【教学课件】第2章计算机网络体系结构与协议选择.ppt

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1、2章 计算机网络体系结构与协议选择,第2章 计算机网络体系结构与协议选择,本章主要内容：网络协议的概念，网络的层次的概念，OSI参考模型，TCPIP体系结构及协议组合，OSI参考模型与TCPIP体系结构的比较，网络互连协议IP，IP地址的组成及分类及分配，子网掩码及子网划分，在Windows 2003中TCP/IP协议的安装、设置及测试。重点与难点：OSI参考模型和TCP/IP体系结构中各层的基本任务和主要功能，IP协议与IP地址，子网掩码与子网的分割；在Windows2003中TCP/IP协议的安装、设置及测试,2章 计算机网络体系结构与协议选择,第2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.1

2、 网络体系结构的基本概念2.2 开放系统互联参考模型(OSIRM)2.3 TCPIP体系结构2.4 Internet上的IP协议与IP地址 2.5 项目实践,Return,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.1.1 网络协议的概念 计算机网络中为进行数据传输而建立的一系列规则、标准或约定称为网络协议（Protocol）。网络协议通常由语义、语法和定时关系3部分组成。语义定义做什么，语法定义怎么做，而定时关系定义何时做。,2.1 网络体系结构的基本概念,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.1.2 网络的层次的概念,不同系统中的实体的通信任务十分复杂，相互间不可能作为一个整体来处理，否则任

3、何一方的改变，就要修改整个软件包。层次结构使用结构化的设计和实现技术，即把协议按功能分为若干层次，每层完成一定的功能（同层协议），并对其上层提供支持（接口）。由于通信功能是分层实现的，因而进行通信的两个系统就必须具有相同的层次结构，两个不同系统上的相同层称为同等层或对等层。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,计算机网络采用层次化结构的优越性包括：,（1）各层之间相互独立。（2）灵活性好。（3）易于实现和维护。（4）有利于网络标准化。,返回本章首页,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.2 开放系统互联参考模型(OSIRM),由于很多网络使用不同的硬件和软件，没有统一的标准，结果造成很多网络

4、不能兼容，而且很难在不同的网络之间进行通信。为了解决这些问题，人们迫切希望出台一个统一的国际网络标准，为此，国际标准化组织(ISO，international standards organization）和一些科研机构、大的网络公司做了大量的工作，提出了开放式系统互连参考模型（ISO/OSI RM，international standards organization/open system interconnect reference model）和TCP/IP体系结构。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.2.1 ISO/OSI参考模型的结构,在

5、OSI参考模型中，计算机之间传送信息的问题分为7个较小且更容易管理和解决的小问题。每一个小问题都由模型中的一层来解决。OSI将这7层从低到高叫做物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,按照OSI参考模型，网络中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层次具有相同的功能，同一节点内相邻层之间通过接口通信；每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信（虚拟通信）。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.2.2 OSI各层的主要功能,（1）应用层（application layer）应用层为最后

6、一层，应用层为用户提供一种通过应用程序访问网上信息的方法，完成用户希望计算机完成的工作。应用层为用户提供应用程序及网络相互作用的接口：FTP、DNS、Telnet、SMTP等。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（2）表示层（presentation）表示层负责将数据转换为发送方和接收方都能识别的格式，即数据翻译、数据加密和解密、数据压缩和恢复。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（3）会话层（session layer）会话层在不同计算机的两个应用程序之间建立、维持和结束确定的连接。使用全双工模式或半双式模式？如何发起传输？如何结束传输？如何设置传输参数？就像两国元首在见面会晤之前，总会

7、先派人谈好议事规则，正式谈判时就根据这套规则进行一样。应用层、表示层和会话层为OSI的高层，与提供面向用户的服务有关。即实现资源子网的功能。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（4）传输层（transport）传输层是最核心的一层，包容了有关传输数据的所有细节。传输层为源主机和目的主机之间提供性能可靠、价格合理的数据传输，而与当前使用的网络无关。（接收站收到数据后返回信息给发送站，表明已正确接收，否则重发。）主要工作：数据包的分段/重组。数据报 数据块。该层关心的主要问题包括建立、维护和中断虚电路、传输差错校验和恢复以及信息流量控制机制等。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（5）网络层（

8、network layer）网络层对数据的大小有限制（把报文划分为分组）；网络层通过路径选择把数据引导到相应的子网上，保证数据在不同子网间的正确传输。其基本任务包括路由选择、拥塞控制与网络互联等功能。使通信子网的数量、类型与拓朴结构对于传输层隐藏。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（6）数据链路层（data link layer）数据链路层负责数据在子网内的正确传输。（采用差错控制和流量控制方法使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。）创建（把分组细分为帧）和管理由网络发送出去的帧。数据链路层把网络层传递来的分组继续加上报头（包括目标网卡和源网卡的硬件地址）和报尾。网卡工作在数据链路层。,

9、2章 计算机网络体系结构与协议选择,（7）物理层（physical layer）物理层是OSI参考模型的最低一层，基本功能是保证网络一方可正确接收另一方发送的信息。定义用于传输数据的硬件特性。即定义网络设备物理连接的接口和传输规则。（接口大小、功能、电平高低、编码等）物理层、数据链路层和网络层与具体网络有关，实现通信子网的功能。低3层由硬件实现，高层由软件实现。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.2.3 OSI环境中的数据的封装与传输过程,在网络中，数据都是从源端发出，经过网络传达到目的端。若主机A要与主机B的交换数据，交换过程如图2.6所示：,2章 计算机网络体系结构与协议选择,图2.

10、6OSI结构中数据的传输与流动过程,返回本章首页,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.3 TCP/IP体系结构,TCP/IP协议是目前最流行的商业化网络协议，尽管它不是某一标准化组织提出的正式标准，但它已经被公认为目前的工业标准或“事实标准”。因特网之所以能迅速发展，就是因为TCP/IP协议能够适应和满足世界范围内数据通信的需要。TCP/IP协议具有以下几个特点。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。（2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，以及互联网中。（3）统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP

11、设备在网中都有惟一的地址。（4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,与ISO/OSI参考模型不同，TCP/IP体系结构将网络划分为应用层、传输层、互联层、和网络接口层4层,231 TCP/IP体系结构的层次划分,TCP/IP的分层体系结构与ISO/OSI参考模型有一定的对应关系。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.3.2 TCP/IP体系结构中各层的功能,1、网络接口层 在TCP/IP分层体系结构中，最底层是网络接口层，它负责通过网络发送和接收IP数据报。TCP/IP体系结构并未对网络接口层使用权的协议做出强硬的规定，它允许主机连入网络时使

12、用多种现成的和流行的协议，例如局域网协议或其他一些协议。实现OSI的物理层和数据链路层的功能。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2、互联层 互联层是TCP/IP体系结构的第二层，它实现的功能相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务。互联层负责将源主机的报文分组发送到目的的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,互联层的主要功能包括：（1）处理来自传输层的分组发送请求。在收到分组发送请求之后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出线。（2）处理接收的数据报。在接收到其他主机发送的数据报之后，检查

13、目的地址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；如目的地址为本节点IP地址，则除去报头，将分组送交给传输层处理。（3）处理互联的路径、流控与拥塞问题。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,3、传输层 它的主要功能是负责应用进程之间的端-端（Host-to-host）通信。在TCP/IP体系结构中，设计传输层的主要目的是在互联网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用于会话的端-端连接。因此，它与OSI参考模型的传输层功能相似。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,TCP/IP体系结构的传输层定义了传输控制协议（TCP，transport control protocol）和用户数据报协议（UDP

14、,user datagram protocol）两种协议。TCP协议是一种可靠的面向连接的协议，它允许将一台主机的字节流（byte stream）无差错地传送到目的主机。UDP协议是一种不可靠的无连接协议，它主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,4、应用层 在TCP/IP 体系结构中，应用层是最靠近用户的一层。它包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。其主要协议包括：（1）网络终端协议（Telnet），用于实现互联网中远程登陆功能；（2）文件传输协议（FTP,file transfer protocol），用于实

15、现互联网中交互式文件传输功能；,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（3）简单邮件传输协议（SMTP simple mail transfer protocol），用于实现互联网中邮件传送功能；（4）域名系统（DNS,domain name system），用于实现互联网设备名字到IP地址映射的网络服务；（5）超文本传输协议（HTTP,byper text transfer protocol），用于目前广泛使用的Web服务；（6）路由信息协议（RIP,routing information protocol），用于网络设备之间交换路由信息；,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（7）简单网络管

16、理协议（SNMP,simple network file system），用于管理和监视网络设备；（8）网络文件系统（NFS,network file system），用于网络中不同主机间的文件共享。应用层协议有的依赖于面向连接的传输层协议TCP（例如 Telnet协议、SMTP协议、FTP协议及HTTP协议），有的依赖于面向非连接的传输层协议UDP（例如SNMP协议），还有一些协议（如DNS），既可以依赖于TCP协议，也可以依赖于UDP协议。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.3.3 TCP/IP的协议组合,TCP/IP体系结构与TCP/IP协议栈之间的对应关系如图2.9所示。从图2-

17、9中可以看出，FTP协议依赖于TCP协议，而TCP协议又依赖于IP协议。SNMP协议依赖于UDP协议，而UDP协议也依赖于IP协议,返回本章首页,2章 计算机网络体系结构与协议选择,网络互连协议IP IP（Internet Protrol）即网际协议，是应用最广泛的网间互连协议，它定义在网际层，为上层提供不可靠的、尽最大努力完成的、无连接的数据报传输服务。,2.4 Internet上的IP协议与IP地址,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（1）面向无连接的传输服务。无连接表示每个IP数据包都是独立发送的，而且从源节点到目的节点的一系列数据包可能经过不同的传输路径，有的在传输过程还可能丢失。（

18、2）不可靠的数据投递服务。IP协议本身没有能力证实发送的报文是否被正确接受。IP数据包在传输过程中可能丢失、重复、损坏或错序。但IP不检测这些错误。在错误发生时，IP也没有可靠的机制来通知发送方或接受方。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（3）尽力发送服务。IP并不随意的丢弃数据包。只有当系统的资源用或底层网络出现故障时，IP才被迫丢弃报文。由IP控制的协议单元称为IP数据报。IP数据报（IPv4）由报头和正文组成，如图所示,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2章 计算机网络体系结构与协议选择,IPv6 IPv6是Internet的新一代IP协议，它的主要特点包括：（1）地址长度为128

19、位，以支持大规模数量的网络节点；（2）IPv6简化了报头，减少了路由表长度，同时减少了路由器处理报头的时间，降低了报文通过因特网的延迟。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（3）增强了选项和扩展功能，使IPv6具有更大的灵活性，具有更强的功能。（4）IPv6对服务质量QoS作了定义，IPv6报文可以标记数据所属的流类型，以便路由器或交换机进行相应的处理。（5）IPv6提供了比IPv4更好的安全性保证。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,在以TCP/IP为通信协议的网络上，每台主机都必须拥有惟一的IP地址，目前因特网地址使用的是IPv4（IP第4版本）的IP地址，它用32位二进制（4个字节）

20、表示。如IP地址：11001010 01110111 00000010 11000111，其对应的十进制格式为：。,2.4.2 IP地址的组成及分类,2章 计算机网络体系结构与协议选择,1IP地址的组成 IP地址由网络号（Network ID）和主机号（Host ID）两个部分组成，网络号用来标志互联网中的一个特定网络，而主机号则用来表示该网络中主机的一个特定连接。所有在相同物理网络上的系统必须有同样的网络号，网络号在互联网上应该是独一无二的。主机号在某一特定的网络中才必须是唯一的。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,192.168.1.100,192.168.2.101,192.168.2

21、.100,192.168.3.100,Host ID,Network ID,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2IP地址的分类 为了适合各种不同大小规模的网络需求，IP地址被分为A、B、C、D、E五大类，其中A、B、C类是可供Internet网络上的主机使用的IP地址，而D、E类是供特殊用途的IP地址。A类：A类的IP地址适合于超大型的网络 B类：B类的IP地址适合于大、中型网络 C类：C类的IP地址适合于小型网络 D类：D类的Network ID用于多点播送 E类：这是一个用于将来扩展用的Network ID,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2章 计算机网络体系结构与协议选择,A、B、

22、C三类地址通常用来标识主机的一个特定连接，因此我们称之为单目传送地址，D类地址用于多址投递系统，被称为组播地址（Multicast），而E类地址尚未使用，以保留给将来使用。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.4.3 特殊的IP地址,TCP/IP体系中保留了一小部分IP地址，这部分地址具有特殊的意义和用途，这些特殊的IP地址不能分配给主机或网络连接。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.广播地址 IP协议规定，主机号为全“1”的IP地址是保留给广播用的。广播地址又分为两种：直接广播地址和有限广播地址。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（1）直接广播地址 如果广播地址包含一个有效的网

23、络号和一个全“1”的主机号，那么称之为直接广播（Directed Broadcasting）地址。在IP互联网中，任意一台主机均可向其它网络进行直接广播。例如C类地址就的一个直接广播地址。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（2）有限广播地址 32位全为“1”的IP地址（）用于本网广播，该地址叫做有限广播（Limited Broadcasting）地址。在主机不知道本机所处的网络时（如主机的启动过程中），只能采用有限广播方式，通常由无盘工作站启动时使用，希望从网络IP地址服务器处获得一个IP地址。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,3回送地址 任何一个以127开头的IP地址（）是一个保留地

24、址，用于网络软件测试以及本地机器进程间通信。这个IP地址叫做回送地址（或叫环循地址）（loopback address），最常见的表示形式为。在每个主机上对应于IP地址有个接口，称为回送接口（loopback interface）IP协议规定，无论什么程序，一旦使用回送地址作为目的地址时，协议软件不会把该数据包向网络上发送，而是把数据包直接返回给本机。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,4“零”地址 网络号为“0”的IP地址指的是本网络上的某台主机。例如，如果C类网络上的某台主机要发送数据包给给本网络的IP地址为的主机，则它可以将数据包的目标地址置为。另外，32位全为“0”的IP地址（），任

25、何主机都可以用它来表示自己。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,从上可以看到，A类网络号0和127有特殊用途，因此可分配给主机的A类网络号是1126。由于网络地址和广播地址的限制，各类网络实际可使用的数目要减去2。如C类网络共有28=256个地址，实际此网络中只能设有282=254台主机。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,5.私有IP地址 如果单位所申请的IP地址数不够使用，那么如何让公司内部网络所有的计算机都能够使用TCP/IP协议来沟通，并连接到Internet并访问Internet上的资源呢？或者因为安全性的考虑，不让某些主机直接与外界沟通。利用私有（Private）IP地址（也叫

26、专用IP）是一个较好的方法。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2章 计算机网络体系结构与协议选择,IP地址的分配是TCP/IP网络管理的中心问题，这些地址必须以某种形式被分配以满足它们的唯一性。一个物理网络上的用户要想进入因特网，必须获得IP地址授权机构（称为网络信息中心NIC）分配的IP地址。国内用户可以通过CNNIC申请。一般的企业网可以根据具体的接入因特网的情况，向上一级机构或其他代理机构申请IP地址。,2.4.4 IP地址分配,2章 计算机网络体系结构与协议选择,对于那些不连接到Internet上的网络，可以自行选择IP地址分配方案，但最好还是使用由IANA（因特网地址分配管理局）

27、保留的私有IP地址（也称专用地址），为将来接入Internet作准备。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,IP地址分配原则,主机 ID 不能都是 0,主机 ID 不能都是 255,网络 ID 中第一个数不能是 127,主机 ID 对于本地网络 ID 来说是唯一,2章 计算机网络体系结构与协议选择,1子网掩码 子网技术由子网掩码实现，子网掩码是指定子网的工具，它是32位二进制数值。具有两大功能：一是指出IP地址中哪些部分是网络地址，哪些是主机地址；二是可将网络进一步划分为若干子网段。在子网掩码中，二进制位为1的位表示网络地址位，二进制位为0的位表示主机地址位。,2.4.5 子网掩码及子网划分,

28、2章 计算机网络体系结构与协议选择,缺省的子网掩码用于传统的IP地址类。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2、子网掩码的作用（1）用于确定IP地址的网络地址和主机地址 例：IP地址，子网掩码 255.255.255.240。则它的网络地址和主机地址可按如下方法得到：将IP地址转换为二进制：11000000 10101000 00001001 11010010 将子网掩码转换为二进制:11111111 11111111 11111111 11110000 将两个二进制数按位进行逻辑与（AND）运算后得出的结果即为网络地址。,2章 计算机网络体系结构与协议选

29、择,11000000 10101000 00001001 11010010AND 11111111 11111111 11111111 11110000 11000000 10101000 00001001 11010000 结果为，即网络地址为。将子网掩码取反再与IP地址进行按位逻辑与（AND）后得到的结果即为主机地址。11000000 10101000 00001001 11010010AND 00000000 00000000 00000000 00001111 00000000 00000000 00000000 00000010 结果为，即主机号为。,2章 计算机网络体系结构与协议选

30、择,3、子网划分 子网是原有的网络划分为一些子网段。方法是采用借位的方式，从主机位最高位开始借位变为新的子网位，所剩余的部分则仍为主机位，这样，IP地址的主机号部分被分成子网部分和主机部分。这使得IP地址的结构分为三部分：网络位、子网位和主机位如图2.14所示。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,子网,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（1）决定子网占用的主机位数并确定子网掩码。在决定子网占用的主机位数时应考虑要划分的子网数和每个子网需要容纳的主机数。占用的主机位越多，你能拥有的子网就越多，但子网内的主机数就越少。若占用的主机位较少，将允许你增加主机的数目，但同时又限制了子网数目。例如一个

31、C类网络，它用8位表示主机号，可以容纳的主机数为254台。当利用这个C类网络创建子网时，如果要分成4个子网，则由于22=4，则需占用2位作为子网号，每个子网可容纳26-2=62台主机。,对C类网络ID进行子网划分可参看下表,如果是对B类网络进行子网规划，则下表,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（2）列出所有子网的网络地址,例如，将私有网络地址划分为4个子网，用上面的方法可决定子网占用的主机地址位数为2位，子网掩码是255.255.255.192 或/26。子网位所有可能的组合是00，01，10，11。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,注意:早期的路由协议不支持子网位全为0或全为1的子网

32、掩码。因此，在你使用全零和全1子网之前，请检查你的主机和路由器对他们的支持。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,（3）对每个子网列出它的IP地址范围,用上面的第三个子网为例，子网的网络地址为，子网位占用了2位主机位，余下6位可用作主机位，将6个主机位全部置1就得到子网的直接广播地址：11000000.10101000.00000000.10111111 将之转换成十进制数为。因此该子网可分配给主机的IP地址范围是192.168.1.128。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2章 计算机网络体系结构与协议选择,4、超网,通过子网掩码可以将若于网段重新划归为一个大网，使每个网络所容纳的计算机

33、数量成倍增加，这就是所谓的超网。产生超网的方法与划分子网恰好相反，要把IP地址中网络地址位，借給主机部份使用。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,例：若要把罗文校区内的计算机（总数256)全部连成一个网络，而且使用C类IP地址，如何设置IP地址和子网掩码？题中所用地址为C类地址，默认的子网掩码是，每个网络中的主机数最多只能有254个（28-2），可以把子网掩码改为，则主机数可达65534个（216-2）。,2章 计算机网络体系结构与协议选择,例：给定的IP地址为，子网掩码是：，那么子网号是，主机号是（1），直播的广播地址是（2）。如果主机地址的头十位用于子网，那么的子网掩码是（3）。（1）主机号为：（2）广播地址为：（3）子网掩码为：,2章 计算机网络体系结构与协议选择,2.4.6 可变长子网掩码（VLSM）,实际上，一个组织的网络包含不同数量的主机，需要不同大小的子网以使IP地址的浪费最小。对一个网络ID进行不同大小的子网划分，可以采用可变长度子网掩码，即每个子网使用不同长度的子网掩码。例如：你需要对一个C类网络ID进行子网划分，有些子网内主机数为20台，另一些子网内的主机数为10台，则可将主机数为20台的子网的掩码设为，而主机数为10台的子网的掩码则设为。,返回本章首页,