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1、1,21世纪高职高专,新概念教材,计算机网络技术实用教程,第二章 网络体系结构与TCP/IP协议,3,本章学习目标,本章主要讲解计算机网络的体系结构与TCP/IP协议。通过本章的学习，读者应掌握以下内容：计算机网络通信协议 TCP/IP协议 IP地址的规划 计算机网络新技术,2.1 计算机网络的体系结构,5,2.1.1 计算机网络体系结构的形成,计算机网络是个非常复杂的系统。相互通信的两个计算机系统必须能够高度协调工作，而这种“协调”是相当复杂的。,哪么如何解决这种“协调”？,“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。,6,关于开放系统互
2、连参考模型OSI/RM,只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面 OSI 却失败OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。,7,两种国际标准,法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的(de facto)国际标准。,8
3、,2.1.2 划分层次的必要性,在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。,为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。,这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。,9,网络协议的组成要素,语法：数据与控制信息的结构或格式。语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步：事件实现顺序的详细说明。,10,分层的好处,各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。,11,层数多少要适当,若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。
4、层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,12,分层时应注意使每一层的功能非常明确。通常每一层所要实现的一般功能往往是下面的一种或几种：（1）差错控制：使得和网络对端的相应层次的通信更加可靠。（2）流量控制：控制发送端的发送速率不要太快，使接收端来得及接收。（3）分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。（4）复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。（5）连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。,13,计算机网络的体系结构,计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络
5、的各层及其协议的集合。计算机网络体系结构就是计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。,14,2.1.3 网络标准化组织,所谓标准是文档化的协议中包含的推动某一特定产品或服务应如何被设计或实施的技术规范。ANSI（美国国家标准协会）EIA（电子工业联盟）IEEE（电气与电子工程师学会或称为I-3-E）ISO（国际标准化组织）ITU（国际电信同盟）,15,2.1.4 计算机网络通信协议,前面已经提到OSI开放系统互连参考模型采用了7个层次的体系结构，由低层至高层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
6、,16,OSI参考模型两台主机的层次结构,17,物理层（Physical Layer）,物理层的任务就是透明地传送比特流。在物理层上传输数据的单位是比特。,物理层并不是指物理传输介质，它是介于数据链路层和物理传输介质之间的一层，起着数据链路层到物理传输介质之间的逻辑接口的作用。,传输介质的改变是否会影响物理层以上的层次？,18,物理层的主要功能,确定连接缆线材质，确定连接器引线的数目及定义、接头的几何尺寸和锁紧装置等。物理层要考虑用多大的电压代表“l”或“0”，以及当发送端发出比特“l”时，在接收端如何识别出这是比特“l”而不是比特“0”。指出传输1比特信息占用多长时间。采用何种传输方式。初始
7、连接如何建立。当双方结束通信时如何拆除连接。,RS-232是物理层的一个重要标准，哪么它是如何实现物理层功能的？,19,EIA RS-232 接口标准,EIA:Electronic Industries Association 美国电子工业协会。,EIA RS-232 的主要特性：机械特性：使用ISO 2110关于插头座的标准，有25根引脚，分2排：13根和12根。电气特性：与CCITT的V.28建议书一致。采用负逻辑，即0表示+3V或更高的电压；1表示-3V或更负的电压。电缆长度在15m以内，传输速率不超过20kb/s，长度越短，速度越快。规程特性：与CCITT的V.24建议书一致。规定各事
8、件发生的次序。,20,功能特性：与CCITT的V.24建议书一致，它规定了25根引脚的功能及电路连接。图2-28画出了25根引脚中的10根的信号定义。,21,数据链路层（Data Link Layer）,数据链路层OSI/RM的第2层，它通过物理层提供的比特流服务，在相邻节点之间建立链路，传送以帧(Frame)为单位的数据信息，并且对传输中可能出现的差错进行检错和纠错，向网络层提供无差错的透明传输。,数据链路层OSI/RM的第2层，它通过物理层提供的比特流服务，在相邻节点之间建立链路，传送以帧(Frame)为单位的数据信息，并且对传输中可能出现的差错进行检错和纠错，向网络层提供无差错的透明传输
9、。,如何从比特流中获取帧的？,22,数据链路层的功能,1.透明性问题 数据链路层要将网络层的数据分成可以管理和控制的数据单元，称其为帧。数据链路层要将比特流划分成具体的帧，同时确保帧的同步。2.流量控制 数据链路层对发送数据帧的速率必须进行控制，如果发送的数据帧太多，就会使目的节点来不及处理而造成数据丢失。3.差错控制 为了保证物理层传输数据的可靠性，数据链路层需要在数据帧中使用一些控制方法，检测出错或重复的数据帧，并对错误的帧进行纠错或重发。4.链路管理 包括建立、维护和释放数据链路，并可以为网络层提供几种不同质量的链路服务。,23,网络层（Network Layer）,网络层负责为分组交换
10、网上的不同主机提供通信。在发送数据时，网络层将传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，分组也叫做IP数据报，或简称为数据报。另一个功能是路由选择。,什么是路由选择？为什么需要路由选择？,24,网络层的功能,路由功能 路由选择就是根据一定的原则和算法在传输通路中选出一条通向目的节点的最佳路由。流量控制 在数据链路层中介绍过流量控制，在网络层同样也存在流量控制问题。拥塞控制 在通信子网中，由于出现过量的数据包而引起网络性能下降的现象称为拥塞。,25,传输层（Transport Layer）,传输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁，它完成了资源子网中两节点间的直接
11、逻辑通信，实现了通信子网端到端的可靠传输。因为如果没有传输层，数据将不能被接收方验证或解释，所以，传输层常被认为是OSI模型中最重要的一层。,除此之外，传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割。工作在传输层的一种服务是TCP/IP协议套中的TCP（传输控制协议），另一项传输层服务是IPX/SPX协议集的SPX（序列包交换）。,如何去实现这种可靠传输哪？,26,会话层（Session Layer）,会话层是用户应用程序与网络的接口，属于进程级的层次。会话层提供给表示层的服务有：(1)数据交换(2)会话管理(3)差错恢复和控制,27,表示层（Presentation Layer）,
12、表示层管理这些抽象数据结构和数据类型，并负责在计算机内部表示和网络的标准表示法之间进行转换。表示层的主要功能有：(1)数据转换(2)数据压缩(3)数据加密,28,应用层（Application Layer）,应用层是OSI网络协议体系结构的最高层，是计算机网络与最终用户之间的界面，为网络用户之间的通信提供专用的程序。应用层的一个主要功能是提供虚拟终端，使所有不同类型的终端都能通过这种终端协议与网络主机互连。这种终端协议就称为虚拟终端协议。应用层的另一个功能是提供文件传输协议FTP和收发电子邮件功能。,29,数据封装过程,计算机 1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,应 用 程 序 数 据,比
13、 特 流,30,31,对等层协议,2.2 TCP/IP协议体系,33,2.2.1 TCP/IP与OSI体系结构的对比,TCP/IP是Internet上所有网络和主机之间进行交流所使用得共同“语言”，是Internet上使用得一组完整的标准网络连接协议。,34,TCP/IP体系结构与OSI参考模型的对应关系,35,TCP/IP与OSI的对比,TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互联问题，并将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部分。TCP/IP一开始就将面向连接服务和面向无连接服务并重，而OSI在开始时只强调面向连接这种服务。TCP/IP较早就有较好的网络管理功能，而OSI到后来才开始考虑这
14、个问题。,36,2.2.2 TCP/IP体系结构,TCP/IP是Internet采用的协议标准，也是全世界采用的最广泛的工业标准。实际上TCP/IP是一个协议系列，包含100多个协议，用来将各种计算机和数据通信设备组成计算机网络。这个协议系列的正确名字是Internet协议系列，TCP和IP只是其中的两个协议。由于它们是最基本、最重要的两个协议，也是广为人知的，因此，通常用TCP/IP来代表整个Internet协议系列。,37,1.网络接口层,网络接口层定义了与某特定介质的物理连接特性，以及用于在该介质上发送和接收的信息帧的格式。对应着OSI的物理层和数据链路层。TCP/IP支持的数据链路技术
15、很多：以太网、ATM、令牌网、FDDI、帧中继等。TCP/IP的完美之处就在于它可以在任何一种物理网络上运行。,38,2.网络层,网络层负责将数据分组从源地转发到目的地。网际层是在Internet标准中正式定义的第一层。网际层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组，将分组形成数据包(IP数据包)，并为该数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机。,39,IP不仅可以运行在各种主机上，也可以运行在分组交换和转发设备上，这些设备称为路由器。因为网络层是无连接的，所以IP不能保证分组按正确的顺序到达目的地，甚至不能保证分组能够到达目的地。,40,与IP协议配套使用的还有四个协议：,地址解
16、析协议ARP（Address Resolution Protocol）逆地址解析协议RARP（Reverse Address Resolution Protocol）因特网控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）因特网组管理协议IGMP（Internet Group Management Protocol）。,41,3.传输层,TCP/IP的传输层也被称为主机至主机层，与OSI的传输层类似，它主要负责主机到主机之间的端到端通信，该层使用了两种协议来支持两种数据的传送方法，它们是TCP协议和UDP协议。TCP提供一种面向连接的、可靠的传输服务。U
17、DP提供一种无连接的、不可靠的传输服务。TCP和UDP都运行于主机上，能够分别为不同的应用程序提供特定的服务。,42,4.应用层,应用层中各种应用程序都使用了低层TCP/IP的服务。例如，用于终端仿真的Telnet、用于文件传输的文件传输协议（FTP）、用于主页浏览的超文本传输协议（HTTP）及用于电子邮件的简单邮件传输协议（SMTP）等，都是TCP/IP许多著名的应用实例中的一部分。,43,沙漏计时器形状的TCP/IP协议族,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口 1,网络接口 2,网络接口 3,2.3 IP编址方案,45,IP
18、地址,在TCP/IP协议栈中，编址由互联网协议（Internet Protocol，IP）规定。IP标准规定每台主机分配一个32位二进制数作为该主机的互联网协议地址（Internet Protocol Address），常简写为IP地址或互联网地址（这三项在书中作为同义词使用）。互联网地址（IP地址）是一个分配给一台主机，并用于该主机所有通信的惟一的32位二进制数。,什么是IP地址？,46,互联网的层次结构,47,2.3.1 IP地址层次,IP地址层次保证了两个重要性质：（1）每台计算机分配一个惟一地址（即一个地址不分配给多台计算机）。（2）虽然网络号分配必须全球一致，但后缀可本地分配，不需全
19、球一致。第一个性质得到保证，因为整个地址包括前缀和后缀，它们分配时保证惟一性。如果两台计算机从属于同一个物理网络，它的地址有不同的后缀。,48,2.3.2 IP地址分类,一旦选择了IP地址的长度并决定把地址分为两部分，就必须决定每部分包含多少位。前缀部分需要足够的位数以允许分配惟一的网络号给互联网上的每一个物理网络，后缀部分也需要足够位数以允许从属于一网络的每一台计算机都分配一个惟一的后缀。由于一个互联网可包括任意的网络技术，所以可能一个互联网由少量大的物理网络构成，而同时另外一个互联网由许多小的网络构成。这个方案将IP地址空间划分为5个基本类：每类有不同长度的网络号和主机号。,49,IP地址
20、的组成：地址类别：用来标识网络类型；网 络 号：用来标识一个逻辑网络；主 机 号：用来标识网络中的一台主机。一台Internet主机至少有一个IP地址，而且这个IP地址是全网惟一的。,2.3.2 IP地址分类,50,五类地址示意图,51,A类地址：适用于大型网络，B类地址：适用于中型网络，C类地址：适用于小型网络，D类地址：用于组播，E类地址：用于实验。一个单位或部门可拥有多个IP地址，可拥有2个B类地址和50个C类地址。,52,为方便阅读和从键盘上输入，可把每 8 位二进制数字转换成一个十进制数字，并用小数点隔开：,这就是“点分十进制”记法。我们从键盘上输入点分十进制的 IP 地址，计算机就
21、把它转换为 32位的二进制数字。,二进制与点分十进制,53,A类地址，用高8位的最高1位为“0”表示网络类别，余下7位表示网络号，用低24位表示主机号。通过网络号和主机号的位数就可以知道A类地址的网络数为27共128个，每个网络包含的主机数为224共16777216个。,A类地址,54,A类地址的范围：,00000000 00000000 00000000 00000000,00000000 00000000 00000000,0.0.0.0,0.0.0,01111111 11111111 11111111 00000000,11111111 1111111 11111111,127.255.
22、255.255,255.255.255,00000001 00000000 00000000 00000000,00000000 00000000 00000001,1.0.0.0,0.0.1,01111110 11111111 11111111 00000000,11111111 11111111 1111110,126.255.255.255,255.255.254,A类地址范围,A类有效地址范围,55,由于网络号全为0和全为1保留用于特殊目的，所以，A类地址有效的网络数为126个，其范围1126；由于主机号全为0和全为1也有特殊作用，所以每个网络号包含的主机数应该是22421677721
23、4个；一台主机能使用的A类地址的有效范围是：；,说 明,56,B类地址,用高16位的最高2位为“10”表示网络类别号，余下14位表示网络号，低16位表示主机号。通过网络号和主机号的位数就可以知道B类地址的网络数为214共16384个，每个网络包含的主机数为216共65536个。,57,B类地址的范围：,10000000 00000000 00000000 00000000,00000000 00000000,128.0.0.0,0.0,10111111 11111111 11111111 00000000,1111111 11111111,191.255.255.255,255.255,100
24、00000 00000000 00000000 00000000,00000000 00000001,128.0.0.0,0.1,10111111 11111111 11111111 00000000,11111111 1111110,191.255.255.255,255.254,B类地址范围,B类有效地址范围,58,由于没有网络号全为0和全为1，所以，B类地址有效的网络数为16384个，其范围128191；由于主机号全为0和全为1也有特殊作用，所以每个网络号包含的主机数应该是216265534个；一台主机能使用的A类地址的有效范围是：；,说 明,59,C类地址,用高24位的最高3位为“11
25、0”表示网络类别号，余下21位表示网络号，用低8位表示主机号。通过网络号和主机号的位数就可以知道C类地址的网络数为221共2097152个，每个网络包含的主机数为28共256个。,60,C类地址的范围：,11000000 00000000 00000000 00000000,00000000,192.0.0.0,0,11011111 11111111 11111111 00000000,1111111,223.255.255.255,255,11000000 00000000 00000000 00000000,00000001,192.0.0.0,1,11011111 11111111 11
26、111111 00000000,1111110,223.255.255.255,254,C类地址范围,C类有效地址范围,61,由于没有网络号全为0和全为1，所以，C类地址有效的网络数为2097152个，其范围192223；由于主机号全为0和全为1也有特殊作用，所以每个网络号包含的主机数应该是282254个；一台主机能使用的A类地址的有效范围是：；,说 明,62,D类地址第一字节的前4位为“1110”。D类地址用于多播，多播就是同时把数据发送给一组主机，只有那些已经登记可以接受多播地址的主机才能接受多播数据包。D类地址的范围：,D类地址,63,E类地址第一字节的前4位为“1111”E类地址是为将
27、来预留的，同时也可以用于实验目的，但它们不能被分配给主机。,E类地址,64,IP地址分类表,由于每一个网络都存在两个特殊的IP地址(全“0”或全“1”)，所以实际能够分配的主机数比最大主机数少2。,65,特殊IP地址,66,(1)网络地址网络地址又称网段地址。网络号不空而主机号全“0”的IP地址表示网络地址，即网络本身。如：地址表示其网络地址为。,(2)直接广播地址网络号不空而主机号全“1”表示直接广播地址，表示这一网段下的所有用户。如：就是直接广播地址。表示网段下的所有用户。,67,(3)有限广播地址网络号和主机号都是全“1”的IP地址是有限广播地址，在系统启动时，还不知道网络地址的情形下进行广播就是使用这种地址对本地物理网络进行广播。,(4)本机地址网络号和主机号都为全“0”的IP地址表示本机地址。,(5)回送测试地址网络号为“127”而主机号为任意的IP地址为回送测试地址。最常用的回送测试地址为。,68,如何判别IP地址的类别？从IP地址的最高8位进行判别，如下表所示。,69,例如：清华大学：IP地址116.111.4.120是A类地址北京大学：IP地址162.105.129.11是B类地址贵州大学：IP地址210.40.0.58是C类地址,
