第2课 网络的结构设计及协议选择

第2课

网络的结构设计及协议选择本课内容2.1计算机网络的结构设计2.2通信协议及选择2.3OSI模型2.4TCP/IP协议的规划与管理郑州大学信息工程学院

2.1计算机网络的结构设计

2.1.1总线型网络结构2.1.2星型网络结构2.1.3环型网络结构2.1.4网状网络结构2.1.5网络拓扑结构的变体郑州大学信息工程学院总线形拓扑（BusTopology）是指每一台工作站都共用一条通信线路（总线），如果其中一个节点发送了信息，该信息会通过总线传送到每一个节点上，即属于广播方式的通信。每台工作站在接收到信息时，先分析该信息的目的地址是否与本地地址相一致，若一致，则接收此信息，否则拒绝接收。2.1.1总线形网络结构郑州大学信息工程学院（1）一般使用同轴电缆进行网络连接，不需要中间的连接设备，建网成本较低。（2）每一网段的两段都要安装终端电阻器。（3）仅适用于连接计算机较少（一般应少于20台）的网络。（4）网络的稳定性较差，任一节点出现故障将会导致整个网络的瘫痪。（5）目前单纯的总线形结构主要用于10Mbit/s的共享网络。1.总线形网络的特点：郑州大学信息工程学院网络上的数据以电子信号的形式发送给网络上的所有计算机，但只有计算机地址与信号的目的地制相匹配的计算机才能接收。在任何时刻，只有一台计算机可以发送信息，其他想发送信息的计算机必须等待，直到网络空闲。2.总线上的通信方式busABCC郑州大学信息工程学院在总线网络中，因为数据或电子信号都发送给整个网络，所以这些数据或电子信号将从总线的一端传到另一端。为了阻止信号反射，总线的两端各需安装一个终结器，通常称为终端电阻器。终端电阻器用于吸收传送到总线端点的信号。3.总线上的信号反射和终结器终结器终结器郑州大学信息工程学院4.总线型网络通信的中断断开的部分没有终结器，信号会产生反射，网络将停止工作。郑州大学信息工程学院2.1.2星形网络结构交换机集线器郑州大学信息工程学院特点：（1）Hub或交换机可以进行级连。（2）计算机接入或退出网络时不会影响系统的正常工作。（3）这种网络中一般使用双绞线或光纤进行连接，符合现代综合布线的标准。（4）这种网络结构可以满足多种带宽的需求，带宽范围为10Mbps、100Mbps到1000Mbps。（5）如果Hub或交换机出现故障，与之相连的所有计算机将全部无法进行通信。郑州大学信息工程学院环型拓扑中所有计算机连成环型，不需要终结器。信号沿环的一个方向传播，依次通过每台计算机。沿环传递数据的一种方法叫做令牌传递。令牌依次通过计算机直到有数据要发送的计算机。该计算机修改令牌，加入数据，并将令牌沿环发送出去。令牌依次通过计算机，直到发现与传送中的目的地址相匹配的计算机。2.1.3环型网络结构TABCD郑州大学信息工程学院网状拓扑指各节点通过传输线相互连接起来，并且任何一个节点都至少与其它两个节点相连。特点：较高的可靠性。但费用高、结构复杂、不易管理和维护。局域网很少采用，局域网中使用部分网状连接。2.1.4网状网络结构部分网状连接全连接郑州大学信息工程学院1.星型总线型网络结构2.1.5网络拓扑结构的变体郑州大学信息工程学院星型总线型网络结构的的特点如下：（1）任何一台计算机发生故障都不会影响整个网络。（2）如果这种网络中的Hub出现问题就会影响到整个网络，使整个网络不能工作。（3）星型总线是以太网、快速以太网和千兆以太网的基础，也是未来的万兆以太网的基础，但是这种网络的成本较高，总线可作为整个网络的主干，一般需要用光纤等高速介质进行连接。郑州大学信息工程学院2星型环网络结构在星型环中，计算机也连接到集线器或交换机上，但是与星型总线不同的是集线器或交换机的内部是环状而不是总线状。郑州大学信息工程学院2.2通信协议及选择

2.2.1计算机网络中通信协议的概念2.2.2NetBEUI协议2.2.3IPX/SPX及其兼容协议2.2.4TCP/IP协议2.2.5选择通信协议郑州大学信息工程学院协议：是管理网络如何通信的规则。协议对网络设备之间的通信指定了标准。没有协议，设备不能解释由其他设备发送来的信号，数据不能传输到任何地方。封装寻址：根据对方的网络地址，把数据发送给对方的过程。唯一的地址。2.2.1计算机网络中通信协议的概念郑州大学信息工程学院2.2.2NetBEUI协议NetBEUI是一种快速有效的协议，使用少量的网络资源，基本上不需要配置。NetBEUI没有网络层，它是非路由的。不同网段的用户不能使用NetBEUI进行通信。NetBEUI协议不适合于大型网络，通常用于小型的基于Windows、OS/2网络。TCP/IP因其比NetBEUI更灵活且更易改变规模而成为首选的协议。郑州大学信息工程学院网段在局域网环境中，网段可以理解为两端终结的直线性干线电缆，网段也称为子网。在网段上的广播信号将会被连到该网段上的所有用户所接收。网段1网段2网段3网段1网段2网段3一个服务器同时连接3个网段时的结构图郑州大学信息工程学院IPX/SPX（网级包交换/序列包交换）：最初由Xerox开发，在20世纪80年代由Novell进行修改并应用于它的NetWare网络操作系统。

IPX/SPX用于运行NetWare操作系统的局域网上。其他的网络操作系统，如WindowsNT和工作站操作系统如Windows98，能使用IPX/SPX协议与NovellNetWare系统进行网际互连。在WindowsNT网络操作系统中，IPX/SPX被称为NWLinkIPX/SPX。2.2.3IPX/SPX及其兼容协议郑州大学信息工程学院1.IPX/SPX通信协议的特点IPX主要负责选择最佳的路由，将数据送达目的地。

SPX负责管理通信中的差错管理。IPX/SPX协议比NetBEUI协议庞大，具有路由功能，适合于大型网络。郑州大学信息工程学院2.IPX/SPX兼容协议NWLinkIPX/SPX

：是IPX/SPX在微软网络中的实现，在继承了IPX/SPX协议优点的同时，更加适应微软的操作系统的网络环境。WindowsNT/95/98/Me的用户，可以利用NWLink获得NetWare服务器的服务。NWLinkNetBIOS：用于NetWare服务器与WindowsNT之间传输信息；WindowsNT计算机之间；Windows95/98/Me之间；以及WindowsNT与Windows95/98/Me之间的通信。NWLinkIPX/SPX/NetBIOSCompatibleTransportProtocol:Windows2000/XP。郑州大学信息工程学院2.2.4TCP/IP协议网络互联的根本目标是隐藏所有底层网络硬件的细节，同时提供一般的通信服务。实现互连网的协议有很多种。其中，TCP协议和IP协议是最具有代表性，也是最重要的网络协议，它们是网络体系结构的关键之一。事实上，TCP/IP是一个协议族，它是ARP，IP，ICMP，IGMP，UDP，TCP等100多个协议的集合，这个集合又称为协议栈。现在TCP/IP已成为Internet上通信的标准。郑州大学信息工程学院选择网络协议主要考虑网络规模、网络的兼容性和网络管理。选择网络协议时应遵循的原则：1.选择适合于网络特点的协议如果网络存在多个网段或要通过路由器连接时，就不能使用NetBEUI协议，必须选择IPX/SPX或TCP/IP等协议。如果网络规模较小，同时只是为了简单的文件和设备的共享，最关心的就是网络的速度，所以在选择协议时应选择占用内存小和带宽利用率高的协议，如NetBEUI。当网络规模较大，且网络结构复杂时应选择可管理性和可扩充性较好的协议，如TCP/IP.2.2.5选择通信协议郑州大学信息工程学院2.选择尽可能少的网络协议每个协议都占用计算机的内存，选择的协议越多，占用内存资源就越多。一方面影响计算机的运行速度，另一方面不利于网络的管理。3.注意协议的版本每个版本的协议都有它最为合适的网络环境。从整体来看，高版本协议的功能要比较低版本强，性能要比低版本好。4.注意协议的一致性如果要让实现互连的两台计算机间进行对话，最好使用相同协议。郑州大学信息工程学院2.3OSI模型

2.3.1OSI模型的特点2.3.2协议栈及栈间通信2.3.3驱动程序与OSI参考模型郑州大学信息工程学院OSI参考模型的分层结构。2.3.1OSI模型的特点为什么要采用分层结构？各层功能明确，层次分明，易于理解分析，易于生产设备。当网络出现故障时，判断故障所在层，确定故障点，快速解决问题。除了底层外，每层的功能都是建立在它的下层之上的，每层按照一定的接口形式向上层提供一定的服务。两台设备的第N层进行通信的过程：使用第N层协议。逻辑通信与物理通信。郑州大学信息工程学院1.物理层物理层的主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性。不关心数据位的具体含义。机械特性:形状、尺寸、线数、排列等。电气特性：电缆的各条线上电压的范围。功能特性：各线的功能及其上电平的电压表示的意义。规程特性：不同功能的各种可能事件的出现顺序。郑州大学信息工程学院网络连接类型：点对点还是多点连接。网络的拓扑结构。编码方式：数字编码或模拟编码，以及编码技术。位同步方式，即如何保持发送者和接收者之间读写数据的同步。多路复用技术。端接问题，即防止信号在电缆上的反弹，避免数据传送错误。指出网段的最后一个节点。物理层的规范具体包括以下几点：郑州大学信息工程学院在物理线路上提供可靠的数据传输通道，使之对网络层呈现为一条无错的线路。发送端：将网络层传来的数据分割并组装成帧，下传给物理层。接收端：从物理层接收帧，取出帧中的数据，上传给网络层。

帧的结构：地址信息、控制信息、数据和校验信息。为了实现可靠传送，可以采用确认应答、重传机制。并进行流量控制。第2层：数据链路层(DataLink)郑州大学信息工程学院数据链路层负责识别帧的地址，接收属于自己的数据。OSI参考模型对数据链路层的规范包括以下几个方面：数据帧的结构；流量控制：收发双方传输速率的匹配。介质访问控制。差错识别与处理。郑州大学信息工程学院局域网的标准和模型IEEE802系列规范IEEE（电气与电子工程师协会）802委员会负责制定局域网的标准化。该规范只制定了对应于OSI参考模型的下两层规范，即物理层和数据链路层的规范。IEEE802根据实际的需要，将数据链路层进一步划分为逻辑链路控制LLC子层和介质访问控制MAC子层。郑州大学信息工程学院LLC负责建立和维护两台通信设备之间的逻辑通信链路。LLC提供服务访问点SAP，其它计算机可以据此通过LLC层给OSI上层传输信息。MAC层控制多个信道复用一个物理介质。MAC层提供对网卡的共享访问和与网卡的直接通信。网卡由生产厂商分配一个48位的MAC地址。MAC地址可以提供给LLC层来建立同一个局域网中两台设备之间的逻辑连接。郑州大学信息工程学院802.1：协议概论。802.2：定义了LLC的服务与功能。

802.3：定义了CSMA/CD总线的介质访问控制方法与物理层技术规范。802.4：定义了Token-Bus（令牌总线）访问控制方法与物理层技术规范。802.5：定义了Token-Ring（令牌环）访问控制方法与物理层技术规范。802.6：定义了城域网（MAN）访问控制方法与物理层技术规范。IEEE802的标准郑州大学信息工程学院802.7：定义了宽带局域网访问控制方法与物理层技术规范。802.8：定义了FDDI光纤局域网访问控制方法与物理层技术规范。802.9：定义了综合数据/语音的局域网的网络标准。802.10：定义了网络安全规范与数据保密的标准。802.11：定义了无线局域网访问控制方法与物理层技术规范。郑州大学信息工程学院第3层，作用是保证信息到达预定目标。寻址和路由负责从发送端到接收端的连接多于一条链路的数据的传输。需要路由选择和包转发。为了完成路由选择和包交换，需要完成的基本工作：将网络地址转换成物理地址。决定服务质量，多条路径的路由选择。发送时，将较大的数据包划分为数据段。在接收方，将多个数据段组合成数据包。另外，OSI模型中的网络层规范还包括：连接服务、流量控制、出错控制、数据包顺序控制等。第3层：网络层(Network)郑州大学信息工程学院网络层在一个多网段的网络中进行数据包的传输网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层路由器数据链路层网络层郑州大学信息工程学院第4层。为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务。保证实现数据包无差错、按顺序、无丢失和无冗余的传输。其任务是检错和纠错。确认应答。包的传输可带保证性，也可以不带保证性。例如TCP和UDP。将会话层传来的长消息分解为较小的数据包发送，并在目的地组合成长消息。传输层规范包括：与网络无关的端到端服务保证数据无差错地传输传输方式的分离。第4层：传输层(Transport)郑州大学信息工程学院建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话。会话：完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换。同步（解决失败后从哪里重新开始）设置检查点——会话失败后，恢复到最后一个检查点处，而不用从头开始。例如：数据送到打印服务器上打印。接收的数据已被确认，但打印机出现故障。这时没必要再从头开始打印，只要在每页开始处设置检查点，打印出错时，只需重传最后一个检查点以后的页面。第5层：会话层(Session)郑州大学信息工程学院会话层规范：通信控制：管理远程用户或进程间的通信。检查点设置。中断传输链路的重建。名字查找和安全验证等任务。郑州大学信息工程学院处理被传送数据的表示问题：数据表示格式，以及多种数据表示格式之间的转换。完成协议转换、数据转换、数据的加解密、压缩/解压缩等、字符集转换和图形命令解释等。例如：在日期、货币、数值（特别是浮点数）等本地数据格式与标准数据格式之间的转换。表示层规范：数据编码方式的约定（传输句法）。本地句法的转换。第6层：表示层(Presentation)郑州大学信息工程学院为用户的应用程序提供网络通信服务识别并证实目的通信方的可用性使协同工作的应用程序之间进行同步判断是否为通信过程申请了足够的资源应用层协议的例子：电子邮件、文件传输、数据库访问等。应用层规范：各类应用过程的接口。提供用户接口。第7层：应用层(Application)郑州大学信息工程学院一个任务在OSI参考模型中被分为多个子任务来完成，而每个子任务通过由计算机进程所实现的协议来完成。特定的协议完成OSI参考模型中特定层的子任务。当这些特定协议组织起来，用于完成一个完整的任务时，这些协议代码的集合就形成了协议栈，或称之为协议族。协议栈由许多子协议组成，每个子协议完成一项子任务，由一个协议栈完成一个完整的任务。

例如：TCP/IP协议栈。2.3.2协议栈及栈间通信1.协议栈郑州大学信息工程学院协议栈的每一层在接受其下层服务的同时，为其上层提供服务，即第N层使用（N-1）层提供的服务，并为（N+1）层提供服务。对于两台需要通信的计算机来说，每台计算机上必须运行相同的协议栈。一台计算机上协议栈的每一个子协议于另一台计算机上相应的子协议进行通信。郑州大学信息工程学院物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层第1层第7层win2KUNIX同层通信郑州大学信息工程学院2.栈间通信当一个数据从一台计算机发送到另一台计算机时，在发送方，数据首先从上向下通过各层，在接收方再从下向上通过各层。物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层第1层第7层win2KUNIX郑州大学信息工程学院在OSI参考模型中，各功能层之间的统一接口称为边界层。边界层使得网络模型能与上下层交流和共享相关信息。当一个数据从上向下穿过一个协议层时，每一层都会为数据增加一个头信息（数据链路层除外），这些头信息包含有供接收栈的对等层阅读和处理的控制信息。当接收方收到数据，并且数据从下向上穿过协议栈时，每一层都会去掉由发送方的对应层加上的头信息。一般将给数据增加头信息的过程称之为打包，而把去掉头信息并将剩下的部分转给上层的过程称之为解包。郑州大学信息工程学院传输层数据链路层物理层网络层上层数据上层数据TCP首部TCP+上层数据IP首部IP+TCP+上层数据MAC首部0101110101001000010应用层比特帧PDUFCS打包（封装）数据物理传输媒体IP数据报IP分组TCP报文段UDP报文段电子邮件郑州大学信息工程学院上层数据

IP+TCP+上层数据MAC头TCP+上层数据IP头上层数据TCP头0101110101001000010传输层数据链路层物理层网络层应用层解包（拆封）数据物理传输媒体电子邮件郑州大学信息工程学院2.3.3驱动程序与OSI参考模型1.网卡驱动程序对于计算机来说，网卡属于外围设备，所以在计算机中必须安装网卡驱动程序。有的操作系统会自动安装网卡驱动程序。但操作系统集成的驱动程序是有限的。有的网卡驱动程序必须手动安装。

OSI参考模型与网络中的软硬件之间存在着必然的联系。郑州大学信息工程学院Win3.X/95/98/Me，一台计算机只允许一块网卡工作（无论是安装一块还是多块网卡）。在Win3.X中，一块网卡只能绑定一种协议。Win2K/NT不但允许一台计算机上安装多块网卡，而且允许在一块网卡上绑定多个协议，也可以将一个协议绑定到不同的网卡上。这主要得益于“驱动程序接口”的支持。e.g.Novell和Apple开发的ODI（OpenData-LinkInterface）用于NetWare，微软的NDIS（NetworkDriverInterfaceSpecification）用于Win2K。以太网网卡同时支持ODI和NDIS两种驱动程序接口。郑州大学信息工程学院网卡工作于OSI参考模型的物理层和数据链路层。2.驱动程序与OSI参考模型物理层数据链路层LLCMAC网卡驱动程序郑州大学信息工程学院2.4.1TCP/IP协议与OSI参考模型的关系2.4.2IP协议2.4.3IP地址2.4.4TCP协议2.4.5用户数据报协议（UDP）2.4.6套接字和TCP端口2.4.7网际控制报文协议（ICMP）2.4.8地址解析协议（ARP）2.4.9应用层协议2.4TCP/IP协议的规划与管理郑州大学信息工程学院2.4.1TCP/IP协议与OSI参考模型的关系由底层网络定义的协议ICMPIGMPARPRARPIPTCPUDPSMTPFTPHTTPTELNETDNSSNMPTFTPBOOTP应用程序应用层传输层互联网层网络接口层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层OSI/RMTCP/IP协议簇郑州大学信息工程学院2.4.2IP协议IP协议是网际层中最重要的协议，也是TCP/IP协议簇中最为核心的协议。它是一种无连接协议，不提供可靠性、流量控制和错误恢复功能，主要提供了路由选择功能。IP协议所传输的数据单位称为IP数据报（IPdatagram），有时也称为IP分组（IPpacket）。郑州大学信息工程学院IP数据报格式DFMF段偏移量总长度版本号服务类型03478151631标识号生存时间TTL协议首部校验和源IP地址目的IP地址选项和填充（最长为40字节）数据部分报头长度郑州大学信息工程学院IP协议除了路由选择功能外，还提供下列功能：分段重组错误校验控制（仅验证IP报头中路由信息的完整性，若错误，则丢弃）。IP协议是一个不可靠、无连接的协议，不能保证数据的可靠传输，需要与高层协议配合。郑州大学信息工程学院2.4.3IP地址为了唯一地标识连接在Internet上的一台主机，引入了IP地址。在IPv4协议版本中，IP地址是32位无符号二进制数，通常用“点分十进制”格式表示，即将32位划分为4个字节，每个字节分别用一个十进制数表示，用小数点将这些字节隔开。例如：32位的IP地址：11001010110001000100100100000101，可用点分十进制数表示为：。郑州大学信息工程学院IP地址由网络号（netID）和主机号（hostID）两部分组成，网络ID用于确定某一特定的网络，主机ID用于确定唯一的主机。常用的IP地址分为3类：A、B、C10netID

hostID110netID

hostID0netID

hostID07152331

A类B类C类郑州大学信息工程学院一些特殊的IP地址不能分配给某一个节点。A类网络号数目是126（27-2），每个A类网络的最大主机数目为224-2，其地址范围为~54。A类地址可用于少量的大型网络；B类的网络号数目是214，每个B类网络的最大主机数目为65534（216-2），其地址范围为~54。B类地址可用于中型规模网络；C类的网络号数目是221，每个C类网络的最大主机数目为254（28-2），其地址范围为~54。C类地址可用于大量的小型网络。郑州大学信息工程学院特殊的IP地址网络号主机号含义全0全0本主机全0hostID本网络上的指定主机全1全1有限广播地址，即在本地网络上广播netID全1直接广播地址，在指定网络上广播netID全0网络地址127任意值回送地址，用作网络测试或本地进程间通信郑州大学信息工程学院保留的/专用的/私有的IP地址这些地址是保留给专用网的，专用地址在机构内部是唯一的，但是在全球范围内则不是唯一的。具有专用地址的IP数据报不能在因特网上传输，它们只能用于内部网中。类别IP地址范围网络ID网络数A~55101B~55172.16~172.3116C~55192.168.0~192.168.255254郑州大学信息工程学院子网掩码子网掩码作用：①确定IP地址中的网络ID和主机ID。②将一个大的网络划分为若干小的子网。子网掩码由连续1和连续0构成的一个32位数，子网掩码中的1确定网络ID，0确定主机ID。将子网掩码和IP地址逐位进行“逻辑与”运算，即得到网络ID和主机ID。如果一个网络没有划分子网，则该网络的子网掩码就称为默认子网掩码。A类网络的默认子网掩码为，B类的默认子网掩码为，C类的默认子网掩码为。郑州大学信息工程学院子网掩码∧IP地址，结果就是该IP地址的网络号。例如：IP地址07，子网掩码11001010011101010000000111001111∧1111111111111111

1111111100000000

11001010011101010000000100000000网络ID计算∴子网地址为：

郑州大学信息工程学院可以根据实际需要修改子网掩码，以改变网络ID和主机ID。使得A、B、C类网络ID号不再是固定的1字节、2字节和3字节。可以将一个大的网段划分为若干个小的子网，以方便管理。例如：若一个A类网络地址~55，只有一个网络，网络ID号是10，默认子网掩码是，为了划分为多个子网以便于管理，可以将子网掩码修改为，这样网络数就变成了254个，网络ID号为10.0~10.255。若子网掩码改为，则网络数变为65534个。郑州大学信息工程学院例如：若一个C类网络地址~55，具有254个网络，默认子网掩码是，每个网络中所包含的主机数量太少只有254。为了使得每个网络所容纳的计算机数量成倍增加，则可以将子网掩码改为，即将该地址网段纳入到同一网络之中，可以容纳的计算机数量增加到65534个。郑州大学信息工程学院网关用来连接异种网络。可以进行不同协议间的“翻译”，使得运行不同协议之间的两种网络之间可以实现相互通信。例如：运行TCP/IP的Win2K网络与运行IPX/SPX协议的Novell网络的通信需要用网关来实现协议转换。

网关连接多少个网络，就需要多少个IP地址。郑州大学信息工程学院主机名为了方便记忆，分配给主机的一个名字。主机名与IP地址的对应关系，由操作系统进行映射。郑州大学信息工程学院2.4.4TCP协议传输控制协议（TCP）是一个面向连接的协议，为应用进程提供可靠的数据传输服务。面向连接的服务需要3个过程：建立连接、通信、拆除连接。TCP将要传送的数据放在缓存区中的数据拆分为若干个数据段发出去，一个数据段组成一个传送数据单元，称为TCP报文段或TCP段。采用确认应答、错误校验、流控制、序列信息等机制来提供可靠性。郑州大学信息工程学院TCP报文段

031位31015源端口(16bits)目的端口(16bits)

发送序列号(32bits)16应答号(32bits)校验和选项和填充（0）头长度URGACKPSHRSTSYNFIN保留(6bit)窗口大小(16bits)紧急指针数据（可选）郑州大学信息工程学院2.4.5用户数据报协议（UDP）用户数据报协议UDP提供无连接的传输服务。不能保证数据以正确的顺序接收，甚至不能保证数据能够被接收。协议简单，能够提供快速、高效率服务；郑州大学信息工程学院UDP数据报格式源端口号(2字节)UDP的数据部分目的端口号(2字节)总长度(2字节)校验和(2字节)郑州大学