网络体系结构和协议

1、关于网络体系结构与协议第一张，PPT共五十二页，创作于2022年6月知识结构网络体系结构与协议体系结构的形成IP地址与域名OSI/RM的层次结构OSI/RM的基本概念OSI/RM各层的功能TCP/IP与OSI/RM的比较开放系统互连/参考模型域名系统子网技术IP编址网络系统的体系结构网络系统的层次结构通信系统的层次结构OSI/RM的数据传输TCP/IP的层次结构TCP/IP的基本概念TCP/IP各层的功能TCP/IP协议栈TCP/IP参考模型TCP/IP与OSI/RM的不同点TCP/IP与OSI/RM的共同点IPv6协议第二张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第三张，PPT共五十二页，创

2、作于2022年6月3.1.1通信系统的层次结构为了便于理解，我们以邮政通信系统为例，以此引出计算机网络通信和网络体系结构的概念，这一概念对计算机网络中电子邮件的发送和接收有着重要的参考意义。图 3-1 实际邮政系统信件发送、接收过程示意图发信者收信者通信人活动邮局转送业务通信人活动运输部门的邮件运输业务邮局服务业务邮局服务业务邮局转送业务书写信件贴邮票送入邮箱收集信件盖邮戳信件分拣邮件打包邮件运输路邮选择运输阅读信件信件投递信件分拣分发邮件邮件拆包转送邮局接收邮包第四张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.1.2网络系统的层次结构 1、网络层次概念 计算机网络是将独立的计算机及其终端设备

3、等实体通过通信线路连接起来的复杂系统。为了实现彼此间的通信，采用的基本方法是针对计算机网络所执行的各种功能，设计出一种网络系统结构层次模型，这个层次模型包括两个方面的内容： 将网络功能分解为许多层次,在每个功能层次中，通信双方必须共同遵守许多约定和规程，以免混乱。 层次之间逐层过渡，前一层次做好进入下一层次的准备工作。这个层次之间逐层过渡可以用硬件来完成,也可以采用软件方式实现。 采用层次结构的目的是使各厂家在研制计算机网络系统时由一个共同遵守的标准。第五张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第六张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.1.2网络系统的层次结构 3、通信规则约定从以上

4、邮政通信过程与网络通信过程分析可知，在一定意义上，它们两者的信息传递过程有很多相似之处。（1）邮政通信与网络通信两个系统都是层次结构,可等价成4层结构的系统。（2）不同的层次有不同的功能任务,但相邻层的功能动作密切相关。（3）在邮政通信系统中,写信人要根据对方熟悉的语言，确定用哪种语言；在书写信封时，国家不同规定也不同。（4）计算机网络系统中,必须规定双方之间通信的数据格式、编码、信号形式；要对发送请求、执行动作及返回应答予以解释；事件处理顺序和排序。第七张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.1.3网络系统的体系结构 1、网络体系结构的定义 计算机网络体系结构系统、实体、层次、协议 系

5、统：是计算机网络构成的系统通常是包括一个或多个实体的具有信息处理和通信功能的物理整体。 实体：在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成。在一个计算机系统中,能完成某一特定功能的进程或程序都可成为一个逻辑实体。 层次：是人们对复杂问题的一种处理方法。通常将系统中能提供某种或某类型服务功能的逻辑构造称为层。 协议：是指两个实体间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。第八张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.1.3网络系统的体系结构 协议通常分为对等层间对话协议和相邻层间的接口协议。网络协议主要由以下三个要素组成： 语法。规定如何进行通信，即对通信双方采用的数据格式、编码等进行定义。 语

6、义。规定用于协调双方动作的信息及其含义，它是发出的命令请求、完成的动作和返回的响应组成的集合,即对发出的请求、执行的动作以及对方的应答做出解释。 时序。规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变化和过程,例如通信双方的应答关系、是采用同步传输还是异步传输等。 由此可见:计算机网络体系结构是系统、实体、层次、协议的集合，是计算机网络及其部件所应完成功能的精确定义。 第九张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第十张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2 开放系统互联/参考模型 1、问题的提出 OSI是Open System Interconnection 的缩写，意为开放式系统互联

7、参考模型。在OSI出现之前，计算机网络中存在众多的体系结构，其中以IBM公司的SNA和DEC公司的数字网络体系结构最为著名。 为了解决不同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组织ISO(注意不要与OSI搞混）于1981年制定了开放系统互连参考模型。 OSI/RM标准为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础,“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统都具备互联的能力。3.2.1OSI/RM的基本概念第十一张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.1OSI/RM的基本概念2、定义方法在OSI标准中，采用的是三级抽象： 体系结构（Architecture） 服务定义（Se

8、rvice Definition） 协议规格说明（Protocol Specification）OSI标准可分为三大类型： （1）总体标准：具有总的指导作用； （2）功能标准：为满足特定应用而从基本标准中选择接口关系和通信规则等方面的汇集。 （3）应用标准：为基本应用定义层与层之间的接口关系和不同系统之间同层的通信规则。第十二张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.2OSI/RM的层次结构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层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层通信介质（物理媒体）开放系统A开放系统B应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议图 3-3 OSI/RM结

9、构示意图1、层次结构模型OSI/RM整个网络按照功能划分成7个层次，如图3-3所示。第十三张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.2OSI/RM的层次结构 2、层间通信关系 OSI/RM的最高层为应用层，面向用户提供应用服务；最低层为物理层，连接通信媒体实现数据传输。层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。两个用户计算机通过网络进行通信时,除物理层之外,其余各对等层之间均不存在直接的通信关系，而是通过各对等层的协议来进行通信。比如，两个对等的网络层使用网络层协议通信，只有两个物理层之间才通过媒体进行真正的数据通信。

10、在实际中。当两个通信实体通过一个通信子网进行通信时，必然会经过一些中间结点。一般来说，通信子网的结点只涉及到低3层的结构。 第十四张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.3 OSI/RM各层的功能 OSI参考模型是一个在制定标准时所使用的概念性框架，没有确切地描述用于各层的协议和服务，也没有提供一个可以实现的方法，它仅仅告诉我们每一层应该做什么，但其本身不含网络体系结构的全部内容。不过，ISO已为各层制定了标准，但它不是参考模型的一部分，而是作为独立的国际标准公布的。 1、物理层 定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在

11、物理媒体上传输。具体涉及接插件的规格、“0”、“1”信号的电平表示、收发双方的协调等内容。第十五张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.3 OSI/RM各层的功能 2、数据链路层 比特流被组织成数据链路协议数据单元(帧)进行传输，实现二进制正确的传输。将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。 3、网络层 数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。主要解决如何使数据分组跨越各个子网从源地址传送到目的地址的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择

12、。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。第十六张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.3 OSI/RM各层的功能 4、传输层（Transport Layer） 传输层的主要任务是完成同处于资源子网中的源主机和目的主机之间的连接和数据传输，具体功能是： 为高层数据传输建立、维护和拆除传输连接，实现透明的端到端数据传送。 提供端到端的错误恢复和流量控制。 信息分段与合并，将高层传递的大段数据分段形成传输层报文。 考虑复用多条网络连接，提高数据传输的吞吐量。 传输层主要关心的问题是

13、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等。它提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”（数据报）两种服务。第十七张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.3 OSI/RM各层的功能 5、会话层 会话层的主要任务是实现会话进程间通信的管理和同步,允许不同机器上的用户建立会话关系，允许进行类似传输层的普通数据的传输。会话层的具体功能是： 提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以提供单方向会话或双向同时进行会话。 在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。 6、表示层 表示层的主要任务是完成语法格式转换，在计算机所处理

14、的数据格式与网络传输所需要的数据格式之间进行转换。表示层的具体功能是：第十八张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.3 OSI/RM各层的功能 语法变换。表示层接收到应用层传递过来的以某种语法形式表示的数据之后，将其转变为适合在网络实体之间传送的以公共语法表示的数据。具体包括数据格式转换;字符集转换；图形、文字、声音的表示；数据压缩与恢复;数据加密与解密；协议转换等。 选择并与接收方确认采用的公共语法类型。 表示层对等实体之间连接的建立、数据传输和连接释放。 7、应用层 应用层是OSI模型的最高层,是计算机网络与用户之间的界面，由若干个应用进程(或程序)组成，包括电子邮件、目录服务、

15、文件传输等应用程序。第十九张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.3 OSI/RM各层的功能OSI提供的常用应用服务有： 目录服务。记录网络对象的各种信息，提供网络服务对象名字到网络地址之间的转换和查询功能。 电子邮件。提供不同用户间的信件传递服务，自动为用户建立邮箱来管理信件。 文件传输。包括文件传送、文件存取访问和文件管理功能。 作业传送和操作。将作业从一个开放系统传送到另一个开放系统去执行；对作业所需的输入数据进行定义；将作业的结果输出到任意系统；对作业进行监控等。 虚拟终端。将各种类型实标终端的功能一般化、标准化后得到的终端类型。第二十张，PPT共五十二页，创作于2022年6

16、月3.2.4OSI/RM的数据传输 1、数据传输单元 在OSI/RM中, 被传送的信息称为协议数据单元(PDU)，由数据服务单元和控制信息单元组成。 服务数据单元(Service Data Unit，SDU)：用户数据，是上一层传下来的数据单元。 协议控制信息(Protocol Control Information，PCI）:本层的控制信息，用来协调本层对等实体之间的通信。 PDU、PCI和ICI共同组成了接口数据单元（Interface Data Unit，IDU）。下层接收到IDU后，从IDU中去掉ICI,这时的数据包被称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）；随着

17、SDU一层层向下传送,每一层都要加入自己的信息。当SDU较长时, 要分成几段,每段加上本层的控制信息,构成多个PDU。第二十一张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.4OSI/RM的数据传输 2、数据传输过程 在OSI中，数据传输的源点和终点要具备OSI参考模型中的7层功能,图3-4表示系统A与系统B通信时数据传输的过程。 图 3-4 OSI中的数据流第二十二张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.2.4OSI/RM的数据传输物理层数据链路层网络层传输层会话层应用层表示层数据应用层数据数据数据数据数据11001110001110表示层头会话层头TCP头IP头帧头数据应用层数据数

18、据数据数据数据11001110001110表示层头会话层头TCP头IP头帧头第二十三张，PPT共五十二页，创作于2022年6月数据的实际传递过程 物理层数据链路层网络层传输层应用层物理层数据链路层网络层传输层应用层01010101010101010（比特流）IP数据报TCP报文段MAC帧MAC尾应用数据TCP头IP头MAC头发送方接收方3.2.4OSI/RM的数据传输第二十四张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.3 TCP/IP参考模型 1、TCP/IP协议的起源 美国国防部高级研究计划局(ARPA)从20世纪60年代开始致力于研究不同类型计算机网络之间的相互联接问题,并成功开发出了著

19、名的传输控制协议/网际协议（TCP/IP）协议。 2、TCP/IP协议的特点 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。 独立于特定的网络硬件：可以运行在局域网、广域网,更适用于互联网中。 统一的网络地址分配方案：使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的IP地址。 标准化的高层协议：可以提供多种可靠的用户服务。3.3.1 TCP/IP的基本概念第二十五张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.3.2TCP/IP的层次结构 1、结构模型 TCP/IP参考模型分为四层：应用层、传输层、互联层、网络接口层。TCP/IP的结构与OSI结构的对应关系如图3-5所示。图 3

20、-5 TCP/IP模型与OSI模型对照网络互连层是整个TCP/IP协议栈的核心。它的功能是把分组发往目标网络或主机。 应用层面向不同的网络应用引入不同的应用层协议。 主机到网络层网络互连层传输层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层应用层表示层这一层次未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。传输层的功能是使源端主机和目标端主机上的对等实体可以进行会话。 第二十六张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第二十七张，PPT共五十二页，创作于2022年6月应用层传输层互联层主要功能是为用户提供网络服务，比如FTP、Telnet、DNS和SNMP等。主要功能是提供可靠的数据流传输

21、服务,确保端到端应用进程间无差错地的通信,常称为端到端（End-to-End）通信。 负责异构网或同构网进程间的通信,将传输层分组封装为数据报格式进行传送,每个数据报必须包含目的地址和源地址。网络接口层是网络访问层，其主要功能是负责与物理网络的连接。3.3.3TCP/IP各层的功能第二十八张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.3.4TCP/IP协议栈应用层FTP、TELNET、HTTPSNMP、TFTP、NTP传输层TCPUDP网络互连层IP主机到网络层以太网令牌环网802.2HDLC、PPP、FRAME-RELAY802.3EIA/TIA-232、499、V.35、V.21 1969

22、年美国国防部高级研究计划局（ARPA）按照层次结构思想进行计算机网络模块化研究，开发了一组从上到下单向依赖关系的协议栈（Protocol Stack），也叫做协议族。第二十九张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第三十张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第三十一张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5 IP地址和域名 在日常生活中，通信双方借助于彼此的地址和邮政编码进行信件的传递。 Internet中的计算机通信与此相类似，网络中的每台计算机都有一个网络地址，发送方在要传送的信息上写上接收方计算机的网络地址信息才能通过网络传递到接收方。 基于TCP/IP协议的网络系统中，连接

23、在网络上的每台计算机与设备都被称为“主机”,主机之间的沟通是通过IP地址、子网掩码和IP路由交换这三个“桥梁”实现的。第三十二张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.1IP地址 1、IP地址的概念 在Internet网上，每台主机、终端、服务器、以及路由器都有自己的IP地址，这个IP地址是全球唯一的，用于标识该机在Internet网中的位置。IP地址与IP地址的分类如下图所示。类别网络号主机号IP地址字节1（8位）字节4（8位）字节3（8位）字节2（8位）0 网络号主机号10 网络号主机号110 网络号主机号1110 组播地址1111 保留地址A：0-127B:128-191C:19

24、2-223D:224-239E:240-255IP地址类第三十三张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.1IP地址网络号主机号地址类型举例用途全0全0本机地址启动时使用任意全0网络号标识一个网络任意全1直接广播地址55在特定网上广播全1全1有限广播地址55在本网段上广播第一段为127任意回送地址测试A类私有地址 54保留的内部地址 B类私有地址 54保留的内部地址 C类私有地址 到 54保留的内部地址 2、IP地址的分类 IP地址分为A类、B类、C类、D类和E类共五类。第三十四张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.2子网技术 1、子网的划分 虽然网络地址类别的划分为信息传

25、递带来了许多方便, 但也带来了一些问题，比如有的单位虽然获取了一个A类地址,但永远不会有16777214台主机,这说明IP地址的设计不尽合理。 据统计，有超过半数的B类地址所连接的主机不到50台，而一个B类网络却可以容纳65534台主机,这就意味着有6万多个IP地址被浪费掉了。这种不合理的地址方案一方面造成了极大的地址浪费，另一方面又使IP地址紧缺。 为此，将网络按照一定的原则划分为不同的部分，每一部分都是一个独立的逻辑网络,我们将其称为子网(subnetwork).利用子网解决IP地址不合理问题的方案两种。两种方案的具体实现技术分别如图3-10和3-11所示。第三十五张，PPT共五十二页，创

26、作于2022年6月3.5.2子网技术00 01 02 50计算机系的主机通信系的主机1 2 00机电系的主机1网络Internet图 3-10 某校网络IP地址示意图第三十六张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.2子网技术图 3-11 划分子网后的校园网示意图通信系网络 1 2 000 01 50计算机系网络 机电系网络0Internet第三十七张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.2子网技术网络类别 子网掩码子网掩码A11111111.00000000.00000000.00000000 B11111111.11111111.00000000.00000000 C11

27、111111.11111111.11111111.00000000 2、子网掩码 子网掩码能分出IP地址中哪些位是网络ID，哪些位是主机ID。通过它和IP地址进行按位“逻辑与（AND）”运算,可以屏蔽掉IP地址中的主机部分，得到IP地址的网络ID。 子网掩码的另一个作用是将一个网络ID再划分为若干个子网，以解决网络地址不够的问题。第三十八张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第三十九张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.3域名系统国内外常用域名结构情况美国商业组织政府组织教育机构中国电信网顶层域comgoveducn第二层ibm（IBM公司）net(邮电网),edu(教育系统网

28、)第三层www(IBM的web服务器)Szptt(深圳电信局),pku(北京大学)第四层nenpub www(北大web主机) 第五层 1、域名地址 Internet采用了一套和IP地址对应的地址表示方法，称为域名系统(DNS)。DNS使用与主机位置、作用、行业有关的一组字符来表示IP地址，这组字符类似于英文缩写或汉语拼音。 2、域名结构 Internet的域名系统和IP地址一样,采用典型的层次结构，每一层由域或标号组成，其结构如下表所示。第四十张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.3域名系统图 3-21 域名结构示意图域名:域名：rootpkucneduhnrtuNet域名：pu

29、b.hn.Nethnpubcom163sohu域名： 域名: 3、域名分配 域名的层次结构给域名的管理带来了方便，每一部分授权给某个机构管理，授权机构可以将其所管辖的名字空间进一步划分，最后形成树形的层次结构，如图3-21所示. 第四十一张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第四十二张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.3域名系统 5、域名管理机构 域名地址由国际组织网络信息中心（NIC）集中管理,统一分配。各级域名的管理权授予相应的机构，各管理机构可以将管辖内的各域进一步划分成若干个子域管理权再授予相应的子机构，以完成所属主机名和主机IP地址的管理。目前全世界共有三个这样的网

30、络信息中心： InterNIC：负责美国及其它地区 ENIC： 负责欧洲地区。 APNIC： 负责亚太地区。 亚太地区的地址分配权在亚太地区网络信息中心(APNIC),其总部设在日本东京大学。申请时要考虑申请哪一类IP地址,然后向国内的代理机构提出，现在申请到的IP地址大多为C类地址。第四十三张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.4IPv6协议 1、IPv6的研究背景 由于IPv4本身存在一些局限性，因而面临着以下问题。 IP地址的消耗引起地址空间不足：IP地址只有32位,可用的地址有限，最多接入的主机数不超过232。 IPv4缺乏对服务质量优先级、安全性的有效支持。 lPv4协议

31、配置复杂, 特别是随着个人移动计算机设备上网、网上娱乐服务的增加、多媒体数据流的加入,以及出于安全性等方面的需求，迫切要求新一代IP协议的出现。 为此,互联网工程任务组IETE开始着手下一代互联网协议的制定工作。IETE于1991年提出了请求说明，1994年9月提出了正式草案，1995年底确定了IPng的协议规范,被称为“IPv6”，1995年12月开始进入Internet标准化进程。第四十四张，PPT共五十二页，创作于2022年6月第四十五张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.4IPv6协议版本优先级流标记负载长度下一头标跳数限制源地址目的地址 4、IPv6扩展头结构 IPv6将

32、IPv4首部中选项的功能都放在扩展首部中,并将扩展首部留给路径两端的源站和目的站的主机来处理,而数据报途中经过的路由器都不处理这些扩展首部,这样就大大提高了路由器的处理效率。44241688128128图 3-23 ipv6数据报格式 3、IPv6数据报格式 IPv6数据报的报头长度为40字节（320位），数据报格式由8部分组成，如图3-23所示。第四十六张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.4IPv6协议 5、IPv6的地址表示 IPv6地址有三种格式,即首选格式、压缩格式和内嵌格式。 首选格式：在IPv6中,128位地址采用每16位一段，每段被转换成4位十六进制数,并用“：”分

33、隔，结果用所谓的“冒号十六进制数”来表示。例如二进制格式的IPv6地址： 0010000111011010000000001101001100000000000000000010l111100111011 00000010101010100000000011111111111111100010100010011110001011010每16位分为一段： 0010000111011010 0000000011010011 0000000000000000 0010111100111011 0000001010101010 0000000011111111 1111110001010000 1001110001011010 将每个16位段转换成十六进制数字，用“：”分隔,结果如： 21DA:00D3:0000:2F3B:02AA:00FF:FE28:9C5A 压缩格式：用128位表示地址时往往会含有较多0甚至一段全为0,可将不必要的0去掉,即把每个段中开头的零删除。第四十七张，PPT共五十二页，创作于2022年6月3.5.4IPv6协议这样，上述地址就可以表示为： 21DA:D3:0:2F3B:2AA:FF:FE2