第三章--网络体系结构和网络协议

1、第3章 网络参考模型本章学习目标 本章主要讲述了OSI/RM参考模型、TCP/IP参考模型、IPv4与IPv6两种互联网地址体系结构。通过本章学习，学生应该掌握以下内容： 1.了解什么是网络层次模型 2.OSI/RM、TCP/IP模型的分层情况及各层的主要功能 3.能进行中小网络的IP地址管理划分 3.1 网络层次体系结构 学习目标：通过本节的的学习，使同学们掌握网络层次体系结构的基本知识，掌握网络层次划分的原则。 本节重点： 1 、 网络层次体系结构的基本概念 2、 网络层次划分的原则 3、 常见的网络层次模型 本节难点： 1、 网络层次体系结构的基本概念 2、 常见的网络层次模型一、 网络

2、层次体系结构的基本概念 网络层次体系结构主要包括四个要素： 实体、 系统、 层、 协议。（智能I/O芯片等的软件元素（如进程等）或硬件元素包含一个或多个实体，具有信息处理和通信功能的整体。通常一个系统总是硬件、软件两部分的有机结合。 是处理复杂问题的一种结构化技术。 是在系统中两实体间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定的集合协议又包含三个要素：语法、语义、同步。 二、网络层次划分的原则 1980年，H.Zimmerman提出了网络层次划分的基本原则： (1) 层次适中，当必须要有不同级的抽象时，设立一层。 (2) 界面清晰，当所提供的服务容易描述时，作为层次间的界面，应使通过界面的信息量最少

3、。 (3) 当某层功能实现技术明显地与别层不同时，单独设立一层。 (4) 功能相似的放在同一层。(5) 根据过去成功的经验分层。(6) 功能具有独立性,并能局部化时，单设一层。(7) 每层只与上下相邻层有接口关系，而与其他层无关。(8) 对数据做不同处理时可分层。 (9)在现存的标准接口的可用处分层，每层的功能选择应着眼于国际标准的制定。 三、常见的网络层次模型 1. OSI/RM参考模型 OSI标准中采用体系结构、服务定义、协议规格说明三级抽象，将网络分成：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。 2.TCP/IP参考模型 TCP/IP参考模型将网络分成：网络接口层、网络

4、层、传输层、应用层。 LAN参考模型 LAN参考模型是IEEE制定的标准。它将网络分成：逻辑链路控制层、介质访问控制层、物理层。(1) 逻辑链路控制（LLC，Logical Link Contral）层(2) 介质访问控制（MAC，Media Access Contral）层(3) 物理层3.2 OSI参考模型 学习目标： 了解OSI参考模型的层次划分原则，对OSI中的七层有个简单的掌握，以及它们之间的联系。 本节重点和难点：OSI参考模型中七层结构及它们之间的联系一、OSI参考模型的层次划分原则：1、层数应足够多，以避免不同的功能混合在同一层中。2、层次的划分应该有助于制定网络协议的国际标准

5、。3、各层的功能要尽可能具有相对独立性。4、各层的划分要便于层与层之间的衔接。5、网络中各结点都有相同的层次，相同的层次具有相同的功能。 6、扩充某一层功能或协议时，不能影响整体模型的主体结构。7、每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。二、按照以上的分层原则， OSI/RM模型将整个网络分成七层结构，由低层到高层依次是：三、OSI/RM的各层协议1、 物理层（ physical layer ） 物理层是OSI模型的第一层，对传输方式而言，参考模型规定物理连接可以是全双工的或半双工的； 2、 数据链路层（data link layer ） 数据链路层是OSI模型的第二层，它控制网络层与物

6、理层之间的通信，并对网络层提供服务。3、 网络层（ network layer ） 网络层是OSI模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。 4、 传输层（transport layer ） 传输层是整个网络体系结构中的关键部分，它利用通信子网提供的服务，实现数据可靠、顺序、无差错地从源端传输到目的端。 5、 会话层（session layer） 会话层的主要任务是在传输连接的基础上提供增值服务，对端用户间的对话进行协调和管理。利用分段技术和拼接技术来提高数据交换的效率。 6、 表示层（presentation layer） 表示层如同应用

7、程序和网络之间的“翻译官” 完成信息格式的转换。7、 应用层（application layer） 应用层是用户和网络的界面，为用户使用网络提供接口或手段。用户的应用进程利用OSI提供的网络服务进行通信，完成信息处理；而应用层为用户提供许多网络服务所需要的应用协议。四、OSI/RM网络的数据传送应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理连接数据流数据流数据流数据数据数据网络报头 数据帧报头 网络报头 数据 帧报尾比 特 流消息数据段数据包（分组）数据帧比特流3.3 TCP/IP参考模型 学习目标： 掌握TCP/IP参考模型所包括的四个 层次

8、，了解应用层中的几个协议。 本节重点和难点： TCP/IP参考模型一TCP/IP背景 1目的：使不同厂家生产的各种型号和运行完全不同的操作系统得计算机互相通信 2起源： 1969，美国 ARPANET 两个重要协议： TCP：描述如何在网络上建立可靠的，主机对主机的数据传输服务 IP ：描述如何在互联网络之间实现寻址的标准积极如何进行数据包的路由 注： 其实TCP/IP不只是两个协议，它是一个协议集。 二、 TCP/IP概述 TCP/IP的核心思想是将使用不同低层协议的异构网络，在传输层、网络层建立一个统一的虚拟逻辑网络，以此来屏蔽、隔离所有物理网络的硬件差异，从而实现网络的互联。 TCP /

9、IP参考模型将网络体系结构分成四个层次，分别是：链路层（又称网络接口层）、网络层(IP层)、传输层（TCP层）、应用层。 三：TCP/IP的层次结构及协议组 TCP/IP模型与OSI参考模型相比，更侧重于互联设备间的数据传送，而不是严格的功能层次划分。OSI主要用于理论分析，解释网络通信机制，而TCP/IP则为互联网络协议的工业标准。应用层传输层Internet层网络接口层又称DoD模式TELNETFTPSMTPDNSRIPSNMPTCPUDPIPARPIGMP ICMP以太网令牌环帧中继ATM传输介质：双绞线、电缆、光纤等四、TCP/IP参考模型1、链路层 链路层主要负责接收从IP层交来的I

10、P数据报并将IP数据报通过低层物理网络发送出去，或者从低层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。网络接口有两种类型： 第一种是设备驱动程序，如局域网网卡的驱动程序； 第二种是含自身数据链路协议的复杂子系统。2、网络层 网络层的主要功能是负责相邻结点之间的数据传送。主要包括三个方面：(1) 处理来自传输层的分组发送请求 将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往目的结点的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。(2) 处理输入数据报 首先检查数据报的合法性，然后进行路由选择： 假如该数据报已到达目的结点（本机），则去掉报头，将IP报文的数据部分交给相应的传输层协议； 假如该数据报尚未到达

11、目的结点，则转发该数据报。 (3) 处理ICMP（Internet Control Messages Protocol）报文： 即处理网络的路由选择、流量控制和拥塞控制等问题。3、传输层 传输层主要功能是在源结点和目的结点的两个进程实体之间提供可靠的端到端的数据传输。 TCP/IP模型提供了两个传输层协议：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）。 A、TCP协议 TCP协议是一个可靠的面向连接的传输层协议，它将某结点的数据以字节流形式无差错投递到互联网的任何一台机器上。 B、UDP协议 用户数据报协议是一个不可靠的、无连接的传输层协议，UDP协

12、议将可靠性问题交给应用程序解决。UDP协议主要面向请求/应答式的交互式应用。4、应用层 传输层的上一层是应用层，应用层包括所有的高层协议。 五、TCP/IP网络的数据传送应用层传输层Internet层网络接口层DataDataTCPHeaderDataIPHeaderDataCRCTypeSourceDestinationPreamle662MAX=1500bytesPhysical packet Received size=1514bytes(Ethernet II)3.4 IP地址 学习目标： 1、掌握IP地址的概念和子网掩码的计算 2、掌握子网的划分和地址数计算 3、掌握可变第子网掩码与

13、地址数计算 4、了解IP地址分配原则 本节重点： 1、IP地址的概念和子网掩码的计算 2、子网的划分和地址数计算 3、可变长子网掩码与地址数计算 本节难点： 1、子网的划分和地址数计算 2、可变长子网掩码与地址数计算一、IP地址1、 IP协议要求所有参加Internet的网络节点要有一个统一规定格式的地址，简称IP地址。 IP的原始版本是IPv4，32位长由网络号（网络ID）和主机号（主机ID）两部分构成，每个地址组织成由点分隔的8位数（如图），习惯上每一个8位位组用0255之间的一个十进制数表示。 网络# 主机#32 位 1字节 8位.1字节 8位.1字节 8位.1字节 8位2、 为适应大型

14、、中型、小型的网络IP地址分配的需要，根据网络号和主机号的数量可将IP地址分为五类： A类、B类、C类、D类、E类地址（结构如下图）A类地址: 用前面8位来标识网络号，其中规定最前面一位为“0”，24位标识主机地址，即A类地址的第一段取值（也即网络号）可以是“0000000101111111”之间任一数字，转换为十进制后即为1128之间。主机号除全0、和全1不用，所以它的IP地址范围为“54”。 A类地址是为大型政府网络而提供，因为A地址中有-54和-54这两段地址有专门用途，所以全世界总共只有126（1127）个可能的A类网络。每个A类网络最多可以连接16777214台计算机，这类地址数是最

15、少的，但这类网络所允许连接的计算机是最多的。 用前面16位来标识网络号，其中最前面两位规定为“10”，16位标识主机号，也就是说B类地址的第一段“1000000010111111”，转换成十进制后即为128191之间，第一段和第二段合在一起表示网络地址，它的地址范围为“54”。 B类地址适用于中等规模的网络，全世界大约有16000个B类网络，每个B类网络最多可以连接65534台计算机。这类IP地址通常为中等规模的网络提供。其中54地址段有专门用途。 B类地址: C类地址: 用前面24位来标识网络号，其中最前面三位规定为“110”，8位标识主机号。这样

16、C类地址的第一段取值为“110000011011111”之间，转换成十进制后即为192223。第一段、第二段、第三段合在一起表示网络号，最后一段标识网络上的主机号，它的地址范围为“55”。 C类地址适用于校园网等小型网络，每个C类网络最多可以有254台计算机。这类地址是所有的地址类型中地址数最多的，但这类网络所允许连接的计算机是最少的。这类IP地址可分配给任何有需要的人。其中55为企业局域网专用地址段。 它用于多重广播组，一个多重广播组可能包括1台或更多主机，或根本没有。D类地址的最高位为1110，第一段八位体为“1110000011101111”，转换成十进制即为224239，剩余的位设计客

17、户机参加的特定组，它的地址范围为“55”。 在多重广播操作中没有网络或主机位，数据包将传送到网络中选定的主机子集中，只有注册了多重广播地址的主机才能接收到数据包。Microsoft支持D类地址，用于应用程序将多重广播数据发送到网络间的主机上，包括WINS和Microsoft NetShow。 D类地址: E类地址: 这是一个通常不用的实验性地址，保留作为以后使用。E类地址的最高位为11110，第一段八位体为“1111000011110111”，转换成十进制即为240-247。 注：IPv4协议中对首段位为248254 的地址段暂无规定。 二、 子网掩码IP协议标准规定： 每一个使用子网的网点都

18、选择一个32位的位模式，若位模式中的某位置1，则对应IP地址中的某位为网络地址（包括网间网部分和物理网络号）中的一位；若位模式中的某位置0，则对应IP地址中的某位为主机地址中的一位。 子网掩码与IP地址结合使用，可以区分出一个网络地址的网络号和主机号。 为了使用的方便，常常使用“点分整数表示法”来表示一个子网掩码。由此可以得到A、B、C三大类IP地址的标准子网掩码。 A类地址： B类地址： C类地址： 思考：在给定了IP地址和子网掩码的情况下，我们如何求得网络号和主机号呢？ 三、 用定长子网掩码计算地址空间 定长子网掩码是指所有的网际网ID部分具有相同的位数。由于IPv4地址体系中，每个IP地

19、址为32位固定长度，所以采用定长子网掩码时，有一个显著的特点： 每个网段可供分配的IP地址数相同 计算步骤如下：(1) 将所需的子网数转换为二进制。7（十进制数）：111（二进制数）(2) 以二进制表示子网数所需的位数即为向缺省子网掩码中加入的位数，这些位数需要向主机ID借用。111：3位(3) 决定子网掩码B类地址的标准掩码为：11111111.11111111.00000000.00000000。借用主机ID的3位以后子网掩码为：11111111.11111111.11100000.00000000。即。(4) 决定可用的网络ID列出附加位引起的所有二进制组合：0000 （00000000

20、 ） 00132 （00100000 ） 01064 （01000000 ） 01196 （01100000 ） 100128（10000000） 101160（10100000） 110192（11000000） 111224 (11100000) (5) 决定可用的主机ID范围 由于主机号全为“1”的网络地址用于广播之用（同时向网上所有主机发送报文），主机号全为“0”的网络地址被解释成“本”网络，所以在列出可用的主机ID时应去掉这两个地址。(6) 为每个网段指定IP地址段四、 可变长子网掩码与地址数计算 目前所采用的IP v4地址资源变得相当短缺。 为了有效地利用有限的地址资源，出现了变长

21、子网掩码（VLSM）技术。实际上子网掩码的大小不会自己改变，VLSM的意思是不同子网的子网掩码可能有不同的长度，但一旦子网掩码的长度确定了，它们就不变了。 这个技术对于高效分配IP地址，减少路由表的大小非常有用，但是如果使用不当可能会造成意想不到的错误。五、 IP地址分配的原则 A、 CNNIC对IP地址的管理规定 中国互联网络信息中心(China Internet Network Information Center ，CNNIC)是成立于1997年6月3日的非营利管理与服务机构，行使国家互联网络信息中心的职责。 作为亚太互联网络信息中心（APNIC）的国家互联网络注册机构会员（NIR），CNNIC成立了以CNNIC为召集单位的IP地址分配联盟，负责为我国的网络服务商（ISP）和网络用户提供IP地址。 CNNIC对IP地址的申请及使用管理做了较为严格的规定。 B、RFC 1918私有地址块 1.公有地址与私有地址 I