計算機網(wǎng)絡協(xié)議與體系結構(ppt 67頁).ppt

1、第3章 計算機網(wǎng)絡協(xié)議與體系結構,計算機網(wǎng)絡技術基礎 高等教育出版社,普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材,本章學習目標,了解：計算機網(wǎng)絡協(xié)議 了解：網(wǎng)絡系統(tǒng)的分層體系結構 掌握：ISO的OSI七層參考模型 了解：網(wǎng)絡的3個著名標準化組織 掌握：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 網(wǎng)絡中的計算機之間進行通信時，的語言被稱為“協(xié)議”。只有能夠講，而且可以理解這些“語言”的計算機才能在網(wǎng)絡上與其他計算機彼此通信。從這個意義上講，“協(xié)議”就是網(wǎng)絡的本質。 協(xié)議定義了網(wǎng)絡上的各種計算機和設備之間相互通信、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換的整套規(guī)則,3.1.2協(xié)議的中心任務,在計算機

2、網(wǎng)絡的一整套規(guī)則中，任何一種協(xié)議都需要解決語義、語法和定時的問題。 1.協(xié)議的語法（如何講）問題 2.協(xié)議的語義（講什么）問題 3.協(xié)議的定時（講話次序）問題,3.1.3協(xié)議的功能和種類,1.協(xié)議的功能 （1）分割與重組 協(xié)議的“分割”功能將較大的數(shù)據(jù)單元分割成較小的數(shù)據(jù)包，其反過程為“重組”如圖3-1所示,圖3-1 分割與重組,1.協(xié)議的功能,2）尋址 協(xié)議的“尋址”功能使得設備彼此識別，同時可以進行路徑選擇，如圖3-2,圖3-2 路徑選擇,1.協(xié)議的功能,3）封裝與拆裝 協(xié)議的“封裝”功能是指在數(shù)據(jù)單元（數(shù)據(jù)包）的始端或者末端增加控制信息，其相反的過程是“拆裝”，如圖3-3,圖3-3 數(shù)據(jù)

3、封裝與拆裝,1.協(xié)議的功能,4）排序,圖3-4 排序,1.協(xié)議的功能,5）信息流控制 協(xié)議的流量控制功能是指在信息流過大時，所采取的一系列措施，如圖3-5示,圖3-5 信息流控制,1.協(xié)議的功能,6）差錯控制 （7）同步 （8）干路傳輸 （9）連接控制 2.協(xié)議的分類 （1）標準或非標準協(xié)議 （2）直接或間接協(xié)議 （3）整體的協(xié)議或分層的結構化協(xié)議,3.2計算機網(wǎng)絡體系結構,3.2.1計算機網(wǎng)絡體系結構工作流程 計算機網(wǎng)絡體系結構的工作流程與圖2-6所示的郵政系統(tǒng)的工作流程十分相似。 圖2-6中，清楚地表明了信件發(fā)送和接收的過程，以及怎樣利用郵政系統(tǒng)來發(fā)送和接收信件。 在圖2-6所示的郵政系統(tǒng)

4、中，將發(fā)信端和收信端從上到下分為A、B、C、D四個層次,3.2計算機網(wǎng)絡體系結構,1.發(fā)送端（發(fā)件人所在地區(qū)） 在“發(fā)信人端”是按照從上至下，即ABCD的順序進行處理的。在每一層，都是按照本層和下層聯(lián)系的要求，依次封裝成新的郵包，并加入本層特有的標簽；之后，再傳遞到下一層指定的位置。 2.接收端（收件人所在地區(qū)） 在接收端是按照由下至上，即DCBA，的順序進行處理的。在每一層，都是依次拆封收到的包裝，完成本層應當完成的功能,圖3-6 郵政系統(tǒng)中信件傳遞工作過程示意圖,3.2計算機網(wǎng)絡體系結構,這種分層體系結構的最大優(yōu)點是層與層相互獨立。而且每層無須知道其他層次的功能；改變某一層的功能不會影響其

5、他層的工作。 3.2.2計算機網(wǎng)絡體系結構概述 1.層次化體系結構中的幾個基本概念 （1）協(xié)議（protocol） （2）層次（layer） （3）接口（interface,3.2計算機網(wǎng)絡體系結構,4）層次性模型結構 一個功能完備的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用了層次性結構；每層都會包含一個或多個協(xié)議。為此，我們將網(wǎng)絡層次性結構模型與各層次協(xié)議的集合定義為計算機網(wǎng)絡的體系結構。 （5）實體（Entity） 實體通常是通信時能發(fā)送和接收信息的具體的軟硬件設施,3.2計算機網(wǎng)絡體系結構,6）數(shù)據(jù)單元（Data Unit） 在OSI參考模型的不同結點內的對等層傳送的是相同名稱的數(shù)據(jù)包。這種網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包

6、，被稱為“數(shù)據(jù)單元”。由于每一個層次完成的功能不同，處理的數(shù)據(jù)單元的大小、名稱和內容也就不相同，如，幀、分組、報文等；另外，數(shù)據(jù)單元不同，地址的類型也不相同，如，物理（MAC）地址、IP地址、端口號等,2.網(wǎng)絡體系結構的研究意義與劃分原則,各層之間相互獨立。 結構上獨立分割。 靈活性好。 易于實現(xiàn)和維護。 有益于標準化的實現(xiàn),3.3ISO的七層參考模型,3.3.1 OSI七層參考模型的層次劃分原則與功能 1.OSI參考模型的基本知識 國際標準化組織（ISO）頒布的開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI/RM），即七層網(wǎng)絡通信模型。 OSI/RM體系結構七層模型從上到下依次為應用層、表示層、會話層、傳輸層

7、、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，參見圖3-7,圖3-7 OSI/RM網(wǎng)絡模型的結構示意圖,2.OSI參考模型的層次劃分原則,網(wǎng)絡中各結點都劃分為7個相同的層次結構。 不同結點的相同層次都有相同的功能。 同一結點內各相鄰層次之間通過層間接口，并按照接口協(xié)議進行通信。 每一層直接使用下面一層提供的服務，間接的使用下面所有層的協(xié)議。 每一層都向上一層提供服務。 不同結點之間按同等層的同層協(xié)議的規(guī)定，實現(xiàn)對等層之間的通信。 網(wǎng)絡中還有其他的體系結構的模型的分層數(shù)目雖然各不相同；但目的和分層思想都是類似的,3.OSI/RM七層模型的各層的功能,1）應用層（Application） 功能：為了滿足用戶的需要

8、，根據(jù)進程之間的通信性質，負責完成用戶要完成的各種程序或網(wǎng)絡服務的接口工作。 處理的數(shù)據(jù)單元：報文。 處理的地址：進程標識，端口號,3.OSI/RM七層模型的各層的功能,2）表示層（Presentation） 功能：處理結點間或通信系統(tǒng)間信息表示方式方面的問題。 處理的數(shù)據(jù)單元：報文。 （3）會話層（Session） 功能：會話層的主要作用是組織、協(xié)商、管理兩個應用進程之間的會話。 會話的含義：就是在不同主機的應用進程之間建立、維持聯(lián)系。 處理的數(shù)據(jù)單元：報文,3.OSI/RM七層模型的各層的功能,4）運輸層（Transport） 功能：在兩個端系統(tǒng)（源站和目的站）的會話層之間，建立一條可靠或

9、不可靠的運輸連接，以透明的方式傳送報文。 處理的數(shù)據(jù)單元：報文段。 處理的地址：進程標識，TCP和UDP端口號,3.OSI/RM七層模型的各層的功能,5）網(wǎng)絡層（Network） 功能：使用邏輯地址（IP地址）進行尋址，通過路由選擇算法為數(shù)據(jù)分組通過通信子網(wǎng)選擇最適當?shù)穆窂?，并提供網(wǎng)絡互聯(lián)及擁塞控制功能。 處理的數(shù)據(jù)單元：分組。 處理的地址：邏輯地址，如，IP地址,3.OSI/RM七層模型的各層的功能,6）數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link） 功能：負責在兩個相鄰結點間的線路上，無差錯地傳送以“幀”為單位的數(shù)據(jù)。 處理的數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)幀。 處理的地址：硬件的物理地址,3.OSI/RM七層模型的各層

10、的功能,7）物理層（Physical） 功能：為“數(shù)據(jù)鏈路層”提供一個物理連接。物理層定義了以下4個規(guī)章特性，用以確定如何使用物理傳輸介質來實現(xiàn)兩個結點間的物理連接。 物理層協(xié)議 處理的數(shù)據(jù)：二進制比特信號，如，二進制的基帶信號或模擬信號。 處理的地址：直接面向物理端口的各個管腳，如RS-232的管腳,4.OSI參考模型的各個部分,1）OSI模型在功能上分為3個部分 （2）OSI模型從控制上分為2個部分 第1、2、3層：即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層屬于通信子網(wǎng)，負責處理數(shù)據(jù)的傳輸、轉發(fā)、交換等通信方面的問題； 第4、5、6、7層：即傳輸層、會話層、表示層和應用層屬于資源子網(wǎng)，負責數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)

11、絡服務、網(wǎng)絡資源的訪問和服務方面的問題,3.3.2OSI參考模型結點間的數(shù)據(jù)流,在OSI環(huán)境中，主機與主機之間通信時，實際的數(shù)據(jù)流是如何傳遞的呢？ 1.OSI參考模型主機結點間通信的數(shù)據(jù)流 不同的主機之間在沒有中間結點設備時，主機之間數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)流動參見圖3-8,圖3-8 OSI環(huán)境中主機結點之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流,3.3.2 OSI參考模型結點間的數(shù)據(jù)流,1）發(fā)送結點 在發(fā)送方結點內的上層和下層之間傳輸數(shù)據(jù)時，每經(jīng)過一層都對數(shù)據(jù)附加一個信息頭部，即“封裝”，而該層的功能正是通過這個“控制頭”（附加的各種控制信息，）來實現(xiàn)的。 （2）接收結點 在接收方結點內，這七層的功能又依次發(fā)揮作用，并將各自的

12、“控制頭”去掉，即“拆封”，同時完成各層相應的功能。 不同的主機之間在有中間結點（網(wǎng)絡互聯(lián)設備）時，主機之間進行數(shù)據(jù)通信的實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流動參見圖3-9,圖3-9 OSI環(huán)境中含有中間結點的主機系統(tǒng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流,3.4TCP/IP參考模型,3.4.1TCP/IP參考模型概述 1.模型的名稱與制定者 （1）TCP/IP的名稱 中文名稱是“傳輸控制協(xié)議互連網(wǎng)絡協(xié)議”。TCP/IP模型是一個協(xié)議集。 （2）制定者 ARPA的英文全稱是“Advanced Research Projects Agency”，其中文名稱是“美國國防部高級研究計劃局,2.TCP/IP四層參考模型,參見表3-1和表3-2,

13、表3-2 OSI與TCP/IP標準比較,3.4.2TCP/IP協(xié)議簇,TCP/IP四層參考模型，雖然不是ISO的標準，是Internet上使用的主要標準，因而成為一種“實際上的工業(yè)標準”。 1. 網(wǎng)絡接口層 TCP/IP的最低層是網(wǎng)絡接口層。該層可以直接兼容常用的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)協(xié)議。 2. 網(wǎng)際層（Internet,3.4.2TCP/IP協(xié)議簇,網(wǎng)際層又被稱為互聯(lián)層、互聯(lián)網(wǎng)絡層或網(wǎng)間網(wǎng)絡層。主要負責相鄰結點之間，數(shù)據(jù)分組的邏輯（IP）地址尋址與路由。 IP（Internet Protocol，網(wǎng)際協(xié)議）：為IP數(shù)據(jù)包進行尋址和路由。 ICMP（Internet Control Message

14、Protocol，網(wǎng)際控制報文協(xié)議）：用于處理路由、協(xié)助IP層實現(xiàn)報文傳送的控制機制，并為IP協(xié)議提供差錯報告,3.4.2TCP/IP協(xié)議簇,ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）：用于完成主機的IP（Internet）地址向物理地址的轉換。 RARP（Reverse Address Resolution Protocol，逆向地址解析協(xié)議）：用來完成主機的物理地址到IP地址的轉換或映射功能,3.傳輸層（Transport,傳輸層又稱運輸層。提供端到端的可靠或不可靠的通信服務。端到端的通信服務通常是指網(wǎng)絡結點間應用程序之間的連接服務。 TCP（Trans

15、mission Control Protocol）傳輸控制協(xié)議：是一種面向連接的、高可靠性的、提供流量與擁塞控制的傳輸層協(xié)議。 UDP（User Datagram Protocol）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議：是一種面向無連接的、不可靠的、沒有流量控制的傳輸層層協(xié)議,3.傳輸層（Transport,TCP或UDP端口號（port） 定義：不同的進程用進程號或進程標識惟一地標識出來。進程標識符就是“端口號”，又被稱為“進程地址”。 端口號的表示：端口號的長度定義為16位二進制，其值可以是065535之間的任意十進制整數(shù)。 全局端口號：又稱“默認端口號”或“公認端口號”，每個客戶進程都知道相應服務器的全局端口

16、號。默認端口號的值定義在01023范圍內。 端口號與傳輸層協(xié)議的關聯(lián)： TCP和UDP有各自獨立的端口號，如表3-3和表3-4所示,表3-3 TCP端口號與服務進程,端口號服務進程說明 20FTP文件傳輸協(xié)議（數(shù)據(jù)連接） 21FTP文件傳輸協(xié)議（控制連接） 23Telnet遠程登錄或仿真（虛擬）終端協(xié)議 25SMTP簡單郵件傳輸協(xié)議 53DNS域名服務 80HTTP超文本傳輸協(xié)議 110POP郵局協(xié)議 111RPC遠程過程調用,表3-4 UDP端口號與服務進程,端口號服務進程說明 53DNS域名服務 67BOOTP引導程序協(xié)議又稱自舉協(xié)議 67DHCP動態(tài)主機配置協(xié)議69TFTP簡單文件傳輸協(xié)

17、議 111RPC遠程過程調用 123NTP網(wǎng)絡時間協(xié)議 161SNMP簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議,套接字（Socket,套接字（Socket）：套接字中的IP地址組件可以協(xié)助標識和定位目標計算機，而其中的端口則決定數(shù)據(jù)所要送達的具體應用程序。 定義：套接字，即Socket地址，又稱“套接字”或“插口”，它是應用子程序連接的標識，也是傳輸層的一種地址。 組成：套接字由IP地址（32 位）和端口號（16 位），總共48 位二進制組成。 應用：有了編程套接字的信息，網(wǎng)絡通信的編程才能實現(xiàn),4.應用層（Application,TCP/IP模型的應用層與OSI模型的上3層相對應。應用層常用的協(xié)議有下幾類： （1）

18、依賴于TCP協(xié)議的應用層協(xié)議 （2）依賴于無連接UDP協(xié)議的應用層協(xié)議 （3）非標準化協(xié)議 非標準化協(xié)議屬于用戶自己開發(fā)的專用應用程序，它們建立在TCP/IP協(xié)議簇基礎上,3.5TCP/IP協(xié)議的基本參數(shù),3.5.1 IPV4編址技術 在TCP/IP網(wǎng)絡中，每個節(jié)點（計算機或設備）都有一個惟一的IP地址。根據(jù)其IP地址，可以找到這臺計算機所在網(wǎng)絡的編號，以及該計算機在該網(wǎng)絡上的主機編號。 1.IP地址的表示 每個IP地址由32位二進制位組成；IP地址分為4個部分，每部分的8位二進制使用十進制數(shù)字表示。使用點分十進制的方式表示，如，,3.5TCP/IP協(xié)議的基本參數(shù),2.I

19、P地址的結構 每個IP地址由兩部分組成，其兩層地址結構如圖3-10所示,圖3- 10 TCP/IP網(wǎng)絡中IP地址的結構,2.IP地址的結構,1）網(wǎng)絡地址 網(wǎng)絡地址用于辨認網(wǎng)絡，又被稱為：網(wǎng)絡編號、網(wǎng)絡ID或網(wǎng)絡標識。 （2）主機地址 主機地址用于辨認同一網(wǎng)絡中的主機，也被稱為主機ID、主機編號或主機標識,3.IP地址的劃分,Internet委員會定義了5種標準的IP地址類型，格式參見圖3-11。 （1）A類地址:一般分配給大規(guī)模的網(wǎng)絡。 （2）B類地址:一般分配給中等規(guī)模的網(wǎng)絡。 （3）C類地址:一般分配給小規(guī)模的網(wǎng)絡。 （4）D類地址：用于多播，所謂的多播就是把數(shù)據(jù)同時發(fā)送給一組主機。 （5

20、）E類地址：是為將來預留的，也可以作為實驗地址,圖3-11 IP地址的分類結構,4.特殊IP地址及其使用,1）本網(wǎng)地址 將IP地址中主機地址位的各位全為“0”的IP地址叫做“本網(wǎng)地址”，也被稱為“0”地址。 （2）直接廣播地址（Directed Brordcasting） 將主機號各位全為“1”的IP地址稱為直接廣播地址。該地址主要用于廣播,4.特殊IP地址及其使用,3）有限廣播地址（Limiting Brordcasting） TCP/IP協(xié)議規(guī)定，32比特位全為“1”的IP地址（55）為“有限廣播地址”，這個地址主要用來進行本網(wǎng)廣播。當需要在本網(wǎng)內廣播，又不知道本

21、網(wǎng)的網(wǎng)絡號時，即可使用“有限廣播地址”。 （4）回送地址 IP地址中以127開始的IP地址作為保留地址，被稱為“回送地址,3.5.2IP地址的使用,1.IP地址中網(wǎng)絡地址的使用規(guī)則 網(wǎng)絡地址必須惟一。 網(wǎng)絡地址的各位不能全為“0”。 網(wǎng)絡地址字段的各位不能全為“1”。 網(wǎng)絡地址不能以127開頭。 IP地址的32位不等全為“1”,2.IP地址中主機地址的使用規(guī)則,在網(wǎng)絡地址相同時，主機地址（編號）必須惟一。 主機編號的各位不能全為0。 主機編號的各位不能全為“1,3.私有地址和公有地址,允許在Internet中使用的IP地址為公有地址，僅在局域網(wǎng)中使用的IP地址為私有地址。 InterNIC在I

22、P地址中專門保留了以下三個區(qū)域作為私有地址： /8：55，8表示32位二進制中的前8位是網(wǎng)絡地址。 /12：55，12表示32位中的前12位是網(wǎng)絡地址。 /16：192.168.055，16表示32位中的前16位是網(wǎng)絡地址,4.IP地址的分配和使用的基本原則,同一個網(wǎng)絡內的所有主機應當分配相同的網(wǎng)絡地址，而同一個網(wǎng)絡內的所有主機必須分配不同的主機編號。 不同網(wǎng)絡內的主機必須分配不相同的網(wǎng)絡地址，但是可以分配相同的主機編號。例如：

23、不同網(wǎng)絡和中的A主機和X主機。 在私有網(wǎng)絡中，僅使用IP地址是無法區(qū)分網(wǎng)絡地址和主機編號的。因此，IP地址必須結合子網(wǎng)掩碼一起使用,3.5.3TCP/IP協(xié)議的基本參數(shù),在配置TCP/IP協(xié)議時，一共有3個重要參數(shù)，即IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認網(wǎng)關。 1.子網(wǎng)掩碼（subnet masks） （1）什么是子網(wǎng)掩碼 （2）默認子網(wǎng)掩碼的類型 表3-5 列出了各類網(wǎng)絡默認的子網(wǎng)掩碼 （3）子網(wǎng)掩碼的兩個功能 區(qū)分IP地址的網(wǎng)絡編號與主機編號。 用于劃分子網(wǎng),2.默認網(wǎng)關或IP路由（default gateway或 IP router,默認網(wǎng)關”又稱IP路由

24、。簡單地說，默認網(wǎng)關就是通向遠程網(wǎng)絡的接口。 默認網(wǎng)關負責對非本網(wǎng)段的數(shù)據(jù)包進行處理，并轉發(fā)到目的網(wǎng)絡上。在配置TCP/IP時若沒有指明默認網(wǎng)關，則通信僅局限于本地網(wǎng)絡。 當TCP/IP主機在不同網(wǎng)絡（包含子網(wǎng)段）之間通信時，至少應當配置IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認網(wǎng)關3個參數(shù),3.5.4劃分子網(wǎng),1.子網(wǎng)和超網(wǎng) 子網(wǎng)的類型有IP子網(wǎng)、超網(wǎng)和VLAN子網(wǎng)等。 （1）IP子網(wǎng)（subnet） 子網(wǎng)技術就是將一個大網(wǎng)絡劃分成幾個較小網(wǎng)絡的技術。子網(wǎng)是多網(wǎng)絡環(huán)境中的一個網(wǎng)絡。將網(wǎng)絡分解成多個子網(wǎng)時，要求各子網(wǎng)使用不同的子網(wǎng)編號,3.5.4劃分子網(wǎng),2）超網(wǎng)（supernet） 由于Internet迅猛發(fā)展，因特網(wǎng)中的主機數(shù)目劇增，IPv4中的地址已消耗殆盡。為了解決這個問題，Internet信息管理中心設計了“超網(wǎng)”的管理方法。超網(wǎng)就是將一個單位所屬的多個同類型的網(wǎng)絡地址（大多是C類地址）合并為一個更大地址范圍的邏輯網(wǎng)絡。這樣既可以滿足用戶的需求，又避免了IP地址的浪費,2.劃分IP子網(wǎng)的原因,1）充分利用現(xiàn)有的IP地址資源 （2）減輕網(wǎng)絡的擁擠，提高網(wǎng)絡的性能 （3）提高網(wǎng)絡層設備的工作效率 （4）提高安全性和可管理性 （5）利于混合不同的物理網(wǎng)絡技術,3.劃分子網(wǎng)