第四章 计算机网络协议和体系结构.ppt

1、第4章 计算机网络协议、体系结构和网络操作系统,计算机网络协议定义 计算机网络体系结构 OSI七层参考模型 TCP/IP参考模型 网络操作系统,4.1 计算机网络协议定义,计算机网络中，协议的定义是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合。 协议定义了网络上的各种计算机和设备之间相互通信、数据管理、数据交换的整套规则。通过这些规则（也称为约定），网络上的计算机才有了彼此通信的“共同语言”。,4.1 计算机网络协议定义,协议包含有三个要素，即： 1. 语法(Syntax)：数据与控制信息的格式、数据编码等。（如何讲） 2. 语义(Semantics)：控制信息的内容，需要做出的动作及响应。（讲

2、什么） 3. 时序(Timing)：事件先后顺序和速度匹配。（讲话次序）,举例：,HDLC 一般帧结构： 8 n8 8 0N 16 8 (位) F A C I FCS F 起始标志 地址字段 控制字段 信息 校验码 结束标志,4.1 计算机网络协议定义,协议的基本功能：,作为计算机数据交换语言的协议必须具备以下一些功能。 1. 分割与重组 协议的“分割”功能，可以将较大的数据单元分割成较小的数据单元，其反过程为“重组” 。 2. 寻址 协议的“寻址”功能使得设备彼此识别，同时可以进行路径选择。,3. 封装与拆封 协议的“封装”功能是指在数据单元（数据包）的始端或者末端增加控制信息，其相反的过程

3、是“拆封”（拆装）。 4. 排序 协议的排序功能是指报文发送与接收顺序的控制。 5. 信息流控制 协议的流量控制功能是指在信息流过大时，所采取的一系列措施。,6. 差错控制 差错控制功能使得数据按误码率要求的指标，在通信线路中正确地传输。 7. 同步 协议的同步功能可以保证收发双方在数据传输时的一致性。 8. 干路传输 协议的干路传输功能可以使多个用户信息共用干路。,9. 连接控制 协议的连接控制功能可以控制通信实体之间建立和终止链路的过程。 掌握网络的诀窍就在于掌握网络的各种协议及其关系，而掌握协议的关键在于把握协议的语义，语法和定时的实现机制，尤其是协议的各种功能特性的实现技巧以及这些实现

4、技巧所适应的环境和条件。,4.2 计算机网络体系结构,4.2.1 计算机网络体系结构的发展过程 目前有三个常用的体系结构模型，是人们研究和实现网络的参照标准： 1. ISO/OSI七层模型：是从网络理论出发设计出来的标准，层次比较清晰，功能分明，是人们讨论网络问题的基本参照系。 2. TCP/IP协议簇：是Internet(因特网)的协议标准，经过长期的实践发展起来的。 3. 局域网标准集IEEE802.x：集合了各种局域网络技术，是标准化程度最为规范和成熟的一套协议。,4.2.2 体系结构的概念 在计算机网络中，我们采用“分而治之”的原则，将整个的通信过程划分为多个层次，每一层都对网络提供服

5、务，都是整个网络的一个有机组成部分，不同的层次定义不同的功能。,4.2 计算机网络体系结构,一. 层次结构举例-邮政网络,二. 层次划分原则,网络中各结点具有相同层次 不同结点相同层次具有相同的功能 同一结点相邻层间通过接口协议进行通信 不同结点的相同层次间通过同层协议进行通信 每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务,图3-2 协议层次结构,三. 层次化体系结构的概念,1. 层次 功能层次：将复杂通信问题进行简化处理形成的多个功能层次。 每个层次只需了解本层功能以及与上下层的关系。 上层使用下层服务 下层完成上层的服务请求,三. 层次化体系结构的概念,2. 协议 接口协议：上下层之间通

6、信的协议。 同层协议：通信双方相同层次之间通信的协议。,3. 层次化体系结构 层次化结构模型+各层协议集合,三. 层次化体系结构的概念,层次化体系结构包含两方面内容： 将网络功能分解为许多层次，在每一个功能层次中，通信双方共同遵守许多约定和规程，这些约定和规程称为同层协议（简称为协议）。 层次之间逐层过渡，上一层向下一层提出服务要求，下一层完成上一层提出的要求。上一层次必须做好进入下一层次的准备工作，这种两个相邻层次之间要完成的过渡条件，被称为接口协议（简称接口）。,四. 采用层次化体系结构的优点, 各层之间相互独立。这样，某一高层只需知道如何通过接口（界面）向下一层提出服务请求，并使用下层提

7、供的服务，并不需要了解下层执行时的细节。 结构上独立分割。由于各层独立划分，因此，每层都可以选择最为合适的实现技术。 灵活性好。如果某一层发生变化，只要接口的条件不变、则以上各层和以下各层的工作均不受影响，这样，有利于技术进步和模型的修改。 易于实现和维护。 有益于标准化的实现。,4.2.3 OSI/RM参考模型,产生原因： 多种网络结构并存 不同网络之间互联困难,网络中各结点都有相同的层次 不同结点相同层次具有相同的功能 同一结点相邻层间通过接口协议进行通信 不同结点的相同层次间通过同层协议进行通信 每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务,一、 OSI/RM的层次划分原则,二、 OS

8、I/RM的层次结构,OSI七层参考模型由7个协议层组成，由底层到高层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图4-1所示。,图4-1 OSI层次模型,三、OSI/RM的数据流,计算机利用协议进行相互通信，根据设计准则，OSI模型工作时，若两个网络设备通信，则每一个设备的同一层同另一个设备的相应层次进行通信。不同节点通信时，同等层次通过附加该层的信息头来进行相互的通信，数据通信中的数据流参见下图。,三、OSI/RM的数据流,发送方,接收方,三、OSI/RM的数据流,（1） 在发送方节点内，它的上层和下层之间传输数据。每经过一层都对数据附加一个信息头部，即“封装”，而该

9、层的功能正是通过这个“控制头”（附加的各种控制信息，）来实现的。由于每一层都对发送的数据发生作用，因此，真正发送的数据越来越大，直到构成数据的二进制位流，在物理介质上传输。 （2） 在接收方节点内，这七层的功能又依次发挥作用，并将各自的“控制头”去掉，即“拆封”，同时完成各层相应的功能，例如：路由、检错、传输等等。,发送端：层层封装 接收端：层层拆装 每层功能通过本层的控制头来实现。,三、OSI/RM的数据流,三、OSI/RM的数据流,问题： OSI模型是否为一种具体网络？ OSI模型中，是否所有节点（通信子网节点和资源子网节点）都包含所有7层？,答案： 1. OSI模型不是一种具体网络，只是

10、一个可供参考的抽象模型。在OSI模型的基础上，网络协议的具体实现还有很多灵活性和可扩展空间。 2. OSI模型中，通信子网节点仅包含低三层，资源子网节点包含所有七层。,OSI 开放环境,OSI环境,网络环境,数据通信网,计算机A,计算机B,实系统环境,问题： 哪一层的数据量最大？ 哪些层次之间的通信为实通信（直接通过传输介质通信）？ 哪些层次之间的通信为虚通信（间接通过传输介质通信）？,四、虚拟通信与实际信息流向,虚拟通信：数据不能从一个机器的第N层直接传输到另一个机器上的第N层，而是沿纵向通过相邻层之间的接口进行的。 虚拟通信的三点归纳： 除了在物理介质上进行的是实通信外，其余对等实体间进行

11、的都是虚通信 对等层之间的虚通信必须遵循该层的协议 N层的虚通信是通过(N-1)层和N层接口处(N-1)层服务以及(N-1)层的通信（通常也是虚通信）来实现的。,五、OSI七层功能,1. 主要功能 确定如何使用物理传输介质，实现两个节点之间的物理连接。,物理层,物理层需要解决以下问题： 通信端口与介质的物理和电气特性 比特的表示：比特必须编码为电或光信号 数据速率：即每秒发送的比特数必须定义 线路配置：涉及设备与介质的连接 物理拓扑：如何将设备连成网络 传输方式：单工、半双工、双工,2 物理层具体功能,(1)机械特性：接口部件的尺寸、规格、插脚数和分布 等。 (2)电气特性：接口部件的信号电平

12、、阻抗、传输速率等 (3)功能特性：接口部件的信号线（数据/控制/定时线等）的用途。 (4)规程特性：接口部件的信号线在建立、维持、释放物理连接和传输比特流的时序。,3. 物理层协议的主要内容,4.物理层协议举例,- RS-232C接口标准,(1)机械特性 232C接口标准使用一个25针连接器 绝大多数设备只使用其中9个信号，所以就有了9针连接器。 电缆长度 ：RS-232直接连接的最大物理距离15m，通信速率20Kbps。,(2)电气特性 RS-232对电气特性，逻辑电平和各种信号线的功能都作了规定。 逻辑 “1”=-3V-15V (数据“1” 控制线“OFF”) “0”=+3V+15V (

13、数据“0” 控制线“ON”),标准TTL电平 高电平：2.4V5V 低电平：0V0.4V,(3)功能特性:接口部件的信号线（数据/控制/ 定时线等）用途 DB-25型连接器： 25脚，只用9个信号（2个数据线，6个控制线，1个地线）,DB-9型连接器：9针，9针全用，如下图。,(4)规程特性 接口部件的信号线在建立、维持、释放物理连接和传输比特流的时序。,物理连接是有差错和不可靠的。 物理设备之间可能存在速度不匹配的问题。,物理层存在的问题,1.主要功能： 通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。,数据链路层,2.数据链路层具体功能,数据帧的处理：发送方把

14、数据封装在帧里，按顺序传送各帧，并处理接收方送回的确认帧。因为物理层仅传送比特流，不关心结构和意义，只能依靠数据链路层识别帧边界。 物理寻址：帧的头部要有发送和接收方的地址。（物理地址） 流量控制：如果接收方的速率小于发送方的速率，由数据链路层控制,2.数据链路层具体功能,差错控制：帧在物理层发送可能丢失、出错，或因确认帧丢失导致重复发送。数据链路层必须解决这些差错。通过在尾部增加校验信息达到这个目的。 访问控制：两台以上设备连到同一链路上时，数据链路层必须决定某一时刻哪台机器可以访问链路。,3.两个子层： 介质访问控制子层（MAC）： 解决共享信道的使用问题。 逻辑链路控制子层（LLC）：

15、建立、维护和控制逻辑链路连接 差错控制、流量控制,数据链路层,4、主要协议 SDLC、HDLC 令牌环、以太网协议,数据链路层,数据链路层仅提供同一物理网络节点之间的数据链路连接，对于不同网络节点之间的通信不能实现路径选择。,数据链路层存在的问题,网络层,1.主要功能 通过路由选择算法,为报文或分组通过通信子网选择最合适的路径。,网络层,2. 具体功能 寻址：不同子网间根据逻辑地址寻址。 交换技术：线路交换和存储转发交换。 路由选择：根据路由算法选择最佳路径 连接服务：源节点-目的节点的流量控制，以防止阻塞，并进行差错检测。 3. 主要协议： IP，ARP，RARP，ICMP、X.25,小结,

16、物理层、数据链路层和网络层解决网络通信的问题，即实现通信子网的功能。,传输层,1.主要功能 向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文正确传输。,2 传输层具体功能：,端口寻址：计算机之间的通信是程序和程序的通信，传输层的头部包含指定程序的端口地址 拆分和组装：将报文拆分成可传输的片段，并编号,在接收端重组. 连接控制：可以是无连接的或面向连接的 流量控制：这一层流量控制是端到端的，不是单条链路上的。 差错控制：也是端到端的，不是单条线路上的。传输层确保整个报文无差错。,传输层可以保证用户数据按照要求从网络的一端传输到另一端，但是对于用户之间的交互过程无法控制，因此需会话层来协助用户管理

17、和控制用户之间的信息交换。,传输层存在的问题,1.主要功能： 向两个通信实体的表示层提供建立和使用会话连接的方法。,会话层,会话管理：为通信的两个进程建立会话连接。（如单向或双向对话，会话顺序及占用时间） 寻址：使用远程地址建立会话连接 会话流量控制：提供会话流量控制和交叉会话功能。 出错控制：接收来自传输层的数据，并负责纠正错误。,2. 会话层的具体功能,不同的计算机系统可能采用不同的信息编码和信息表示方式，将导致其他计算机系统无法识别其信息的含义。,会话层存在的问题,1.主要功能: 处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换、压缩和恢复、加密和解密。,表示层,2.表示层的主要功能,数据格

18、式处理：解决各应用程序在数据格式上的差异 数据的编码：处理不同字符集和格式的转换功能 压缩和解压缩：减少数据的传输量 数据的加密和解密：提高网络安全性,1.主要功能 直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。,应用层,应用层,2.具体功能 用户接口：是用户与网络及应用程序与网络间的直接接口。 实现各种服务：直接为用户提供各种应用服务。 如：电子邮件、WWW服务、文件传输、虚拟终端等。,3.应用层主要协议： FTP、TELNET、HTTP、SMTP、POP3,应用层,OSI七层功能总结,物理层、数据链路层和网络层: 解决网络通信的问题，实现通信子网的功能。 2.传输层：作为通信子网

19、和资源子网的接口。 3.会话层、表示层和应用层： 用户服务和应用处理,OSI七层功能,通信 子网,面向通信,面向 服务,面向应用,应用程序：FTP、E-mail、Telnet,数据结构表示、数据转换、加密、压缩,进程管理、双工、半双工、单工、断点续发,为上层提供可靠的数据传输,数据分组、路由选择,数据组成可发送、接收的帧、差错控制、流量控制,传输物理信号、接口、信号形式、速率,1. 层次过多 2. 数据层层封装 3. 效率较低,OSI/RM的特点,应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层,OSI,TCP/IP,应用层 传输层 网络层 网络接口层,各种通信网络接口（以太网等）

20、（物理网络）,IP，ARP，RARP，ICMP,TCP ， UDP,Telnet，FTP，SMTP，DNS，HTTP 以及其他应用协议,4.2.4 TCP/IP参考模型, TCP/IP参考模型 1. TCP/IP体系结构,TCP/IP是一个四层的体系结构，包括应用层、传输层、网络层和网络接口层 . (1) 网络接口层(network interface layer) 对应于OSI模型中的数据链路层和物理层 该层无具体内容，所用的协议为各通信子网本身所固有协议，支持各种局域网和广域网连接。, TCP/IP参考模型, TCP/IP参考模型,(2) 网络层(

21、internet layer) 网络层的主要功能： Internet全网地址的识别与管理； IP数据包路由选择功能； 报文的分段与重组。, TCP/IP参考模型,网络层协议：IP、 ICMP、 ARP、 RARP、IGMP。 IP协议：InternetProtocol(网际协议) IP协议为要传输的数据分配地址、打包、确定收发端的路由，并提供端到端的数据报传递。, TCP/IP参考模型,ICMP:Internet Control message Protocol (网际控制报文协议) ICMP为IP协议提供差错报告。, TCP/IP参考模型,ARP：A

22、ddressResolutionProtocol (地址解析协议) 用于完成IP地址向物理地址的转换。 例如： C:arp -s 4 00-03-6b-7f-ed-02 C:arp -a Interface: 1 on Interface 0 x1000003 Internet Address Physical Address Type 4 00-03-6b-7f-ed-02 static, TCP/IP参考模型,RARP协议：ReverseAddressResolutionProtocol (逆向地址解析协

23、议),该协议用于完成物理地址向IP地址的转换。 IGMP协议：InternetGroupManagementProtocol（Internet组管理协议)，允许Internet主机参加多点播送（multicasting），向计算机群广播信息。, TCP/IP参考模型,(3) 传输层 功能：向用户提供端到端的差错和流量控制，保证报文正确传输。 协议： TCP传输控制协议 UDP用户数据报协议, TCP/IP参考模型,TCP协议： 功能：提供面向连接的可靠的数据传输服务。通信双方建立虚电路连接，所有报文沿同一路径按顺序到达接收方，通过认证方式、重传机制等确保数据的可靠传

24、输。 适用：交换信息量大的服务。如Telnet、FTP、SMTP、DNS（发送和接收域名数据库时）。, TCP/IP参考模型,UDP协议： 功能：提供无连接的不可靠的数据传输服务。每一个报文都独立于其它报文，经由系统选定的路径传递到目的地。报文有可能在途中丢失或延误。 适用：交换信息量小的服务。 例如DNS（传送单个主机的信息时）。, TCP/IP参考模型,(4) 应用层 功能：为用户提供所需要的各种服务。 协议：Telnet远程登录、FTP文件传输、Email电子邮件、Web服务器、SNMP网络管理、DNS域名服务以及DHCP服务(动态分配IP地址)等。,4.2.

25、4.2 IP地址 1. IP地址： 在使用TCP/IP协议的网络中，必须为每台计算机分配IP地址，IP地址不但可以在网络上面用来识别每一台主机。而且隐含着网络路径信息。,2.IP地址的格式:,网络标识,主机标识,32bit, IP地址,IP地址按照第一字段的取值范围划分为五个不同的地址类别，即A类、B类、C类、D类和E类地址。,D,类,224,-,239,1110,组播,地址,E,类,240,-,255,1111,保留,其中A、B、C三类最为常用。三类网络所能表示的网络数量、每个网络所支持的主机数量如表4-2所示。, IP地址,在使用A、B、C三类地址时要注意以下几

26、点： (1)网络ID和主机ID所有字段不能全为零或全为1 （二进制）。 (2) 不能以127开头。 例如：为回绕地址，可用来测试本机TCP/IP是否安装正确。 (3) 网络地址必须唯一。 (4) 主机标识在同一网络内必须是唯一的。,A类地址,主机ID,W,X,Y,Z,网络ID,32bit,A类地址,第一字段W：8位,0,特征位,A类地址,因为127为保留地址，所以W最大值为126,W的取值范围：1126,A类地址,网络ID(W.0.0.0)范围： 主机ID(X.Y.Z)范围：0.0.1255.255.254 IP地址范围：126.

27、 255.255.254,B类地址,主机ID,W,X,Y,Z,网络ID,32bit,B类地址,第一字段W：8位,1,0,特征位,B类地址,W的取值范围：128191,B类地址,网络ID(W.X.0.0)范围： 191.255. 0.0 主机ID(Y.Z)范围：0.1255.254 IP地址范围：54,C类地址,主机ID,W,X,Y,Z,网络ID,32bit,C类地址,第一字段W：8位,1,1,0,特征位,C类地址,W的取值范围：192223,C类地址,网络ID(W.X.Y.0)范围： 主机

28、ID(Z)范围：1254 IP地址范围：54, IP地址,2. 子网掩码 功能： （1）区分IP地址中的网络ID和主机ID。 （2）划分子网。 子网掩码长度：32bit 网络ID对应的部分用二进制数字“1”表示；主机ID对应的部分用二进制数字“0”表示。,A类子网掩码,子网掩码,A类IP地址, IP地址,A、B、C三类网络的子网掩码：如表4-3所示。, IP地址,子网掩码划分子网 利用子网掩码将一个大网络划分成多个子网，实现网络的有效管理。 例：某企业申请到一个 C类网络地址 ，子网掩

29、码为，现在由于业务需要，内部必须分成4个独立的网络。请用子网分割的方式建立子网。写出每个子网的网络ID、可用IP地址范围及子网掩码。 解： C类网络地址 对应的二进制为： 网络ID: 11001011. 01001010. 11001101. 00000000 子网掩码：11111111. 11111111. 11111111. 00000000,子网掩码划分子网,划分成 4个独立的网络，22=4，网络ID部分需增加2位 ，主机ID部分相应减少2位。 新网络ID: 11001011. 01001010.11001101.XX000000 新子网

30、掩码：11111111. 11111111.11111111.11000000 ( 255. 255 .255 . 192),子网掩码划分子网,子网1的网络ID: 11001011. 01001010.11001101.00000000（) 子网1的IP范围: 最小值： 11001011. 01001010.11001101.00000001 （) 最大值： 11001011.01001010.11001101.00111110 （2) 子网1的IP范围： 2）,子网掩码划分

31、子网,子网2的网络ID: 11001011. 01001010.11001101.01000000 （4) 子网2的IP范围: 最小值： 11001011. 01001010.11001101.01000001 （5) 最大值： 11001011.01001010.11001101.01111110 （26) 子网2的IP范围: 5 26,子网掩码划分子网,子网3的网络ID: 11001011. 01001010.11001101.10000000 （

32、28) 子网3的IP范围: 最小值：11001011. 11001010.11001101.10000001 （29) 最大值： 11001011.01001010.11001101.10111110 （90) 子网3的IP范围: 29 90,子网掩码划分子网,子网4的网络ID: 11001011. 01001010.11001101.11000000 （92) 子网4的IP范围: 最小值：11001011. 11001010.11001101.11000001 （203.7

33、4.205.193) 最大值： 11001011.01001010.11001101.11111110 （54) 子网4的IP范围: 93 54,3、缺省网关,指不同IP子网之间进行通信的接口IP地址，如路由器、代理服务器或网关的IP地址。,练习题：,1、在OSI参考模型中，具有路径选择功能的层次是_。 A.物理层 B. 数据链路层 C. 网络层 D.会话层,2、下列IP地址中属于C类地址的是 。 A. B. C. D.,3、在OSI参考模型中，负责

34、数据格式的转换和加密解密的层次是（ ） A. 应用层 B. 数据链路层 C. 表示层 D. 会话层 4、在配置计算机的TCP/IP协议时，以下哪个IP地址是可以分配给计算机的？（ ） A) IP地址:56 子网掩码: B) IP地址: 子网掩码: C) IP地址:5 子网掩码: D) IP地址: 子网掩码:,练习题：,5、“”为 地址。 6、B类IP地址中第一个字段的取值范围为 ,子网掩码为 。 7、网络中某主

35、机的IP地址为“20” ，子网掩码为“”，则该主机所在的网络ID为 ，主机ID为 。,某企业申请到一个 B类网络地址 ，子网掩码为，现在由于业务需要，内部必须分成4个独立的网络。请用子网分割的方式建立子网。写出每个子网的网络ID、可用IP地址范围及子网掩码。,4.3 网络操作系统,4.3.1 网络操作系统的定义和功能 1. 网络操作系统的基本概念 网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信和网络资源分配与共享功能的网络软件，它为用户提供了访问网络和操作网络的友好界面。,4.3.1网络操作系统的定义和功能,

36、2. 网络操作系统的功能 1）具有普通操作系统的基本功能 文件管理 设备管理 存储器管理 CPU管理 进程管理 应用程序管理,4.3.1 网络操作系统的定义和功能,2）具有网络操作系统的基本功能 提供通信交往能力 提供高效、友好的用户界面 支持多用户、多任务环境 提供有效的安全保证 提供各种管理实用程序 提供网络互联支持,4.3.1网络操作系统的定义和功能,3）提供各种网络服务 文件服务 （file service） 打印服务 （print service） 数据库服务（database service） 通信服务 （communication service） 信息服务 （message service） 分布式目录服务（distributed directory service） 网络管理服务（network management service） Internet/Intranet服务,4.3.2 常见的网络操作系统,1. UNIX网络操作系统 2. Linux网络操作系统 3. Novell公司的NetWare网络操作系统 4. Windows NT/2000/2003网络操作系统,4.3.2 常见的网络操作系统,1. UNIX网络操作系统 AT&T公司和SCO公司研制 优点： （1）多用户、多任务