計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的幾個(gè)概念

1、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的幾個(gè)概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)議分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)其他相關(guān)概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)議的定義是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中 實(shí)體之間有關(guān)通信規(guī)則約定的集合。 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由三個(gè)要素組成: 語法（Syntax），即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)、格式和編碼。語義（Semantics），即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種應(yīng)答。時(shí)序（Timing），即事件實(shí)現(xiàn)的先后順序和速度匹配的詳細(xì)說明。協(xié)議分層狹義地說，協(xié)議分層就是按照信息的流動過程將網(wǎng)絡(luò)的整體功能分解為一個(gè)個(gè)的功能層。每個(gè)功能層對應(yīng)的協(xié)議規(guī)定其功能，不同機(jī)器上的同等功能層之間采用相同的協(xié)議，同一機(jī)器上的相鄰功能層之間通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。分層的

2、基本原則是定義每一層向上一層提供的服務(wù)，以保證每層的功能相互獨(dú)立，但不規(guī)定如何完成這些服務(wù)。郵政系統(tǒng)分層模型協(xié)議分層的優(yōu)點(diǎn)各層之間相互獨(dú)立。靈活性好。各層都可以采用最合適的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，各層實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改變不影響其他層。易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。有利于促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（Network Architecture）是指網(wǎng)絡(luò)中分層模型、各層協(xié)議和層間接口的集合。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)不屬于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，它們隱含在機(jī)器內(nèi)部，對外部來說是不可見的。 OSI/RM與TCP/IPOSI 參考模型的形成IBM公司于1974年提出了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA（Systems Network Archite

3、cture），這是世界上第一個(gè)按照分層方法制定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 DEC公司于1975年提出了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)DNA （Digital Network Architecture）。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO從1978年2月開始研究開放式系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM，1982年4月形成國際標(biāo)準(zhǔn)草案（ISO / DIS7498）。OSI/RM 模型的分層原則分層不要太多；在服務(wù)的描述工作最少的地方、在穿過邊界相互作用次數(shù)最少的地方建立邊界，對每一層只建立它與上、下層的邊界；對技術(shù)上或處理上明顯不同的功能，應(yīng)建立不同的層來處理；對功能界限明顯的功能應(yīng)單設(shè)一層，以便在整體重新設(shè)計(jì)時(shí)，不改變該層與鄰層的關(guān)系。為

4、標(biāo)識每個(gè)層次，應(yīng)提供以下內(nèi)容：1、建立該層的目的；2、該層的功能和要用到的下層服務(wù)；3、該層給上層提供的服務(wù)。OSI/RM層與層之間的聯(lián)系OSI參考模型示意圖物理層ISO/OSI RM中各層的主要功能在數(shù)據(jù)鏈路層的兩個(gè)實(shí)體之間建立、維持和釋放物理連接規(guī)定在物理層傳送0、1數(shù)據(jù)的電參數(shù)（波形、頻率、電平）規(guī)定所用的連接器傳送二進(jìn)制比特流數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放幀的分界和同步差錯(cuò)檢測與控制順序控制及層內(nèi)管理流量控制傳送幀ISO/OSI RM中各層的主要功能網(wǎng)絡(luò)層路徑選擇網(wǎng)絡(luò)中擁塞控制傳送分組ISO/OSI RM中各層的主要功能傳輸層提供兩個(gè)端系統(tǒng)之間可靠、透明的數(shù)據(jù)傳送差錯(cuò)控制順序控制

5、流量控制傳送報(bào)文ISO/OSI RM中各層的主要功能會話層傳送報(bào)文為通信的兩個(gè)進(jìn)程建立會話連接，進(jìn)行交換會話管理令牌管理同步管理ISO/OSI RM中各層的主要功能表示層信息格式的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的加密和解密OSI內(nèi)部語法ISO/OSI RM中各層的主要功能應(yīng)用層為用戶使用網(wǎng)絡(luò)提供接口ISO/OSI RM中各層的主要功能ISO/OSI RM中各層的主要功能OSI 開放環(huán)境76543217654321321321OSI環(huán)境網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)通信網(wǎng)計(jì)算機(jī)A計(jì)算機(jī)B實(shí)系統(tǒng)環(huán)境OSI/RM 模型的特點(diǎn)每個(gè)層次的對應(yīng)實(shí)體之間都通過各自的協(xié)議通信。各個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有相同的層次結(jié)構(gòu)。不同系統(tǒng)的相應(yīng)層次有相同的功能。同一系

6、統(tǒng)的各層次之間通過接口聯(lián)系。相鄰的兩層之間，下層為上層提供服務(wù)，同時(shí)上層使用下層提供的服務(wù)。小結(jié) OSI參考模型的低三層是屬于通信子網(wǎng)，涉及為用戶間提供透明連接。高三層屬于資源子網(wǎng)，主要保證信息以正確可理解的形式傳送。傳輸層是高三層和低三層之間的接口，它是第一個(gè)端到端的層次，保證可靠的端到端連接。 思考題 源結(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層發(fā)送64個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)到目的結(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層，因?yàn)榈蛯榆浖黾幼约旱目刂菩畔?，所以傳到目的結(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層后，數(shù)據(jù)長度會大于64個(gè)字節(jié)。這種說法對不對？互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互連要解決的首要問題是將物理網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)統(tǒng)一的無縫的網(wǎng)絡(luò)整體，以隱藏這些物理網(wǎng)絡(luò)的低層細(xì)節(jié)，向用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的、通用的通

7、信服務(wù)。互聯(lián)網(wǎng) （internet）是建立在功能和邏輯上的深層意義的連接技術(shù)，組成更大規(guī)模的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 。為隱藏低層網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，可以在兩個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連：一種是應(yīng)用級互連，即通過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)互連。另一種是網(wǎng)絡(luò)級互連，即通過操作系統(tǒng)進(jìn)行互連。應(yīng)用級互連存在的問題：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中新增功能或硬件時(shí)，需為每臺機(jī)器編寫新的應(yīng)用程序；每個(gè)應(yīng)用程序都要處理機(jī)器與網(wǎng)絡(luò)連接的細(xì)節(jié)，導(dǎo)致代碼重復(fù)。網(wǎng)絡(luò)級互連則在系統(tǒng)中增加網(wǎng)絡(luò)層等中間層次，使應(yīng)用程序不直接處理物理網(wǎng)絡(luò)連接，因此物理網(wǎng)絡(luò)硬件特性及其變化不會影響到應(yīng)用程序；不同應(yīng)用程序可以共享網(wǎng)絡(luò)級互連所提供的分組交換服務(wù)，不再產(chǎn)生重復(fù)代碼。TCP/IPTCP/

8、IP的原理和技術(shù)是解決網(wǎng)絡(luò)級互連問題的具體解決辦法。通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)了對各種不同的物理網(wǎng)絡(luò)的一種抽象，使底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對用戶或應(yīng)用程序透明。TCP/IP最初是為ARPANET網(wǎng)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，因其中兩個(gè)重要協(xié)議（傳輸控制協(xié)議TCP和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議IP）而得名。TCP/IP是一種事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP參考模型 處理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 端到端的連接 尋址和最短路徑（由具體物理網(wǎng)絡(luò)提供相應(yīng)功能）網(wǎng)絡(luò)接口層（主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層） 網(wǎng)絡(luò)接口層是TCP/IP體系的最低層，負(fù)責(zé)接收從IP層送來的IP數(shù)據(jù)報(bào)，并通過底層物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，或者從底層物理網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽出IP數(shù)據(jù)報(bào)交給IP層。網(wǎng)絡(luò)接口層的作用是傳輸經(jīng)

9、IP層處理過的信息，并提供一個(gè)主機(jī)與物理網(wǎng)絡(luò)的接口。TCP/IP實(shí)際并未定義任何數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和物理層協(xié)議，它可運(yùn)行在現(xiàn)有的任何一種數(shù)據(jù)鏈路層和物理層之上。網(wǎng)絡(luò)互連層 網(wǎng)絡(luò)互連層在功能上類似于OSI參考模型 中的網(wǎng)絡(luò)層，它的任務(wù)是使主機(jī)可以把分組發(fā)往任何網(wǎng)絡(luò)，并使各分組獨(dú)立地傳向目的地。 IP層的主要功能包括三個(gè)方面： 第一，處理來自傳輸層的數(shù)據(jù)發(fā)送請求。 第二，處理低層輸入數(shù)據(jù)報(bào)。 第三，處理ICMP（Internet控制報(bào)文協(xié)議） 報(bào)文。 應(yīng)用層傳輸控制層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)互連層 IP ICMP ARP RARP網(wǎng)絡(luò)互連層的四個(gè)主要協(xié)議網(wǎng)絡(luò)互連層主要的協(xié)議就是無連接的網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議（IPInte

10、rnet Protocol）。與IP協(xié)議配合使用的還有三個(gè)協(xié)議Internet控制報(bào)文協(xié)議ICMP、地址解析協(xié)議ARP和逆地址解析協(xié)議RARP。 傳輸控制層傳輸控制層的作用與OSI參考模型中傳輸層的作用是一樣的，即在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)進(jìn)程實(shí)體之間提供可靠的端到端的數(shù)據(jù)通信。 應(yīng)用層傳輸控制層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)互連層面向連接的 TCP無連接的 UDPUDP協(xié)議是一個(gè)不可靠的、無連接的傳輸層協(xié)議，UDP協(xié)議將可靠性問題交給應(yīng)用程序解決。TCP協(xié)議是一個(gè)可靠的面向連接的傳輸層協(xié)議，以建立高可靠性的消息傳輸連接為目的。 應(yīng)用層應(yīng)用層傳輸控制層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)互連層文件傳輸 FTP、TFTP、NFS電子郵

11、件 SMTP、POP3WWW應(yīng)用 HTTP遠(yuǎn)程登錄 Telnet、rlogin網(wǎng)絡(luò)管理 SNMP域名管理 DNS TCP/IP的最高層是應(yīng)用層。應(yīng)用層為用戶提供所需要的各種服務(wù)。TCP/IP模型的特點(diǎn)1、兩個(gè)重要邊界地址邊界。它將IP邏輯地址與底層網(wǎng)絡(luò)的硬件地址分開。操作系統(tǒng)邊界。它將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與協(xié)議軟件分開。2、IP的重要性 IP向上層提供統(tǒng)一的IP報(bào)文，使得各種幀或報(bào)文格式的差異性對高層協(xié)議不復(fù)存在。IP層是TCP/IP實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)互連最關(guān)鍵和最核心的一層。3、TCP/IP的可靠性 IP采用無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸機(jī)制，對數(shù)據(jù)“盡最大努力傳遞” TCP/IP的可靠性體現(xiàn)在傳輸控制層，傳輸層協(xié)議中的

12、TCP 協(xié)議提供面向連接的可靠的端到端服務(wù)。TCP/IP與ISO-OSI體系結(jié)構(gòu)的對比 面向連接 無連接面向連接 無連接 無連接面向連接 無連接TCP/IP 模型中的協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)IP地址及其表示方法 IP地址就是IP協(xié)議為標(biāo)識主機(jī)所使用的一種尋址方法，它是32位（4字節(jié)）的無符號二進(jìn)制數(shù)。互聯(lián)網(wǎng)上的每個(gè)主機(jī)或路由器都被指定一個(gè)IP地址，它只是一種邏輯編號，并不是主機(jī)或路由器的MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）地址。在Internet上，每個(gè)主機(jī)或路由器分配到的IP地址在全球范圍是唯一的。 IP 地址格式 net-id24 bithost-id24 bitnet-id

13、16 bitnet-id8 bit0A 類地址host-id16 bitB 類地址C 類地址011host-id8 bitD 類地址1 1 1 0多 播 地 址E 類地址保 留 為 今 后 使 用1 1 1 1 001A 類地址的網(wǎng)絡(luò)號字段 net-id 為 1 字節(jié)B 類地址的網(wǎng)絡(luò)號字段 net-id 為 2 字節(jié)C 類地址的網(wǎng)絡(luò)號字段 net-id 為 3 字節(jié)A 類地址的主機(jī)號字段 host-id 為 3 字節(jié)B 類地址的主機(jī)號字段 host-id 為 2 字節(jié)C 類地址的主機(jī)號字段 host-id 為 1 字節(jié)D 類地址是多播地址 E 類地址保留為今后使用 IP地址格式與分布比例IP地

14、址的使用范圍網(wǎng)絡(luò)類型 最大網(wǎng)絡(luò)數(shù) 網(wǎng)絡(luò)號范圍 最大主機(jī)數(shù) 主機(jī)號范圍 A126（27-2） 112616777214（224-2）0.0.1255.255.254B16382（214-2） 128.1191.25465534（216-2） 0.1255.254C2097150（221-2）192.0.1223.255.254254（28-2） 1254IP 的特點(diǎn)IP地址是一種非等級的地址結(jié)構(gòu)。 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)（如路由器）同時(shí)連接到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就必須同時(shí)具有兩個(gè)相應(yīng)的IP地址，并且網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識號必須是不同的。 按照Internet的觀點(diǎn)，用中繼器（Repeater）或網(wǎng)橋（Bridge）連接起

15、來的若干個(gè)局域網(wǎng)仍為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此，這些局域網(wǎng)都具有同樣的網(wǎng)絡(luò)號。 在IP地址中，所有分配的網(wǎng)絡(luò)彼此都是平等的。 通過IP地址形式來指明一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的地址。這時(shí)，只要將該IP地址的主機(jī)號二進(jìn)制位全部置為0即可。 思考題 某個(gè)部門申請到了一個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)地址，但該部門只有40臺主機(jī)，這樣這個(gè)地址中有200多個(gè)主機(jī)號就白白浪費(fèi)掉了，因?yàn)槠渌块T的主機(jī)無法使用這些號。這種情況該如何處理？ 為便于管理，通常將本部門的主機(jī)劃分為彼此相連的若干網(wǎng)段（子網(wǎng)），而這些網(wǎng)段被作為統(tǒng)一的整體來管理。 IP地址子網(wǎng)劃分 子網(wǎng)尋址技術(shù)將主機(jī)標(biāo)識部分劃分出一定的位數(shù)用作本網(wǎng)的各個(gè)子網(wǎng)，剩余的主機(jī)標(biāo)識作為相應(yīng)子網(wǎng)的主機(jī)標(biāo)識部分。

16、子網(wǎng)劃分需要用“子網(wǎng)掩碼”來進(jìn)行。 子網(wǎng)掩碼凡是IP地址的網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)標(biāo)識部分，用二進(jìn)制數(shù)“1”表示；凡是IP地址的主機(jī)標(biāo)識部分，用二進(jìn)制數(shù)“0”表示。 IP 地址和子網(wǎng)掩碼網(wǎng)絡(luò)號 net-id主機(jī)號 host-id兩級 IP 地址網(wǎng)絡(luò)號net-idhost-id三級 IP 地址主機(jī)號subnet-id子網(wǎng)號子網(wǎng)掩碼因特網(wǎng)部分本地部分因特網(wǎng)部分本地部分劃分子網(wǎng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)地址1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0net-idsubnet-idhost-id 為全 0C類網(wǎng)絡(luò)劃分4個(gè)子網(wǎng)可以將這個(gè)C類地址的最后8位二

17、進(jìn)制位的前兩位留出來作為子網(wǎng)劃分，它們分別是00，01，10，11 。如何獲得 IP 地址的子網(wǎng)地址與主機(jī)地址 ?將子網(wǎng)掩碼與IP地址作邏輯“與”操作，可得到其IP地址的子網(wǎng)地址。將子網(wǎng)掩碼的反碼與IP地址作邏輯“與”操作，可得到其IP地址的主機(jī)地址。 (IP 地址) AND (子網(wǎng)掩碼) =子網(wǎng)地址 網(wǎng)絡(luò)號 net-id主機(jī)號 host-id兩級 IP 地址網(wǎng)絡(luò)號三級 IP 地址主機(jī)號net-idhost-idsubnet-id子網(wǎng)號子網(wǎng)掩碼因特網(wǎng)部分本地部分因特網(wǎng)部分本地部分劃分子網(wǎng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)地址1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10

18、 0 0 0 0 0 0 0net-idsubnet-idhost-id 為全 0AND查找網(wǎng)卡的物理地址 Windows 9x/me/2000/XP：在命令提示符狀態(tài)下，鍵入“ipconfig/all”，在顯示信息里面查看Physical Address（物理地址），是類似00-E0-4C-4E-00-00的六組兩位十六進(jìn)制的數(shù)列。Linux：在控制臺下鍵入“ipconfig eth0”，在顯示信息里面查看類似HWaddr 00：01：02：FD：00：00的六組兩位十六進(jìn)制的數(shù)列。 IP地址和MAC地址的轉(zhuǎn)換地址解析協(xié)議 ARP與逆向地址解析協(xié)議RARP在計(jì)算機(jī)中應(yīng)存放一個(gè)從IP地址到物理

19、地址的轉(zhuǎn)換表，并且能夠經(jīng)常動態(tài)更新。這由每臺主機(jī)中的ARP高速緩存完成。RARP使得只知道自己物理地址的主機(jī)能夠知道其IP地址。這種主機(jī)往往是無盤工作站。 Internet控制報(bào)文協(xié)議ICMP為減少分組的丟失，使用ICMP報(bào)告差錯(cuò)情況。ICMP實(shí)際上是IP協(xié)議中的一個(gè)模塊，當(dāng)IP收到ICMP報(bào)文后，交給ICMP模塊進(jìn)行處理。ICMP報(bào)文被作為IP層數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)來封裝，加上數(shù)據(jù)報(bào)的首部，組成IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。ICMP報(bào)文格式及封裝類型字段值與ICMP報(bào)文類型的關(guān)系類型字段值ICMP報(bào)文類型0Echo（回送）回答3目的站不可達(dá)4源站抑制5改變路由8Echo請求11數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)間超時(shí)12數(shù)據(jù)報(bào)的參數(shù)有問題13時(shí)間戳請求14時(shí)間戳回答17地址掩碼請求18地址掩碼回答ICMP改變路由的示例IP報(bào)文的分段與重組不同的物理網(wǎng)絡(luò)所支持的最大幀長各不相同。把物理網(wǎng)絡(luò)中一幀所能容納的最大數(shù)據(jù)量稱為最大傳輸單元MTU（Maximum Transmission Unit）。為了能將IP報(bào)文封裝在不同的物理幀內(nèi)，每個(gè)報(bào)文應(yīng)該小于或等于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的MTU。路由器連接兩個(gè)具有不同MTU值的網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)據(jù)報(bào)使用分段方法