第3章 网络的结构与协议.ppt

1、第3章 网络的结构与协议,知识目标 1. 理解网络拓扑类型和作用。 2. 了解常用网络通信协议。 3. 掌握OSI参考模型的结构和各层功能。 4. 掌握TCP/IP体系结构。 5. 熟悉IPV4与IPV6的区别。 6. 掌握子网划分。,1、星型拓扑 特点：结构简单、建网容易、中心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障，则全网瘫痪 2、总线拓扑 特点：节点增删容易，可靠性高，结构简单，结构简单 3、环型拓扑 特点：建网容易、无路径选择，可靠性差，任何节点故障均导致结点故障 4、树型拓扑 特点：由星型演变而来，采取分层连接方式，具有同星型类似的性质。 5、混合拓扑 特点：取长补短,计算机网络的拓扑结构,所

2、有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上 信息的传输以“共享介质”方式进行,总线型拓扑结构,特点： 以共享介质方式进行数据传输 每个节点都与两个相邻的节点相连 节点之间采用点到点的链路 网络中的所有节点构成一个闭合的环 环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输,环形拓扑结构,环形拓扑结构主要问题： 环中某一位置的断开将导致整个网络瘫痪,特点 存在一个中心节点 每个节点通过点到点的链路与中心节点连接 所有通信都通过中心节点进行 交换局域网是一种典型的星形拓扑结构 中心结点成为整个网络的瓶颈，其故障将导致全网故障,星形拓扑结构,1、网络协议的概念 a) 网络协议：为网络数据交换而定制的规则 i. 语法

3、(怎么做）：即数据与控制信息的结构或格式 ii. 语义（做什么）：即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做 出何种应答 iii.同步（时序）：即事件实现顺序的详细说明,2、计算机网络中存在有多种协议 NetBEUI IPX/SPX TCP/IP DNS ARP等 3、协议之间的相互作用 为避免重复工作，每个协议应该处理没有被其他协议处理过的通信问题；协议之间可以共享数据和信息。,网络通信协议,知识背景 为了减少协议设计的复杂性，大多数网络都按层的方式来设计，每一层建立在它的下层之上，不同的网络，其层的数量、各层的功能都不尽相同。然而，在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上层提供的服务，而把

4、如何实现这些服务的细节对上一层加以屏蔽，不同计算机中的相同层（即对等层）间的通信由各层的协议来实现。 我们将计算机网络的各层及协议的集合，称为网络的体系结构,OSI参考模型,层次划分的目的: 将网络这个庞大的、复杂的问题划分成若干较小的、简单的问题 层次划分的原则: 层内功能内聚 层间耦合松散 若干名词: 协议层次 接口,知识背景,网络体系的层次结构的优点 a) 各层之间相互独立：某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口(即界面)所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。这样，整个问

5、题的复杂程度就下降了。,b) 灵活性好：当任何一层发生变化时(例如由于技术的变化)，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。此外，对某一层提供的服务还可进行修改。当某层提供的服务不再需要时，甚至可以将这层取消。,c) 各层都可以采用最合适的技术来实现,d) 易于实现和维护：这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。,e) 有利于标准化：因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。,知识背景,OSI参考模型的概述 OSI参考模型是一个描述网络层次结构的模型。它提出是要为协调标准的研制提供一个共同的基础，允

6、许现存的和正在演变的标准化活动有一致的框架和前景。其最终目的是，允许任一支持某种可用标准的计算机的应用进程自由地与任何支持同一标准的计算机的应用进程进行通信，该模型被称为开放系统互连（OSI）参考模型（Open Systen Inetconnection/Reference Model）。,OSI参考模型,application layer presentation layer session layer transport layer network layer data link layer physical layer,一）ISO/OSI模型 1）ISO/OSI 模型的特点和性质 是一种

7、抽象结构 每一层功能独立、唯一 低层为高层服务 相邻两层之间通过接口进行通信 只要保证层间接口不变，而层内的改变不会影响网络通信 不同结点的通信通过同等层协议来实现（对等层通信）,OSI参考模型,生活中信件的封装、传递与解封,OSI的基本思想以及直接通信和虚通信,基本思想 网络中各节点具有相同的层次 不同节点的同等层具有相同的功能 同一节点内相邻层之间通过接口通信 每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务 不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信,通信：对等实体间的信息交换 直接通信：直接进行信息交换 虚通信：,完整的OSI数据传递与流动过程,物理层的主要功能： 机械特性：规定网络

8、连接的物理线路和物理设备 电气特性：规定信号的表示方法：如光信号和数字信号 功能和规程特性：数据的传输方向、连接与断开等 计算机连接的建立、维持、断开以及数据传输的传输 为上层即数据链路层提供服务如：提供数据电路标识、 故障状态通知等参数服务,数据链路层: 提供数据链路的控制如：数据的发送、接收、检测等 为网络层提供服务,网络层: 路由的选择和中继（存储转发） 控制流量 建立和撤销网络互联 数据分组、合并、检测、纠错、编码等 提供“点到点”数据流服务 为传输层提供服务,传输层 建立、维护和撤销传输链接，提供可靠的“端到端”数据流 流量控制和差错控制 选择合适的网络层服务用以实现数据传输 数据的

9、编码、同步等,会话层 实现不同计算机用户之间会话的建立、管理等 数据的同步,表示层 数据的转换 数据加密解密、压缩解缩等,应用层 为用户提供服务如：FTP、Email、WWW等,OSI参考模型各层功能,TCP/IP体系结构,知识背景 TCP/IP基本概述 TCP/IP起源于美国国防部高级研究规划署(DARPA)的一项研究计划实现若干台主机之间的相互通信。现在TCP/IP已成为Internet上通信的标准。其发展历程如下图：,TCP/IP体系结构,知识背景 TCP/IP特点 1. TCP/IP是Internet赖以存在的基础。 2. 工业上的标准网络协议。 3. 不同类型网络互联的协议。 4.

10、跨平台的、可扩展的、健壮的网络协议。,TCP/IP体系结构,知识背景 TCP/IP与OSI参考模型的对应关系,1.共同点 层次化的结构 2.OSI的主要问题 定义复杂 实现困难 有些功能在每一层重复出现 效率低下 3.TCP/IP的主要问题 网络接口层并不是实际的一层 各层的功能定义与实现方法没能区分开来等,OSI与TCP/IP的比较,TCP/IP体系结构,知识背景 TCP/IP各层的功能 TCP/IP与应用层 应用层协议支持了文件传输、电子邮件、远程登录、网络管理、Web浏览等应用。,TCP/IP体系结构,知识背景 TCP/IP各层的功能 TCP/IP与传输层,TCP/IP体系结构,知识背景

11、 TCP/IP各层的功能 TCP/IP与传输层 传输层的两项主要功能：流量控制和可靠传输。 传输层提供了TCP和UDP两种传输协议： 1.TCP是面向连接的、可靠的传输协议。它把报文分解为多 个段进行传输，在目的站再重新装配这些段，必要时重 新发送没有收到的段。 2.UDP是无连接的。由于对发送的段不进行校验和确认， 因此它是“不可靠”的。,TCP/IP体系结构,知识背景 TCP/IP各层的功能 TCP/IP与网络层,TCP/IP体系结构,知识背景 TCP/IP各层的功能 TCP/IP与网络层 1. 网际层的主要协议IP。本层提供无连接的传输服务 （不保证送达，不保序）。本层的主要功能是寻找一

12、条能 够把数据报送到目的地的路径。 2. 网际层的PDU称为IP数据报。 3. ICMP（Internet Control Message Protocol）提供 控制和传递消息的功能。 4. ARP（Address Resolution Protocol）为已知的IP地 址确定相应的MAC地址。 5. RARP（Reverse Address Resolution Protocol）根 据MAC地址确定相应的IP地址。,TCP/IP体系结构,知识背景 TCP/IP各层的功能 TCP/IP与网络接口层 TCP/IP实际并未定义任何数据链路层协议和物理层协议， 它可运行在现有的任何一种数据链路层

13、和物理层之上。,TCP/IP协议栈,1）可靠 2）不可靠 3）字节流 4）面向连接： 所谓连接是两个对等实体在通信前所执行的一组操作。包括申请存贮器资源，初始化若干变量，进行通信参数的协商等。面向连接服务与人们打电话类似，先通过呼叫操作获得一条可通话的电路，然后再通话，通话完毕再挂机，释放所占用的电路。面向连接服务也要经过三个阶段：数据传数前，先建立连接，连接建立后再传输数据，数据传送完后，释放连接。 面向连接服务，可确保数据传送的次序和传输的可靠性。 5）无连接 无连接服务类似于日常生活中书信的往来。它仅具有数据传输这个阶段。书信来往过程中，仅要求写信人在工作，而无需收信人在工作。类似地，无

14、连接服务中，只要发送实体是活跃的，通信便可进行。 无连接服务由于无连接建立和释放过程，故消除了除数据通信外的其它开销，因而它的优点是灵活方便、迅速，特别适合于传送少量零星的报文，但无连接服务不能防止报文的丢失、重复或失序。,TCP/IP术语,无连接服务以下三种类型： 数据报（datagram）：类似于打电报，先完了就算，不需要接收端做出任何响应，是一种不可靠的服务。常被描述为“尽量大努力交付”（best effort delivery）。 证实交付（confirmtd delivery）：类似于挂号信，这种服务对每一个报文要求接收端（非接收端的用户而是接收端提供服务的层）回送一个证实报文。这种

15、证实只能保证报文已经正常达到目的端的目的站，但不能保证目的站用户已收到这个报文。证实交付常称为可靠的数据报。 请求回答（request-reply）：收端用户每收到一个报文，就要向发端用户回送一个应等相应报文，事务（transaction，又译成事务处理或交易）中的“一问一答”方式的短报文，以及数据库中的查询，都适合采用这种类型的服务。 2、TCP 面向连接的提供可靠的数据服务 3、UDP协议 面向五连接的提供不可靠的数据服务。,计算机IP地址,知识背景 IP地址 IP分配 IP地址由32位二进制数组成。在实际应用中，将这32位二进制数分成4段，每段包含8位二进制数。为了便于应用，将每段都转换

16、为十进制数，段与段之间用“.”号隔开。,IPV4定义,知识背景 IP地址 IP地址格式 IP协议定义了5类地址，即A类至E类。其中A、B、C三类由InterNIC在全球范围内统一分配，D、E类为特殊地址。IP地址采用高位字节的高位来标识地址类别，格式和编码方案如图：,IP地址简介: Internet上，TCP/IP为没台主机分配一个全网唯一的标识地址，称为IP地址。 IPV4的地址格式: 4*832；55 1、组成与分类 网络地址(Net_ID)：标识互联网中一个特定网络,Ip地址中，用来表示网络标志的从首位开始的若干连续位，若两IP地址的这些位相等，则

17、表示他们位于同一网络中，否则位于不同网络中。 主机地址(Host_ID)：除网络地址的其他位用来标志特定的计算机，用于 区分同一个网络内的不同主机。 注：网络地址和主机地址除了固定部分，其余的不能为全0或全1 全为0的主机地址用来表示网络地址 全为1的主机地址用来表示网络组播地址,网络地址 构成 一个有效的网络号和一个全“0”的主机号 举例 IP地址为4/24的主机所处的网络为，主机号为44 主机地址 IP地址网络地址主机地址 子网掩码 用于从IP地址中显示网络地址的一组数字与运算,IPV4定义,广播地址 主机向网络的所有节点广播信息 构成：一个

18、有效的网络号和一个全“1”的主机号(网络地址子网掩码） 举例:IP为4/24的主机向该网络广播的广播地址为55 回送地址（回转地址） 1.回送地址：/8 2.作用 网络软件测试 本地机器进程间通信 3.含有网络号127的数据报不可能出现在网络上,IPV4定义,IPV4分类,知识背景 IP地址 IP地址编码方案,2、A类地址用于大型网络，可以容纳大量主机。 网络地址： 每个网络的主机个数：224 -21677214 子网掩码：（用于从IP地址中显示网络地址的一组数字与运算） 3、B

19、类地址用于中型网络 网络地址： 主机个数：216-2 子网掩码： 4、C类地址用于小型网络 网络地址： 主机个数：28-2 子网掩码：,问题的提出 IP地址能适应于不同的网络规模 个人电脑普及使小型网络（特别是小型局域网络）越来越多 浪费IP地址（即使采用C类地址）或者IP地址匮乏 子网化目的：克服IP地址浪费 子网化：把HostID的一部分作为NetID或者 把若干个连续位上的NetID的一部分作为HostID,例1：135.9子网化，要求每个子网不多于254个

20、主机,解：2n-2254(n取最小的整数） n=8 子网掩码： 求得子网范围：135.9.1。135.9.254,问题：子网化后，每个子网如何确定自己的网络广播地址？ 写出 的广播地址,子网划分,子网化方法 将IP地址的主机号部分进一步划分成子网部分和主机部分 从标准IP地址的主机号部分“借”位并把它们指定为子网号部分 在“借”用时必须给主机号部分剩余2位 在“借”用时至少要借用2位 习题1： 1、 135.9子网化，要求每个子网不多于150个主机 2、 200.200.200子网化，要求每个子网不多于30个主机,解：根据前面的公式，如上表做运算 子

21、网地址： 主机地址：5.4 广播地址：+5555,例2、已知网络地址：，子网掩码：， 求子网地址、主机地址、该网络广播地址。,例 ：若某公司申请到以下两个C类地址 200.200.132 200.200.133则， 1 能否将这两个C类地址整合成一个能为约500个主机的分配IP的中 型网络,如果可以，写出此公司的网络地址、掩码、广播地址、主机地址的范围是多少？ 如果申请到以下四个C类地址呢？ 200.200.68 200.200.69 200.200.70 200.20

22、0.71 4 如果申请到以下二个C类地址呢？ 200.200.99 200.200.100,思考题：网络规划，假设学院有一个C类地址：200.200.200；现在需要为以下部门配备IP地址： 部门 IP地址需求数 网络中心：15 后勤：30 实验室：10 教师办公楼：6 学生公寓：45 请参考例1，和例4给出个IP分配方案。,IPV6,知识背景 IPV6地址 新一代的IP地址，解决目前IPv4地址匮乏的新方案 1992年IETF提议，1993年IPNGWG开始研究和制定标准 IPV6地址编码方案,IPV6,知识背景 IPV6地址的提出 近年来Internet呈指数级的飞速发展，导致IPv4地址

23、空间几近耗竭。IP地址变得越来越珍稀，迫使许多企业不得不使用NAT将多个内部地址映射成一个公共IP地址。地址转换技术虽然在一定程度上缓解了公共IP地址匮乏的压力，但它不支持某些网络层安全协议以及难免在地址映射中出现种种错误，这又造成了一些新的问题。而且，靠NAT并不可能从根本上解决IP地址匮乏问题，随着连网设备的急剧增加，IPv4公共地址总有一天会完全耗尽。 IP层安全需求的增长。在Internet这样的公共媒体上进行专用数据通信一般都要求加密服务，以此保证数据在传输过程中不会泄露或遭窃取。虽然目前有IPSec协议可以提供对IPv4数据包的安全保护，但由于该协议只是个可选标准，企业使用各自私有安全解决方案的情况还是相当普遍。,IPV6,知识背景 IPV6地址的提出 IPv4的QoS标准，在实时传输支持上依赖于IPv4的服务类型字段（TOS）和使用UDP或TCP端口进行身份认证。但IPv4的TOS字段功能有限，而同时可能造成实时传输超时的因素又太多。此外，如果IPv4数据包加密的话，就无法使用TCP/UDP端口进行身份认证，网络需要更好的实时QoS支持。 为了解决上述问题，Internet工程任务组（IETF）开发了IPv6。这一新版本，