数据与计算机通信网络体系结构互联及TCPIP

1、网络体系结构、互联及TCP/IP网络体系结构1内容提要网络体系结构与协议网络互联层次及互联设备因特网协议传输协议2概述互连网(internet)是泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络, 它使得互连接的计算机用户可以进行通信，即从功能上和逻辑上看，这些机器互连在一起，组成一个网络系统。要使网络互连在一起，必须要通过中继系统。根据中继系统的所在的层次，分为下列五种中继系统：（1） 物理层中继系统，即转发器（repeater）。 （2）数据链路层中继系统，即网桥或桥接器（bridge）。（3） 网络层中继系统，即路由器（router）。（4） 网桥和路由器的混合物桥路器（brouter）。 (5

2、) 网络层以上的中继系统，即称为网关（gateway）。3网络体系结构与协议网络体系结构的起源世界上第一个网络体系结构由IBM公司提出（74年，SNA），以后其他公司也相继提出自己的网络体系结构如：Digital公司的DNA，美国国防部的TCP/IP等，多种网络体系结构并存，其结果是若采用IBM的结构，只能选用IBM的产品，只能与同种结构的网络互联。为了促进计算机网络的发展，国际标准化组织ISO与1977年成立了一个委员会，在现有网络的基础上，提出了不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构，称为开放系统互联模型（OSI参考，open system interconnection）4网络体系

3、结构与协议网络体系结构的概念一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集;网络协议是按层次结构来组织的；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。 5计算机网络协议网络协议概念网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；网络协议的三要素：语义、语法与时序；语义：用于解释比特流的每一部分的意义； 语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格 式，以及数据出现的顺序的意义；时序：事件实现顺序的详细说明。6计算机网络协议OSI体系结构在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两

4、大国际组织是： 国际电报与电话咨询委员会 （Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT ）； 国际标准化组织 （International Standards Organization ，ISO）。CCITT与ISO的工作领域是不同的： CCITT 主要是考虑通信标准的制定； ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。7计算机网络协议在OSI中 的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信；OSI标准中，采用的是三级抽象： 体系结构（arc

5、hitecture）； 服务定义（service definition）； 协议规范（protocol specification）。8计算机网络协议体系结构服务定义协议规范OSI三级抽象示意图9体系结构开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务；作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；对网络内部结构最精炼地概括与描述。 10服务定义详细地说明了各层所提供的服务；某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；低层的服务是通过接口向上一层提供的;各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是具体实现的。 11协议规范OSI标准

6、中的各种协议明确地定义了：应该发送什么样的控制信息；如何解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。 12计算机网络协议OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定；在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。 13计算机网络协议对等层通信的实质网中各结点都具有相同的层次不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层之间通过接口通信；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。对等层实体之间虚拟通信下层向上层提供服务实际通信在最底层完成在发送方

7、数据由最高层逐渐向下层传递,到接收方数据由最低层逐渐向高层传递.14OSI 参考模型应用层Application表示层Presentation会话层session传输层transport物理层Physical数据链路层Data Link网络层Network7654321处理网络应用数据表示主机间通信端到端的连接寻址和最短路径介质访问（接入）二进制传输1516网络互联层次及互联设备网络互联解决的问题如何把两种网连起来,即异构网通信目的向高层隐藏底层物理网络技术的细节,为用户提供统一的通信服务实现方法利用应用程序,即应用级互联利用操作系统,即网络级互联17应用级互联早期的异构网互联通过应用程序完成

8、的应用程序直接建立在物理网络上,无中间协议应用级互联的缺点:若在系统中增加新的功能,必须为每台机器编写 新的应用程序增加新的硬件,必须修改旧的应用程序每个应用程序都必须处理本机与网络连接的细节,导致代码重复应用级互联的弊端:互联网络达到一定规模,要为所有机器编写应用程序几乎不可能采用点到点的存储转发通信方式,如果网络中某个中间节点的应用程序出错,发送和接收方无法知道和控制18网络级互联网络级互联提供实时把数据分组从源端发送到目的端的机制网络级互联通过分组交换机制将底层物理网络硬件细节隐藏起来,避免了应用级互联的种种弊端网络级互联的优点:这技术直接映射到底层网络硬件,十分高效把数据包传递功能从应

9、用程序中分离出来,允许网络中每台机器只需处理与数据包传递有关的操作网络级互联使整个互联网络系统更加灵活网络互联模式允许网络管理人员通过修改或增加某些网络软件就能在互联网中加入新的网络技术,而对应用程序不做任何改变19网络级互联网络级互联的关键思想形成TCP/IP网络的基本概念对各种不同物理网络的一种高度抽象通过提供通用网络服务,使底层网络技术对用户和应用程序透明网络级互联目标建立一个统一、协作、提供统一服务的通信系统具体方法在底层网络技术与应用程序之间增加一个中间层软件，以便抽象和屏蔽底层物理网络的硬件细节，向用户提供通用的网络服务20网络互联设备中继器（物理层）网桥（数据链路层）：销减负荷以

10、太网集线器HUB （物理层与数据链路层） ：多口中继，有的也具备网桥功能交换机（数据链路层） ：多口网桥调制解调器路由器（网络层）网关：用于连接不同类型的网络21中继器传输介质超过了网段长度后，可用中继器延伸网络的距离，对弱信号予以再生放大，IEEE802标准规定最多允许四个中继器接五个网段。中继器工作在物理层，不提供网段隔离功能。 中继器主要用于扩展LAN的跨度功能是接收从一条电缆上传输过来的消息,将其放大后再发送到另一条电缆上完全是硬件设备,操作遵循物理层协议属于网段的互联设备22集线器一种特殊的中继器是一种以星型拓扑结构将通信线路集中在一起的设备，相当于总线，工作在物理层，是局域网中应用

11、最广的连接设备，按配置形式分为独立型hub，模块化hub和堆叠式hub三种。以集线器为中心的优点:如果系统中某条线路或节点故障,不影响其他节点的正常工作集线器可分为三类:无源集线器负责把多段介质连接在一起,不对信号做任何处理,每种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半有源集线器类似无源集线器,但它具有对信号进行再生和放大从而扩展介质长度的功能智能集线器智能型hub改进了一般hub的缺点，增加了桥接能力，可滤掉不属于自己网段的帧，增大网段的频宽，且具有网管能力和自动检测端口所连接的PC网卡速度的能力。市场上常见有10M，100M等速率的hub。23集线器技术集线器技术发展迅速,已出现交换技术(在集

12、线器上增加了线路交换功能)和网络分段方式提高了传输带宽,Hub可分为三种切换式重新生成每一个信号并在发送前过滤每个包,而且只将其发送到目的地址切换式Hub可使10Mbit/s和100Mbit/s的站点用于同一网段中共享式提供了所有连接点的站点间共享一个最大频宽不过滤或重新生成信号,与之相连的站点必须以同一速度工作可堆叠共享式是共享式Hub的一种,它们级连在一起时,可看作是网中的一个大Hub6个8口的Hub级连在一起时,可看作1个48口的Hub24网桥(1)一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁作用过滤和转发。连接不同的传输介质，无路径选择能力。扩展网络距离有选择地将有地址的信号从一个传输介

13、质发送到另一个传输介质有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信本地网桥:在传输介质允许长度范围内互联网络的网桥远程网桥:连接的距离超过网络的常规范围时使用的远程桥,通过远程桥互联的局域网将成为城域网或广域网如果使用远程网桥,必须成对出现25网桥(2)内桥和外桥内桥是文件服务的一部分,通过文件服务器中不同网卡连接起来的局域网,由文件服务器上运行的网络操作系统管理外桥安装在工作站上,实现两个相似或不同的网络之间的连接,运行在一台独立的工作站上,专用网桥的工作站不能当普通工作站使用,只能建立两个网络之间的桥接;非专用网桥既可以作为网桥,也可以作为工作站26网桥(3)网桥应用环境网桥的基本特征基于两种标

14、准的网桥透明网桥:802.1标准的网桥由各网桥自己来决定路由,局域网上的各站不负责路由选择容易安装源选径网桥:802.5标准的网桥由发送帧的源节点负责路由选择,即源节点路选网桥假定了每个节点在发送帧时都已经清楚知道发往各个目的节点的路由,源节点在发送帧时需要将详细的路由信息放在帧的首部27调制解调器（Modem） 调制解调器（Modem） 作为末端系统和通信系统之间信号转换的设备，是广域网中必不可少的设备之一。分为同步和异步两种，分别用来与路由器的同步和异步串口相连接，同步可用于专线、帧中继、X.25等，异步用于PSTN的连接。 28路由器在互联网日益发展的今天,是什么把网络相互连接起来?什么

15、是路由器?通俗讲,它是互联网的枢纽、交通警察“路由器的定义是:用来实现路由选择功能的一种媒介系统设备 路由器是互联网的主要节点设备。路由器通过路由决定数据的转发 29路由器-工作原理地址解析协议ARP用于把网络层地址映射到数据链路层地址通常用于解析IP地址,最常见的数据链路层是以太网例如:接口A想给接口B发送数据A只知道B的IP地址A先查找B的物理地址,然后发送一个含有B的IP地址的ARP广播请求B的物理地址B收到该广播后,向A回应其物理地址若AB不在同一个网段,A只向下一跳路由器发送ARP请求30路由器-工作原理ARP产生的问题IP地址冲突由于两个不同的主机IP地址相同产生任何互联的网络中,

16、IP地址是唯一的解决办法:没有,但可以避免这类错误当A初始化时,发送一个含有其IP地址的ARP请求,没有收到回应,表明该IP没有被使用假定B使用了该IP地址,A就收到B发送的ARP回应,表明该IP地址被使用,那么A不能使用该IP,返回错误信息31路由器-工作原理ARP缓存表是对的列表,可用命令arp来管理,语法包括向表中添加静态表项: arp -s 从表中删除表项: arp d 显示表项:arp a动态表项通过一段时间自动删除,时间长度由特定的TCP/IP决定32路由器-工作原理静态ARP地址的使用使用代理ARP来避免在每台机器上配置路由表,对子网特别有用基本思想是:即使对于不在本子网的主机也

17、发送ARP请求,ARP代理服务器回应以网关的硬件地址代理ARP简化了主机的管理,但增加了瓦格纳拉通信量IP地址协议地址包括网络地址和主机地址用两个分离的域来存储这种信息或者减少主机地址域的长度(如24位网络地址,8位主机地址)IP把网络地址和主机地址一起包装在一个32位的域里33路由器-工作原理路由选择路由器通过路由决定数据的转发。转发策略称为路由选择（routing），这也是路由器名称的由来 制定路由表的过程称为路由算法集中式路由:指所有的互联信息都产生和维护在一个中心位值,然后这个中心位值讲信息广播给所有网络节点,每个节点就能设定自己的路由表集中维护路由信息的方法:路由矩阵,行(对应于源节

18、点)和列(对应于目标节点)都包含一个网络节点,行和列特定位值的条目指出从源到目的节点间的第一个节点,根据这个条目推导出整条路线分布式路由:没有中央控制,每个节点独立决定和维护自己的路由信息,先了解邻居节点,然后计算费用,再计算邻居向目的的发送数据的费用,根据这些信息推导出 自己的路由表静态路由:一个节点决定了它的路由表,此节点不变自适应路由:动态变化的网络中,自适应路由策略允许网络节点对网络改变作出反应,并相应更新它的路由表34网关使用适当的硬件与软件来实现不同网络协议之间的转换硬件提供不同的网络接口软件实现不同互联网协议的转换,方法有两种直接将输入网络信息包的格式转换成输出网络信息包的格式如

19、果n个网络互联,网关要进行n(n-1)种转换将输入网络信息包的格式转换成一种统一的标准网间信息包的格式如果n种网络,要进行2n种转换,即编写2n个转换程序模块网关可以由两个半网关构成对使用和管理带来方便灵活互联不同网络35TCP/IP参考模型应 用 层传 输 层互 联 网 层网络接口层Http、smtpTelnet等TCP、UDPIP、ARP、RARP、ICMP等应 用 层传 输 层网 络 层物理层和数链层OSITCP/IPTCP/IP的各层主要子协议网络接口层：是TCP/IP提供与各种物理网络的接口（具体协议由各物理网络提供）TCP/IP各层对数据的处理36TCP/IP参考模型的特点1.TC

20、P/IP模型的两大边界地址边界,将IP逻辑地址与底层网络的硬件地址分开操作系统边界,将网络应用与协议软件分开划分地址边界的目的为了屏蔽底层物理网络的地址细节,以便使互联网软件在地址问题上显得简单而清晰,易于实现和理解应用层传输层互联网层网络接口层OS外部空间OS内部空间使用IP地址使用物理地址TCP/IP模型的两大边界37TCP/IP参考模型的特点2.IP层的地位首先,IP层作为通信子网的最高层,提供无连接的数据报传输机制,但IP协议并不能保证IP报文传递的可靠性其次,IP使点到点的.用IP通信的主机或路由器位于同一物理网络,他们之间有直接的物理连接IP向TCP提供统一的IP报文,使得各种网络

21、帧或报文格式差异性对高层协议不复存在38TCP/IP参考模型的特点3.TCP/IP的可靠性思想可靠性体现在传输层传输层协议TCP协议是面向连接的服务,UDP是无连接的,传输层是端到端的,所以TCP/IP的可靠性被称为端到端可靠性端到端可靠性思想优点:一,TCP/IP与ISO/OSI协议相比,显得简洁清晰;二,效率相当高.IP协议是“尽力传递”方式，只有TCP层为保证传输可靠性做必要的工作，不象ISO/OSI几乎每层都要保证可靠传输39TCP/IP参考模型的特点4.TCP/IP模型的特点开放的协议标准;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，更适用于互连

22、网中； 统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。40因特网协议TCP/IP协议对是一整套TCP/IP协议族的一部分SMTPFTPTELNETDNSTCPUDPI?(T?)P和ICMP底层协议41因特网协议TCP是一个面向连接的传输协议，前身是NCPUDP在不同网络中提供了无连接通信模式IP是一个第三层协议，它在两个站点间提供分组投递服务，通常与TCP一起使用，如书P180图719所示42因特网编址指示与因特网相连的某计算机上某用户的一种文本表示User表示用户,后面是某台计算机的文本表示即文本地址.” .”隔离了它的

23、成分host通常指明了特定位值的一台计算机domain指明了因特网的域43因特网编址如何确定网络中的计算机所属的网络在此网络中区别计算机的本地地址向网络信息中心提出申请-审查申请(如果文本地址不与当前使用的地址重复)-接收申请-分配一个唯一的网络号网络号和本地地址一起为一台机器定义了32比特的因特网地址44因特网地址有固定的格式：32位二进制数，分成4段（每段8位），中间用“.”分隔，常用4个十进制数表示。如：.045因特网地址的分类：另外：默认为任何主机的IP地址，不可供用户分配。46IP地址由“网络号”+“主机号”组成一个人的身份证号码：3 4 0 1 25801012

24、233地区代码个人标识代码一个主机的IP地址：192.168.0. 10网络号主机号47IP地址由“网络号”+“主机号”组成网络号：用于表示该机所在的网络标识主机号：用于表示该机在该网络中区别其他主机的标识应用原则：网络号相同的主机，处于同一网段中；同一网段中，不允许有主机号相同的主机48IP地址由“网络号”+“主机号”组成一般情况下A、B、C三类IP地址中的网络号和主机号的划分49域名系统如何将一种地址转换为另一种?域名系统的分布式数据库(DNS包含了文本地址和他们对应的32比特地址)DNS分布在整个因特网上的DNS服务器种,需要地址翻译时,要求一台或多台服务器查找指定文本地址,并返回因特网

25、编址DNS看作是文本地址的层次组织方式,第一层是根据域名组织的,如”edu”com”,但不是以这种方式存储层次结构表示的信息被进一步分成区,没有区重叠通过各个服务器的交换,最终可被翻译成32比特因特网地址50IP 分组VersionIHL服务类型分组长度IdentificationFlags段偏移TTL存活时间ProtocolHeader Checksum源IP地址目的IP地址选项Padding具体数据51H1H2H3H4路由器1路由器2路由器3H5H6H7H8H9H1052分段不同网络体系结构允许的最大帧长度MTU各不相同IP分组长度MTU,则分组分成更小的单位段,到达目的地再重装怎样区分各

26、个段,哪些段属于同一分组呢?解决办法:路由器将分组标识放入每各段的标识字段种;标志字段包含一个多段比特mfb;段包含了部分分组数据,所以路由器还决定分组数据字段的偏移,并存入段偏移字段,偏移量1对应字节号8,2对应16,一次类推53IP 路由IP路由是以存储在路由器中的路由表及IP地址的解释为基础的IP地址和物理地址的差别因特网中每台计算机有一个唯一32比特地址物理地址是下层物理网络使用的地址,在本地有意义,对于全球IP范围无一样站点如何识别含IP地址的分组?不识别,IP分组通过LAN,它们存储在帧中,帧包含的是数据链路层控制协议使用的地址54给了路由器IP地址,如何确定物理地址?两种情况(1

27、)分组的目的地与路由器在同一个网络中(2)不在同一个网络中对于(1)路由器可以区分,因为每个IP地址的第一部分指明了目的地网络,直接路由,将目的地物理地址放入帧中后发送对于(2),利用动态结合的方法,让路由器向LAN上所有站点传输一个包含IP地址的广播申请帧,要求使用此IP地址的站点用它的物理地址来应答55总结路由器行为收到IP分组,取出IP地址如分组设置了源路由选项,则根据指定路由传送.跳过余下步骤确定IP地址的网络号这个网络号是否与任何连接路由器的网络相匹配?是,确定目的地物理地址,向目的地发送含有IP分组的帧;否,在路由表中查找网络号,将分组转送到对应下个路由器如果出现某些原因,此网络号

28、不在路由表中,分组转发给默认路由器56因特网控制报文协议IP不能提供可靠的服务,必须用因特网控制报文协议来报告错误,并提供因特网中发生的最新情况给路由器ICMP发送的典型的控制信息目的地无法到达,IP不能确保分组的投递回送请求使用这个分组来确定某具体目的地能否到达回送响应对回送请求作出响应时发送参数问题重定向分组源抑制超时时戳请求和应答地址掩码请求和应答信息请求和应答57子网地址计算子网掩码 IP地址，结果就是该 IP地址的子网号。例如：IP地址03，子网掩码24 11000000 10101000 00000001 110 01011 11111111 11111111 11111111 1

29、11 00000 11000000 10101000 00000001 110 00000子网地址为：92 主机标识符为203子网号为192/32=6 主机号为：11 (IP地址减去子网地址） 主机之间要能够通信，它们必须在同一子网内，否则需要使用路由器（或网关）实现互联。58练习假设B类网站中一个主机的IP地址是8,地址掩码是,问子网号是多少?59IPv61990年，IETF开始着手开发IP的新版本，它的主要目标有103：即使地址空间分配的利用率不高，也能够支持上百亿台计算机；提供更好的安全性（身份认证和隐私权）；增加对服务类型的支持，特别是实时服务；通过定义范围来帮助多点播送的实现；让移动

30、主机可以不改变地址实现漫游；减小路由选择表的长度；简化协议，使路由器处理分组更加迅速。60IPv6有比IPv4更长的地址，每个地址有16字节（128位），这是一个几乎无限的地址空间，从而达到了最初的设计目标。IPv6对头部作了简化，并加强了对选项的支持。通过将IPv4中一些必须的字段变为可选的，让中间路由器跳过这些选项，加速了路由器处理分组的速度。IPv6在安全性方面有很大进步，身份认证和隐私权是其关键特性。61IPv6IPv4的地址由网络地址和主机地址组成。但地址的这种结构造成了一些浪费。因为一旦分配了网络地址，就意味着不管该网络中的地址是否能够得到充分利用，其他人都不能够使用；网络的发展速

31、度非常快，很多组织都使用多个LAN，而且无线网络的使用者越来越多，这就带来了灵活地和动态地分配IP地址的问题；通常，一个主机只分配一个IP地址，但是有时候也需要给一个主机分配多个地址，这更增加了对地址的需求。 IP地址消耗例如:一个组织申请了B类网络,可以分配本地标识符216=65536,而他们有500人,所以使用了500个不同的地址,浪费了65000多个地址建议:申请C类网络,有256个本地标识符,效率会更高,申请2个C类网络,可以容纳512个用户,浪费了12个地址问题(1)影响网络增长计划(2)附加的路由表信息62IP其他缺点新目标的实现:娱乐和数码技术的结合移动性:目前的因特网计算机位置

32、不变,现在便携计算机和卫星就是为任意两台设备从世界任何地方通信提供方法,必须开发能让几百万设备从任意地方连接的协议安全性:因特网分组可以来自任何地方,需要有力措施保护自己的资源确保新的计算机技术与现有技术同时运行,比如下一代IP,即简单因特网协议扩充的协议SIPP(IPv6)63分组头IPv6的分组头地址字段有了更多比特头格式选项少了源地址目标地址版本优先级流标号载荷长度下一个头站段限制128比特128比特 32比特 32比特4比特4比特24比特16比特64扩展头鉴别头:用于分组鉴别的,IPv4没有目的地选项头:为目的地提供信息分段头:提供了万一分组被分段后必须重装的信息站接站头:出现这个头,

33、路由器必须被每个路由器检查(还不成熟)路由头:提供附加的路由信息安全头:指出分组的有效载荷被加密了65IPv6编址IPv6地址类型及与IPv4地址兼容性问题地址大体分三类单向播送地址,指定了唯一接口任意播送地址,指定了一组接口,具有任意广播地址的分组会被投送到组中任意一个接口多路广播地址,指定一组接口,但分组必须被送往组中的每个接口地址表示法不同如:7477:0000:0000:0000:0000:0AFF:1BDF:7FFF,简化为7477:AFF:1BDF:7FFF66与IPv4的兼容IPv6使用的过渡问题逐渐过渡IPv6地址结构允许覆盖IPv4两种协议的一同工作如何区分地址是IPv4节点

34、还是IPv6节点如7-25给出了用IPv6表示的IPv4地址IPv6执行主要功能和IPv4相同,提供无连接的路由能力,包含IPv4所没有的鉴别和加密,大大增加了地址空间,简化了分组头67传输协议传输协议定义站点代表用户跟另一站点通信的最低一层协议低3层定义了网络如何运行,而传输层是第一个定义端用户的层,提供端用户间可靠通信传输层功能:连接管理映象传输地址到网络地址流量控制分段与重新组装及组块与分块多路复用与分割(传输连接和网络连接的映象分为:一一对应;多路复用;分割)差错检测对用户请求的响应建立无连接或面向连接的通信 TCP/IP的运输层有两个不同的协议，即用户数据协议UDP(User Datagram Protocol) 和传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）。UDP在传送数据之前不需要先建立连接，TCP则提供面向连接的服务。由于TCP要提供可行的运输服务，因此TCP增加了许多的开销，如应答、流量控制、定时器以及连接管理等。传输控制协议TCPTCP段TCP连接管理TCP连接的建立第一次握手：源端机发送一个带有本次连接序号的请求。第二次