第4章3協(xié)議與網絡互連

4.3TCP/IP協(xié)議

與網絡互連4.3.1

分組交換原理4.3.2

網絡分層結構與TCP/IP協(xié)議4.3.3IP協(xié)議與路由器4.3.1分組交換原理通信系統(tǒng)中“交換”的含義“交換”(switching)的含義就是轉接——把一條鏈路轉接到另一條鏈路，使它們連通起來從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源常用的交換方式：電路交換分組交換…交換機什么是電路交換？電路交換的過程：建立連接通信釋放連接應用：電話通信((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA分析：通話全過程中用戶始終占用端到端的傳輸信道由于計算機數據傳輸具有突發(fā)性，不適合計算機數據通信什么是分組交換(PacketSwitching)?分組交換的要點：被傳輸的數據必須劃分為若干“分組”(packet,簡稱“包”)進行傳輸每個分組中必須包含收發(fā)雙方的地址每個分組由分組交換機進行處理、存儲和轉發(fā)才能送達目的地每個分組的格式如下：

有效載荷(傳輸的數據)校驗信息發(fā)送計算機地址目的計算機地址編號分組交換示意：321（c）132（b）不同的包在不同鏈路上進行傳輸123321（d）到接收方后，再將收到的包按順序組合在一起321321（a）發(fā)送方將數據分成3個包表示分組交換機分組交換與存儲轉發(fā)的過程發(fā)送數據的計算機將包發(fā)給它所連接的分組交換機交換機每收到一個包，就檢查該包的目的地地址：若數據包目的地是直接與之相連的計算機，交換機就將包發(fā)往該計算機若目的地不是本分組交換機上的計算機，則選擇一個輸出端口，通過連接該端口的高速數字線路轉發(fā)給另一臺交換機（如果線路忙，則可放在對應的緩沖器中排隊等候）下一臺交換機收到數據包之后，重復過程2直到數據包到達目的計算機為止例1：計算機C發(fā)送數據包給計算機H例2：計算機A發(fā)送數據包給計算機G交換機1123412345交換機2123412345交換機3123451234交換機4123451234高速數字通信干線ABCDEFGH分組交換機中的存儲轉發(fā)過程H1A分組交換網BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組交換機主機在交換機

E

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口最后到達目的主機

H5在交換機

C

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在交換機

A

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口分組交換網中傳輸路徑的變化H1A分組交換網BDECH5H6H4H2H3H1向H5

發(fā)送分組H2向H6

發(fā)送分組注意分組路徑的變化！交換機主機實現分組交換的關鍵設備：

——分組交換機分組交換機的任務是：負責包（分組）的轉發(fā)分組交換機的工作方式是：存儲轉發(fā)+路由選擇分組交換機的工作過程：從輸入端口收到一個包后，放入緩沖區(qū)，檢查數據包的目的計算機地址，查轉發(fā)表，決定該送哪個輸出端口進行轉發(fā)把包從輸入緩沖器中取出，送到相應輸出端口的緩沖區(qū)中排隊輸出端口每發(fā)送完一個包，就從自己的緩沖區(qū)中提取下一個包進行發(fā)送…輸入分組輸出分組路由表及路由選擇協(xié)議33輸入端口…1122交換結構轉發(fā)表分組處理…輸出端口…113322分組交換技術的優(yōu)點和問題優(yōu)點：高效動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。迅速不必先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組?？煽勘ＷC可靠性的網絡協(xié)議；分布式的路由選擇協(xié)議使網絡有很好的生存性。分組交換帶來的問題：分組在各結點存儲轉發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。分組交換技術的應用幾乎所有數據通信網都采用分組交換技術：交換式以太局域網、移動通信網（手機）公用數據網（傳統(tǒng)的廣域網）低速：X.25公共分組交換網（傳輸速率僅64kbps）利用公共電話網以分組交換方式進行數據傳輸中速：使用光纖作為傳輸介質幀中繼交換網（傳輸速率可達2Mbps）中高速：使用光纖作為傳輸介質SMDS（交換多兆位數據服務網）ATM廣域網(155Mbps或者更高)因特網（Internet）小結：不同分組交換網的比較不同的分組交換網，基于不同的技術，采用不同的協(xié)議：物理層：不同的傳輸介質不同的信號編碼方法不同的拓撲結構鏈路層：不同的編址方法和分組(包)格式不同的共享介質方法不同的差錯檢測與處理措施不同的鏈路層協(xié)議,需使用不同的網卡和分組交換機不同的物理層協(xié)議，需使用不同的介質和發(fā)送/接收電路附：分組交換網的2種通信方式無連接服務通信過程中，雙方不需要預先建立連接，所傳輸的數據包未必都經過相同的路徑進行傳輸優(yōu)點：靈活方便，比較迅速缺點：不能防止包的丟失、重復或失序面向連接服務（虛電路方式）先建立連接，再進行數據傳輸，全部傳輸完畢后再釋放連接所有包都經同一路徑順序傳送，每個包的頭部只需標明使用哪一條“連接”進行傳送，不需要再包含目的計算機的地址優(yōu)點：提高可靠性321（無連接服務）132（面向連接服務）注：虛電路只是一條邏輯上的連接，并不是真正建立了一條物理連接4.3.2網絡分層結構

與TCP/IP協(xié)議（1）網絡的分層結構（2）TCP/IP協(xié)議(棧)（1）網絡的分層結構計算機網絡為什么要劃分層次？文件處理模塊主機

甲主機乙文件處理模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊例：主機甲通過網絡向主機乙傳送文件文件處理模塊主機

1主機

2文件處理模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信服務模塊計算機網絡為什么要劃分層次？例：主機甲通過網絡向主機乙傳送文件文件處理模塊主機

1主機

2文件處理模塊通信服務模塊通信服務模塊網絡接入模塊網絡接入模塊通信網絡網絡接口網絡接口網絡接入模塊負責完成與網絡接口細節(jié)有關的工作例如，規(guī)定傳輸的幀格式，幀的最大長度等。計算機網絡為什么要劃分層次？例：主機甲通過網絡向主機乙傳送文件計算機網絡分層的好處優(yōu)點：各層之間是獨立的靈活性好結構上可分割開易于實現和維護能促進標準化工作劃分為多少層？若層數太少，就會使每一層太復雜。若層數太多，描述和綜合各層功能時太繁瑣(2)TCP/IP協(xié)議(棧)什么是TCP/IP協(xié)議？TCP/IP是網絡互連的工業(yè)標準，它包含了100多個協(xié)議，其中：TCP（傳輸控制協(xié)議)和IP(網際協(xié)議)是兩個最基本、最重要的協(xié)議4321網絡接口和硬件層(以太網,FDDI,X.25,ATM等)網絡互連層（IP）傳輸層（TCP或UDP）應用層(SMTP,HTTP,FTP等)如電子郵件、HTML文檔等應用數據應用數據轉換為1個或多個TCP數據段或UDP數據段TCP或UDP數據報封裝為IP數據報IP數據報封裝為以太網信息幀或ATM信元后進行傳輸負責把數據封裝為TCP或UDP數據報，在兩個應用程序之間傳送數據負責把數據封裝為IP數據報，并負責把IP數據報從發(fā)送方計算機通過物理網絡傳送到接受方計算機負責將IP數據報封裝成能在物理網絡（局域網、廣域網）中傳輸的幀，并進行傳輸應用程序與應用程序之間通信時使用的協(xié)議例:瀏覽網頁時使用的TCP/IP協(xié)議4321網絡接口和硬件層(以太網)網絡互連層（IP）傳輸層（TCP協(xié)議）

應用層(HTTP協(xié)議)HTML文檔（網頁）HTML文檔轉換為多個

TCP數據報TCP數據報封裝為IP數據報IP數據報封裝為以太網信息幀進行傳輸瀏覽器使用HTTP協(xié)議向Web服務器請求網頁網頁所對應的HTML文檔拆分并封裝為若干個TCP數據報，由Web服務器一個一個地進行發(fā)送負責把每個TCP報封裝為IP數據報，在路由器之間進行傳送，直到目的計算機所在局域網連接的路由器為止路由器負責將IP數據報封裝成以太網幀，在局域網中傳輸給瀏覽器4.3.3IP協(xié)議和路由器（IPv4）因特網上的計算機如何統(tǒng)一編址？因特網上的每臺計算機使用“IP地址”作為其標識IP地址的特點：惟一性：網絡上的每臺計算機都有一個與眾不同的惟一的IP地址簡明性：所有地址的長度都是32個二進位IP地址的格式：包含網絡號和主機號

2個部分A類地址B類地址C類地址主機號（24位）網絡號0主機號(8位)網絡號011主機號（16位）網絡號01指明計算機所屬網絡的編號指明計算機在該網絡中的編號由網絡號中的最高1～4位指明該IP地址的類型：分為A,B,C,D,E五類IP地址5類IP地址的具體格式01234310111組播地址D類01234311111備用E類00181631網絡號主機號A類（超大型網絡,擁有大量主機(≤16777214)，只有不超過126個網絡可獲得A類地址）012163101網絡號主機號B類（規(guī)模適中的網絡(≤65534臺主機)使用B類地址，首字節(jié)大于等于128但小于192

）01232431011網絡號主機號C類（用于主機不超過254臺的小型網絡，其IP地址的首字節(jié)大于等于192但小于224

）兩個特殊的IP地址：主機號為“全0”的IP地址，稱為網絡地址，用來表示整個一個網絡主機號為“全1”的IP地址，稱為直接廣播地址，指整個網絡中的所有主機IP地址的“點分十進制”表示IP地址是一個32位的地址碼，書寫和記憶很不方便“點分十進制”表示：用4個十進制數來表示一個IP地址，每個十進制數對應IP地址中的8位(1個字節(jié))，相互間用小數點“．”隔開。例如：800011010000010100010001100110000A類地址810000010000110000010001101000100B類地址211000110011101110001011100001100C類地址點分十進制表示二進制表示IP地址類型IP地址首字節(jié)取值網絡號取值舉例

A類11261126 42B類128191128.0191.255 1C類192223192.0.0223.255.255 2A、B、C三類IP地址的十進制表示：網絡類型、網絡號和IP地址舉例15795紅色表示網絡號主機IP地址主機IP地址主機IP地址主機IP地址A類網絡C類網絡路由器路由器路由器B類網絡B類網絡什么是子網？考慮：小型網絡越來越多（只有幾十臺主機，有的甚至只有2、3臺計算機），如果這些小網絡也占用一個網絡號，地址空間浪費太大。為此引入了“子網”的概念子網：把標準IP地址中的主機號劃分成“子網號”和“主機號”兩部分,也就是把一個大網劃分成若干小一些的“子網”例如：對于C類地址中的8位主機號：劃出2位作為子網號，那么2個子網的每一個均可容納62臺主機劃出3位作為子網號，那么6個子網中每個可容納的主機減少為30臺(注：全0和全1通常不能作為子網號)主機號網絡號（標準IP地址）網絡號

主機號

子網號（子網IP地址）關于子網掩碼子網掩碼——一個32位的代碼，其中與IP地址中網絡號、子網號對應位置處的二進位是“1”，與主機號對應位置處的二進位是“0”三類IP地址的默認子網掩碼：A類地址:B類地址：C類地址:子網掩碼的用途：從IP地址中分離出網絡號和子網號方法：使用子網掩碼與IP地址進行邏輯乘例1：若某主機IP地址為：2（C類地址）它的子網掩碼為：兩者邏輯乘結果＝網絡號＝（前24位）例2：若某主機IP地址為：20（C類地址）它的子網掩碼為：40邏輯乘結果＝網絡號＝110101000001000000000010

01110000(前28位)IP數據報的格式相互連接的異構網絡，它們使用的數據包（或幀）格式互不兼容，因此不能直接將一個網絡送來的包傳送給另一個網絡解決方法：IP協(xié)議定義了一種獨立于各種物理網的統(tǒng)一的數據包格式，稱為IP數據報（IPdatagram）IPv4數據報格式：頭部03478151631數據區(qū)數據(最少1B，包含頭部最大64KB）接收IP數據報的主機IP地址32bit發(fā)送IP數據報的主機IP地址32bit數據報總長度16bit服務類型頭部長度版本號標志片偏移13bit頭部檢驗和16bit生成時間8bit協(xié)議8bit標識16bit可選字段（長度可變）填充源地址和目的地址有效載荷校驗信息采用TCP/IP協(xié)議時

主機甲向主機乙傳送文件的過程5432154321主機

甲AP2AP1主機乙應用進程把需要傳送的文件交給應用層文件數據主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機

甲AP2AP1主機乙應用層把文件數據加上應用層首部，成為應用層PDU，交給傳輸層H5文件數據主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機

甲AP2AP1主機

乙傳輸層加上首部，成為傳輸層報文(TCP報文或UDP報文)，交給網絡層H4H5文件數據主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機

甲AP2AP1主機

乙網絡層加上首部成為IP數據報(IP分組)，然后交給數據鏈路層H3H4H5文件數據主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機

甲AP2AP1主機乙鏈路層再加上鏈路層的首部，成為數據鏈路層的幀，交給物理層進行傳送H3H4H5文件數據H2主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321物理傳輸媒體主機

甲AP2AP1電信號(或光信號)在物理媒體中傳播,從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層主機

乙傳輸層網絡層鏈路層物理層應用層傳輸層網絡層鏈路層物理層應用層主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機甲AP2AP1主機乙物理層接收到比特流，上交給數據鏈路層H3H4H5文件數據H2主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機

甲AP2AP1主機

乙數據鏈路層剝去幀的首部，取出數據部分，上交給網絡層H3H4H5文件數據主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機

甲AP2AP1主機乙網絡層剝去首部，取出數據部分上交給傳輸層H4H5文件數據主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機

甲AP2AP1主機乙傳輸層剝去首部，取出數據部分上交給應用層H5文件數據主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機甲AP2AP1主機

乙應用層剝去首部，取出文件數據上交給應用進程文件數據主機甲向主機

乙

發(fā)送文件5432154321主機

甲AP2AP1主機乙我收到了

AP1

發(fā)來的文件！

網絡互連與路由器網絡互連問題為了把不同類型的網絡互連成一個統(tǒng)一的網絡，必須解決：所有計算機應統(tǒng)一編址傳輸的數據包格式應該統(tǒng)一···解決方案：統(tǒng)一采用TCP/IP協(xié)議！使用的網絡互連設備：路由器EthernetFDDIATM(a)實際的物理網絡IP路由器主機主機主機主機主機主機主機主機(b)用戶所看到的網絡多個異構網絡互連而成的計算機網絡主機主機主機主機主機主機主機主機TCP/IPEthernetFDDICSMA/CD令牌ATM面向連接X.25（光纖、微波、衛(wèi)星、同軸、電話、雙絞線）虛電路不同的鏈路層不同的物理層統(tǒng)一的應用層、傳輸層和網絡層路由器的功能在兩個物理網絡之間轉發(fā)IP數據報（主機A→主機B）：若B與A在同一個網絡中，IP數據報就直接經網絡1交給B而不需要經過路由器若B與A不在同一個網絡中，則主機A應將IP數據報發(fā)送給所在網絡中的路由器，由該路由器按轉發(fā)表將IP數據報進行轉發(fā)網絡接口層主機A主機B路由器網絡2網絡14321傳輸層應用層網絡互連層網絡互連層網絡接口層網絡接口層傳輸層應用層網絡互連層4321路由器的作用與連接路由器是一種能夠連接異構網絡的分組交換機，其作用是：按照路由表在網絡之間轉發(fā)數據包根據需要對數據包的格式進行轉換路由器的IP地址設置：當路由器某端口連接一個物理網絡時，該端口應分配IP地址該端口的IP地址，其網絡號必須與所連接物理網絡的網絡號相同例：

57網絡地址

A類網絡網絡地址B類網絡FDDI廣域網網絡地址C類網絡R1R2主機A主機B1212路由器的工作過程工作過程：發(fā)送端計算機將數據封裝成IP數據報的形式，發(fā)送給路由器路由器接收到IP數據報之后，根據IP數據報中目的地主機的IP地址，查找路由表，選擇轉發(fā)路徑根據下個網絡所使用的協(xié)議，將IP數據報封裝成相應的數據包（幀）格式，送入緩沖器中排隊在數據鏈路空閑時將數據包轉發(fā)到另一網絡若目的地計算機就在該網絡上，則送達計算機，否則再傳送給下一個路由器進行處理例：主機A=>主機B7

5FDDI廣域網R1R2