模块三网络体系结构与协议

计算机网络基础模块三网络体系结构与协议1任务完成计算机物理地址的寻找任务描述：在寄送信件的时候特别注意写明收件人的地址，一般会具体到街道、门牌号。这样信件才能准确地寄送到目的地。在网络中传输数据，也需要类似于门牌号的地址信息表示目的地，即目的地址。那么网络信息的目的地址是如何表示的？信息从发送端如何到达目的地址指向的接收端呢？首先要从网络的体系结构以及通信协议学起。23.1体系结构与OSI1．网络体系结构（1）协议：计算机网络是由多个互联的结点组成的，结点之间的通信必须遵守一些事先约定好的规则。为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。网络协议具有三个要素：语义、语法和时序。语义是用于解释位流每一部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及要完成的动作与作出的响应。语法定义了通信双发的数据与控制信息的表现形式，即结构与格式。还规定了数据出现的顺序的意义。时序是对事件实现顺序的详细说明，即何时进行通信，先发送什么，再发送什么，发送数据的速度等。3（2）接口：对网络的研究采用了分层次的结构化处理方法，将总体要实现的诸多功能分配在不同的层次中。一个结点内，相邻层之间必然需要信息的交换，比如低层为高层提供服务等，所以相邻层之间进行信息交换的连接点称之为接口。将网络层次性结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构（NetworkArchitecture）。网络体系结构的研究意义：①各层之间相互独立。②灵活性好。③由于各层独立，因此每层都可以选择最为合适的实现技术。④易于实现与维护。⑤有益于标准化的实现。42．开放系统互联参考模型（1）OSI参考模型的概念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、遵循同一标准的其他任何系统进行通信。OSI是分层体系结构的一个实例。每一层是一个模块，用于执行某种主要功能，并具有自己的一套通信指令格式（即协议）。用于相同层的两个功能之间的通信的协议称为对等协议。5OSI标准的制定采用的是“分而治之”的分层体系结构方法，OSI将整个通信功能划分为7个层次，分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层6参考模型划分层次的主要原则是：①网络中各结点都具有相同的层次。②不同结点的同等层具有相同的功能。③同一结点内相邻层之间通过接口通信。④每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。⑤不同结点的同等层通过协议来实现对等层的通信。7（2）OSI模型的相关术语①数据单元OSI模型将网络进行了分层，网络中同一结点的相邻层以及不同结点的对等层之间都需要传送数据，所以OSI定义了多种类型的数据单元来传送信息。服务数据单元（ServiceDataUnit,SDU）是OSI模型中某层等待传送和处理的数据单元。协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）指的是在对等层传送的数据单元，它通常是将SDU分成若干段，每一段加上报头，作为一个单独协议数据单元PDU在水平方向上传送。在传输层上的服务数据单元被称为报文（Message），网络层上的服务数据单元被称为分组（Packet）。接口数据单元（InterfaceDataUnit,IDU）指的是在相邻层接口间传送的数据单元，它由SDU和一些控制信息组成。89②服务访问点相邻层间的服务是通过其接口界面上的服务访问点（ServiceAccessPoint，SAP）进行的，每个SAP都有一个唯一的地址。③服务原语某一层为其上一层提供的服务通常是由一组原语（primitive）操作来组成的，用户进程通过这些原语操作可以访问该服务。10113．OSI模型的工作过程123.2OSI各层功能介绍1．物理层物理层是OSI参考模型的底层，向下直接与物理传输介质相连接。该层负责实现两个物理设备之间二进制位流的透明传输，即对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性。物理层传输数据的单位是二进制位。需要注意物理层并不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体。物理层的作用是，尽可能的屏蔽种类繁多的物理设备或传输媒体之间的差异，对上一层层即数据链路层提供统一的服务。所以物理层主要关心的是在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的位流。13物理层在设计时涉及的主要问题有：（1）用多大的电压代表二进制“1”或“0”，以及当发送端发出“1”时，在接收端如何识别出这是二进制位“1”而不是二进制位“0”。（2）确定连接电缆材质、引线的数目及定义、电缆接头的几何尺寸、锁紧装置等。（3）指出一个比特信息占用多长时间。（4）采用什么样的传输方式。（5）初始连接如何建立。（6）当双方结束通信如何拆除连接。142．数据链路层数据链路层传输数据的单位是帧（Frame），数据帧的帧格式中包括的信息有：地址信息部分、控制信息部分、数据部分、校验信息部分。数据链路层的主要作用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。为了完成这一任务，数据链路层必须执行链路管理、帧传输、流量控制、差错控制等功能。15数据链路层向网络层提供的基本服务有：（1）数据链路建立、维护与释放的链路管理工作。（2）数据链路层服务数据单元帧的传输。（3）差错检测与控制。（4）数据流量控制。（5）帧接收顺序控制。（6）在多点连接或多条数据链路连接的情况下，提供数据链路端口标识的识别，支持网络层实体建立网络连接。163．网络层网络层传送的数据单位是分组（Packet），即数据包。在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能要经过许多个结点和链路，也可能经过多个路由器连接的通信子网。网络层的任务就是要选择最佳的路径，使发送结点的传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结点的网络层，并交付给目的结点的传输层。这就是网络层的路由选择功能。17路由选择指的是根据一定的原则和算法在传输通路上选出一条通向目的结点的最佳路径。路由选择是广域网和网际网中非常重要的问题，局域网则比较简单，甚至可以不需要路由选择功能。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。一个好的路由选择应有以下特点：（1）信息传送所用时间最短。（2）使网络负载均衡。（3）通信量均匀。（4）路由选择算法应简单易实现，不致因拓扑的变化，影响报文正常到达目的结点。184．传输层传输层传送的信息单位是报文（Message）。传输层的基本功能是从会话层接收数据报文，封装后交给网络层。传输层在发送较长的报文时，首先把报文分割成若干个报文分组，然后再交给下一层（即网络层）进行传输。另外，传输层还负责报文错误的确认和恢复，以确保信息的可靠传递。OSI模型所定义的传输层是中间层，是通信子网（下3层）和资源子网（上3层）的分界线。传输层屏蔽通信子网的物理差异，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，使高层用户感觉不到通信子网的存在。另外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制的问题。195．会话层会话层负责在发送结点和目的结点之间建立通信链接或会话（session），会话层还负责管理已经在这两个结点之间建立起来的通信会话。会话层的另外一个功能是，在发送结点向接目的结点传送的数据流中加入特殊的检查点。如果结点之间的连接丢失，这些检查点就可以发挥作用。发送结点不需要重现发送所有的数据，只需从最近接收到的检查点处开始的数据发送即可。206．表示层表示层可被认为是OSI参考模型中的翻译器，该层从会话层取得数据，然后将其转换为接收结点的应用层能够读取的格式。表示层也负责数据加密和数据压缩。所以，表示层为上层（应用层）提供共同需要的数据或信息语法的表示变换。7．应用层应用层是OSI参考模型的最高层，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21OSI层功能应用层在程序之间传递信息表示层处理文本格式化，显示代码转换会话层建立、维持、协调通信传输层确保数据正确发送网络层决定传输路由，处理信息传递数据链路层编码、编址、传输信息物理层管理硬件连接223.3TCP/IP体系结构3.3.1TCP/IP参考模型的发展1．TCP/IP参考模型的起源在TCP/IP协议出现后，出现了TCP/IP参考模型。1974年，Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型。1985年，Leiner等人对它开展了进一步研究。1988年，Clark在参考模型出现后对其设计思想进行了讨论。2．TCP/IP协议的特性（1）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。（2）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。（3）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地址。（4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。233.3.2TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型可以分为四个层次：应用层（ApplicationLayer）、传输层（TransportLayer）、网络互联层（InternetLayer）、主机—网络层（Host-to-NetworkLayer）。241．主机-网络层主机-网络层（又称网络接口层）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对该层并没有给出具体的规定。2．网络互联层网络互联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）。3．传输层TCP/IP的传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。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。253.4TCP/IP协议栈263.4.1IP协议IP协议，即InternetProtocol，网际协议。规定了如何对数据包进行寻址和路由，并且把数据包从一个网络转发到另一个网络。还规定了计算机在Internet通信所必须遵守的一些基本规则，以确保路由的正确选择和报文的正确传输。1．IP地址含义及获得在Internet中为了定位每一台计算机，需要给每台计算机分配或指定一个确定的“地址”，称为Internet的网络地址。即用Internet协议语言表示的地址。目前IP地址仍然使用IPv4协议版本。IPv4的IP地址由32位二进制位组成，它逻辑上分成两个部分，一部分标识主机所属的网络（网络标识），另一部分标识主机本身（主机标识）2728常见的IP地址分为A，B，C三类，与它对应的网络有时被称为A类、B类、C类网络。A类网络用第一个字节标识网络本身，后面三组数字作为连接于网络上的主机的地址，并且规定第一个字节的第一位必须为0。A类IP地址一般分配给国家级网络。B类网络用第一、二字节表示网络地址，后面两组数字代表网络上的主机地址，且第一个字节的前两位为10。B类地址一般分配给大型网络，如跨国公司的大型网络。C类网络用前三个字节表示网络的地址，最后一组数字作为网络上的主机地址，且第一个字节的前三位为110。C类地址分配给小型网络，如大量的局域网和校园网。29（3）IP分组格式网络层传输的数据单元是IP数据报（IP分组），IP协议对IP数据报的报文格式进行了详细的规定。每个IP数据报包含一个头部和一个正文部分。而IP数据报的头部决定了数据报的正确性及是否能被正确传输。IP数据报的头部由一个20字节的定长部分，和一个可选的变长部分构成。30版本号4IP分组头首部长度4服务类型8总长度16标识符标志3段偏移13生存时间协议分组头校验和源站地址（发送IP分组的源主机IP地址）目的站地址（目的主机IP地址）任选参数选项（根据需要可以改变）填充段（可变，通常用0填入，可使IP分组满足4字节长度的整数倍）313.4.2TCP与UDP协议1．传输控制协议TCP（TransmissionControlProtocol）TCP协议提供面向连接的流传输，即数据传送前，主机间必须建立连接，传送完毕则需要拆除连接，TCP提供从丢失或损坏数据中恢复报文和控制数据传输速度的功能。TCP也包括根据网络状态调整到最佳性能的机制。首先来了解端口和socket地址。①端口客户必须标识要到达的服务器，这可由指定服务器主机的IP地址和TCP端口号来完成。0～1023端口号为公认端口号，用于访问标准服务。用户应用程序只能使用大于1023的端口号。32常用协议对应的端口如下：9：Discard丢弃所有新来的数据；19：Chargen交换数据流20：FTP-DATA文件传送数据端口21：FTP文件传送对话端口23：TELNET远程登录端口25：SMTP简单邮件传送协议端口103：X400用于X400邮件服务110：POP3：用于PC邮件服务80：Web服务器（HTTP）端口53：域名系统区域传送139：NetBIOS会话服务33②socket地址用户通信的IP地址和端口的结合为socket地址。（2）TCP协议的功能①确保IP数据报的成功传递。②对程序发送的大块数据进行分段和重组。③确保正确排序以及按顺序传递分段的数据。④通过计算校验和，进行传输数据的完整性检查。TCP是基于两个网络主机之间的端对端通信。TCP从高层协议接收需要传送的字节流，将字节流分成段，然后TCP对段编号和排序以便传递。3435（4）TCP工作原理TCP经过一个连接建立、数据传输和连接释放的过程来实现可靠数据传输。在两个TCP主机交换数据之前，必须先建立会话。TCP会话通过三次握手的过程初始化。一旦初始的三次握手完成，在发送和接收主机之间按顺序发送和确认报文段。关闭连接之前TCP使用与建立连接类似的握手过程验证两个主机都完成发送和接收全部数据。36①建立连接37②连接拆除382．用户数据报协议UDP（UserDatagramProtocol）

UDP协议的几个特性：（1）UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。（2）由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。（3）UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。（4）吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。39403.4.3其他常用协议1．远程登录协议（Telnet）Telnet协议是用来登录到远程计算机上，并进行信息访问，通过它可以访问所有的数据库、联机游戏、对话服务以及电子公告牌，如同与被访问的计算机在同一房间中工作一样，但只能进行些字符类操作和会话。2．文件传输协议（FTP）这是文件传输的基本协议，有了FT