网络体系结构与网络互连2012年

1、计算机网络与多媒体技术教育管理学院 罗静1第2章 网络体系结构与网络互连 TCP/IP协议基础网络互连和广域网技术本章教学内容网络体系结构学习难点学习重点3计算机网络是由多种计算机和各类终端通过通信线路连接起来的复合系统。在这个系统中，由于计算机型号不一，终端类型各异，加之线路类型、连接方式的不同，给网络中各结点的通信带来许多不便。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。分层就是系统分解的最好方法之一。 第一节 网络体系结构1、网络体系结构概述 计算机网络的分成结构是怎么提出的？4国际标准化组织（ISO）于1977年提出一个试图使

2、各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架： 著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model），简称为OSI。 5（1）各层之间是独立的（2）灵活性好（3）结构上可分割开（4）易于实现和维护（5）能促进标准化工作OSI采用这种层次结构可以带来很多好处：6网络实体 在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体（Entity）组成，这些实体抽象地表示了通信时的软件元素或硬件元素。实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施。 协议 协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。2

3、、网络实体、协议和服务7语法（Syntax）：规定了怎样通信，包括数据格式、编码及信号电平等。语义（Semantics）：指出通信的内容，或者说用于解释比特流的每一部分的意义，包括数据协调和差错处理的控制信息。如报文的一部分可能是通信数据，另一部分则可能是控制信息。同步或称定时（Timing）：规定何时进行通信，包括通信双方通信时速度的匹配和排序等。协议的三个要素：8 OSI开放系统互连参考模型将整个网络的通信功能划分成七个层次，每个层次完成不同的功能。这七层由低层至高层分别是：3、OSI体系结构 物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层 9OSI-RM中数据传送的物理过程1

4、0OSI的参考模型11主要功能：计算机的具体的物理设备或传输媒体种类非常多，物理层的作用是尽可能的屏蔽这些差异，对它的高层即数据链路层提供统一的服务。工作原理：源主机的物理层从上层接收数据帧，目的主机的物理层接受接收这些数据流后，将其传送给上层重新组合成数据帧。单位：比特1、物理层12物理层13主要功能：是通过数据链路层协议（即链路控制规程），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。工作原理：数据链路层在数据传输过程中提供了确认、差错控制和流量控制等机制，把一条有可能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下看起来好象是一条不出差错的链路。单位：帧 2、数据链路层14主要功能： 选择最佳的路由，

5、使发送站的运输层所传下来的报文能够正确无误地按照目的地址找到目的站，并交付给目的站的运输层。这就是网络层的路由选择功能。工作原理： 路由选择的好坏在很大程度上决定了网络的性能，如网络吞吐量（在一个特定的时间内成功发送数据包的数量），平均延迟时间、资源的有效利用率等。 3、网络层15通常上Internet所采用的TCP/IP协议中的IP（网际协议）协议就是属于网络层。而登录NOVELL服务器所必须使用的IPX/SPX协议中的IPX（网际包交换协议）协议也是属于网络层。单位：网络层传送的数据单位是报文分组或包。16主要功能：运输层的基本功能是从会话层接收数据报文，并且在当所发送的报文较长时，在运输

6、层先要把它分割成若干个报文分组，然后再交给它的下一层（即网络层）进行传输。另外，这一层还负责报文错误的确认和恢复，以确保信息的可靠传递。工作原理：运输层正好是七层的中间一层，是通信子网（下面3层）和资源子网（上面3层）的分界线，它屏蔽通信子网的不同，使高层用户感觉不到通信子网的存在。它完成资源子网中两结点的直接逻辑通信，实现通信子网中端到端的透明传输。单位：运输层信息的传送单位是报文。4、运输层17主要功能： 在两个结点间建立、维护和释放面向用户的连接。允许在不同主机上的各种进程间进行会话。5、会话层18主要功能：表示层关心的是数据传送的语义和语法。主要涉及两个通讯系统之间交换信息的表示方式，

7、包括数据格式交换、数据加密与解密，数据压缩与恢复等。6、表示层19主要功能：应用层是OSI网络协议体系结构的最高层，是计算机网络与最终用户的界面，为网络用户之间的通信提供专用的程序。OSI的7层协议从功能划分来看，下面6层主要解决支持网络服务功能所需要的通信和表示问题，应用层则提供完成特定网络功能服务所需要的各种应用协议。7、应用层应用层的另一个功能是具有文件传输协议FTP、电子邮件的功能等协议功能。20开放系统互连基本参考模型OSI的分成结构是个很重要的概念！21第2章 网络体系结构与网络互连 第二节 TCP/IP协议基础22一、TCP/IP协议的体系结构TCP/IP协议是Internet的

8、基础，解决“网络互连”的问题。网络互连就是要建立一种通信协议，这个协议已成为国际标准和工业标准。TCP/IP参考模型分四层，与OSI模型有相似之处，也有不同的地方。23OSI模型与TCP/IP模型对比图24TCP/IP体系共分成四个层次： 网络接口层 网际层 运输层 应用层25网络接口层与OSI参考模型的数据链路层和物理层相对应，它不是TCP/IP协议的一部分，但它是TCP/IP赖以存在的与各种通信网之间的接口.所以，TCP/IP对网络接口层并没有给出具体的规定。（1）网络接口层26（2）网络层网络层的主要功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立地传向目标（可能经由不同的网络）。网络层有

9、四个主要的协议：网际协议IP、Internet控制报文协议ICMP、地址解析协议APR和逆地址解析协议RARP。27（3）运输层TCP/IP的运输层提供了两个主要的协议，即传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，它的功能是使源主机和目的主机的对等实体之间可以进行会话。28（4）应用层在TCP/IP体系结构中并没有OSI的会话层和表示层，TCP/IP把它都归结到应用层。所以，应用层包含所有的高层协议: 虚拟终端协议（TELNET） 文件传输协议（FTP） 简单邮件传送协议（SMTP） 域名服务（DNS）等等邮件传输域名定位FTP功能29概念：在TCP/IP网络中，每个主机都有唯一的地址，它是通

10、过IP协议来实现的。是互联网上计算机的逻辑地址。特点：唯一性。每台计算机依靠IP地址来互连和识别。网络设备依靠IP地址来查找地址端。IP地址由统一的组织负责分配。 1、 IP地址的概念二、IP地址谁分配？怎么分配？30 IP地址共有32位地址，一般以4个字节表示，每个字节的数字又用十进制表示，即每个字节的数的范围是0255，且每个数字之间用点隔开。IP格式nnn.nnn.nnn.nnn4段，取值0255网络类型网络ID主机ID312、IP地址的分类A类B类C类D类E类32A类地址：B类地址：C类地址：主机号网络号0主机号网络号01主机号网络号11018012160122431313111261

11、2819119222333分类第一字节数范围适用对象或范围A 1126大型网络B 128191中等规模网络C 192233校园网D 224239备用E 240254试验用例如：我的办公室的IP地址为：IP:掩码：28网关：子网掩码：334我的IP地址是多少？IP地址如何配送？35 A类地址： 共126个网络号，16777216台计算机/每网络B类地址 共16386个网络号，65536台计算机/每网络C类地址 共2097152个网络号，256台计算机/每网络36 IPv4采用32位结构，理论上32位地址可以提供1684万个网络，42亿台主机地址，但实际使用中，要去除网络地址、广播地址、路由器地址

12、、保留地址和子网的额外占用，最后有效的地址数目比可用的地址总数要少许多。小知识：IP地址的分配但随着因特网用户以指数形式增长，现有的IPv4遇到了IP地址空间耗尽的问题。37IP地址的分配情况极不平衡！由于美国是因特网技术的诞生地，占有了IP地址的70%，许多企业不是单个申请IP地址，而是成批申请IP地址。例如，惠普(Hewlett Packard)公司在几年前申请了以“15”开头的所有IP地址，从而拥有了1600万个IP地址，即从到55。这使得其他国家IP地址资源匮乏。小知识：IP地址的分配38我国是IP地址短缺问题最严重的国家之一，截止到2005年6月30日，中国大陆IPv4地址数仅有个，

13、折合A类地址4个，B 18个，C类地址45个。 要解决这个问题:IPV4 IPV639考虑到IP地址耗尽的问题，IETF(Internet Engineering Task Force，因特网工程任务组)1998年制定了下一代因特网地址标准草案IPv6。IPv6采用128位地址长度，地址几乎可以视为无限。在IPv6的设计过程中，地址短缺问题得到了完全的解决，同时还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题，如点到点IP连接、服务质量、安全性、移动性、即插即用等。 IPv6技术下一代IP地址40IPv6的地址是128位编码，能产生2的128次方个IP地址。其资源几乎是无穷的目前的互联网采用的是TCP/

14、IP协议，核心协议之一就是IP地址编码协议。IPv6的全称是“互联网协议第6版”。目前的IPv4的地址是32位编码,能产生2的32次方个IP地址。41域名 IP地址的符号表示： 数字形式的IP地址难以记忆，常采用字符形式来表示地址，就是域名系统DNS所定义的域名。如：贵州财经学院的域名是 其中最高层是CN（表示中国），其次是EDU（表示教育），gzife（表示贵州财经学院）。2、IP地址与域名域名系统DNS能自动将域名转换成IP地址进行寻址。 42国家域领域机构域主机名域名43机构性顶级域名44地理性顶级域名45 部分域名与IP地址对照实例 46远程终端协议Telnet：本地主机作为仿真终端登

15、陆到远程主机上运行应用程序。文件传输协议FTP：实现主机之间的文件传送。简单邮件传输协议SMTP：实现主机之间电子邮件的传送。域名服务DNS：用于实现主机名与IP地址之间的映射。动态主机配置协议DHCP：实现对主机的地址分配和配置工作。3、应用层协议47路由信息协议RIP：用于网络设备之间交换路由信息。超文本传输协议HTTP：用于Internet中的客户机与WWW服务器之间的数据传输。网络文件系统NFS：实现主机之间的文件系统的共享。引导协议BOOTP：用于无盘主机或工作站的启动。简单网络管理协议SNMP：实现网络的管理。 48第三节 网络互连和广域网技术 49局域网局域网互连局域网广域网互连

16、 局域网广域网局域网互连 广域网广域网互连 1、网络互连的类型50中继器（Repeater） 集线器（Hub） 交换机（Switch） 路由器（Router） 2、 网络互连设备51中继器(REPEATER)中继器是网络物理层上面的连接设备。适用于完全相同的两类网络的互连。主要功能是：放大信号，补偿信号衰减，支持远距离的通信。通过对数据信号的进行再生和还原、重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。（1）中继器（Repeater）52集线器又称集中器，也就是俗称的HUB。集线器是一种特殊的中继器。中继器的主要作用是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。集线器是把来自不同的计算机网络设

17、备的电缆集中配置于一体，它是多个网络电缆的中间转接设备，象树的主干一样，集线器是各分枝的汇集点，是对网络进行集中管理的主要设备。（2）集线器（Hub）53例：用集线器搭建简单的网络以1台服务器，3台PC机为例：一台HUB4块UTP接口的网卡4台PC机8个RJ45接头（水晶头）若干米UTP双绞线 NICHUBUTPPC机服务器54问题：共享信道LAN的缺点多个站点同时发送信号会造成冲突；网络中站点越多，冲突现象越严重；解决的方法：网络分段（微网段化）减少每个网段中站点的数量, 使冲突的概率减小；增加了网络的总体带宽。实现网络分段的设备：网桥、交换机、路由器网桥和交换机可以隔离冲突域路由器不仅可以隔离冲突域，还能隔离广播域3、网桥与网络交换机55路由器是实现不同类型网络，即异构型网络互联的重要设备，它在网络层实现包的