的每个过程均能与某一层相对应。 OSI/RM模型的分层结构对不同的层定义了不同的功能和不同的服务。 分层的优点是每一层有各自的功能，相互之间有明确的分工，这种结构便于理解和接受；而且当网络出现传输故障时，可以通过分析，判断问题出在哪一层，然后在与该层相关的硬件或软件中确定故障点，方便迅速地解决问题。,OSI/RM模型不是一个产品，它只是一个帮助理解网络中各种设备

15、之间通信过程的框架。 在通信过程中， OSI/RM模型不起任何作用，真正的通信是通过适当的软件和硬件来实现的。 OSI/RM模型只是定义要做哪些工作以及这些工作由七层模型中的哪一层来具体控制和完成。,1.物理层,物理层负责二进制的数据位流从一台计算机发送给另一台计算机。,物理层,物理层,2.数据链路层,负责建立一条可靠的数据传输通道。 发送端的数据链路层将从网络层传来的数据分割成可被物理层所传输的帧，而接收端的数据链路层将由物理层传来的数据帧转换成数据，上传给网络层。,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,数据帧是用来传输数据的一种结构包。 这个结构包中除了包含需要传输的有效数据外，还包括发

16、送端和接收端的网络地址以及控制信息和错误校验信息。 网络地址确定了数据帧从何处来，往何处去；控制信息和错误校验信息用来保证数据帧中的有效数据能准确无误地传输，接收端计算机的数据链路层可以利用CRC（循环冗余码校验）信息检查出所接收的帧的错误，如果有错误帧存在，则要求发送端重新发送该帧。,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,数据帧的结构,建立无差错的数据连接,IEEE（电气与电子工程师协会）开发了802系列规范，将数据链路层分成了两个层： 逻辑链路控制层（LLC） 介质访问控制层（MAC）,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,LLC层负责建立和维护两台通信设备之间的逻

17、辑通信链路。 MAC层提供对网卡的共享访问和与网卡的直接通信。 MAC地址是被保存或固化在每个NIC中的唯一地址数字，用于识别网络上的特定计算机。,IEEE802规范包括的内容： IEEE802.1：802标准概论 IEEE802.2：局域网络访问方式 IEEE802.3：以太网 IEEE802.3u：快速以太网 IEEE802.11：无线局域网标准协议,3.网络层,作用是保证信息到达预定的目标。 负责从发送端到接收端的连接多于一个链路的数据的传输，这时一个数据包从发送端到接收端要经过路由的选择和包的转发过程。,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,网络层为了完成路由选择和包

18、交换工作，需要完成以下3项最基本的工作： 将网络逻辑地址转换成物理机器地址（在数据链路层中的MAC地址）。 决定服务质量，若从发送者到接收者之间存在多条路经时，还需要进行路由选择。 当数据包的大小比数据链路层允许的最大数据帧还要大时，网络层还要将其分成多个数据段。在接收端负责将多个数据段组合成数据包。,路由器,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,网络层如何在一个多网段的网络中进行数据包的传输。,4.传输层,用于计算机间的标准化通信，保证实现数据包无差错、按顺序、无丢失和无冗余的传输。 在传输层上所执行的任务包括检错和纠错。 传

19、输层的典型操作是给发送端发送已接收到的确认信息。 TCP/IP协议在传输层有两个协议： TCP：传输控制协议 UDP：用户数据报协议,5.会话层,负责管理远程用户或进程间的通信。 会话层允许在不同的计算机上运行的应用程序共享一个名为会话的连接。 该层提供如名字查找和安全验证等服务，允许两个程序能够相互识别并建立和维护通信连接。,6.表示层,由它完成计算机期望的数据格式与网络需要的数据格式之间的转换。 表示层完成协议转换、数据转换、压缩和加密、字符集转换、图形命令解释等工作。 例如，采用ASCII码的个人计算机向采用EBCDIC码的IBM大型机发送数据时，就必须在表示层中进行格式转换。 使安装在

20、远端的打印机用起来就像使用本地打印机一样方便-网络重定向器。,7.应用层,为数据库访问、电子邮件、文件传输等应用程序提供直接服务。 网络版与单机版的最大不同就是网络版使用了应用层的功能 OSI/RM中应用层的规范具体应用包括以下内容： 各类应用过程的接口。 提供用户接口。,2.3.2协议栈及栈间通信,协议栈 是由多个子协议组成的，每个子协议完成一项子任务，由一个协议栈完成一个完整的任务。 栈间通信 给数据增加头信息的过程称之为打包， 把去掉头信息并将剩下的部分传给上层的过程称之为解包。,2.3.3 驱动程序与OSI/RM模型,网卡驱动程序 为什么可以将多种协议绑定到一个网卡上，或将一个协议同时

21、绑定到多个网卡上？ Novell、Apple开发的ODI(Open Data-link Interface) Microsoft开发的NDIS(Network Driver Interface Specification) 目前以太网网卡可以同时支持ODI和NDIS两种驱动程序接口，在微软的Windows2000操作系统中主要使用NDIS,而ODI多用于Novell的NetWare操作系统中。,驱动程序与OSI/RM模型 网卡在OSI/RM模型中工作于物理层和数据链路层。 LLC（逻辑链路层）：对应于网卡驱动程序（软件部分） MAC（介质访问控制层）：对应于网络接口卡（硬件部分）,2.4 TC

22、P/IP协议的规划与管理,TCP/IP是Internet所用的协议。它是一个协议栈，是由一系列的小而专的协议所组成，其中包括TCP、IP、UDP、ARP、ICMP及其它一些子协议，统称为TCP/IP协议,2.4.1 TCP/IP协议与OSI/RM的关系,TCP/IP协议是一个协议栈，既包括底层协议，也包括应用层协议。 分为四层： 应用层 传输层 互联网层 网络接口层,网络接口层,互联网层,传输层,应用层,TCP/IP 与 ISO OSI/RM模型之间的对应关系。,2.4.2 IP协议,IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。可以看出所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格

23、式传输的。 有个形象的比喻IP协议就像运货的卡车，将一车车的货物运向目的地。主要的货物就是TCP或UDP分配给它的。 IP数据报的结构,4位版本：表示目前的协议版本号，数值是4表示版本为4，因此IP有时也称作IPv4； 4位首部长度：头部的是长度，它的单位是32位(4个字节)，数值为5表示IP头部长度为20字节。 8位服务类型(TOS)：00，这个8位字段由3位的优先权子字段，现在已经被忽略，4位的TOS子字段以及1 位的未用字段（现在为0）构成。4位的TOS子字段包含：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性以及最小费用构成，这四个1位最多只能有一个为1，本例中都为0，表示是一般服务。 16位总长度

24、(字节数)：总长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。数值为00 30，换算为十进制为48字节，48字节=20字节 的IP头+28字节的TCP头，这个数据报只是传送的控制信息，还没有传送真正的数据，所以目前看到的总长度就是报头的长度。 16位标识：标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加1，第3行为数值为30 21，第5行为30 22，第7行为30 23。分片时涉及到标志字段和片偏移字段，本文不讨论这两个字段。 8位生存时间（TTL）：TTL（time-to-live）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间。ttl的初始

25、值由源主机设置，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。可根据TTL值判断服务器是什么系统和经过的路由器。本例为80，换算成十进制为128，WINDOWS操作系统TTL初始值一般为128，UNIX操作系统初始值为255，本例表示两个机器在同一网段且操作系统为WINDOWS。 8位协议：表示协议类型，6表示传输层是TCP协议。 16位首部检验和：当收到一份I P数据报后，同样对首部中每个16 位进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全1。如果结果不是全1，即检验和错误，那么IP就丢弃收

26、到的数据报。但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。 32位源IP地址和32位目的IP地址：实际这是IP协议中核心的部分，但介绍这方面的文章非常多，本文搭建的又是一个最简单的网络结构，不涉及路由，本文对此只做简单介绍，相关知识请参阅其它文章。32位的IP地址由一个网络ID和一个主机ID组成。本例源IP地址为C0 A8 71 D0，转换为十进制为：192.168.113.208; 目的IP地址为C0 A8 71 01，转换为十进制为：192.168.113.1。网络地址为192.168.113，主机地址分别为1和208，它们的网络地址是相同的所以在一个网段内，这样数据在传送过程中

27、可直接到达。,2.4.3 IP地址,IP地址是网络上任一设备用来区别于其他设备的标志。 IP地址是由一组32bits二进制数组成，每8位为一段，共分为四段，段与段之间用“.”号隔开。 最小是0.0.0.0，最大是 255.255.255.255。,由于IP地址原本是二进制的方式来计算的，为了适应人类的思考方式，所以经过十进制的表示之后，自然就是由 0 255 ！ 如果每发出一个封包可能需要 255x255x255x255 部计算机同时响应！那么很可能就会造成严重的封包碰撞或者是网络停顿的状态！ 因此，IP 地址将整个 IP 段分成 网络标识 和 主机标识，在同一个 网段当中，每一个 Host

28、都必须是独一无二的。,请注意， network ID不可变，host ID则是不可相同！否则相同的那两个 IP 将无法无法联机！ 目前，我们将整个 IP 简单的方类成为三个网段，分别设定为 A, B, C三类 ： A类地址的最高位是0，所以起始的数字就是 1126, B Class 是 10 开头，所以就是由 128-191，同理得：,保留的IP地址,为了满足像企业网、校园网、办公室、网吧等内部网络使用TCP/IP协议的需要将A、B、C类地址的一部分保留下来作为私人IP地址空间 ，分别是： A Class：10.0.0.0 - 10.255.255.255 B Class：172.16.0.0

29、 - 172.31.255.255 C Class：192.168.0.0 - 192.168.255.255 由于这三个 Class 的 IP 是预留使用的，所以并不能直接作为 Internet 上面的连接之用！这三个 IP 网段就只做为内部网域的 IP 沟通之用，也就是说，他有底下的几个限制： 私有地址的路由信息不能对外散播 （就是内部网络）； 使用私有地址作为来源或目的地址的封包，不能透过 Internet 来转送 （不然网络会混乱）；,子网掩码（Netmask ）,子网掩码也称子网屏蔽，是与IP地址结合起来使用的。 子网掩码的作用主要有两个： 用于确定IP地址中的网络ID和主机ID 用

30、于将一个大的IP网络划分为若干小的子网络。,网关（Gateway ）,网关是用来连接异种网络的设置。 在同一个 network 底下，各 IP 可以直接进行沟通，但是在不同的 network 底下，则需要藉由 gateway 来进行资料的传递！因此，当您的主机发现该封包的 IP 不在同一个网域内时，就会自动的将封包传送到 gateway 上面去啦！而由于你的主机与 gateway 是可以直接进行沟通的，所以 gateway 与 你的主机一定需要在同一个 network 当中，,Gateway,主机名,在使用TCP/IP协议的网络中，唯一能够代表用户或网络设备身份的只有IP地址。 但对人而言，不

31、管是二进制还是十进制的IP地址都不容易记忆，操作起来也不方便。为了改善这种状况，可给予每个用户或设备一个有意义的名称，如 lvhaipeng。 至于在网络中用到 lvhaipeng时，是如何知道其对应的IP地址，这是由网络中的其他服务来完成的。,主机和网关的区别 主机和网关的区别常产生混淆，这是由于主机意义的转变。在RFC中(1122/3和1009)中定义为： 主机是连接到一个或多个网络的设备，它可以向任何一个网络发送和从其接收数据，但它从不把数据从一个网络传向另一个。 网关是连接到多于一个网络的设备，它选择性的把数据从一个网络转发到其它网络。 换句话说，过去主机和网关的概念被人工地区分开来，

32、那时计算机没有足够的能力同时用作主机和网关。主机是用户工作的计算机，或是文件服务器等。现代的计算机的能力足以同时担当这两种角色，因此，现代的主机定义应该如此： 主机是连接到一个或多个网络的设备，它可以向任何一个网络发送和从其接收数据。它也可以作为网关，但这不是其唯一的目的。 路由器是专用的网关，其硬件经过特殊的设计使其能以极小的延迟转发大量的数据。然而，网关可以是有多个网卡的标准的计算机，其操作系统的网络层有能力转发数据。,2.4.4 TCP协议,TCP协议是一种面向连接的协议为数据提供可靠的传输服务。 TCP数据帧的结构,2.4.5 用户数据报协议（UDP）,UDP位于TCP/IP层次中的传输层。 UDP协议提供无连接的传输服务,2.4.6 套接字和TCP端口,TCP端口号（Port） 任何T C P / I P实现所提供的服务都用知名的11 0 2 3之间的端口号。 端口号由Internet号分配机构（ Internet Assigned Numbers Authority, IANA）来管理。 服务器一般都是通过知名端口号来识别的，但是客户端通常对它所使用的端口号并不关心，只需保证该端口号在本机上是唯一的就可以了。 客户端口号又称作临时端口号（即存在时间很短暂