TCPIP协议网络体系结构

1、Chapter第二章第二章 计算机网络与因特网体系结构计算机网络与因特网体系结构2计算机网络概念计算机网络概念 n计算机网络的产生和发展计算机网络的产生和发展 u计算机技术和通信技术的发展和结合，形成计算机技术和通信技术的发展和结合，形成了计算机网络。了计算机网络。u计算机网络计算机网络的定义：的定义：利用通信线路连接起来利用通信线路连接起来的，通过通信协议实现资源共享的独立的计的，通过通信协议实现资源共享的独立的计算机的集合算机的集合3计算机网络概念计算机网络概念n第一代计算机网络的诞生第一代计算机网络的诞生u1946年产生第一台数字计算机年产生第一台数字计算机u1954年收发器终端的产生年

2、收发器终端的产生u60年代初，由多重线路控制器参与组成年代初，由多重线路控制器参与组成的网络，被称为第一代计算机网络的网络，被称为第一代计算机网络DSU/CSUDSU/CSUDSU/CSUDSU/CSU4计算机网络概念计算机网络概念n第二代计算机网络的第二代计算机网络的诞生诞生u1964年，年，Baran提提出存储转发概念出存储转发概念u1966年，年，David提提出分组概念出分组概念u1969年，年，DARPA的计算机分组交换的计算机分组交换网网ARPANET投入投入运行运行5计算机网络概念计算机网络概念n当使用电路交换来传送计算机数据时，当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率

3、往往很低。其线路的传输效率往往很低。 6计算机网络概念计算机网络概念n分组交换则采用存储转发技术。分组的概念如图分组交换则采用存储转发技术。分组的概念如图1-3所示。通常我们将欲发送的整块数据称为一个报文所示。通常我们将欲发送的整块数据称为一个报文(message)。在每一个数据段前面，加上一些必要。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个后，就构成了一个分组分组(packet)。分组又称为。分组又称为“包包”，而分组的首部，而分组的首部也可称为也可称为“包头包头”。分组交换的特征是基于标记。分组交换的特征是基于标记(label-

4、based)。不先建立连接而随时可发送数据的。不先建立连接而随时可发送数据的连网方式，称为无连接的连网方式，称为无连接的(connectionless)。 7计算机网络概念计算机网络概念n分组交换网由若干个结点交换机分组交换网由若干个结点交换机(node switch)和连和连接这些交换机的链路组成，如图接这些交换机的链路组成，如图1-4(a)所示。图所示。图1-4(b)和图和图1-4(a)的表示方法是一样的，但强调了结点的表示方法是一样的，但强调了结点交换机具有多个端口的概念。交换机具有多个端口的概念。8计算机网络概念计算机网络概念n结点交换机处理分组的过程是：将收到结点交换机处理分组的过程

5、是：将收到的分组先放入缓存，再查找转发表的分组先放入缓存，再查找转发表(转发转发表中写有到何目的地址应从何端口转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息的信息)，然后由交换机构从缓存中将该，然后由交换机构从缓存中将该分组取出，传递给适当的端口转发出去。分组取出，传递给适当的端口转发出去。n分组交换也带来一些新的问题。例如，分组交换也带来一些新的问题。例如，分组在各结点存储转发时需要排队，这分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。当网络通信量过就会造成一定的时延。当网络通信量过大时，这种时延可能会很大。此外，各大时，这种时延可能会很大。此外，各分组必须携带的控制信息也造成了一定分

6、组必须携带的控制信息也造成了一定的开销的开销(overhead)。 9计算机网络概念计算机网络概念n图图1-5表示电路交换、报文交换和分组交换的表示电路交换、报文交换和分组交换的主要区别。主要区别。 10计算机网络概念计算机网络概念n1977年年OSI参考模型的提出，标志着计算机参考模型的提出，标志着计算机网络进入到第三个阶段网络进入到第三个阶段11计算机网络概念计算机网络概念n计算机网络的分类计算机网络的分类 u按照网络的拓扑结构，网络可以划分为如图所按照网络的拓扑结构，网络可以划分为如图所示的总线型网、环型网、星型网、格状网示的总线型网、环型网、星型网、格状网 （a）总线型）总线型 （b）

7、环型）环型 （c）星型）星型 （d）格状）格状 环接口环接口 访问结点访问结点 交换结点交换结点 12计算机网络概念计算机网络概念u按照网络的覆盖范围，网络可以划分为：按照网络的覆盖范围，网络可以划分为：n广域网广域网WAN (Wide Area Network) n城域网城域网MAN (Metropolitan Area Network)n局域网局域网LAN (Local Area Network)n个域网（个域网（Personal Area Network，PAN）13计算机网络概念计算机网络概念n网络协议与体系结构网络协议与体系结构 u网络协议是通信双方共同遵守的规则和约定网络协议是通信

8、双方共同遵守的规则和约定的集合。网络协议包括三个要素：的集合。网络协议包括三个要素：n语法：规定了信息的结构和格式；语法：规定了信息的结构和格式；n语义：表明信息要表达的内容；语义：表明信息要表达的内容；n同步规则：涉及双方的交互关系和事件顺序同步规则：涉及双方的交互关系和事件顺序u为了保证网络的各个功能的相对独立性，以为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便于实现和维护，通常将协议划分为多个及便于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议，并且让这些协议保持一种层次结构，子协议，并且让这些协议保持一种层次结构，子协议的集合通常称为子协议的集合通常称为协议簇协议簇14计算机网络概念计算机网络概念

9、u协议分层的好处：协议分层的好处：n网络协议的分层有利于将复杂的问题分解成网络协议的分层有利于将复杂的问题分解成多个简单的问题，从而分而治之；多个简单的问题，从而分而治之；n分层有利于网络的互联，进行协议转换时可分层有利于网络的互联，进行协议转换时可能只涉及某一个或几个层次而不是所有层次；能只涉及某一个或几个层次而不是所有层次；n分层可以屏蔽下层的变化，新的底层技术的分层可以屏蔽下层的变化，新的底层技术的引入，不会对上层的应用协议产生影响引入，不会对上层的应用协议产生影响15计算机网络概念计算机网络概念nOSI体系结构体系结构u网络划分为资源子网和通信子网，如下图所示。网络划分为资源子网和通信

10、子网，如下图所示。n通信子网由通信设备和线路构成，资源子网由主机和通信子网由通信设备和线路构成，资源子网由主机和其他末端系统构成。交换结点属于通信子网，访问结其他末端系统构成。交换结点属于通信子网，访问结点属于资源子网点属于资源子网 通信子网和资源子网通信子网和资源子网 通信子网通信子网 资源子网资源子网 16计算机网络概念计算机网络概念u20世纪世纪70年代出现了多种网络体系结构。针对这年代出现了多种网络体系结构。针对这一问题，国际标准化组织一问题，国际标准化组织ISO提出了著名的开放提出了著名的开放系统互连参考模型系统互连参考模型ISO/OSI-RM。uOSI采用了如下图所示的七层参考模型

11、采用了如下图所示的七层参考模型 ISO 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 中间结点中间结点 中间结点中间结点 物理层物理层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 传输层传输层 会话层会话层 表示层表示层 应用层应用层 物理层物理层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 传输层传输层 会话层会话层 表示层表示层 应用层应用层 物理层物理层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 物理层物理层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 设备设备 A 设备设备 B 端到端协议端到端协议 7 6 5 4 3 2 1 17计算机网络概念计算机网络概念uOSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，的七层协议体系结构

12、既复杂又不实用，但其概念清楚，体系价格低廉，理论较完整。但其概念清楚，体系价格低廉，理论较完整。TCP/IP的协议现在得到了全世界的承认，它的协议现在得到了全世界的承认，它是一个四层的体系结构是一个四层的体系结构18计算机网络概念计算机网络概念n局域网技术局域网技术 u个人计算机的发展和普及促进了局域网的形个人计算机的发展和普及促进了局域网的形成。局域网的特点是：网络覆盖范围较小；成。局域网的特点是：网络覆盖范围较小；数据传输速率较高；误码率低；一般为一个数据传输速率较高；误码率低；一般为一个单位所独有单位所独有u以太网是当前占主导地位的分组交换局域网以太网是当前占主导地位的分组交换局域网技术

13、，是由技术，是由Xerox公司的公司的Palo Alto研究中心研究中心在在20世纪世纪70年代早期发明的。年代早期发明的。Xerox公司，公司，Intel公司和公司和DEC公司于公司于1978年将以太网进行年将以太网进行了标准化。了标准化。IEEE 802组织用组织用IEEE 802.3发布发布了一个与这个标准兼容的标准版本了一个与这个标准兼容的标准版本19计算机网络概念计算机网络概念u以太网最初的设计采用总线结构，用同轴电缆作为以太网最初的设计采用总线结构，用同轴电缆作为传输介质。每根以太网电缆直径约为传输介质。每根以太网电缆直径约为0.5英寸，长度英寸，长度约为约为500米。以太网的传输

14、介质经历了由粗同轴电缆米。以太网的传输介质经历了由粗同轴电缆到细同轴电缆，再到双绞线到细同轴电缆，再到双绞线 (Twisted pair) 的发展的发展过程过程u到了到了20世纪世纪90年代中期时，计算机的能力迅速增强，年代中期时，计算机的能力迅速增强，10Mbps的以太网就难以继续胜任主干的角色了。的以太网就难以继续胜任主干的角色了。n快速以太网（快速以太网（100Base-T,以以5类双绞线作为传输介质）类双绞线作为传输介质）n10/100以太网以太网n千兆（吉比特）以太网千兆（吉比特）以太网数据帧的格式都是一样的数据帧的格式都是一样的20计算机网络概念计算机网络概念u以太网为每个硬件网络

15、接口指定一个惟一的以太网为每个硬件网络接口指定一个惟一的48位二位二进制数作为以太网地址，该地址又称为硬件地址、进制数作为以太网地址，该地址又称为硬件地址、物理地址、物理地址、MAC地址地址u保证以太网地址全球惟一的方法是由保证以太网地址全球惟一的方法是由IEEE负责分配负责分配48位地址中的前位地址中的前24位，生产以太网网卡和设备的厂位，生产以太网网卡和设备的厂商向商向IEEE购买三字节的号码，作为厂商的地址块，购买三字节的号码，作为厂商的地址块，地址的后三个字节再由厂商进行分配地址的后三个字节再由厂商进行分配 类型类型 目的地址目的地址 源地址源地址 CRC 数数 据据 0 x0806

16、ARP 请求请求/应答应答 PAD 6 6 2 461500 4 字节字节 2 28 18 以太网帧格式以太网帧格式 CRC 4 0 x0800 目的地址目的地址 源地址源地址 CRC 6 6 2 461500 4 IP 数据报数据报 目的地址目的地址 源地址源地址 6 6 21计算机网络概念计算机网络概念uCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect），即载波监听多路访问），即载波监听多路访问/冲突检测冲突检测CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发

17、送与中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传

18、送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。重新争用介质，重发送帧。CSMA/CD协议简单、可协议简单、可靠，在网络系统（如靠，在网络系统（如Ethernet）被广泛使用）被广泛使用22计算机网络概念计算机网络概念n广域网技术广域网技术 X.25网络是第一个面向连接的网络网络是第一个面向连接的网络,也也是第一个公共数据网络。其数据分组包含是第一个公共数据网络。其数据分组包含3字节头部和字节头部和128字节数据部分。它运行字节数据部分。它运行10年年后后,20世纪世纪80年代被无错误控制年代被无错误控制,无流控制无流控制,

19、面面向连接的新的叫做帧中继的网络所取代。向连接的新的叫做帧中继的网络所取代。90年代以后年代以后,出现了面向连接的出现了面向连接的ATM网络。网络。uX.25nX.25协议是协议是CCITT（ITU）建议的一种协议，）建议的一种协议，它定义终端和计算机到分组交换网络的连接。它定义终端和计算机到分组交换网络的连接。23计算机网络概念计算机网络概念nX.25规范对应规范对应OSI三层，三层，X.25的第三层描述的第三层描述了分组的格式及分组交换的过程。了分组的格式及分组交换的过程。X.25的第的第二层由二层由LAPB（Link Access Procedure, Balanced）实现，它定义了用

20、于）实现，它定义了用于DTE/DCE连接的帧格式。连接的帧格式。X.25的第一层定义了电气和的第一层定义了电气和物理端口特性。物理端口特性。nX.25网络设备分为数据终端设备（网络设备分为数据终端设备（DTE）、）、数据电路终端设备（数据电路终端设备（DCE）及分组交换设备）及分组交换设备（PSE）。）。DTE是是X.25的末端系统，如终端、的末端系统，如终端、计算机或网络主机，一般位于用户端，计算机或网络主机，一般位于用户端，Cisco路由器就是路由器就是DTE设备。设备。DCE设备是专用通信设备是专用通信设备，如调制解调器和分组交换机。设备，如调制解调器和分组交换机。PSE是是公共网络的主

21、干交换机。公共网络的主干交换机。24计算机网络概念计算机网络概念u帧中继（帧中继（Frame Relay)帧中继是在帧中继是在X.25的基础上发展起来的，的基础上发展起来的，随着通信线路的逐步数字化和光纤化，传输随着通信线路的逐步数字化和光纤化，传输过程中的误码率大大降低。为了降低信息的过程中的误码率大大降低。为了降低信息的传输延迟，帧中继技术简化了中间结点在数传输延迟，帧中继技术简化了中间结点在数据链路层对数据帧的差错处理，并省略了分据链路层对数据帧的差错处理，并省略了分组层的处理。帧中继的交换结点一旦识别出组层的处理。帧中继的交换结点一旦识别出目的地址就立刻进行帧的转发。如果检测出目的地址

22、就立刻进行帧的转发。如果检测出差错，则将该帧丢弃。错误由两端高层协议差错，则将该帧丢弃。错误由两端高层协议进行恢复进行恢复25计算机网络概念计算机网络概念u异步传输模式异步传输模式ATMn异步传输模式是一种信元中继协议，采用面异步传输模式是一种信元中继协议，采用面向连接的连网技术，向连接的连网技术，ATM结合了电路交换的结合了电路交换的实时性和分组交换的灵活性实时性和分组交换的灵活性nATM的传输介质可以是双绞线、光纤甚至可的传输介质可以是双绞线、光纤甚至可以是无线信道，以是无线信道，ATM交换机之间的连接通常交换机之间的连接通常采用光纤作为传输介质。采用光纤作为传输介质。ATM既可以构成局既

23、可以构成局域网，也可以构成城域网或广域网。域网，也可以构成城域网或广域网。ATM网网络的底层使用称为信元（络的底层使用称为信元（cell）的分组。）的分组。ATM信元的特点是：长度较短，并且大小固定。信元的特点是：长度较短，并且大小固定。每个每个ATM信元长度为信元长度为 53字节。信元包含字节。信元包含5个个字节的首部和字节的首部和48字节的数据字节的数据26计算机网络概念计算机网络概念n无线网络无线网络 u无线广域网无线广域网WWAN（Wireless WAN） 第三代移动通信（第三代移动通信（3G） 第二代移动通信第二代移动通信 第第 2.5 代移动通信（代移动通信（2.5G） 第一代移

24、动通信第一代移动通信 模拟无线网络模拟无线网络 GSM 、CDMA GPRS 、WAP 、HSCSD 、EDGE 等等 WCDMA 、CDMA2000 、TD-SCDMA 移动通信的划代移动通信的划代 AMPS、NMT 27计算机网络概念计算机网络概念u无线局域网无线局域网WLAN（Wireless LAN）nIEEE 802.111997年，年，IEEE发布了发布了802.11协议，协议，用于解决局域网用户的无线接入。用于解决局域网用户的无线接入。IEEE 802.11传输传输速率最高只能达到速率最高只能达到2MbpsnIEEE 802.11b 802.11b在在802.11的的1Mbps和

25、和2Mbps速率基础上增加了速率基础上增加了5.5Mbps和和11Mbps两个新两个新的网络速率的网络速率nIEEE 802.11aIEEE 802.11a工作在工作在5GHz频段，频段，采用正交频分复用技术，传输速率可达到采用正交频分复用技术，传输速率可达到54Mbps。但但IEEE 802.11a与与IEEE 802.11b不兼容、且设备较贵、不兼容、且设备较贵、点对点连接很不经济点对点连接很不经济28计算机网络概念计算机网络概念nIEEE 802.11g2003年年IEEE推出了一个新标推出了一个新标准准IEEE 802.11g。它比。它比802.11b速率快速率快5倍，倍，并能与并能与

26、802.11b兼容兼容nIEEE 802.11定义了两种类型的设备：定义了两种类型的设备：w无线站通常是一台计算机加上一块无线网络接无线站通常是一台计算机加上一块无线网络接口卡构成，口卡构成，w无线接入点无线接入点AP (Access Point,)的作用是提供的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口构成，桥接软件符合构成，桥接软件符合IEEE 802.1d桥接协议。桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的

27、接入站聚合到有线网络上个无线的接入站聚合到有线网络上29因特网体系结构因特网体系结构 n因特网的概念因特网的概念 u因特网是通过网络互联技术将已有的、异构网络互因特网是通过网络互联技术将已有的、异构网络互联起来所构成的一个统一的一致性网络。为了实现联起来所构成的一个统一的一致性网络。为了实现网络的互联，必须解决三个基本问题，即协议转换、网络的互联，必须解决三个基本问题，即协议转换、寻址和路径选择寻址和路径选择n网络的异构性主要体现在协议的不同上，必然要涉及网络的异构性主要体现在协议的不同上，必然要涉及到不同协议之间的转换问题。到不同协议之间的转换问题。n但在异构网络进行互联时，各个网络可能具有各自的但在异构网络进行互联时，各个网络可能具有各自的地址结构，一般难