计算机网络技术基础：网络体系结构中的几个概念

1、网络体系结构中的几个概念网络协议协议分层网络体系结构其他相关概念网络协议 计算机网络中，协议的定义是计算机网络中 实体之间有关通信规则约定的集合。 一个网络协议主要由三个要素组成: 语法（Syntax），即数据与控制信息的结构、格式和编码。语义（Semantics），即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。时序（Timing），即事件实现的先后顺序和速度匹配的详细说明。协议分层狭义地说，协议分层就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层。每个功能层对应的协议规定其功能，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行数据传递。分层的

2、基本原则是定义每一层向上一层提供的服务，以保证每层的功能相互独立，但不规定如何完成这些服务。邮政系统分层模型协议分层的优点各层之间相互独立。灵活性好。各层都可以采用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他层。易于实现和维护。有利于促进标准化。网络体系结构网络体系结构（Network Architecture）是指网络中分层模型、各层协议和层间接口的集合。 网络协议实现的细节不属于网络体系结构的内容，它们隐含在机器内部，对外部来说是不可见的。 OSI/RM与TCP/IPOSI 参考模型的形成IBM公司于1974年提出了系统网络体系结构SNA（Systems Network Archite

3、cture），这是世界上第一个按照分层方法制定的网络设计标准。 DEC公司于1975年提出了数字网络体系结构DNA （Digital Network Architecture）。国际标准化组织ISO从1978年2月开始研究开放式系统互连参考模型OSI/RM，1982年4月形成国际标准草案（ISO / DIS7498）。OSI/RM 模型的分层原则分层不要太多；在服务的描述工作最少的地方、在穿过边界相互作用次数最少的地方建立边界，对每一层只建立它与上、下层的边界；对技术上或处理上明显不同的功能，应建立不同的层来处理；对功能界限明显的功能应单设一层，以便在整体重新设计时，不改变该层与邻层的关系。为

4、标识每个层次，应提供以下内容：1、建立该层的目的；2、该层的功能和要用到的下层服务；3、该层给上层提供的服务。OSI/RM层与层之间的联系OSI参考模型示意图物理层ISO/OSI RM中各层的主要功能在数据链路层的两个实体之间建立、维持和释放物理连接规定在物理层传送0、1数据的电参数（波形、频率、电平）规定所用的连接器传送二进制比特流数据链路层数据链路的建立、维持和释放帧的分界和同步差错检测与控制顺序控制及层内管理流量控制传送帧ISO/OSI RM中各层的主要功能网络层路径选择网络中拥塞控制传送分组ISO/OSI RM中各层的主要功能传输层提供两个端系统之间可靠、透明的数据传送差错控制顺序控制

5、流量控制传送报文ISO/OSI RM中各层的主要功能会话层传送报文为通信的两个进程建立会话连接，进行交换会话管理令牌管理同步管理ISO/OSI RM中各层的主要功能表示层信息格式的转换数据的加密和解密OSI内部语法ISO/OSI RM中各层的主要功能应用层为用户使用网络提供接口ISO/OSI RM中各层的主要功能ISO/OSI RM中各层的主要功能OSI 开放环境76543217654321321321OSI环境网络环境数据通信网计算机A计算机B实系统环境OSI/RM 模型的特点每个层次的对应实体之间都通过各自的协议通信。各个计算机系统都有相同的层次结构。不同系统的相应层次有相同的功能。同一系

6、统的各层次之间通过接口联系。相邻的两层之间，下层为上层提供服务，同时上层使用下层提供的服务。小结 OSI参考模型的低三层是属于通信子网，涉及为用户间提供透明连接。高三层属于资源子网，主要保证信息以正确可理解的形式传送。传输层是高三层和低三层之间的接口，它是第一个端到端的层次，保证可靠的端到端连接。 思考题 源结点的应用层发送64个字节的数据到目的结点的应用层，因为低层软件要增加自己的控制信息，所以传到目的结点的应用层后，数据长度会大于64个字节。这种说法对不对？互联网网络互连要解决的首要问题是将物理网络连接成一个统一的无缝的网络整体，以隐藏这些物理网络的低层细节，向用户提供一个统一的、通用的通

7、信服务。互联网 （internet）是建立在功能和逻辑上的深层意义的连接技术，组成更大规模的计算机网络 。为隐藏低层网络的异构性，可以在两个层次上实现异构网络互连：一种是应用级互连，即通过应用程序实现互连。另一种是网络级互连，即通过操作系统进行互连。应用级互连存在的问题：网络系统中新增功能或硬件时，需为每台机器编写新的应用程序；每个应用程序都要处理机器与网络连接的细节，导致代码重复。网络级互连则在系统中增加网络层等中间层次，使应用程序不直接处理物理网络连接，因此物理网络硬件特性及其变化不会影响到应用程序；不同应用程序可以共享网络级互连所提供的分组交换服务，不再产生重复代码。TCP/IPTCP/

8、IP的原理和技术是解决网络级互连问题的具体解决办法。通过TCP/IP实现了对各种不同的物理网络的一种抽象，使底层网络技术对用户或应用程序透明。TCP/IP最初是为ARPANET网开发的网络体系结构，因其中两个重要协议（传输控制协议TCP和网络互联协议IP）而得名。TCP/IP是一种事实上的标准。TCP/IP参考模型 处理网络应用 端到端的连接 寻址和最短路径（由具体物理网络提供相应功能）网络接口层（主机-网络层） 网络接口层是TCP/IP体系的最低层，负责接收从IP层送来的IP数据报，并通过底层物理网络发送出去，或者从底层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报交给IP层。网络接口层的作用是传输经

9、IP层处理过的信息，并提供一个主机与物理网络的接口。TCP/IP实际并未定义任何数据链路层协议和物理层协议，它可运行在现有的任何一种数据链路层和物理层之上。网络互连层 网络互连层在功能上类似于OSI参考模型 中的网络层，它的任务是使主机可以把分组发往任何网络，并使各分组独立地传向目的地。 IP层的主要功能包括三个方面： 第一，处理来自传输层的数据发送请求。 第二，处理低层输入数据报。 第三，处理ICMP（Internet控制报文协议） 报文。 应用层传输控制层网络接口层网络互连层 IP ICMP ARP RARP网络互连层的四个主要协议网络互连层主要的协议就是无连接的网络互连协议（IPInte

10、rnet Protocol）。与IP协议配合使用的还有三个协议Internet控制报文协议ICMP、地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP。 传输控制层传输控制层的作用与OSI参考模型中传输层的作用是一样的，即在源节点和目的节点的两个进程实体之间提供可靠的端到端的数据通信。 应用层传输控制层网络接口层网络互连层面向连接的 TCP无连接的 UDPUDP协议是一个不可靠的、无连接的传输层协议，UDP协议将可靠性问题交给应用程序解决。TCP协议是一个可靠的面向连接的传输层协议，以建立高可靠性的消息传输连接为目的。 应用层应用层传输控制层网络接口层网络互连层文件传输 FTP、TFTP、NFS电子邮

11、件 SMTP、POP3WWW应用 HTTP远程登录 Telnet、rlogin网络管理 SNMP域名管理 DNS TCP/IP的最高层是应用层。应用层为用户提供所需要的各种服务。TCP/IP模型的特点1、两个重要边界地址边界。它将IP逻辑地址与底层网络的硬件地址分开。操作系统边界。它将网络应用与协议软件分开。2、IP的重要性 IP向上层提供统一的IP报文，使得各种帧或报文格式的差异性对高层协议不复存在。IP层是TCP/IP实现异构网互连最关键和最核心的一层。3、TCP/IP的可靠性 IP采用无连接的数据报传输机制，对数据“尽最大努力传递” TCP/IP的可靠性体现在传输控制层，传输层协议中的

12、TCP 协议提供面向连接的可靠的端到端服务。TCP/IP与ISO-OSI体系结构的对比 面向连接 无连接面向连接 无连接 无连接面向连接 无连接TCP/IP 模型中的协议与网络IP地址及其表示方法 IP地址就是IP协议为标识主机所使用的一种寻址方法，它是32位（4字节）的无符号二进制数。互联网上的每个主机或路由器都被指定一个IP地址，它只是一种逻辑编号，并不是主机或路由器的MAC（Media Access Control，介质访问控制）地址。在Internet上，每个主机或路由器分配到的IP地址在全球范围是唯一的。 IP 地址格式 net-id24 bithost-id24 bitnet-id

13、16 bitnet-id8 bit0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址011host-id8 bitD 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1 001A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节D 类地址是多播地址 E 类地址保留为今后使用 IP地址格式与分布比例IP地

14、址的使用范围网络类型 最大网络数 网络号范围 最大主机数 主机号范围 A126（27-2） 112616777214（224-2）0.0.1255.255.254B16382（214-2） 128.1191.25465534（216-2） 0.1255.254C2097150（221-2）192.0.1223.255.254254（28-2） 1254IP 的特点IP地址是一种非等级的地址结构。 当一个节点（如路由器）同时连接到两个网络上时，该节点就必须同时具有两个相应的IP地址，并且网络标识号必须是不同的。 按照Internet的观点，用中继器（Repeater）或网桥（Bridge）连接起

15、来的若干个局域网仍为一个网络，因此，这些局域网都具有同样的网络号。 在IP地址中，所有分配的网络彼此都是平等的。 通过IP地址形式来指明一个网络的地址。这时，只要将该IP地址的主机号二进制位全部置为0即可。 思考题 某个部门申请到了一个C类网络地址，但该部门只有40台主机，这样这个地址中有200多个主机号就白白浪费掉了，因为其他部门的主机无法使用这些号。这种情况该如何处理？ 为便于管理，通常将本部门的主机划分为彼此相连的若干网段（子网），而这些网段被作为统一的整体来管理。 IP地址子网划分 子网寻址技术将主机标识部分划分出一定的位数用作本网的各个子网，剩余的主机标识作为相应子网的主机标识部分。

16、子网划分需要用“子网掩码”来进行。 子网掩码凡是IP地址的网络和子网标识部分，用二进制数“1”表示；凡是IP地址的主机标识部分，用二进制数“0”表示。 IP 地址和子网掩码网络号 net-id主机号 host-id两级 IP 地址网络号net-idhost-id三级 IP 地址主机号subnet-id子网号子网掩码因特网部分本地部分因特网部分本地部分划分子网时的网络地址1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0net-idsubnet-idhost-id 为全 0C类网络划分4个子网可以将这个C类地址的最后8位二

17、进制位的前两位留出来作为子网划分，它们分别是00，01，10，11 。如何获得 IP 地址的子网地址与主机地址 ?将子网掩码与IP地址作逻辑“与”操作，可得到其IP地址的子网地址。将子网掩码的反码与IP地址作逻辑“与”操作，可得到其IP地址的主机地址。 (IP 地址) AND (子网掩码) =子网地址 网络号 net-id主机号 host-id两级 IP 地址网络号三级 IP 地址主机号net-idhost-idsubnet-id子网号子网掩码因特网部分本地部分因特网部分本地部分划分子网时的网络地址1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10

18、 0 0 0 0 0 0 0net-idsubnet-idhost-id 为全 0AND查找网卡的物理地址 Windows 9x/me/2000/XP：在命令提示符状态下，键入“ipconfig/all”，在显示信息里面查看Physical Address（物理地址），是类似00-E0-4C-4E-00-00的六组两位十六进制的数列。Linux：在控制台下键入“ipconfig eth0”，在显示信息里面查看类似HWaddr 00：01：02：FD：00：00的六组两位十六进制的数列。 IP地址和MAC地址的转换地址解析协议 ARP与逆向地址解析协议RARP在计算机中应存放一个从IP地址到物理

19、地址的转换表，并且能够经常动态更新。这由每台主机中的ARP高速缓存完成。RARP使得只知道自己物理地址的主机能够知道其IP地址。这种主机往往是无盘工作站。 Internet控制报文协议ICMP为减少分组的丢失，使用ICMP报告差错情况。ICMP实际上是IP协议中的一个模块，当IP收到ICMP报文后，交给ICMP模块进行处理。ICMP报文被作为IP层数据报的数据来封装，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。ICMP报文格式及封装类型字段值与ICMP报文类型的关系类型字段值ICMP报文类型0Echo（回送）回答3目的站不可达4源站抑制5改变路由8Echo请求11数据报时间超时12数据报的参数有问题13时间戳请求14时间戳回答17地址掩码请求18地址掩码回答ICMP改变路由的示例IP报文的分段与重组不同的物理网络所支持的最大帧长各不相同。把物理网络中一帧所能容纳的最大数据量称为最大传输单元MTU（Maximum Transmission Unit）。为了能将IP报文封装在不同的物理帧内，每个报文应该小于或等于一个网络的MTU。路由器连接两个具有不同MTU值的网络IP数据报使用分段方法