第三章网络体系结构

ComputerNetworks

计算机网络第三章网络体系结构2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系2主要内容标准化组织1网络体系结构的基本概念2OSI参考模型3TCP/IP参考模型42023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系33.1标准化组织两个重要的概念“分层”：两个实体要实现通信，要有一条传输数据的通路，其次还要有一些互相遵守的协议。即通信的两个计算机系统必须高度协调才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题转化为比较容易处理和研究的若干较小的局部问题。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系43.1标准化组织两个重要的概念2.“开放”：国际标准化组织ISO于1977年提出开放系统互联参考模型OSI/RM，它为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础。“开放”是指：只要遵循OSI/RM标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的也遵循同一标准的其他任何系统进行通信。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系53.2网络体系结构的基本概念实体：任何能完成某一特定功能的进程或程序都可以称为一个逻辑“实体”。系统：包含一个或多个实体，具有信息处理和通信功能的物理整体。层：是人们对复杂问题处理的基本方法。协议：在系统中两实体间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定的集合。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系63.2网络体系结构的基本概念计算机网络是由多个互联的节点组成，要做到在节点之间有条不紊地交换数据与控制信息。每个节点都必须遵守一些事先约定好地规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和有关的同步等问题。这些为网络数据交换而制定的规则、标准和约定被称为网络协议。计算机网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。网络体系结构规定计算机网络应设置哪几层，每层应提供哪些功能的定义，至于功能如何实现，则不属于网络体系结构部分。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系73.3OSI参考模型

应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI的体系结构好处：各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。层数多少要适当：若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系83.3.1物理层处于最低层，向下直接与物理传输介质相连接，向上相邻且服务于数据链路层，实现设备之间连接的物理接口。主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系9具体的说，这一层的规程都与电路上传输的原始比特有关，它涉及到什么信号代表“1”，什么信号代表“0”；这一个比特持续多少时间；传输是双向的还是单向的；一次通信中发送方和接收方如何应答；设备之间连接件的尺寸和接头数，以及每根连线的用途等。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系10作用：通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。主要功能包括：链路管理。实现对数据链路层连接的建立、维持和释放。帧同步。在数据链路层，数据的传送单位是帧。提供数据的流量控制检测和校正物理链路产生的差错。区分数据和控制信息透明传输寻址介质访问控制（MAC）

逻辑链路控制（LLC）

数据链路层数据链路层2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系11MAC子层是数据链路层底部的一个子层，它确定网络的逻辑拓扑是总线型还是环型，这一子层定义了数据帧传输协议，包括竞争、令牌传递、轮询等方式。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系12数据链路层像个数字管道常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。结点结点帧帧2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系13数据链路层的简单模型局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网主机

H1

向

H2

发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系14作用：实现网络上任一节点的数据准确、无差错地传输到其他节点。数据链路层协议是相邻两直接连接结点间的通信协议，它不能解决数据经过通信子网中多个转接点的通信问题，设置网络层的目的就是要为报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的主机提供服务，而网络用户不必关心网络的拓扑结构与所用的通信介质。主要动能包括：为传输层提供服务支持网络连接的实现提供路径选择和中继流量控制网络连接的建立和管理

网络层2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系15网络层提供的服务面向连接服务(connection-oriented)（数据报服务）面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。无连接服务(connectionless)（虚电路服务）两个实体之间的通信不需要先建立好连接。是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(besteffortdelivery)或“尽力而为”。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系16

传输层的主要功能

传输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。传输层还要对收到的报文进行差错检测。传输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的TCP和无连接的UDP。

2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系17会话层的功能作用：当两个应用进程进行相互通信时，希望有个作为第三者的进程能组织它们的通话，协调它们之间的数据流，会话层就是为了达到这个目的。主要功能：在两个进程之间建立、组织和协调其交互，提供会话活动管理、交互管理和会话同步管理等功能，以达到协调会话过程，为表示层实体提供更好的服务目的。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系18表示层的功能作用：主要解决两个通信系统中交换信息的表示方法差异问题。主要功能：提供语法转换功能，数据加密和解密、压缩与还原等功能。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系19应用层的功能应用层是最终用户通过应用程序访问网络服务的地方，是用户和网络的界面，为用户使用网络提供接口或手段。规定应用进程在通信时所遵循的协议。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系20协议和服务服务是各层向上层提供的一组原语（操作）。上层是服务用户，下层是服务提供者。协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系213.4TCP/IP参考模型

TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）即传输控制协议/网际，它源于美国国防部高等计划研究局的ARPANET网，现在已成为Internet互联网的通信协议。Internet在全世界的飞速发展与TCP/IP协议的广泛应用对网络技术的发展影响。TCP/IP成功地解决了不同网络之间难以互联的问题，实现了异构网互联通信。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系22TCP/IP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、互联网中。统一的地址分配方案，每个设备有唯一的地址。标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。在网内用来确认各种独立网络的不是物理地址，而是IP地址。使用多层体系结构，定义了每个协议的责任。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系233.4TCP/IP参考模型

TCP/IP的体系结构应用层主机至网络层网络层IP(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP等)传输层(TCP

或

UDP)2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系243.4TCP/IP参考模型

1.主机至网络层是TCP/IP协议的最低层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它负责网络层与硬件设备间的联系，定义了Internet与各种物理网络之间的网络接口，指出主机必须使用某种协议与网络相连。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系253.4TCP/IP参考模型

2.网络层与OSI网络层相对应，具有更强的网际通信能力。包含有4个重要协议，即IP、ICMP、ARP和RARP。网络层主要解决计算机到计算机间的通信问题，功能包括：（1）负责处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后将分组装入IP数据报，填充报头，选择路径，然后将数据报发往适当的网络接口。（2）检查并转发数据报。（3）处理网络控制报文协议，即处理路径选择、流量控制及拥塞等问题。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系26IP：网络中的主要协议，同时被TCP和UDP使用。ICMP：ICMP是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息协议）的缩写。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。

ICMP协议对于网络安全具有极其重要的意义。ICMP协议本身的特点决定了它非常容易被用于攻击网络上的路由器和主机。向目标主机长时间、连续、大量地发送ICMP数据包，也会最终使系统瘫痪2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系27ARP：地址解析协议（AddressResolutionProtocol，ARP）是在仅知道主机的IP地址时确定其物理地址的一种协议。因IPv4和以太网的广泛应用，其主要用作将IP地址翻译为以太网的MAC地址，2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系28假设:

计算机A的IP为,MAC地址为00-11-22-33-44-01;

计算机B的IP为,MAC地址为00-11-22-33-44-02;

ARP工作原理如下: 在TCP/IP协议中,A给B发送IP包,在包头中需要填写B的IP为目标地址,但这个IP包在以太网上传输的时候,还需要进行一次以太包的封装,在这个以太包中,目标地址就是B的MAC地址. 计算机A是如何得知B的MAC地址的呢？解决问题的关键就在于ARP协议。 在A不知道B的MAC地址的情况下,A就广播一个ARP请求包,请求包中填有B的IP(),以太网中的所有计算机都会接收这个请求,而正常的情况下只有B会给出ARP应答包,包中就填充上了B的MAC地址,并回复给A。 A得到ARP应答后,将B的MAC地址放入本机缓存,便于下次使用。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系29ARP协议并不只在发送了ARP请求才接收ARP应答。当计算机接收到ARP应答数据包的时候，就会对本地的ARP缓存进行更新，将应答中的IP和MAC地址存储在ARP缓存中。因此，当局域网中的某台机器B向A发送一个自己伪造的ARP应答，而如果这个应答是B冒充C伪造来的，即IP地址为C的IP，而MAC地址是伪造的，则当A接收到B伪造的ARP应答后，就会更新本地的ARP缓存，这样在A看来C的IP地址没有变，而它的MAC地址已经不是原来那个了。由于局域网的网络流通不是根据IP地址进行，而是按照MAC地址进行传输。所以，那个伪造出来的MAC地址在A上被改变成一个不存在的MAC地址，这样就会造成网络不通，导致A不能Ping通C！这就是一个简单的ARP欺骗。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系30

物理地址就是在单个网络内部对一个计算机进行寻址时所用的地址。在局域网中，由于物理地址已固化在网卡的ROM中，因此常常将物理地址称为硬件地址或MAC地址。在网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。

MAC地址是用12个十六进制数表示的，前六个标识制造商。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系312023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系32RARP 全称ReverseAddressResolutionProtocol，中文名为逆向地址解析协议，它工作在数据链路层，用于将本地的硬件地址（MAC地址）解析为网络中的协议地址（当前大多是IP地址）。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系333.4TCP/IP参考模型

3.传输层传输层解决的是计算机程序到程序之间的通信问题，即通常说的“端到端”的通信，使源端和目标主机上的对等实体可以进行会话。传输层定义了两个端到端的协议。传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系34TCP与UDPUDP在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到UDP报文后，不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但在某些情况下UDP是一种最有效的工作方式。TCP则提供面向连接的服务。TCP不提供广播或多播服务。由于TCP要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多的开销。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机资源。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系353.4TCP/IP参考模型

4.应用层应用层提供一组常用的应用程序给用户。应用层包含所有高层协议，如：虚拟终端协议TELNET文件传输协议FTP电子邮件协议SMTP域名系统服务DNS超文本传输协议HTTP2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系363.4.2IP协议

IP协议是TCP/IP协议簇的核心之一，是与传输层协议TCP配套使用的一个重要协议。IP协议的基本任务是采用数据报方式，通过互联网传送数据，各个数据报之间互相独立。IP不保证传送的可靠性。在主机资源不足的情况下，它可能丢失某些数据报，同时也不检查可能由于数据链路层出现错误，而造成的数据丢失。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系373.4.3IP地址

IP地址的概念： 所谓IP地址就是给每一个连接在Internet上的主机（包括路由器）分配一个在全世界范围内唯一的32bit地址。IP地址是Internet赖以工作的基础，它可以使主机方便地在Internet上进行寻址。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系38为什么要使用IP地址？屏蔽各种物理网络的地址差异每种物理网络都有各自的技术特点，其物理地址也各不相同统一物理地址的表示方法不现实互联网对各种物理网络地址的“统一”通过IP地址在IP层完成2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系39IP地址的作用指定计算机到互联网的一个连接与互联网有多个物理连接的计算机具有多个IP地址（路由器、多宿主主机等）多个IP地址可以绑定到一条物理连接上2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系40IP地址及其表示方法IP地址采用分层结构，由网络号和主机号两部分组成网络号netid：标识互联网中一个特定网络。主机号hostid：用来标示这个网络上的某一台主机。寻址时先按IP地址中的网络号把网络找到，再按主机号把主机找到。所以IP地址是指出了连接到某个网络上的某个计算机。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系41IP编址方式携带了位置信息1.优点给出IP地址就能知道它位于哪个网络路由简单2.缺点主机在网络间移动，IP地址必须跟随变化2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系42主机在网络间移动2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系43IP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2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系44二进制与十进制的转换进位计数制有3个因素:数字、基数、权数数字：是指在某种进位计数制中使用的计数符号。 如二进制数字为：0、1。基数：是指在某种进位制中用到的数字个数。如二进制基数为2。权数：是指在某种进位制中，基数的若干次幂，表示数字在数据中的位置。如：1997.7=1×103+9×102+9×101+7×100+7×10-1二进制转换成十进制数，是将各位上的数乘以权数后相加。例：111.01=1×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2=7.252023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系45点分十进制标记法举例二进制IP地址用点分十进制表示法表示成 42023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系46IP地址的分类为了对IP地址进行管理，同时考虑到有的网络拥有很多主机，而有的网络的主机则很少，网络的差异很大。IP地址分为5类，A类到E类。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系47IP地址的分类2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系48IP地址分类的优越性既能适应不同的网络规模又具有一定的灵活性常用的A、B、C3类IP地址可以容纳的网络数和主机数2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系49网络地址构成一个有效的网络号和一个全“0”的主机号举例IP地址为4的主机所处的网络为，主机号为442023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系50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)发送有限广播前不需要知道网络号2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系51回送地址1.回送地址：2.作用网络软件测试本地机器进程间通信3.含有网络号127的数据报不可能出现在网络上2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系52私有地址的分配在组建企业内部网时应考虑到将来需要与Internet联网。所以尽量选用由IANA（因特网地址分配管理局）保留的私有地址，以避免与Internet上的IP地址冲突。这些私有地址的范围是：

A类地址：到54

B类地址：到54

C类地址：到542023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系53编址实例2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系54IP分配需注意的问题1.小型网络使用C类地址，中型网络使用B类地址，大型网络使用A类地址2.主机连接到同一网络中所有主机的IP地址共享同一netid3.路由器路由器可以连接多个物理网络每个连接都拥有自己的IP地址每个连接IP地址的netid应与这个网络的netid相同2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系55IPv6现有的互联网是在IPv4协议的基础上运行。IPv6是下一版本的互联网协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将影响互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在2005～2010年间将被分配完毕，而IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球每平方米面积上可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题。IPv6的主要优势体现在以下几方面：扩大地址空间、提高网络的整体吞吐量、改善服务质量(QoS)、安全性有更好的保证、支持即插即用和移动性、更好实现多播功能。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系56子网掩码问题的提出IP地址能适应于不同的网络规模个人电脑普及使小型网络（特别是小型局域网络）越来越多浪费IP地址（即使采用C类地址）子网掩码：克服IP地址浪费2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系57在划分子网时,TCP/IP使用了子网掩码,子网掩码也是一个32位二进制值,其形式与IP地址相同。有两大功能：一是用来区分IP地址中的网络号与主机号；二是将网络分割为多个子网。子网掩码由一系列的“1”和“0”组成。“1”对应于网络号和子网号字段，而“0”对应于主机号字段。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系58

若不进行子网划分，则其子网掩码即为默认值。子网掩码的默认值A类IP地址的默认子网掩码是：B类IP地址的默认子网掩码是：C类IP地址的默认子网掩码是：2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系59子网掩码举例：有一个C类地址3，其缺省的子网掩码为，则它的网络号和主机号可按如下方法得到：（1）将IP地址3转换为二进制11000000000010011100100000001101；（2）将子网掩码转换为二进制11111111111111111111111100000000；（3）将两个二进制数进行逻辑与（AND）运算后得出的即为网络号，即网络号为；（4）将子网掩码取反再与IP地址进行逻辑与（AND）运算后得到的即为主机号，结果为3，即主机号为13；2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系60子网掩码举例：有一IP地址30，其缺省的子网掩码为255.0.0.0，计算其网络号和主机号。网络号：主机号:9.100.1302023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系61通过使用子网地址可以在主机地址空间内划分出一部分地址位作为子网的网络地址，这类子网掩码也称为可变长子网掩码。扩展子网掩码2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系62子网掩码方法1.IP地址具有层次结构：网络号和主机号2.子网掩码方法将IP地址的主机号部分进一步划分成子网部分和主机部分从标准IP地址的主机号部分“借”位并把它们指定为子网号部分在“借”用时必须给主机号部分剩余2位在“借”用时至少要借用2位扩展子网掩码2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系63子网表示法1.子网通过“子网掩码”表示子网掩码采用了32位二进制数值与IP地址的网络号和子网号相对应的位用“1”表示与IP地址的主机号相对应的位用“0”表示2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系64如何判断IP地址的网络号、子网号和主机号？例：求网络地址、子网地址和主机地址 IP地址：30子网掩码：921100000010101000000000101000001011111111111111111111111111000000网络地址：子网地址：2主机地址：2根据子网掩码确定网络地址和子网地址总位数，再根据网络类型确定网络地址和子网地址。2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系65例二：确认其网络地址、子网地址和主机号。网络地址：子网地址：2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系66讨论根据RFC文档的描述，子网地址不能全为0或全为1，所以子网划分时，128和254（作为最后一个字节）是不能用的。

28 542023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系67子网掩码方法举例2023/7/13浙江邮电职业技术学院计算机系68子网地址和子网广播地址1.子网地址以二进制全“0”结尾2.