第三章計算機網(wǎng)絡體系

第三章

計算機網(wǎng)絡協(xié)議與體系結構學習目標了解：計算機網(wǎng)絡協(xié)議網(wǎng)絡系統(tǒng)的分層體系結構網(wǎng)絡的3個著名標準化組織掌握：ISO的OSI7層參考模型ARPA的TCP/IP四層模型3.1網(wǎng)絡協(xié)議3.1.1協(xié)議的本質(zhì)網(wǎng)絡上計算機和設備之間相互通信和數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換的整套規(guī)則。3.1網(wǎng)絡協(xié)議3.1.2協(xié)議的中心任務語法—如何通信語義—通信內(nèi)容定時—通信的順序、速度等3.1.3協(xié)議的功能和種類協(xié)議的功能分割與重組尋址封裝與拆裝排序信息流的控制差錯控制同步干路傳輸連接控制3.1.3協(xié)議的功能和種類協(xié)議的分類3.2計算機網(wǎng)絡體系結構計算機網(wǎng)絡體系結構的形成問題的提出：如何保證要傳送的計算機數(shù)據(jù)能在這條通路上正確發(fā)送和接收？計算機文件格式如果不兼容，必須有文件轉(zhuǎn)換的功能對于出現(xiàn)的各種差錯如數(shù)據(jù)錯送錯誤，重復或丟失，或網(wǎng)絡中某節(jié)點交換機出現(xiàn)故障，接收方如何正確的接收數(shù)據(jù)？例：主機1向主機2通過網(wǎng)絡傳送文件假如文件的格式不一樣，至少一個主機要完成文件的轉(zhuǎn)化，需要一個文件傳送的模塊來完成。文件通過通信設備進行可靠的傳輸，由通信模塊來完成。負責網(wǎng)絡接口細節(jié)，幫助通信模塊完成任務。將文件傳送模塊換成郵件傳送模塊，同樣可以使用各層的功能。分層可以帶來如下好處：（1）各層之間是獨立的。（2）靈活性好。（3）結構上可分割開。（4）易于實現(xiàn)和維護。（5）能促進標準化工作。ARPANET設計時就提出了分層的方法。分層能夠?qū)嫶蠖鴱碗s的問題轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題。1974年IBM宣布了系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構SNA3.2.2計算機網(wǎng)絡體系結構概述為了使不同體系結構的計算機網(wǎng)絡都能互連，國際標準化組織ISO于1977年成立了專門機構研究該問題。不久，他們就提出一個試圖使各種計算機在世界范圍內(nèi)互連成網(wǎng)的標準框架，即著名的開放系統(tǒng)互連基本參考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，簡稱為OSI。

OSI7層參考模型7應用層6表示層5會話層4傳遞層3網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層國際標準組織（ISO）提出的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型。它將數(shù)據(jù)從一個站點到達另一個站點的工作分割成七個不同的任務，這些任務按層管理。解決網(wǎng)絡的應用問題解決與網(wǎng)絡的信號傳輸問題（無差錯傳輸）解決實際的信號傳輸1應用層確定進程之間通信的性質(zhì)以滿足用戶的需要(這反映在用戶所產(chǎn)生的服務請求)。處理的數(shù)據(jù)單元：報文處理的地址：進程標識—端口號端口端口是一個軟件結構，被客戶程序或服務進程用來發(fā)送和接收信息。一個端口對應一個16比特的數(shù)。服務進程通常使用一個固定的端口，例如，SMTP使用25、Xwindows使用6000。這些端口號是‘廣為人知’的，因為在建立與特定的主機或服務的連接時，需要這些地址和目的地址進行通訊。如果把IP地址比作一間房子

，端口就是出入這間房子的門。真正的房子只有幾個門，但是一個IP地址的端口

可以有65536個之多！端口是通過端口號來標記的，端口號只有整數(shù)，范圍是從0

到65535。端口有什么用呢？我們知道，一臺擁有IP地址的主機可以提供許多服務，比如Web服務、FTP服務、SMTP服務等，這些服務完全可以通過1個IP地址來實現(xiàn)。那么，主機是怎樣區(qū)分不同的網(wǎng)絡服務呢？顯然不能只靠IP地址，因為IP地址與網(wǎng)絡服務的關系是一對多的關系。實際上是通過“IP地址+端口號”來區(qū)分不同的服務的。端口并不是一一對應的需要注意的是，端口并不是一一對應的。比如你的電腦作為客戶機訪

問一臺WWW服務器時，WWW服務器使用“80”端口與你的電腦通信，但你的電腦則

可能使用“3457”這樣的端口.表示層表示層關心的是所傳輸?shù)男畔⒌恼Z法和語義，但其僅完成語法的處理而語義的處理是由應用層來完成的。這一層處理數(shù)據(jù)格式化問題，由于不同的軟件應用程序經(jīng)常使用不同的數(shù)據(jù)格式化方案，所以數(shù)據(jù)格式化是必需的這一層處理數(shù)據(jù)格式化問題，由于不同的軟件應用程序經(jīng)常使用不同的數(shù)據(jù)格式化方案，所以數(shù)據(jù)格式化是必需的這一層處理數(shù)據(jù)格式化問題，由于不同的軟件應用程序經(jīng)常使用不同的數(shù)據(jù)格式化方案，所以數(shù)據(jù)格式化是必需的。數(shù)據(jù)壓縮。當數(shù)據(jù)格式化后，在文本和數(shù)字中間可能會有空格也格式化了。數(shù)據(jù)壓縮將這些空格刪除并壓緊數(shù)據(jù)，減小其大小以便發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸后，由接收結點的表示層來解壓縮。會話層組織并協(xié)調(diào)兩個進程之間的通話。指定應用程序的端口號。會話層允許不同機器上的用戶建立會話關系，它主要是針對遠程訪問目的是完成正常的數(shù)據(jù)交換，并提供了對某些應用的增強服務會話。會話層的主要任務包括會話管理、傳輸同步以及數(shù)據(jù)交換管理等。會話一般都是面向連接的，例如，當文件傳輸?shù)街型緯r建立的連接突然斷了，是從文件的開始重傳還是斷點續(xù)傳，這個任務由會話層來完成。運輸層保證數(shù)據(jù)可靠地從發(fā)送結點發(fā)送到目標結點。例如，傳輸層確保數(shù)據(jù)以相同的順序發(fā)送和接收，并且傳輸后接收結點會給出響應。當網(wǎng)絡使用不同的要求包大小各異的協(xié)議時，將消息分段為較小的單元。網(wǎng)絡層它解決的是網(wǎng)絡與網(wǎng)絡之間，即網(wǎng)際的通信問題，而不是同一網(wǎng)段內(nèi)部的事。網(wǎng)絡層的主要功能即是提供路由，即選擇到達目標主機的最佳路徑，并沿該路徑傳送數(shù)據(jù)包。除此之外，網(wǎng)絡層還要能夠消除網(wǎng)絡擁擠，具有流量控制和擁擠控制的能力。數(shù)據(jù)鏈路層構造幀。每一幀均以特定的方式格式化，使得數(shù)據(jù)傳輸可以同步以將數(shù)據(jù)可靠地在結點間傳送。這一層將格式化數(shù)據(jù)，以便作為幀編碼為傳輸結點發(fā)送的電子信號，由接收結點解碼，并檢驗錯誤。包含著由地址和控制信息組成的域，物理層在物理媒體上傳輸原始的數(shù)據(jù)比特流。在物理層，傳輸?shù)碾p方應該有一致同意的約定，如：媒體信道上有多少條線，相應的插頭和插座的機械形狀和大小，插針的個數(shù)和排列、什么電信號（如多少伏電壓）代表“1”和什么電信號代表“0”，1比特的持續(xù)時間是多長，每個插針或每條線傳輸?shù)氖鞘裁葱盘枺ㄈ珉娫椿驍?shù)據(jù)或控制等）和它們之間應按什么順序升起或落下，最初的連接如何建立，傳輸完成后連接又如何終止等等。3.3.2OSI參考模型節(jié)點間的數(shù)據(jù)流3.4TCP/IP參考模型3.4.1TCP/IP參考模型概述TCP/IP名稱傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議OSI參考模型研究的初衷是希望為網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議的發(fā)展提供一種國際標準，但由于Internet在全世界的飛速發(fā)展，使得TCP/IP協(xié)議得到了廣泛的應用，雖然TCP/IP不是ISO標準，但廣泛的使用也使TCP/IP成為一種“實際上的標準”，并形成了TCP/IP參考模型。TCP/IP在不斷發(fā)展的過程中也吸收了OSI標準中的許多概念及特征。

TCP協(xié)議的特點：開放的協(xié)議標準，可以免費使用，并且獨立于特定的計算機硬件與操作系統(tǒng)。獨立于特定的網(wǎng)絡硬件，可以運行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互連網(wǎng)中。統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址分配方案，使得整個TCP/IP設備在網(wǎng)中都具有唯一的地址。

TCP/IP參考模型分層3.4.2TCP/IP協(xié)議簇網(wǎng)絡接口層網(wǎng)際層負責相鄰節(jié)點之間通信，數(shù)據(jù)分組的邏輯（IP）地址尋址與路由。網(wǎng)際協(xié)議—IPIP協(xié)議向傳輸層提供一種無連接的，不可靠的服務。這種方式下無法預先確定數(shù)據(jù)將沿著哪條線路到達目的地。以“無連接”方式來傳輸數(shù)據(jù)時，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、重復等現(xiàn)象，其可靠性不高，但優(yōu)點是靈活方便，可實現(xiàn)線路最大的利用率。網(wǎng)際協(xié)議—IPIP最明顯的一個功能是能使報文送到特定目的地。連接源和目的地網(wǎng)絡中的路由器和交換機使用目的IP地址確定經(jīng)過網(wǎng)絡的最優(yōu)路徑。相似的，IP報文也包括源機器地址。源地址的出現(xiàn)是因為目的機可能會和源機通信。網(wǎng)際協(xié)議—IP網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP它是TCP/IP協(xié)議族的一個子協(xié)議，用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網(wǎng)絡本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。

我們在網(wǎng)絡中經(jīng)常會使用到ICMP協(xié)議，只不過我們覺察不到而已。比如我們經(jīng)常使用的用于檢查網(wǎng)絡通不通的Ping命令（Linux和Windows中均有），這個“Ping”的過程實際上就是ICMP協(xié)議工作的過程。還有其他的網(wǎng)絡命令如跟蹤路由的Tracert命令也是基于ICMP協(xié)議的。地址解析協(xié)議ARP在局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡中實際傳輸?shù)氖恰皫?，幀里面是有目標主機的MAC地址的。在以太網(wǎng)中，一個主機要和另一個主機進行直接通信，必須要知道目標主機的MAC地址。但這個目標MAC地址是如何獲得的呢？它就是通過地址解析協(xié)議獲得的。所謂“地址解析”就是主機在發(fā)送幀前將目標IP地址轉(zhuǎn)換成目標MAC地址的過程。ARP協(xié)議的基本功能就是通過目標設備的IP地址，查詢目標設備的MAC地址，以保證通信的順利進行。

逆向地址解析協(xié)議RARP就是將局域網(wǎng)中某個主機的物理地址轉(zhuǎn)換為IP地址，比如局域網(wǎng)中有一臺主機只知道物理地址而不知道IP地址，那么可以通過RARP協(xié)議發(fā)出征求自身IP地址的廣播請求，然后由RARP服務器負責回答。

傳輸層TCP服務提供了數(shù)據(jù)流傳輸、可靠性、有效流控制、全雙工操作和多路復用技術等。TCP通過面向連接的、端到端的可靠數(shù)據(jù)報發(fā)送。UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。UDP協(xié)議基本上是IP協(xié)議與上層協(xié)議的接口。UDP協(xié)議適用端口分辨運行在同一臺設備上的多個應用程序。端口、套接字套接字：IP地址、服務類型(TCP\UDP)以及應用程序監(jiān)控的端口組成IP+端口號應用層使用TCP傳輸?shù)膽脤訁f(xié)議遠程登錄協(xié)議Telnet超文本傳輸協(xié)議Http簡單郵件協(xié)議SMTP郵件代理協(xié)議POP3文件傳輸協(xié)議FTP應用層使用UDP傳輸?shù)膽脤訁f(xié)議簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議SNMPTFTPRPC應用層使用TCP和UDP傳輸?shù)膽脤訁f(xié)議DNS3.5TCP/IP協(xié)議的基本參數(shù)在TCP/IP網(wǎng)絡中，每個主機都有唯一的地址，它是通過IP協(xié)議來實現(xiàn)的。IP協(xié)議要求在每次與TCP/IP網(wǎng)絡建立連接時，每臺主機都必須為這個連接分配一個唯一的32位地址，因為在這個32位IP地址中，不但可以用來識別某一臺主機，而且還隱含著網(wǎng)際間的路徑信息。需要強調(diào)指出的，這里的主機是指網(wǎng)絡上的一個節(jié)點，不能簡單地理解為一臺計算機，實際上IP地址是分配給計算機的網(wǎng)絡適配器（即網(wǎng)卡）的，一臺計算機可以有多個網(wǎng)絡適配器，就可以有多個IP地址，一個網(wǎng)絡適配器就是一個節(jié)點。IP地址的直觀表示法點分十進制標記法將4B的二進制數(shù)值轉(zhuǎn)換成4個十進制數(shù)值每個十進制數(shù)值小于等于2554個十進制數(shù)值間用“.”隔開IP地址的結構(1)網(wǎng)絡標識ID

網(wǎng)絡ID用于辨認子網(wǎng)，同一子網(wǎng)上的所有TCP/IP主機的網(wǎng)絡ID都相同。(2)主機ID主機ID用于辨認網(wǎng)絡中的每一個主機。

網(wǎng)絡類型網(wǎng)絡ID主機ID每一個利用TCP/IP通信的主機都需要一個唯一的IP地址，IP地址都被分成網(wǎng)絡地址和主機地址兩部分，這種尋址策略有些類似街道（網(wǎng)絡地址）和門牌號（主機地址）。如下圖：IP地址的分類IP地址的類型定義了網(wǎng)絡ID使用哪些位，主機ID使用哪些位，同時也定義了每類網(wǎng)絡中包含的網(wǎng)絡數(shù)目和每類網(wǎng)絡中可能包含的主機數(shù)目。表1表明了各類IP地址的定義及網(wǎng)絡ID和主機ID字段的取值范圍。下表歸納了A、B、C三類網(wǎng)絡的IP地址取值范圍。

網(wǎng)絡類別、網(wǎng)絡ID和主機ID字段的取值范圍網(wǎng)

絡

類

別IP地址網(wǎng)絡ID主機ID網(wǎng)絡編號(W)的取值范圍主

機

個

數(shù)AW.X.Y.ZWX.Y.Z1～126約1700萬BW.X.Y.ZW.XY.Z128～19165000CW.X.Y.ZW.X.YZ192～223254

網(wǎng)

絡

類

別網(wǎng)絡編號(W)的取值范圍網(wǎng)

絡

個

數(shù)主

機

個

數(shù)A1.X.Y.Z～126.X.Y.Z126約1700萬個B128.X.Y.Z～191.X.Y.Z1638465000C192.X.Y.Z～223.X.Y.Z約200萬個254

A、B、C三類網(wǎng)絡的特性參數(shù)取值范圍特殊IP地址的使用本網(wǎng)地址全‘0’廣播地址1.直接廣播主機向其他網(wǎng)絡的所有節(jié)點廣播信息構成：一個有效的網(wǎng)絡號和一個全“1”的主機號舉例：55發(fā)送直接廣播前需要知道目的網(wǎng)絡的網(wǎng)絡號2.有限廣播(1)將廣播限制在最小的范圍內(nèi)標準的IP編址：廣播將被限制在本網(wǎng)絡之中子網(wǎng)編址：廣播被限制在本子網(wǎng)之中(2)構成：55(3)發(fā)送