计算机网络技术 课后习题答案 第4章 计算机网络协议与网络体系结构

第4章

计算机网络协议与网络体系结构4.1网络协议4.2计算机网络体系结构4.3TCP/IP参考模型4.4TCP/IP协议主要内容4.1网络协议所谓网络协议是指通信双方共同遵守的事先约定好的规则、标准或约定的集合。网络协议一般由语法、语义和时序三要素组成。

1．语法协议的语法是解决如何做的问题，它定义了如何进行通信的问题，即对通信双方采用的数据与控制信息的结构和格式进行定义。

2．语义协议的语义是解决做什么的问题。

3．时序协议的时序（又称定时）规定事件实现的顺序，它定义了何时进行通信，先做什么，后做什么等。协议的功能:①分割和重组。②寻址。③封装和拆封。④排序。⑤流量控制。⑥差错控制。⑦干路传输。

用户（写信人）用户（写信人）邮政局邮政局运输部门运输部门甲地乙地运输部门间约定邮政局间约定用户间约定用户/邮政局约定邮政局/运输部门约定运输子系统邮政子系统用户子系统图4-1邮政通信系统协议的分层:所谓分层设计方法，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，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信息传递。网络中同等层之间的通信规则就是该层使用的协议，如有关第N层的通信规则的集合，就是第N层的协议。而同一计算机的不同功能层之间的通信规则称为接口（interface），在第N层和第（N+1）层之间的接口称为N/（N+1）层接口。总的来说，协议是不同机器同等层之间的通信约定，而接口是同一机器相邻层之间的通信约定。4.2计算机网络体系结构4.2.1网络体系结构的基本概念4.2.2OSI参考模型4.2.3OSI模型的优点4.2.4OSI模型的分层的原则4.2.5OSI模型的各层功能4.2.6OSI模型的信息流动过程4.2.1网络体系结构的基本概念

1.网络的层次结构计算机网络层次结构包含两方面的含义，即结构的层次性和层次的结构性。其层次的划分是按照层内功能内聚，层间耦合松散的原则。计算机网络层次结构划分的原则：①每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。②层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。③层数应适中。计算机网络中采用层次结构的好处：①各层之间相互独立。②灵活性好。③易于实现和维护。④有利于网络标准化。

n+1层nn层n-1...

...

n+1层nn层n-1...

...

物理媒体虚通信n+1层协议n层协议n-1层协议层协议虚通信虚通信n+1/n层接口处n层提供服务处n/n-1层接口处n-1层提供服务处图4-3计算机网络的层次模型

2．通信实体“实体”一般是指能够产生行为的对象。在计算机网络中，将能发送和接收信息的终端、应用软件、通信进程等称为“通信实体”。3．服务“服务”是指某一层（N层）向上一层（N+1）提供的支持，即本层实现的功能。4．接口“接口”是同处某地的同一节点系统内相邻层之间信息交换的连接点。5．网络体系结构计算机网络是一个十分复杂的系统。将计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层实体通讯的协议和邻层间的接口服务。这种层和协议的集合称之为网络体系结构。4.2.2OSI参考模型

开放系统互连（OpenSystemInterconnection）参考模型是由国际标准化组织（ISO）制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型，又称ISO/OS参考模型。数据链路层网络层物理层CPP应用层数据链路层表示层会话层传输层网络层物理层主机数据链路层网络层物理层CPP应用层数据链路层表示层会话层传输层网络层物理层主机图4-4OSI参考模型的结构4.2.3OSI参考模型的优点

采用OSI参考模型的优点如下：①它是一种将异构系统互连的分层结构，提供了控制互连系统交互规则的标准框架。②它定义了一种抽象结构，而并非具体实现的描述。③同系统上的相同层的实体为对等实体，同等层实体之间通信由该层的协议管理。④每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其他层。⑤一个系统内相邻层之间的接口协议定义了基本操作和低层向上提供的服务。⑥所有提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据通信服务。4.2.4OSI模型的分层的优点①层次不能太多，也不能太少。②应在接口服务描述工作量最小、穿过相邻边界相互作用次数最少或通信量最小的地方建立边界。③每一层应该有明确定义的功能，这种功能应在完成的操作过程方面，或者在涉及的技术方面与其他功能层次有明显不同，因而类似的功能应归入同一层次。④每一层的功能要尽量局部化。⑤以往经验证明是成功的层次应予以保留。⑥考虑数据处理的需要。⑦每一层只与它的上、下邻层产生接口，规定相应的业务。⑧当进行数据处理和相互通信时，当对应接口对标准化有好处时应建立边界。4.2.5OSI模型的各层功能1、物理层(如何利用物理媒体走每一步)(1)物理层的特性

物理层建立在通信介质的基础上,作为系统和通信介质的接口,向下提供与通信介质的物理连接,定义这种连接的机械,电气,功能和规程特性,以建立,维护和释放数据链路实体之间的物理连接,向上提供数据链路实体间的透明比特流传输。(2)物理层接口标准模型如下图所示,物理层协议定义了硬件DTE到DCE的接口的一系列标准(包括电平,比特周期,单/双工,应答方式,接口形状与尺寸,线头数和功能)。如等.DTE-ADTE-BDCE-A(Modem)EIA-232/v.24接口EIA-232/v.24接口串行比特传输(Modem)DCE-B2、数据链路层(每步如何走)数据链路---由实现协议的软硬件加到物理链路(Link)上,构成可传输帧的数据链路(右图)数据链路层主要功能:将从物理层来的原始数据打包成帧,并通过链路管理,帧传输,流量控制,差错控制,在不太可靠的物理链路上实现数据帧的无差错传递。基本服务:透明传输;链路管理;帧同步;差错检测与控制;流量控制;将数据和控制信息分开;寻址。PtPtPSN1PSN2BufferBuffer

DataLinkLayerDataFrame3、网络层(走哪条路可到达该处)

网络层定义网络层二实体(主机)间的通信用的协议,通过分配信源和信宿的逻辑地址,确定从源结点经通信子网到目的结点的路由选择,并处理相关的如交换、路由和对数据包阻塞的控制;网络层向上(运输层)提供面向连接和无连接服务,分别由虚电路服务和数据报服务来实现.在网络层,数据的传送单位是分组或包。网络层的主要功能:(1)路由选择与中继;

(2)流量控制;(3)网络连接建立与管理。4、运输层(对方在何处)

运输层的任务:负责主机中两个进程之间的逻辑通信.包括:向高层提供两种服务(连接的和不连接的);对高层来的数据(报文)分段,为高层应用封装数据;采用客户机和服务器的端口号标识运行于同一主机内的不同进程,控制运行于不同主机上的两个进程之间的端到端的通信。

运输层的作用:通过协议屏蔽了互连网中各类通信子网的差异,并以报文为数据单位进行传送,为以上各层提供运输服务,最终确保端到端的可靠通信。

应用进程应用进程网络层提供主机之间的逻辑通信运抵输层提供进程之间的端到端通信通信子网1通信子网2AP1APnAPnAP1与网络层协议的主要区别5、会话层(轮到谁讲话和从何处讲)

会话层的主要功能:提供不同机器上的两个应用进程之间的会话组织和同步服务,并对的传输数据(报文)进行控制和管理,而不参与具体的数据传输。

会话层以上是面向应用的,所传送的数据单位统称报文;会话层以下各层是面向通信的。6、表示层(对方看起来像什么)

表示层的功能:表示层主要解决用户信息的语法表示问题,和信息的加密/解密。对源站内部的数据结构进行编码,形成适合于传输的比特流,在不同的计算机之间进行交换而保持意义不变。7、应用层(做什么)

应用层确定进程之间通信的性质以符合用户的请求;负责用户信息的语义表示,并在两个通信者之间进行语义匹配。

应用层直接为用户的应用进程提供(无需通过SAD)所需的信息交换和远程操作,而且还要作为相互作用的应用进程的用户代理,访问网络提供服务,包括:网内,网间的文件传输,打印;电子邮件;WEB访问和HTTP;对远程主机的Telnet等,对应的通信应用协议如P34所列8种。

OSI/RM清晰地定义了服务,接口和协议三个概念,将功能与实现细节分开,概括性强,理论完整,便于理解,普遍实用性强,至今仍被用于理论学习和系统分析;但OSI协议实现复杂,没有商业驱动力,未被实际采用。

4.2.6OSI模型的信息流动过程图4-5OSI模型的信息流应用层数据链路层表示层会话层传输层网络层物理层主机A应用进程A应用层数据链路层表示层会话层传输层网络层物理层主机B应用进程B数据数据数据单元数据单元报文分组帧比特序列传输介质4.3

TCP/IP参考模型

TCP/IP参考模型仍然采用层次结构，共分为四层：1、网络接口层:该层定义通信主机必须采用某种协议连网.如局域网可采用以太网协议令牌网协议;广域网可采用PPP(Point-to-Point),帧中继等。该层接收来自网络物理层(TCP/IP未定义,实际上插在主机中的网络接口板上的软,硬件实现了物理层和数据链路层的功能)的数据帧,并转换为IP数据报交网络互连层。OSI体系结构TCP/IP体系结构应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层应用层(FTP,HTTP,DNS,SMTP)运输层TCP,UDP网际层IP网络接口层Ethernet,…PPP2、网络互连层(网际层):

网际层IP协议优先考虑并解决了多种异构网互连的问题,是TCP/IP模型中的通信枢纽。它负责相邻计算机之间通信,包括为来自低层的数据报选择继续传给其它网络结点或直接交给运输层;对来自运输层的数据报按格式分组,选择路由,控制流量阻塞顺利传输。3、运输层:

该层建立在包交换通信子网的基础上,实现源主机到宿主机的端到端通信。运输层定义了两个传输协议:TCP(TransportControlProtocol),它是面向连接的协议;UDP(UserDatagramProtocol),它是无连接协议。4、应用层协议:

应用层的任务是向最终用户(非上层)提供具体应用;它的具体内容就是规定了应用进程在通信时应遵守的一组协议,如常用有:SMTP,FTP,HTTP等,每个协议可解决某类应用问题;TCP/IP应用进程之间的通信经常采用客户—服务器方式。TCP/IP体系结构的特点：

(1)TCP/IP可以越层使用更低层提供的服务,有更高的协议效率;

(2)TCP/IP在设计时考虑到要与具体的物理传输无关,没有对最低两层作出规定,但实际上这两层在设计与维护时还是很重要的;(3)TCP/IP网络接口层并不是一个层次,而是一个接口,有时还包括OSI中的最低两层(网卡);(4)TCP/IP一开始就考虑到多种异构网互连,并将IP协议作为TCP/IP的重要组成部分,定义了各种网络的分组交换共同方法.这一层相当于OSI/RM网络层中的无连接网络服务;(5)TCP/IP运输层功能和OSI的相似,都是为用户提供端到端通信服务,但与下一层关系不同:

下层(网络层/互连层)服务

本层(运输层)功能

TCP/IP只提供IP无连接服务实现TCP面向连接和UDP无连接两种服务

OSI/RM提供两种服务只提供面向连接服务(6)TCP/IP应用层的功能包含了会话层和表示层的功能(7)TCP/IP协议族(栈)

TCP/IP体系在服务,接口和协议的区别不清,功能描述和实现细节混在一起,对采用新技术设计网络的指导意义不大;但实践证明,它是成功的,互连网的发展给了它巨大的支持。下图说明:TCP应用层为用户提供丰富的服务;网络接口层可以连接多种网络。HTTPSMTPDNSFTPTCPUDPIPEther接口PPP接口X.25接口网络接口层网际层运输层应用层OSI参考模型和TCP/IP协议模型的对比表OSI中的层功能TCP/IP中的层TCP/IP协议族应用层文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端

TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet表示层数据格式化，代码转换，数据加密应用层会话层解除或建立与别的接点的联系

传输层提供端对端的接口传输层TCP，UDP网络层为数据包选择路由互联网层IP，ICMP，RIP，OSPF，BGP，IGMP数据链路层传输有地址的帧以及错误检测功能光缆、无线连接PPP，ARP，RARP，以太网、令牌环网、FDDI、WLAN、广域网协议物理层以二进制数据形式在物理媒体上传输数据同轴电缆、双绞线、4.4计算机网络体系结构4.4.1TCP/IP协议概述4.4.2Internet网际协议（IP）4.4.3TCP/IP的配置4.4.4TCP/IP测试4.4.5下一代的网际协议

4.4.1

TCP/IP协议概述

TCP/IP协议，即传输控制协议／网际协议（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol），是一种用于网际互连的协议。全球最大的网际网Internet（即互联网）采用的就是TCP/IP协议TCP／IP协议受重视的原因主要有以下几点:①为Internet采用。②目前最为可行的协议。③各方投资巨大。TCP/IP协议是一个协议簇（或称为协议栈），包括传输控制协议TCP和网际协议IP。4.4.2Internet网际协议（IP）

1．IP层协议网络互连层（IP层）中含有四个重要的协议：网络互连协议IP、互联网控制报文协议ICMP、地址转换协议ARP和逆向地址转换协议RARP。网络互连层的功能主要由IP协议来提供，它是TCP/IP协议簇的核心，是网络互连赖以实现的基础。IP协议提供的是无连接的数据报服务，主要解决分组的寻址和路由问题。传输层上的数据信息和网络层上的控制信息都以IP数据报的形式传输。无连接的数据报服务是不保证可靠的。由上图可以看出：①IP层仅解决分组传递工作。②接口层有多种，以适应不同的具体网络。由于IP层将多种物理网络互连，所以要解决与各种网络物理地址的转换问题。③IP层不保证可靠性，可靠性问题由TCP层解决。应用层TCP层IP层接口层应用层TCP层IP层接口层接口层接口层接口层接口层接口层接口层网络1网络1网络1路由器或网关

图4-8IP数据报服务2．IP地址及其结构⑴IP地址概念每一台机器在连入Intemet时，都分配一个唯一的地址用来在全球范围内识别，这个地址称为“IP地址”。⑵IP地址编址方案IP地址由网络标识和主机标识两部分组成。①网络标识（NetID）：也称网络号或网络地址。②主机标识（HostID）：也称主机号或主机地址。其中，网络地址是全球唯一的，而主机地址在某一特定的网络中才必须是唯一的。目前使用的IP协议第四版（IPv4）中，IP地址采用4个字节32位二进制数编码表示。为书写方便起见，常将每个字节作为一段并以十进制数来表示，每段间用“•”分隔，称为“点分十进制表示”（便于阅读和理解）。例如：10100110011011110001100100101001→166．111．25．41⑶IP地址分类IP地址分成五类，用字母表示即为：A类地址；B类地址；C类地址；D类地址；E类地址。IP地址的格式为：IP地址＝网络类型标识＋NetID＋HostIDIP地址的特殊形式利用全0（意为“本地”）和全1（意为“所有”）的几种组合：①定向广播地址。TCP/IP协议规定，主机号部分各位全为1的IP地址用于广播。所谓广播地址指同时向网上所有主机发送报文。②有限广播地址。有时需要在本网内广播,但又不知道本网的网络号时,TCP/IP协议规定32位全为1的IP地址用于本网广播,即。③“0”地址。TCP/IP协议规定，各位全为0的网络号被解释成“本网络”。NetID=全0HostID全0（NetID=全0，HostID=全0）本机本网主机全0（NetID=全0，HostID=全0）本网广播NetIDHostID=全1向指定网络定向广播127随机（通常是1）回送地址（测试用）3．子网掩码的计算与划分子网掩码的作用：使网络内的计算机了解子网划分的结构使边缘路由器了解子网划分的结构子网掩码的格式：子网掩码也是32bit长的二进制数，由一串连续的1后跟一串连续的0组成；前面的1与网络号和子网号对应，后面的0与主机号对应。例如：子网结构为：0000101000000101

ss

xxxxxxxxxxxxxx子网掩码为：1111111111111111

11

xxxxxxxxxxxxxx写成十进制数为：不划分子网时，各类IP地址默认的子网掩码为：A类：B类：C类：已知IP地址和子网掩码，如何计算子网地址？用子网掩码和IP地址“相与”（AND操作），结果就是子网地址。例如：IP地址，子网掩码。则可计算出的子网地址为：00001010000001010110000000000001AND)1111111111111111110000000000000000001010000001010100000000000000(=)推论：若两个IP地址具有完全相同的子网地址，则它们在同一子网中。210net—idhost—id2本地分配B类地址6位10bit10net—idhost—idsubnet子网号主机号增加子网号子网掩码00000000001111111111111111111111

8个8个6个10个4．IP地址解析地址之间的映射叫做地址解析（Resolution），它包括两方面内容：从IP地址到物理地址的映射和从物理地址到IP地址的映射。⑴地址解析协议（ARP）地址解析协议ARP是用来把连在同一个物理网络上计算机的IP地址转换成其物理地址的协议。

⑵逆向地址解析协议（RARP）逆向地址解析协议RARP用来将已知的物理地址转换成IP地址。4.4.3TCP/IP的配置

1、安装TCP/IP协议（操作系统以Windows98为例）①进入控制面板，双击“网络”图标，进入“网络”设置窗口。或者右击桌面“网上邻居”属性。②选择安装协议组件。单击“配置”选项卡，再单击“添加”按钮，出现“选择网络组件类型”窗口，如图4-9所示。选择“协议”，单击“添加”按钮。③选择TCP/IP协议。图4-9“选择网络组件类型”窗口图4-10“选择网络协议”窗口图4-13“TCP/IP属性”窗口“DNS配置”选项

2、TCP/IP协议的设置图4-11“网络”窗口图4-12“TCP/IP属性”窗口“IP地址”选项4.4.4TCP/IP的测试

1．Ping

⑴Ping命令的语法格式

ping[-t][-a][-ncount][-llength][-f][-ittl][-vtos][-rcount][-scount][[-j-Hostlist]|[-kHost-list]][-wtimeout]destination-list-t——有这个参数时，当你ping一个主机时系统就不停的运行ping这个命令，直到你按下Control＋C。-a——解析主机的NETBIOS主机名。-ncount——定义用来测试所发出的测试包的个数，缺省值为4。-llength——定义所发送缓冲区的数据包的大小。-f——在数据包中发送“不要分段”标志，一般你所发送的数据包都会通过路由分段再发送给对方，加上此参数以后路由就不会再分段处理。-ittl——指定TTL值在对方的系统里停留的时间，此参数同样是帮助你检查网络运转情况的。-vtos——将“服务类型”字段设置为“tos”指定的值。-rcount——在“记录路由”字段中记录传出和返回数据包的路由。-scount——指定“count”指定的跃点数的时间戳，此参数和-r差不多，只是这个参数不记录数据包返回所经过的路由，最多也只记录4个。-jhost-list——利用“computer-list”指定的计算机列表路由数据包。连续计算机可以被中间网关分隔IP允许的最大数量为9。-khost-list——利用“computer-list”指定的计算机列表路由数据包。连续计算机不能被中间网关分隔IP允许的最大数量为9。-wtimeout——指定超时间隔，单位为毫秒。destination-list——是指要测试的主机名或IP地址。⑵Ping命令的应用A、测试网络的通畅在DOS或Windows的开始菜单下的“运行”子项中用ping命令加上所要测试的目标计算机的IP地址或主机名即可。如：测试台IP地址为的工作站与服务器是否已连网成功，在服务器上运行：即可，若工作站上TCP/IP协议工作正常，即以DOS屏幕方式显示如下信息：

Pingingcindy[1]with32bytesofdata:

Replyfrom1:bytes=32time<10msTTL=254

Replyfrom1:bytes=32time<10msTTL=254

Replyfrom1:bytes=32time<10msTTL=254

Replyfrom1:bytes=32time<10msTTL=254

Pingstatisticsfor1:

Packets:Sent=4,Received=4,Lost=0（0%loss）,Approximateroundtriptimesinmilli-seconds:

Minimum=0ms,Maximum=0ms,Average=0ms如果网络未连成功，则显示如下错误信息：

Pinging[1]with32bytesofdata

Requesttimedout.

Requesttimedout.

Requesttimedout.

Requesttimedout.

Pingstatisticefor1:

Packets:Sent=4,Received=0,Lost\=4（100%loss）,

Approximateroundtriptimesinmilli-seconds

Minimum=0ms,Maximum=0ms,Average=0ms问题：为什么不管网络是否连通在提示信息中都会有重复四次一样的信息呢？

因为一般系统默认每次用ping测试时是发送四个数据包，这些提示就是告诉你所发送的四个数据包的发送情况。B、获取计算机的IP地址只要用ping命令加上目标计算机名即可。2．Ipconfig/Winipcfg⑴Ipconfig命令的语法格式

Ipconfig[/all][/batchfile][/renewall][/releaseall][/renewn][/releasen]all——显示与TCP/IP协议相关的所有细节信息。Batchfile——将测试的结果存入指定的“file“文件名中，以便于逐项查看。renewall——更新全部适配器的通信配置情况。releaseall——释放全部适配器的通信配置情况。renewn——更新第n号适配器的通信配置情况。releasen——释放第n号适配器的通信配置情况。⑵Winipcfg命令Winipcfg以图形界面的方式显示。当用户需要查看任何一台机器上TCP/IP协议的配置情况时，只需在Windows9x上选择“开始→运行”，在出现的对话框中输入命令“winipcfg”，将出现测试结果。单击“详细信息”按钮，在随后出现的对话框中可以查看和改变TCP/IP的有关配置参灵敏。⑶ipconfig/winipcfg的应用①查找目标主机的IP地址及其他有关TCP/IP协议的信息。②当用户的网络中设置的是DHCP（动态IP地址配置协议）时，利用Ipconfig/winipcfg可以了解到所用IPconfig/winipcfg机的IP地址的实际配置情况。3．Netstat⑴netstat命令的语法格式netstat[-a][-e][-n][-s][-pprotocol][-r][interval]

-a——用来显示在本地机上的外部连接，它也显示我们远程所连接的系统，本地和远程系统连接时使用和开放的端口，以及本地和远程系统连接的状态。-n——是-a参数的数字形式，它是用数字的形式显示以上信息。-e——显示静态太网统计，该参数可以与-s选项结合使用。-pprotocol——用来显示特定的协议配置信息。-s——显示机器的缺省情况下每个协议的配置统计，缺省情况下包括TCP、IP、UDP、ICMP等协议。-r——用来显示路由分配表。interval——每隔“interval”秒重复显示所选协议的配置情况，直到按“CTRL+C”中断。

⑵netstat的应用①显示本地或与之相连的远程机器的连接状态，包括TCP、IP、UDP、ICMP协议的使用情况，了解本地机开放的端口情况。②检查网络接口是否已正确安装，如果在用netstat这个命令后