第三章计算机网络体系

第三章

计算机网络协议与体系结构学习目标了解：计算机网络协议网络系统的分层体系结构网络的3个著名标准化组织掌握：ISO的OSI7层参考模型ARPA的TCP/IP四层模型3.1网络协议3.1.1协议的本质网络上计算机和设备之间相互通信和数据管理、数据交换的整套规则。3.1网络协议3.1.2协议的中心任务语法—如何通信语义—通信内容定时—通信的顺序、速度等3.1.3协议的功能和种类协议的功能分割与重组寻址封装与拆装排序信息流的控制差错控制同步干路传输连接控制3.1.3协议的功能和种类协议的分类3.2计算机网络体系结构计算机网络体系结构的形成问题的提出：如何保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收？计算机文件格式如果不兼容，必须有文件转换的功能对于出现的各种差错如数据错送错误，重复或丢失，或网络中某节点交换机出现故障，接收方如何正确的接收数据？例：主机1向主机2通过网络传送文件假如文件的格式不一样，至少一个主机要完成文件的转化，需要一个文件传送的模块来完成。文件通过通信设备进行可靠的传输，由通信模块来完成。负责网络接口细节，帮助通信模块完成任务。将文件传送模块换成邮件传送模块，同样可以使用各层的功能。分层可以带来如下好处：（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。ARPANET设计时就提出了分层的方法。分层能够将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题。1974年IBM宣布了系统网络体系结构SNA3.2.2计算机网络体系结构概述为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，简称为OSI。

OSI7层参考模型7应用层6表示层5会话层4传递层3网络层2数据链路层1物理层国际标准组织（ISO）提出的开放系统互联（OSI）参考模型。它将数据从一个站点到达另一个站点的工作分割成七个不同的任务，这些任务按层管理。解决网络的应用问题解决与网络的信号传输问题（无差错传输）解决实际的信号传输1应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要(这反映在用户所产生的服务请求)。处理的数据单元：报文处理的地址：进程标识—端口号端口端口是一个软件结构，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。一个端口对应一个16比特的数。服务进程通常使用一个固定的端口，例如，SMTP使用25、Xwindows使用6000。这些端口号是‘广为人知’的，因为在建立与特定的主机或服务的连接时，需要这些地址和目的地址进行通讯。如果把IP地址比作一间房子

，端口就是出入这间房子的门。真正的房子只有几个门，但是一个IP地址的端口

可以有65536个之多！端口是通过端口号来标记的，端口号只有整数，范围是从0

到65535。端口有什么用呢？我们知道，一台拥有IP地址的主机可以提供许多服务，比如Web服务、FTP服务、SMTP服务等，这些服务完全可以通过1个IP地址来实现。那么，主机是怎样区分不同的网络服务呢？显然不能只靠IP地址，因为IP地址与网络服务的关系是一对多的关系。实际上是通过“IP地址+端口号”来区分不同的服务的。端口并不是一一对应的需要注意的是，端口并不是一一对应的。比如你的电脑作为客户机访

问一台WWW服务器时，WWW服务器使用“80”端口与你的电脑通信，但你的电脑则

可能使用“3457”这样的端口.表示层表示层关心的是所传输的信息的语法和语义，但其仅完成语法的处理而语义的处理是由应用层来完成的。这一层处理数据格式化问题，由于不同的软件应用程序经常使用不同的数据格式化方案，所以数据格式化是必需的这一层处理数据格式化问题，由于不同的软件应用程序经常使用不同的数据格式化方案，所以数据格式化是必需的这一层处理数据格式化问题，由于不同的软件应用程序经常使用不同的数据格式化方案，所以数据格式化是必需的。数据压缩。当数据格式化后，在文本和数字中间可能会有空格也格式化了。数据压缩将这些空格删除并压紧数据，减小其大小以便发送。数据传输后，由接收结点的表示层来解压缩。会话层组织并协调两个进程之间的通话。指定应用程序的端口号。会话层允许不同机器上的用户建立会话关系，它主要是针对远程访问目的是完成正常的数据交换，并提供了对某些应用的增强服务会话。会话层的主要任务包括会话管理、传输同步以及数据交换管理等。会话一般都是面向连接的，例如，当文件传输到中途时建立的连接突然断了，是从文件的开始重传还是断点续传，这个任务由会话层来完成。运输层保证数据可靠地从发送结点发送到目标结点。例如，传输层确保数据以相同的顺序发送和接收，并且传输后接收结点会给出响应。当网络使用不同的要求包大小各异的协议时，将消息分段为较小的单元。网络层它解决的是网络与网络之间，即网际的通信问题，而不是同一网段内部的事。网络层的主要功能即是提供路由，即选择到达目标主机的最佳路径，并沿该路径传送数据包。除此之外，网络层还要能够消除网络拥挤，具有流量控制和拥挤控制的能力。数据链路层构造帧。每一帧均以特定的方式格式化，使得数据传输可以同步以将数据可靠地在结点间传送。这一层将格式化数据，以便作为帧编码为传输结点发送的电子信号，由接收结点解码，并检验错误。包含着由地址和控制信息组成的域，物理层在物理媒体上传输原始的数据比特流。在物理层，传输的双方应该有一致同意的约定，如：媒体信道上有多少条线，相应的插头和插座的机械形状和大小，插针的个数和排列、什么电信号（如多少伏电压）代表“1”和什么电信号代表“0”，1比特的持续时间是多长，每个插针或每条线传输的是什么信号（如电源或数据或控制等）和它们之间应按什么顺序升起或落下，最初的连接如何建立，传输完成后连接又如何终止等等。3.3.2OSI参考模型节点间的数据流3.4TCP/IP参考模型3.4.1TCP/IP参考模型概述TCP/IP名称传输控制协议/互联网络协议OSI参考模型研究的初衷是希望为网络体系结构与协议的发展提供一种国际标准，但由于Internet在全世界的飞速发展，使得TCP/IP协议得到了广泛的应用，虽然TCP/IP不是ISO标准，但广泛的使用也使TCP/IP成为一种“实际上的标准”，并形成了TCP/IP参考模型。TCP/IP在不断发展的过程中也吸收了OSI标准中的许多概念及特征。

TCP协议的特点：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。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设备在网中都具有唯一的地址。

TCP/IP参考模型分层3.4.2TCP/IP协议簇网络接口层网际层负责相邻节点之间通信，数据分组的逻辑（IP）地址寻址与路由。网际协议—IPIP协议向传输层提供一种无连接的，不可靠的服务。这种方式下无法预先确定数据将沿着哪条线路到达目的地。以“无连接”方式来传输数据时，可能会出现数据丢失、重复等现象，其可靠性不高，但优点是灵活方便，可实现线路最大的利用率。网际协议—IPIP最明显的一个功能是能使报文送到特定目的地。连接源和目的地网络中的路由器和交换机使用目的IP地址确定经过网络的最优路径。相似的，IP报文也包括源机器地址。源地址的出现是因为目的机可能会和源机通信。网际协议—IP网际控制报文协议ICMP它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。

我们在网络中经常会使用到ICMP协议，只不过我们觉察不到而已。比如我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令（Linux和Windows中均有），这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。还有其他的网络命令如跟踪路由的Tracert命令也是基于ICMP协议的。地址解析协议ARP在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。

逆向地址解析协议RARP就是将局域网中某个主机的物理地址转换为IP地址，比如局域网中有一台主机只知道物理地址而不知道IP地址，那么可以通过RARP协议发出征求自身IP地址的广播请求，然后由RARP服务器负责回答。

传输层TCP服务提供了数据流传输、可靠性、有效流控制、全双工操作和多路复用技术等。TCP通过面向连接的、端到端的可靠数据报发送。UDP用户数据报协议（UDP）一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP协议基本上是IP协议与上层协议的接口。UDP协议适用端口分辨运行在同一台设备上的多个应用程序。端口、套接字套接字：IP地址、服务类型(TCP\UDP)以及应用程序监控的端口组成IP+端口号应用层使用TCP传输的应用层协议远程登录协议Telnet超文本传输协议Http简单邮件协议SMTP邮件代理协议POP3文件传输协议FTP应用层使用UDP传输的应用层协议简单网络管理协议SNMPTFTPRPC应用层使用TCP和UDP传输的应用层协议DNS3.5TCP/IP协议的基本参数在TCP/IP网络中，每个主机都有唯一的地址，它是通过IP协议来实现的。IP协议要求在每次与TCP/IP网络建立连接时，每台主机都必须为这个连接分配一个唯一的32位地址，因为在这个32位IP地址中，不但可以用来识别某一台主机，而且还隐含着网际间的路径信息。需要强调指出的，这里的主机是指网络上的一个节点，不能简单地理解为一台计算机，实际上IP地址是分配给计算机的网络适配器（即网卡）的，一台计算机可以有多个网络适配器，就可以有多个IP地址，一个网络适配器就是一个节点。IP地址的直观表示法点分十进制标记法将4B的二进制数值转换成4个十进制数值每个十进制数值小于等于2554个十进制数值间用“.”隔开IP地址的结构(1)网络标识ID

网络ID用于辨认子网，同一子网上的所有TCP/IP主机的网络ID都相同。(2)主机ID主机ID用于辨认网络中的每一个主机。

网络类型网络ID主机ID每一个利用TCP/IP通信的主机都需要一个唯一的IP地址，IP地址都被分成网络地址和主机地址两部分，这种寻址策略有些类似街道（网络地址）和门牌号（主机地址）。如下图：IP地址的分类IP地址的类型定义了网络ID使用哪些位，主机ID使用哪些位，同时也定义了每类网络中包含的网络数目和每类网络中可能包含的主机数目。表1表明了各类IP地址的定义及网络ID和主机ID字段的取值范围。下表归纳了A、B、C三类网络的IP地址取值范围。

网络类别、网络ID和主机ID字段的取值范围网

络

类

别IP地址网络ID主机ID网络编号(W)的取值范围主

机

个

数AW.X.Y.ZWX.Y.Z1～126约1700万BW.X.Y.ZW.XY.Z128～19165000CW.X.Y.ZW.X.YZ192～223254

网

络

类

别网络编号(W)的取值范围网

络

个

数主

机

个

数A1.X.Y.Z～126.X.Y.Z126约1700万个B128.X.Y.Z～191.X.Y.Z1638465000C192.X.Y.Z～223.X.Y.Z约200万个254

A、B、C三类网络的特性参数取值范围特殊IP地址的使用本网地址全‘0’广播地址1.直接广播主机向其他网络的所有节点广播信息构成：一个有效的网络号和一个全“1”的主机号举例：55发送直接广播前需要知道目的网络的网络号2.有限广播(1)将广播限制在最小的范围内标准的IP编址：广播将被限制在本网络之中子网编址：广播被限制在本子网之中(2)构成：55(3)发送