第10章 計算機網絡及Internet

1、第10章 計算機網絡及Internet 第10章 計算機網絡及Internet 10.1 計算機網絡概述計算機網絡概述10.2 計算機局域網計算機局域網10.3 Internet基本概念基本概念10.4 IP協(xié)議協(xié)議10.5 運輸層協(xié)議運輸層協(xié)議10.6 互聯(lián)網工作過程互聯(lián)網工作過程10.7 Internet基本業(yè)務基本業(yè)務第10章 計算機網絡及Internet 10.1 計算機網絡概述計算機網絡概述10.1.1 計算機網絡發(fā)展計算機網絡發(fā)展 自從1946年世界上第一臺電子計算機ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer，電子數(shù)字積分計

2、算機)問世以來，隨著計算機技術的發(fā)展，以計算機為主體的各種遠程信息處理技術應運而生，計算機與通信的結合也在不斷發(fā)展。計算機網絡就是計算機學科與通信學科緊密結合的產物。第10章 計算機網絡及Internet 計算機網絡的發(fā)展主要經歷了以下四個階段。 第一階段：計算機技術與通信技術相結合，形成計算機網第一階段：計算機技術與通信技術相結合，形成計算機網絡的雛形。絡的雛形。 任何一種新技術的出現(xiàn)都必須具備兩個條件，即強烈的社會需求與先期技術的成熟。計算機網絡技術的形成與發(fā)展也證實了這條規(guī)律。 1946年ENIAC在美國誕生時，計算機技術與通信技術并沒有直接的聯(lián)系。50年代初，由于美國軍方的需要，美國半

3、自動地面防空系統(tǒng)SAGE進行了計算機技術與通信技術相結合的嘗試。它將遠程雷達與其他測量設施測到的信息通過總長度達到241萬千米的通信線路與一臺IBM計算機連接，進行集中的防空信息處理與控制。第10章 計算機網絡及Internet 1969年美國國防部高級研究計劃署(ARPA：Advanced Research Projects Agency)提出將多個大學、公司和研究所的多臺計算機互連成為計算機計算機網絡。網絡用戶可以通過計算機使用本地計算機的軟硬件與數(shù)據(jù)資源，也可以使用連網的其他地方計算機軟硬件與數(shù)據(jù)資源，以達到計算機資源共享的目的。1969年ARPANet只有4個節(jié)點，1973年發(fā)展到40

4、個節(jié)點，1983年已經達到100多個節(jié)點。ARPANet通過有線、無線與衛(wèi)星通信線路，使網絡覆蓋了從美國本土到歐洲與夏威夷的廣闊地域。第10章 計算機網絡及Internet ARPANet是計算機網絡技術發(fā)展的一個重要的里程碑，它對發(fā)展計算機網絡技術的主要貢獻表現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 第一個采用以分組的方式在網絡中進行交換和傳輸；(2) 首次提出數(shù)據(jù)以無連接的方式進行傳輸；(3) 分組在網絡中以自適應選路方式傳輸?shù)侥康亩恕?ARPA網絡研究成果對推動計算機網絡發(fā)展的意義是深遠的。在它的基礎之上，七、八十年代計算機網絡發(fā)展十分迅速，出現(xiàn)了大量的計算機網絡。第10章 計算機網絡及Internet

5、 第二階段：在計算機通信網絡的基礎上，完成網絡體系結第二階段：在計算機通信網絡的基礎上，完成網絡體系結構與協(xié)議的研究，形成了計算機網絡。構與協(xié)議的研究，形成了計算機網絡。 該階段所取得的成果對推動網絡技術的成熟和應用極其重要，它研究的網絡體系結構與網絡協(xié)議的理論成果為以后網絡理論的發(fā)展奠定了基礎。很多網絡系統(tǒng)經過適當修改與充實后仍在廣泛使用。目前國際上應用廣泛的Internet網絡就是在ARPANet的基礎上發(fā)展起來的。 但是，20世紀70年代后期人們已經看到了計算機網絡發(fā)展中出現(xiàn)的危機，那就是網絡體系結構與協(xié)議標準的不統(tǒng)一限制了計算機網絡自身的發(fā)展和應用。網絡體系結構與網絡協(xié)議標準必須走國際

6、標準化的道路。第10章 計算機網絡及Internet 第三階段：提出開放系統(tǒng)互連參考模型與協(xié)議，促進了符合第三階段：提出開放系統(tǒng)互連參考模型與協(xié)議，促進了符合國際標準的計算機網絡技術的發(fā)展。國際標準的計算機網絡技術的發(fā)展。 國際標準化組織ISO的計算機與信息處理標準化技術委員會TC97成立了一個分委員會SC16，研究網絡體系結構與網絡協(xié)議國際標準化問題。經過多年卓有成效的工作，ISO正式制定、頒布了“開放系統(tǒng)互連參考模型”(OSI RM：Open System Interconnection Reference Model)，即ISO/IEC 7498國際標準。ISO/OSI RM 已被國際社

7、會所公認，成為研究和制定新一代計算機網絡標準的基礎。第10章 計算機網絡及Internet 20世紀80年代，ISO與ITU等組織為參考模型的各個層次制定了一系列的協(xié)議標準，組成了一個龐大的OSI基本協(xié)議集。我國也于1989年在國家經濟系統(tǒng)設計與應用標準化規(guī)范中明確規(guī)定選定OSI標準作為我國網絡建設標準。ISO/OSI RM及標準協(xié)議的制定和完善正在推動計算機網絡朝著健康的方向發(fā)展。很多大的計算機廠商相繼宣布支持OSI標準，并積極研究和開發(fā)符合OSI標準的產品。各種符合OSI RM與協(xié)議標準的遠程計算機網絡、局部計算機網絡與城市地區(qū)計算機網絡已開始廣泛應用。隨著研究的深入，OSI標準將日趨完善

8、。第10章 計算機網絡及Internet 第四階段：計算機網絡向互連、高速、智能化方向發(fā)展，并第四階段：計算機網絡向互連、高速、智能化方向發(fā)展，并獲得廣泛的應用。獲得廣泛的應用。 進入20世紀80年代末期以來，在計算機網絡領域最引人注目的就是起源于美國的ARPANet，已經發(fā)展成世界上規(guī)模最大和增長速度最快的國際性計算機互連網絡Internet。Internet迅猛發(fā)展的原因是歐洲原子核研究組織CERN開發(fā)的萬維網WWW(World Wide Web)使用在Internet上，大大方便了廣大非網絡專業(yè)人員對網絡的使用，成為Internet的這種指數(shù)級增長的主要動力。第10章 計算機網絡及Int

9、ernet Internet是覆蓋全球的信息基礎設施之一，對于用戶來說，它像是一個龐大的遠程計算機網絡。用戶可以利用Internet實現(xiàn)全球范圍的電子郵件、電子傳輸、信息查詢、語音與圖像通信服務功能。實際上Internet是一個用路由器(Router)實現(xiàn)多個遠程網和局域網互連的網際網，它將對推動世界經濟、社會、科學、文化的發(fā)展產生不可估量的作用。第10章 計算機網絡及Internet 10.1.2 計算機網絡的概念、功能和分類計算機網絡的概念、功能和分類 1計算機網絡概念計算機網絡概念 計算機網絡是利用通信線路將地理位置分散的、具有獨立功能的許多計算機系統(tǒng)連接起來，按照某種協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，

10、以實現(xiàn)資源共享的信息系統(tǒng)。第10章 計算機網絡及Internet 2計算機網絡的功能計算機網絡的功能 計算機網絡既然是以共享為主要目標，那么它應具備下述幾個方面的功能。 1) 數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)通信功能實現(xiàn)計算機與終端、計算機與計算機間的數(shù)據(jù)傳輸，這是計算機網絡的基本功能。第10章 計算機網絡及Internet 2) 資源共享 網絡上的計算機彼此之間可以實現(xiàn)資源共享，包括軟硬件和數(shù)據(jù)。信息時代的到來，資源的共享具有重大的意義。首先，從投資考慮，網絡上的用戶可以共享網上的打印機、掃描儀等，這樣就節(jié)省了資金。其次，現(xiàn)代的信息量越來越大，單一的計算機已經不能將其存儲，只能分布在不同的計算機上，網絡用戶可

11、以共享這些信息資源。再次，現(xiàn)在計算機軟件層出不窮，在這些浩如煙海的軟件中，不少是免費共享的，這是網絡上的寶貴財富。任何連入網絡的人，都有權利使用它們。資源共享為用戶使用網絡提供了方便。第10章 計算機網絡及Internet 3) 實現(xiàn)分布式處理 網絡技術的發(fā)展，使得分布式計算成為可能。對于大型的課題，可以分為許許多多的小題目，由不同的計算機分別完成，然后再集中起來解決問題。 由此可見，計算機網絡可以大大擴展計算機系統(tǒng)的功能，擴大其應用范圍，提高可靠性，為用戶提供方便，同時也減少了費用，提高了性能價格比。第10章 計算機網絡及Internet 3計算機網絡的分類計算機網絡的分類 (1) 按網絡節(jié)

12、點分布，計算機網絡可分為局域網(LAN：Local Area Network)、廣域網(WAN：Wide Area Network)和城域網(MAN：Metropolitan Area Network)。 局域網是一種在小范圍內實現(xiàn)的計算機網絡，一般在一個建筑物內、一個工廠內或一個事業(yè)單位內，為單位獨有。局域網距離可在十幾千米以內，信道傳輸速率可達1000 Mb/s，結構簡單，布線容易。廣域網范圍很廣，可以分布在一個省內、一個國家內或幾個國家之間。廣域網連網技術、結構比較復雜。城域網是在一個城市內部組建的計算機信息網絡，提供全市的信息服務。第10章 計算機網絡及Internet (2) 按交換

13、方式計算機網絡可分為電路交換網絡(Circuit Switching)、報文交換網絡(Message Switching)和分組交換網絡(Packet Switching)等。 (3) 按網絡拓撲結構計算機網絡可分為星型網絡、樹型網絡、總線型網絡、環(huán)型網絡和網狀網絡等。應該指出, 在實際組網中, 拓撲結構不一定是單一的, 通常是幾種結構的混用。 10.1第10章 計算機網絡及Internet 10.2 計算機局域網計算機局域網10.2.1 計算機局域網體系結構計算機局域網體系結構1計算機局域網的技術特點計算機局域網的技術特點 計算機局域網LAN產生于20世紀60年代末。20世紀70年代出現(xiàn)了一

14、些實驗性的網絡，到80年代，局域網的產品已經大量涌現(xiàn)，其典型代表就是Ethernet。近年來，隨著社會信息化的發(fā)展，計算機局域網技術得到很大的進步，其應用范圍也越來越廣。第10章 計算機網絡及Internet (1) 局域網覆蓋有限的地理范圍，它適用于機關、公司、校園、軍營、工廠等有限范圍內的計算機、終端與各類信息處理設備連網的需求； (2) 局域網具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率(10100 Mb/s)、低誤碼率(10-8)的高質量數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境； (3) 局域網一般屬于一個單位所有，易于建立、維護和擴展。 決定局域網特性的主要技術要素是網絡拓撲結構、傳輸介質與介質訪問控制方法。第10章 計算機網絡及I

15、nternet 2計算機局域網的參考模型計算機局域網的參考模型 美國電氣和電子工程師學會IEEE 802課題小組為計算機局域網制定了許多標準，大部分得到國際標準化組織的認可。 IEEE 802標準遵循ISO/OSI參考模型的原則，確定最低兩層物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能以及與網絡層的接口服務、網絡互連有關的高層功能。要注意的是，按OSI的觀點，有關傳輸介質的規(guī)格和網絡拓撲結構的說明，應比物理層還低，但對局域網來說這兩者卻至關重要，因而在IEEE 802模型中，包含了對兩者詳細的規(guī)定，圖10.2是局域網參考模型與OSI參考模型的對比。第10章 計算機網絡及Internet 圖圖10.2 IEEE 8

16、02參考模型與參考模型與OSI模型的比較模型的比較應用層表示層會話層運輸層網絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層傳輸介質OSI 參考模型傳輸介質物理層介質訪問控制 MAC邏輯鏈路控制 LLCIEEE 802 參考模型高層協(xié)議LLC 業(yè)務訪問點IEEE 802標準的范圍第10章 計算機網絡及Internet 局域網參考模型只用到OSI參考模型的最低兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個子層，媒體訪問控制MAC和邏輯鏈路控制LLC。物理媒介、介質訪問控制方法等對網絡層的影響在MAC子層已完全隱蔽起來了。數(shù)據(jù)鏈路層與媒體接入無關的部分都集中在邏輯鏈路控制LLC子層。第10章 計算機網絡及Internet MA

17、C子層主要有如下功能：子層主要有如下功能：(1) 將上層來的數(shù)據(jù)封裝成幀進行發(fā)送，接收時進行相反的過程；(2) 實現(xiàn)和維護MAC協(xié)議；(3) 比特差錯檢測。LLC子層主要有如下功能：子層主要有如下功能：(1) 建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接；(2) 提供與高層的接口；(3) 差錯控制；(4) 給幀加上序號。第10章 計算機網絡及Internet 3IEEE 802標準標準 IEEE 802 標準包括以下主要部分: (1) IEEE 802.1 概述、系統(tǒng)結構和網絡互連，以及網絡管理和性能測量。 (2) IEEE 802.2 邏輯鏈路控制。這是高層協(xié)議與任何一種局域網MAC子層的接口。 (3)

18、IEEE 802.3 CSMA/CD。定義CSMA/CD總線網的MAC子層和物理層的規(guī)約。 (4) IEEE 802.4 令牌總線網。定義令牌傳遞總線網的MAC子層和物理層的規(guī)約。 (5) IEEE 802.5 令牌環(huán)形網。定義令牌傳遞環(huán)形網的MAC子層和物理層的規(guī)約。 (6) IEEE 802.11 無線局域網。第10章 計算機網絡及Internet 10.2.2 以太網以太網Ethernet IEEE 802.3定義了一種基帶總線局域網標準，其速率為共享總線10 Mb/s。標準包含MAC子層和物理層的內容。 根據(jù)物理層介質的不同Ethernet可分為10 Base-2(基帶粗同軸)、10

19、Base-5(基帶細銅軸)、10 Base-T(基帶雙絞線)、10 Base-FL(基帶光纖)幾種類型。 在MAC子層，共享介質的訪問控制采用CSMA/CD協(xié)議(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。由于歷史的原因，人們習慣上將采用IEEE 802.3標準的局域網稱為Ethernet。第10章 計算機網絡及Internet 1帶有碰撞檢測的載波偵聽多點訪問法帶有碰撞檢測的載波偵聽多點訪問法(CSMA/CD) CSMA/CD含有兩方面的內容，即載波偵聽(CSMA)和沖突檢測(CD)。CSMA/CD訪問控制方式主要用于總線型

20、和樹型網絡拓撲結構，基帶傳輸系統(tǒng)。信息傳輸是以“包”為單位，簡稱信包，發(fā)展為IEEE 802.3基帶CSMA/CD局域網標準。第10章 計算機網絡及Internet CSMA/CD的設計思想如下：的設計思想如下： 1) 偵聽(監(jiān)聽)總線 查看信道上是否有信號是CSMA系統(tǒng)的首要問題，各個站點都有一個“偵聽器”，用來測試總線上有無其他工作站正在發(fā)送信息(也稱為載波識別)，如果信道已被占用，則此工作站等待一段時間后再爭取發(fā)送權；如果偵聽總線是空閑的，沒有其他工作站發(fā)送的信息就立即搶占總線進行信息發(fā)送。查看信號的有無稱為載波偵聽載波偵聽，而多點訪問多點訪問指多個工作站共同使用一條線路。第10章 計算

21、機網絡及Internet CSMA技術中要解決的另一個問題是偵聽信道已被占用時，等待的一段時間如何確定。通常采用以下兩種方法： 方法一：當某工作站檢測到信道被占用后，繼續(xù)偵聽下去，一直等到發(fā)現(xiàn)信道空閑后，立即發(fā)送，這種方法稱為持續(xù)的載波偵聽多點訪問。 方法二：當某工作站檢測到信道被占用后，就延遲一個隨機時間，然后再檢測，不斷重復上述過程，直到發(fā)現(xiàn)信道空閑后，開始發(fā)送信息，這種方法稱為非持續(xù)載波偵聽多點訪問。第10章 計算機網絡及Internet 2) 沖突檢測(碰撞檢測) 當信道處于空閑時，某一個瞬間，如果總線上兩個或兩個以上的工作站同時都想發(fā)送信息，那么該瞬間它們都可能檢測到信道是空閑的，同

22、時都認為可以發(fā)送信息，從而一齊發(fā)送，這就產生了沖突(碰撞)；另一種情況是某站點偵聽到信道是空閑的，但這種空閑可能是較遠站點已經發(fā)送了信包(由于在傳輸介質上信號傳送的延時，信包還未傳送到此站點的緣故)，如果此站點又發(fā)送信息，則也將產生沖突，因此消除沖突是一個重要的問題。第10章 計算機網絡及Internet 3) 沖突加強 如果在發(fā)送數(shù)據(jù)幀過程中檢測出沖突，在CSMA/CD介質存取方法中，首先進入發(fā)送“沖突加強信號(Jamming Signal)”階段。CSMA/CD采用沖突加強措施的目的是確保有足夠的沖突持續(xù)時間，以使網中所有節(jié)點都能檢測出沖突存在，廢棄沖突幀，減少因沖突浪費的時間，提高信道利

23、用率。沖突加強中發(fā)送的阻塞(JAM)信號一般為4字節(jié)的任意數(shù)據(jù)。第10章 計算機網絡及Internet 4) 重新發(fā)送數(shù)據(jù) 完成“沖突加強”過程后，節(jié)點停止當前幀發(fā)送，進入重發(fā)狀態(tài)。進入重發(fā)狀態(tài)的第一步是計算重發(fā)次數(shù)。IEEE 802.3協(xié)議規(guī)定一個幀最大重發(fā)次數(shù)為16次。如果重發(fā)次數(shù)超過16次，則認為線路故障，系統(tǒng)進入“沖突過多”結束狀態(tài)。如重發(fā)次數(shù)N16，則允許節(jié)點隨機延遲后再重發(fā)。 在計算后退延遲時間，并且等待后退延遲時間到之后，節(jié)點將重新判斷總線忙、閑狀態(tài)，重復發(fā)送流程。第10章 計算機網絡及Internet 如果在發(fā)送數(shù)據(jù)幀過程中沒有檢測出沖突，在數(shù)據(jù)幀發(fā)送結束后，進入結束狀態(tài)。 C

24、SMA/CD的發(fā)送流程可簡單地概括成四點：先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停止，隨機延遲后重發(fā)。 從以上可以看出，任何一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)都要通過CSMA/CD方法去競爭總線使用權，從它準備發(fā)送到成功發(fā)送的發(fā)送等待延遲時間是不確定的。因此CSMA/CD方法為隨機競爭型介質訪問控制方法。第10章 計算機網絡及Internet 2以太網物理層介質以太網物理層介質 對于具體可選用的物理層的實現(xiàn)方案，IEEE 802.3制定了以下一個簡明的表示法： 例如10 Base-2，10代表傳輸速率是10 Mb/s，Base代表采用基帶信號方式，2代表一個網段的長度是200米。第10章 計算機網絡及Internet 表表1

25、0.1 IEEE 802.3 10 Mb/s物理層介質比較物理層介質比較 10 Base-5 10 Base-2 10 Base-T 10 Base-F 傳輸介質 同軸電纜(粗) 同軸電纜(細) 非屏蔽雙絞線 850nm 光纖對 編碼技術 基帶(曼徹斯特碼) 基帶(曼徹斯特碼 基帶(曼徹斯特碼 基帶(曼徹斯特碼 拓撲結構 總線 總線 星型 星型 最大段長/m 500 185 100 500 每段最大節(jié)點數(shù) 100 30 33 線纜直徑 10 mm 5 mm 0.40.6 mm 62.5/125 m 第10章 計算機網絡及Internet 百兆以太網百兆以太網 百兆以太網指100 Base-T或

26、快速Ethernet, IEEE 802.3委員會于1995制訂了快速Ethernet標準IEEE 802.3 ，該新標準作為對IEEE 802.3的補充和擴充，保持了和原有標準的兼容性。 快速Ethernet在MAC子層仍然使用CSMA/CD協(xié)議，幀結構和幀的最小長度也保持不變，但幀的發(fā)送間隔從9.6 s減少到0. 96 s，以支持在共享介質上100 Mb/s基帶信號的傳輸速率。第10章 計算機網絡及Internet 千兆千兆Ethernet 千兆Ethernet標準在IEEE 802.3委員會制定的IEEE 802.3z中定義，它與Ethernet和快速Ethernet 工作原理相同，在定

27、義新的介質和傳輸規(guī)范時，千兆Ethernet保留了CSMA/CD協(xié)議和MAC幀格式，幀間隔則提升到0. 096 s。 目前千兆Ethernet標準包含的主要物理層介質是： 1000 Base-LX: 使用62.5 m或50 m多模光纖，最長網段距離為550 m；采用1 m單模光纖，最長網段距離為5 km。工作波長范圍為12701355 nm。第10章 計算機網絡及Internet (1) 在局域網方面：主要用于組建網絡骨干，在局域網交換機到交換機的互連中使用千兆Ethernet接口，例如，長距離使用光纖，短距離則使用銅線，以解決由于100兆Ethernet普及后，對骨干網帶寬的壓力。 (2)

28、在廣域網和城域網中：由于千兆Ethernet與ATM技術相比，不但技術簡單，而且成本低，提供寬帶的能力也強于ATM，由于與現(xiàn)有的企業(yè)、機構局域網互通簡單，因而它目前也被廣泛用于組建基于IP的城域網和IP廣域骨干網。10.2第10章 計算機網絡及Internet 10.3 Internet基本概念基本概念10.3.1 互聯(lián)網結構及協(xié)議模型互聯(lián)網結構及協(xié)議模型 1Internet結構結構 從網絡通信的觀點來看，Internet是一個由TCP/IP把各個國家、各個機構、各個部門的內部網絡連接起來的龐大的數(shù)據(jù)通信網；從信息資源的角度來看，Internet是一個集各個領域、各個部門內各種信息資源共享為目

29、的的信息資源網；從技術的角度來看，Internet是一個“不同網絡互連的網絡”(網際網)，實際是由許多網絡(包括局域網、城域網和廣域網)互連形成的。第10章 計算機網絡及Internet 圖10.8為全球互連網絡示意圖。每個國家內部由骨干網、城域網及用戶駐地園區(qū)網組成。國家之間由骨干網互連起來，用戶就可以共享全球任意一個國家的資源。 中國信息產業(yè)部與美國Sprint電信公司于1994年8月30日簽署了中華人民共和國通過Sprint Link與Internet互連的協(xié)議。目前，用戶可以通過運營商提供的ChinaNet、CERNet、金橋網、科學網等網絡進入Internet，實現(xiàn)全球資源共享。第1

30、0章 計算機網絡及Internet 圖圖10.8 全球互連網絡示意圖全球互連網絡示意圖城域網園區(qū)網園區(qū)網園區(qū)網園區(qū)網城域網園區(qū)網園區(qū)網城域網園區(qū)網園區(qū)網國家骨干網城域網國家骨干網國際骨干網第10章 計算機網絡及Internet 2TCP/IP分層模型分層模型 關于協(xié)議分層，前面我們詳細介紹了ISO開放系統(tǒng)互連OSI網絡體系結構模型，同樣TCP/IP也采用分層體系結構。TCP/IP與OSI模型是不同的，OSI模型來自于標準化組織，而TCP/IP則不是人為制定的標準，而是產生于Internet網的研究和應用實踐中。TCP/IP完全撇開了網絡的物理性，“網絡”是一個高度抽象的概念，即將任何一個能傳輸

31、數(shù)據(jù)分組的通信系統(tǒng)都看作網絡。這種概念為協(xié)議的設計提供了極大的方便，大大簡化了網絡互連技術的實現(xiàn)，為TCP/IP賦予了極大的靈活性和適應性。 第10章 計算機網絡及Internet TCP/IP共分五層。與OSI七層模型相比，TCP/IP沒有表示層和會話層，這兩層的功能由最高層應用層提供。同時，TCP/IP分層協(xié)議模型在各層名稱定義及功能定義等方面與OSI模型也存在著差異。 TCP/IP是由許多協(xié)議組成的協(xié)議族，其詳細的協(xié)議分類如圖10.9所示。圖中同時給出了OSI模型的對應層。對于OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，TCP/IP不提供任何協(xié)議，由網絡接入層協(xié)議負責。對于網絡層，TCP/IP提供了

32、一些協(xié)議，但主要是IP協(xié)議，對于運輸層，TCP/IP提供了兩個協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP；對于應用層，TCP/IP提供了大量的協(xié)議，作為網絡服務，如 Telnet、FTP等。第10章 計算機網絡及Internet 圖圖10.9 TCP/IP族族TelenetFtpSmtpDNSTFTPNFSSNMPTCPUDPIP層（ARP、RARP、ICMP）網絡接入層物理層應用層運輸層網絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層第10章 計算機網絡及Internet 3TCP/IP模型各層功能模型各層功能 1) 應用層 TCP/IP應用層為用戶提供訪問 Internet的一組應用高層協(xié)議，即一組應用程序，如F

33、TP、Telnet等。 應用層的作用是對數(shù)據(jù)進行格式化，并完成應用所要求的服務。數(shù)據(jù)格式化的目的是便于傳輸與接收。 嚴格地說，應用程序并不是TCP/IP的一部分，只是由于TCP/IP對此制定了相應的協(xié)議標準，所以將它們作為TCP/IP的內容。實際上，用戶可以在Internet之上(運輸層之上)建立自己的專用程序。設計使用這些專用應用程序要用到TCP/IP，但不屬于TCP/IP。第10章 計算機網絡及Internet 2) 運輸層 TCPIP運輸層的作用是提供應用程序間(端到端)的通信服務。為實現(xiàn)可靠傳輸，該層協(xié)議規(guī)定接收端必須向發(fā)送端發(fā)回確認；若有分組丟失時，必須重新發(fā)送。該層提供了以下兩個協(xié)

34、議： (1) 傳輸控制協(xié)議TCP：負責提供高可靠的數(shù)據(jù)傳送服務，主要用于一次傳送大量報文，如文件傳送等。 (2) 用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP：負責提供高效率的服務，用于一次傳送少量的報文，如數(shù)據(jù)查詢等。第10章 計算機網絡及Internet 3) IP層 TCP/IP網絡層的核心是IP協(xié)議，同時還提供多種其他協(xié)議。IP協(xié)議提供主機間的數(shù)據(jù)傳送能力，其他協(xié)議提供IP協(xié)議的輔助功能，協(xié)助IP協(xié)議更好地完成數(shù)據(jù)報文傳送。 IP層的主要功能有三點： (1) 處理來自運輸層的分組發(fā)送請求。收到請求后，將分組裝人IP數(shù)據(jù)報，填充報頭，選擇路由，然后將數(shù)據(jù)報發(fā)往適當?shù)木W絡接口。第10章 計算機網絡及Internet

35、 (2) 處理輸入數(shù)據(jù)報。首先檢查輸入的合法性，然后進行路由選擇。假如該數(shù)據(jù)報已到達目的地(本機)，則去掉報頭，將剩下的部分(即運輸層分組)交給適當?shù)膫鬏攨f(xié)議；假如該數(shù)據(jù)報未到達目的地，則轉發(fā)該數(shù)據(jù)報。 (3) 處理差錯與控制報文。處理路由、流量控制、擁塞控制等問題。第10章 計算機網絡及Internet 網絡層提供的其他協(xié)議主要有： (1) 地址解析協(xié)議ARP：用于將Internet地址轉換成物理地址； (2) 反向地址解析協(xié)議RARP：與ARP的功能相反，用于將物理地址轉換成Internet地址； (3) 網間控制信息協(xié)議ICMP：用于報告差錯和傳送控制信息，其控制功能包括：差錯控制、擁塞

36、控制和路由控制等。第10章 計算機網絡及Internet 4) 網絡接入層 網絡接入層是 TCP/IP協(xié)議軟件的最低一層，主要功能是負責接收IP分組，并且通過特定的網絡進行傳輸，或者從網絡上接收物理幀，抽出IP分組，上交給運輸層。第10章 計算機網絡及Internet 10.3.2 IP編址方式編址方式 在計算機技術中，地址是一種標識符，用于標識系統(tǒng)中的某個對象，不同的物理網絡技術有不同的編址方式。IP網絡技術是將不同物理網絡技術統(tǒng)一起來的高層軟件技術，在統(tǒng)一的過程中，首先要解決的問題就是地址的統(tǒng)一。對于地址，首先的要求是唯一性，即在同一系統(tǒng)中一個地址只能對應一臺主機(一臺主機則不一定對應一個

37、地址)?；ヂ?lián)網中采用了一種全局通用互聯(lián)網中采用了一種全局通用的地址格式的地址格式，為全網的每一臺主機分配一個網絡地址，依次來屏蔽物理網絡地址的差異，從而為保證其以一個一致性實體的形象出現(xiàn)奠定了重要基礎。第10章 計算機網絡及Internet 1分類編址機制分類編址機制 最初的互聯(lián)網采用簡單的分類編址機制，一個IP地址由4個8位字節(jié)數(shù)字串組成，這4個字節(jié)通常用小數(shù)點分隔。每個字節(jié)可用十進制或十六進制表示，如2或0 x8.0 x43.0 x10.0 x26 就是用十進制或十六進制表示的IP地址。IP地址也可以用二進制表示。 一個IP地址包括兩個標識碼(ID)，即網絡ID和主機I

38、D，如圖10.10所示。圖圖10.10 IP地址的組成地址的組成網絡 ID主機 ID第10章 計算機網絡及Internet 同一個物理網絡上的所有主機都用同一個網絡ID，網絡上的一個主機(包括網絡上工作站、服務器和路由器等)有一個主機ID與其對應。據(jù)此把IP地址的4個字節(jié)劃分為兩個部分，一部分用以標明具體的網絡段，即網絡ID；另一部分用以標明具體的節(jié)點，即宿主機ID。 在這32位地址信息內有五種定位的劃分方式，這五種劃分方法分別對應于A、B、C、D和E類IP地址，如表10.2所示。 第10章 計算機網絡及Internet 表表10.2 IP地址劃分方法地址劃分方法第10章 計算機網絡及Inte

39、rnet A類：一個A類IP地址由1個字節(jié)的網絡地址和3個字節(jié)的主機地址組成，網絡地址的最高位必須是“0”(每個字節(jié)有8位二進制數(shù))。 B類：一個B類IP地址由2個字節(jié)的網絡地址和2個字節(jié)的主機地址組成，網絡地址的最高兩位必須是“10”。 C類：一個C類地址由3個字節(jié)的網絡地址和1個字節(jié)的主機地址組成，網絡地址的最高三位必須是“110。 第10章 計算機網絡及Internet D類：用于多點播送。第一個字節(jié)以“1110”開始。因此，任何第一個字節(jié)大于223小于240的IP地址是多點播送地址。 E類：以“11110”開始，為將來使用保留。 傳統(tǒng)分類編址方式使得同一物理網絡上的所有主機共享一個相同

40、的前綴網絡ID，在互聯(lián)網中選路時，只檢查目的地址的網絡ID，就可以找到目的主機所在的物理網絡。第10章 計算機網絡及Internet 2子網編址子網編址 20世紀80年代，隨著局域網的流行，傳統(tǒng)分類編址方式為每個物理網絡分配一個獨特的前綴會迅速耗盡地址空間，因此開發(fā)了一種地址擴展來保存網絡前綴，這種方法稱為子網編址(Subnet Addressing)，允許多個物理地址共享一個前綴。 子網劃分用來把一個單一的IP網絡地址劃分成多個更小的子網(Subnet)。這種技術可使一個較大的分類IP地址能夠被進一步劃分。子網劃分基于以下原理：采用借位的方式，從主機位最高位開始借位變?yōu)樾碌淖泳W位，所剩余的部

41、分則仍為主機位。這使得IP地址的結構由網絡號加主機號變?yōu)槿糠郑壕W絡號、子網號和主機號。 第10章 計算機網絡及Internet 子網劃分的方法如圖10.11所示。在Internet地址中，網絡地址部分不變，原主機地址劃分為子網地址和主機地址。圖圖10.11 子網劃分原理子網劃分原理網絡地址子網地址主機地址第10章 計算機網絡及Internet 掩碼（掩碼（Mask）與子網掩碼）與子網掩碼(Subnet Mask) 掩碼用于識別IP地址網絡部分/主機部分。每一個網絡都選用32位的掩碼，掩碼中的1對應著IP地址的網絡號，掩碼中的0對應著IP地址的主機號。 子網掩碼則是掩碼的一部分，可以進一步劃分

42、出子網。 例如：IP地址為，掩碼為，將這兩個數(shù)進行二進制的邏輯與，得到結果為：網絡部分是134.211，IP地址剩余部分就是主機號32.1。 如果對B類網絡134.211進行了子網劃分，如果子網掩碼為0 . 0 . 2 4 0 . 0 ( 整 個 掩 碼 為 2 5 5 . 2 5 5 . 2 4 0 . 0 / 2 0 ， 即11111111.11111111.11110000.00000000)。 第10章 計算機網絡及Internet 10.3.3 域名系統(tǒng)域名系統(tǒng) 在Internet中IP地址由32 bit組成，對于這種數(shù)字型地址，用戶很難

43、記憶和理解。為了向用戶提供一種直觀明白的主機標識符，TCP/IP開發(fā)了一種命名協(xié)議，即域名系統(tǒng)DNS(Domain Name System)。這是一種字符型的主機命名機制，用于實現(xiàn)主機名與主機地址間的映射。第10章 計算機網絡及Internet 1命名機制命名機制 Internet允許每個用戶為自己的計算機命名，并且允許用戶輸入計算機的名字來代替機器的地址。Internet提供了將主機名字翻譯成地址的服務。 對主機名字的首要要求是全局惟一性，這樣才可在整個網中通用；其次要便于管理，這里包括名字的分配、確認和回收等工作；最后要便于名字與IP地址之間的映射。對這樣三個問題的特定解決方法，便構成了特

44、定的命名機制。 在網絡技術中最先采用的是無層次命名機制，由于其能力有限，現(xiàn)已被淘汰。TCP/IP采用的是層次型命名機制，其層次型命名結構與Internet網絡體系結構相對應。第10章 計算機網絡及Internet 在層次型命名管理中，首先由中央管理機構將最高一級名字空間劃分為若干部分，并將各部分的管理權授予相應機構；各管理機構可以將自己管轄的名字空間再進一步劃分成若干子部分，并將這些子部分的管理權再授予若干子機構。 一個通用的完整的層次型主機名格式如下： 本地名組名網點名其中，一個網點是Internet中的一個部分，由若干在地址位置或組織關系上聯(lián)系非常緊密的網絡組成；一個網點內又可分為若干個“

45、管理組”，并以此作為基礎；在組名之下是各主機“本地名”。 為保證主機名的惟一性，則只要保證同層名字不發(fā)生沖突即可。第10章 計算機網絡及Internet 2Internet域名域名 TCP/IP命名協(xié)議只是一種抽象說法，任何組織都可根據(jù)其層次型名字空間的要求，構造自己組織內部的域名，不過這些城名的使用也僅限于其系統(tǒng)內部。 Internet為保證其域名系統(tǒng)的通用性，特規(guī)定了一組正式的通用標準符號，作為第一級域的域名，如表10.3所示。第10章 計算機網絡及Internet 表表10.3 一級一級Internet域名域名域 名 域描述 COM 商業(yè)組織 EDU 教育機構 GOV 政府部門 MIL

46、軍事部門 NET 網絡運行和服務中心 ORG 其他組織機構 INT 國際組織 第10章 計算機網絡及Internet com netorgedugovmilcoopbizinfoaerointcnukhkjsshbjorgnetgoveducom acpkufudansjtutsinghua樹根cctvibmhpmot頂級域名二級域名三級域名mailep四級域名mailcsnetlseu第10章 計算機網絡及Internet 3DNS管理管理 在Internet中，分組傳送時必須使用IP地址。用戶輸入的是主機名字，DNS的作用是將名字自動翻譯成IP地址。 DNS使用客戶機/服務器模型，其服務器

47、稱為域名服務器。在域名服務器中保存了某一組織的全部主機的名字及其對應的IP地址。當某個應用程序需要將某一主機名翻譯成IP地址時，該應用程序即成為DNS的一個客戶。該應用程序與域名服務器建立連接，將其主機名發(fā)送到域名服務器，域名服務器查找其對應的IP地址，然后將正確的IP地址回送給該應用程序。這樣該應用程序在以后的所有通信中將使用該IP地址。10.3第10章 計算機網絡及Internet 10.4 IP 協(xié)協(xié) 議議10.4.1 IP分組格式分組格式 IP分組由分組頭和數(shù)據(jù)區(qū)兩部分組成。其中，分組頭部分用來存放IP協(xié)議的具體控制信息，而數(shù)據(jù)區(qū)則包含了上層協(xié)議(如TCP)提交給IP協(xié)議傳送的數(shù)據(jù)。I

48、P分組的格式如圖10.14所示。第10章 計算機網絡及Internet 圖圖10.14 IP分組格式分組格式版本 分組頭長度 服務類型標識符生存時間協(xié)議總長度標志分片偏移量分組頭校驗和源IP地址目的IP地址填充任選項分組頭數(shù)據(jù)區(qū)第10章 計算機網絡及Internet IP分組頭由以下字段組成： (1) 版本：長度為4 bit，表示與IP分組對應的IP協(xié)議版本號。在處理IP分組前，IP軟件都要檢查IP分組的版本字段，以保證分組格式與軟件期待的一致。目前的協(xié)議版本號是4，因此IP有時也稱作IPv4。 (2) 分組頭長度：長度為4 bit，用于指明IP分組頭的長度，其單位是4個字節(jié)(32 bit)，

49、即分組頭部是4個字節(jié)整數(shù)倍的數(shù)目。由于IP分組頭的長度是可變的，因此，該字段是必不可少的。第10章 計算機網絡及Internet (3) 服務類型(TOS)：長度為8 bit，用于指明IP分組所希望得到的有關優(yōu)先級、可靠性、吞吐量、時延等方面的服務質量要求, 如圖10.15所示。它包括一個3 bit的優(yōu)先級子字段，優(yōu)先級取值范圍07；D、T、R各占1 bit，表示該分組所期望的服務類型。D為最小時延，T為最大吞吐量, R為最高可靠性。如果所有比特位均為0, 那么就意味著該服務為普遍服務。圖圖10.15 服務類型字段服務類型字段優(yōu)先級 D T R 未用 第10章 計算機網絡及Internet (

50、4) 總長度：長度為16個比特，用于指名整個IP數(shù)據(jù)報的長度，以字節(jié)為單位。它包括分組頭和數(shù)據(jù)區(qū)的長度，利用分組頭部長度字段和總長度字段，我們就可以知道IP分組中數(shù)據(jù)內容的起始位置和長度。由于該字段長16 bit，所以IP分組最長可達65 535字節(jié)。當數(shù)據(jù)報被分片時，該字段的值也隨著變化。 總長度字段是IP分組頭中必要的內容，因為一些數(shù)據(jù)鏈路(如以太網)需要填充一些數(shù)據(jù)以達到最小長度。例如，以太網的最小幀長為46字節(jié)，但是IP分組可能會更短。如果沒有總長度字段，那么IP層就不知道46字節(jié)中有多少是IP數(shù)據(jù)報的內容。第10章 計算機網絡及Internet (5) 標識符：長度為16個bit，和

51、源地址、目的地址、用戶協(xié)議一起惟一地標識主機發(fā)送的每一個分組。通常每發(fā)送一個分組它的值就會加1。我們在10.5節(jié)介紹分片和重組時再詳細討論它。同樣，在討論分片時我們再來分析標志字段和片偏移字段。 (6) 標志：長度為3 bit，在3 bit中1位保留，另兩位DF和MF分別用于指明IP分組不分片和分片。 (7) 分片偏移量：長度為13 bit，以8字節(jié)為1單位，用于指明當前分組片在原始分組中的位置，這是分段和重組所必需的。第10章 計算機網絡及Internet (8) 生存時間TTL(Time-To-Live)：長度為8 bit，用于指明IP分組可在網絡中傳輸?shù)淖铋L時間，TTL的初始值由源主機設

52、置(通常為32位或64位)，一旦經過一個處理它的路由器，它的值就減去1。當該字段的值減為0時，該分組被丟棄，并發(fā)送ICMP消息通知源主機。這個字段用于保證IP分組不會在網絡出錯時無休止地傳輸。 (9) 協(xié)議：長度為8 bit，用于指明調用IP協(xié)議進行傳輸?shù)母邔訁f(xié)議，高層協(xié)議的號碼由TCP/IP權威管理機構統(tǒng)一分配。例如，ICMP的值為1，TCP的值為6，UDP的值為17。第10章 計算機網絡及Internet (10) 分組頭校驗和：長度為16 bit，用于保證IP分組頭的完整性。只對IP分組頭部(不對分組頭部后面的數(shù)據(jù)區(qū))計算的檢驗和。其算法為：該字段初始值為0，然后對IP分組頭以每16位為

53、單位進行求異或，并將結果求反，便得到校驗和。 (11) 源IP地址：長度為32 bit，用于指明發(fā)送IP分組的源主機IP地址。 (12) 目的地址：長度為32 bit，用于指明接收IP分組的目標主機IP地址。第10章 計算機網絡及Internet (13) 任選項：長度可變，該字段允許在以后版本中包括在當前設計的分組頭中未出現(xiàn)的信息，其使用有一些特殊的規(guī)定。目前，這些任選項定義如下： 安全和處理限制(用于軍事領域，詳細內容參見RFC 1108)； 記錄路徑(讓每個路由器都記下它的IP地址，見7.3節(jié))； 時間戳(讓每個路由器都記下它的IP地址和時間，見7.4節(jié))； 寬松的源站選路(為分組指定一

54、系列必須經過的IP地址)； 嚴格的源站選路(與寬松的源站選路類似，但是它要求只能經過指定的這些地址，不能經過其他的地址)。 這些選項很少被使用，并非所有的主機和路由器都支持這些選項。第10章 計算機網絡及Internet (14) 填充：長度不定，由于IP分組頭必須是4字節(jié)的整數(shù)倍(這是分組頭長度字段所要求的)，因此，當使用任選項的IP分組頭長度不足4字節(jié)的整數(shù)倍時，必須用0填入填充字段來滿足這一要求。第10章 計算機網絡及Internet 10.4.2 IP的分片與重裝的分片與重裝 在互聯(lián)網中各個網絡定義的最大分組長度可能不同，網絡層需要將收到的數(shù)據(jù)報分割成較小的數(shù)據(jù)塊，稱為分片。相反地，到

55、了目的端將多個數(shù)據(jù)塊組合起來，稱為重裝。 IP分組格式中，分片偏移量和標志字段用來對IP分組的分片與重裝，分片過程如圖10.16所示。第10章 計算機網絡及Internet 圖圖10.16 IP分組的分片過程分組的分片過程分組頭數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)長度 208 個 8 位位組分片偏移量 0標志 1分組頭數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)長度 196 個 8 位位組分片偏移量 26 個 64 比特單元(208 個 8 位位組)標志 0分組頭數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)長度 404 個 8 位位組分片偏移量 0標志 0第10章 計算機網絡及Internet 原始數(shù)據(jù)長度404個8位位組，在網絡層傳輸過程中分為兩個數(shù)據(jù)塊，一塊長度

56、為208個8位位組，另外一塊為196個8位位組。在第一分片中，數(shù)據(jù)長度為208個8位位組，分片偏移量為0，(后續(xù))標志為1，表示后續(xù)有分片的數(shù)據(jù)。在第二分片中，數(shù)據(jù)長度為196個8位位組，分片偏移量為26個64 bit單元(208個8位位組)，(后續(xù))標志為0，表示后續(xù)不再有分片的數(shù)據(jù)。到了目的端后，根據(jù)分片偏移量和后續(xù)標志對分片的數(shù)據(jù)進行重裝。10.4第10章 計算機網絡及Internet 10.5 運運 輸輸 層層 協(xié)協(xié) 議議10.5.1 運輸層端口運輸層端口 運輸層與網絡層在功能上的最大區(qū)別是前者提供進程通信能力，后者則不提供。在進程通信的意義上，網絡通信的最終地址就不僅僅是主機地址了，

57、還包括可以描述的某種標識符。為此，TCP/IP提出協(xié)議端口的概念，用于標識通信的進程。為了區(qū)分不同的端口，用端口號對每個端口進行標識。 端口分為兩部分，一部分是保留端口，另外一部分是自由端口。其中保留端口只占很小的數(shù)目，以全局方式進行分配，即由一個公認的機構統(tǒng)一進行分配，并將結果公諸于眾。自由端口占全端口的絕大部分，以本地方式進行分配。TCP和UDP均規(guī)定，小于256的端口號才能作為保留端口使用。第10章 計算機網絡及Internet 10.5.2 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP建立在IP協(xié)議之上，同IP協(xié)議一起提供無連接的數(shù)據(jù)報傳輸。相對與IP協(xié)議，它惟一增加的能力

58、是提供協(xié)議端口，以保證進程通信。 UDP由兩大部分組成：報頭和數(shù)據(jù)區(qū)，如圖10.17所示。圖圖10.17 UDP報文格式報文格式UDP 源端口號UDP 報文長度UDP 目的端口號UDP 校驗和數(shù)據(jù)01531報頭16第10章 計算機網絡及Internet (1) UDP源端口號：指示發(fā)送方的UDP端口號，當不需要返回數(shù)據(jù)時，可將這個字段的值置0。 (2) UDP目的端口號：指示接收方的UDP端口號。UDP將根據(jù)該字斷的內容將報文送給指定的應用進程。 (3) UDP報文長度：指示數(shù)據(jù)報總長度，包括報頭和數(shù)據(jù)區(qū)總長度。最小值為8，即UDP報頭部分的長度。 (4) UDP校驗和：該字段為可選項。為0表

59、示未選校驗和，而全1表示校驗和為0。校驗和的可選性是UDP效率的又一體現(xiàn)，因為計算校驗和是一個非常耗時的工作，如果應用程序對效率的要求非常高，則可不選此項。第10章 計算機網絡及Internet 當IP模塊收到一個IP分組時，它就將其中的UDP數(shù)據(jù)報遞交給UDP模塊。UDP模塊在收到由IP層傳來的UDP數(shù)據(jù)報后，首先檢驗UDP校驗和。如果校驗和為0，表示發(fā)送方沒有計算校驗和。如果校驗和非0，并且校驗和不正確，則UDP將丟棄該數(shù)據(jù)報。如果校驗和非0，并且校驗和正確，則UDP根據(jù)數(shù)據(jù)報的目的端口號，將其送給指定應用程序等待隊列。第10章 計算機網絡及Internet 10.5.3 運輸控制協(xié)議運輸

60、控制協(xié)議TCP 運輸控制協(xié)議TCP是運輸層的另一個重要協(xié)議。它用于在各種網絡上提供有序可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸服務。與UDP相比，TCP最大特點是以犧牲效率為代價換取高可靠的服務。為了達到這種高可靠性，TCP必須檢測分組的丟失，在收不到確認時進行自動重傳、流量控制、擁塞控制等。第10章 計算機網絡及Internet 1TCP分組格式分組格式圖圖10.18 TCP分組格式分組格式數(shù)據(jù)偏移保留確認號序號源端口目的端口窗口校驗和緊急指針任選項填充081631分組頭數(shù)據(jù)區(qū)URG ACK PSHRST SYNFIN第10章 計算機網絡及Internet (1) 源端口：標識源端應用進程。 (2) 目的端