物联网技术导论 -课件 第9章 计算机网络技术

物联网

技术导论数字经济系列教材第

9

章

计算机网络技术物联网

技术导论019.1计算机网络概述029.2互联网与TCP/IP协议簇目录CONTENTS039.3互联网与物联网的关系9.1计算机网络概述计算机网络概念简单的计算机网络节点链路图例计算机集线器网络计算机网络由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成的集合。节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。9.1计算机网络概述计算机网络概念由网络构成的互连网网络网络网络网络网络网络网络图例计算机集线器路由器网络互连网(internetwork或internet)多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。“网络的网络”(networkofnetworks)。互联网/因特网(Internet)指基于ARPANet发展起来的，以TCP/IP协议族为主要技术特征的，当今世界覆盖范围最大的公用计算机互连网。9.1计算机网络概述最早的Internet，是由美国国防部高级研究计划局（ARPA）建立的。现代计算机网络的许多概念和方法，如分组交换技术都来自ARPAnet。ARPAnet不仅进行了租用线互联的分组交换技术研究，而且做了无线、卫星网的分组交换技术研究-其结果导致了TCP/IP问世。1977-1979年，ARPAnet推出了目前形式的TCP/IP体系结构和协议。1980年前后ARPAnet上的所有计算机开始了TCP/IP协议的转换工作，并以ARPAnet为主干网建立了初期的Internet。1983年，ARPAnet的全部计算机完成了向TCP/IP的转换，并在UNIX（BSD4.1）上实现了TCP/IP。ARPAnet在技术上最大的贡献就是TCP/IP协议的开发和应用。2个著名的科学教育网CSNET和BITNET先后建立。1984年，美国国家科学基金会NSF规划建立了13个国家超级计算中心及国家教育科技网。随后替代了ARPAnet的骨干地位。1988年Internet开始对外开放。1991年6月，在连通Internet的计算机中，商业用户首次超过了学术界用户，这是Internet发展史上的一个里程碑，从此Internet成长速度一发不可收拾。计算机网络发展概要9.1计算机网络概述1.

以数据通信为主的第一代计算机网络1954年，美国军方的半自动地面防空系统将远距离的雷达和测控仪器所探测到的信号，通过通信线路汇集到某个基地的一台IBM计算机上进行集中的信息处理，再将处理好的数据通过通信线路送回到各自的终端设备。这种以单个计算机为中心、面向终端设备的网络结构，严格来讲，是一种联机系统，只是计算机网络的雏形，我们一般称之为第一代计算机网络。2.

以资源共享为主的第二代计算机网络美国国防部高级研究计划局(ARPA)于1968年主持研制，次年将分散在不同地区的4台计算机连接起来，建成了ARPA网。ARPA网的建成标志着计算机网络的发展进入了第二代，它也是Internet的前身第二代计算机网络是以分组交换网为中心的计算机网络，它与第一代计算机网络的区别在于：网络中通信双方都是具有自主处理能力的计算机，而不是终端机；计算机网络功能以资源共享为主，而不是以数据通信为主。计算机网络发展历程9.1计算机网络概述3.体系标准化的第三代计算机网络随着社会的发展,需要各种不同体系结构的网络进行互联，但是由于不同体系的网络很难互联，因此，国际标准化组织(ISO)在1977年设立了一个分委员会，专门研究网络通信的体系结构。1983年，该委员会提出的开放系统互连参考模型(OSI)各层的协议被批准为国际标准，给网络的发展提供了一个可共同遵守的规则，从此计算机网络的发展走上了标准化的道路，因此我们把体系结构标准化的计算机网络称为第三代计算机网络。1983年TCP/IP协议成为ARPAnet上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互连网相互通信，因而人们就把1983年作为互联网的诞生时间。1990年ARPAnet正式宣布关闭，因为它的实验任务已经完成。4.以Internet为核心的第四代计算机网络进入20世纪90年代,Internet的建立将分散在世界各地的计算机和各种网络连接起来，形成了覆盖世界的大网络。随着信息高速公路计划的提出和实施，Internet迅猛发展起来,它将当今世界带入了以网络为核心的信息时代。目前这阶段计算机网络发展特点呈现为:高速互连、智能与更广泛的应用。计算机网络发展历程9.2互联网与TCP/IP协议族计算机网络发展历程从1993年开始至今，Internet逐渐形成了多层互联网服务提供者（ISP）的结构。在许多情况下，互联网服务提供者ISP（InternetServiceProvider）就是一个进行商业活动的公司，因此ISP又常译为互联网服务提供商。例如，中国电信、中国联通和中国移动等公司都是我国最有名的ISP。通信举例：主机A→本地ISP→地区ISP→主干ISP→地区ISP→本地ISP→主机B

大公司公司本地

ISPAB本地

ISP主干ISP本地

ISP本地

ISP主干ISP主干ISP

本地

ISP本地

ISP

本地

ISP

内容提供者IXP校园网校园网地区

ISP地区

ISP地区

ISP地区

ISPIXP9.1计算机网络概述我们把计算机网络的各层及协议集合，成为网络的体系结构。换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。国际标准化组织ISO于1981年正式推荐了一个网络系统结构七层参考模型，叫做开放系统互连模型(OpenSystemInterconnection，OSI)，该模型包括物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层7个层次。计算机网络的体系结构应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI的七层协议体系结构TCP/IP的四层协议体系结构(a)(b)(c)五层协议的体系结构4应用层1网络接口层2网际层IP(各种应用层协议，如DNS,HTTP,SMTP等)3运输层(TCP或UDP)（这一层并没有具体内容）运输层网络层应用层数据链路层物理层543219.1计算机网络概述计算机网络的体系结构应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI的七层协议体系结构TCP/IP的四层协议体系结构(a)(b)(c)五层协议的体系结构4应用层1网络接口层2网际层IP(各种应用层协议，如DNS,HTTP,SMTP等)3运输层(TCP或UDP)（这一层并没有具体内容）运输层网络层应用层数据链路层物理层54321由于OSI体系结构过于复杂，一般使用包含物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层的五层协议体系结构来描述计算机网络。在实际应用中，TCP/IP的四层体系结构得到广泛应用。每一层都是为了完成一种功能，为了完成这些功能，需要遵循一些规则，这些规则就是协议，每一层都定义了一些协议。9.1计算机网络概述名称功能应用层应用层是体系机构的最高层，应用层直接为用户提供进程服务。这里的进程值得就是正在运行的程序。应用程序收到“传输层”的数据，接下来就要进行解读。运输层运输层的任务就是负责两个主机进程之间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用进程可同时使用运输层的服务，分用是运输层把收到的信息分别交付给上面的应用层的相应进程。网络层网络层负责为分组交换网上的不同主机提供服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。网络层的另一个任务就是选择合适的路由，是源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目标主机。数据链路层两个主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，两个相邻节点（主机和路由器之间或两个路由器之间）传送数据是直接传送的（点对点）。连个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层传下来的IP数据报组转成帧（framing），在连个相邻节点透明的传送帧（frame）中的数据。每帧中包含必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。物理层在物理层上传输的数据单位是比特，物理层的任务就是透明的传输比特流。物理层要考虑的是多大的电流代表“1”或“0”，以及接收方如何识别发送方所发送的比特。传递信息的物理媒体，并不在物理层协议之内。计算机网络的体系结构9.1计算机网络概述数据在各层之间的传递过程计算机网络的体系结构主机154321AP1主机2路由器3212154321AP2物理传输媒体物理传输媒体物理传输媒体数据H5数据H5数据H4H4H5数据H3H3H4H5数据H2T210100比特流110100H2T2H3H4H5数据10101比特流110111H4H5数据H3H5数据H4H5数据数据9.2互联网与TCP/IP协议族IP是互联网的核心协议。现在使用的IP（即IPv4）是在20世纪70年代末期设计的。互联网经过几十年的飞速发展，到2011年2月，IPv4的地址已经耗尽，ISP已经不能再申请到新的IP地址块了。我国在2014年至2015年也逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址，同时全面开始商用部署IPv6。IPv4协议地址IPv4使用32位（4字节）地址，因此地址空间中只有4,294,967,296个地址。且有特殊用途的专用地址存在。随着地址不断被分配给最终用户，IPv4地址枯竭问题也在随之产生。基于分类网络、无类别域间路由和网络地址转换的地址结构重构显著地减少了地址枯竭的速度。地址格式IPv4地址可被写作任何表示一个32位整数值的形式，但为了方便人类阅读和分析，它通常被写作点分十进制的形式，即四个字节被分开用十进制写出，中间用点分隔。分配这个系统定义了五个类别：A、B、C、D和E。A、B和C类有不同的网络类别长度，剩余的部分被用来识别网络内的主机，这就意味着每个网络类别有着不同的给主机编址的能力。D类被用于多播地址，E类被留作将来使用。1993年，无类别域间路由（CIDR）正式地取代了分类网络，后者也因此被称为“有类别”的。CIDR被设计为可以重新划分地址空间，因此小的或大的地址块均可以分配给用户。CIDR创建的分层架构由互联网号码分配局（IANA）和区域互联网注册管理机构（RIR）进行管理，每个RIR均维护着一个公共的WHOIS数据库，以此提供IP地址分配的详情。IPv4与IPv6协议9.2互联网与TCP/IP协议族IPv4与IPv6协议10000000000010110000001100011111IPv4地址：32位二进制代码10000000000010110000001100011111

分为每8位为一组采用点分十进制记法112811331将每8位的二进制数转换为十进制数网络类别最大可指派的网络数第一个可指派的网络号最后一个可指派的网络号每个网络中最大主机数A126(27–2)112616777214（224-2）B16383(214–1)128.1191.25565534（216-2）C2097151(221

–1)192.0.1223.255.255254（28-2）分类的IPv4地址中的A、B、C类地址分布9.2互联网与TCP/IP协议族IPv4与IPv6协议私有IPv4地址绝大多数的IP地址都是公有地址，需要向国际互联网信息中心申请注册。但是在IPv4地址协议中预留了3个IP地址段，作为私有地址，供组织机构内部使用。这三个地址段分别位于A、B、C三类IP地址内：A类地址：--55，以为例B类地址：--55，以为例C类地址：--55，以为例。9.2互联网与TCP/IP协议族由于IPv4最大的问题在于网络地址资源不足，严重制约了互联网的应用和发展。IPv6的使用，不仅能解决网络地址资源数量的问题，而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。IPv4与IPv6协议各国IPv4地址总数9.2互联网与TCP/IP协议族IPv4与IPv6协议IPv6地址表示方法IPv6的地址长度为128位，是IPv4地址长度的4倍。于是IPv4点分十进制格式不再适用，采用十六进制表示。IPv6地址分为8组，每组为4个十六进制数的形式，每组十六进制数间用冒号分隔。例如：FC00:0000:130F:0000:0000:09C0:876A:130B。地址类型一般来讲，一个IPv6数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：单播（unicast）：单播就是传统的点对点通信。多播（multicast）：多播是一点对多点的通信，数据报发送到一组计算机中的每一个。IPv6没有采用广播的术语，而是将广播看作多播的一个特例。任播（anycast）：这是IPv6增加的一种类型。任播的终点是一组计算机，但数据报只交付其中的一个，通常是距离最近的一个。9.2互联网与TCP/IP协议族TCP与UDP协议TCP协议传输控制协议（TCP，TransmissionControlProtocol）是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。9.2互联网与TCP/IP协议族TCP与UDP协议TCP协议的3次握手在建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立，就是建立TCP连接的三次握手（Three-WayHandshake）。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发。9.2互联网与TCP/IP协议族TCP与UDP协议UDP协议UDP是UserDatagramProtocol的简称，中文名是用户数据报协议，是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，IETFRFC768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包，但UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点；也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。许多应用只支持UDP，如：多媒体数据流，不产生任何额外的数据，即使知道有破坏的包也不进行重发。当强调传输性能而不是传输的完整性时，如：音频和多媒体应用，UDP是最好的选择。在数据传输时间很短，以至于此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，UDP也是一个好的选择。9.2互联网与TCP/IP协议族TCP与UDP协议TCP与UDP的区别TCP和UDP是负责提供端到端通信的传输层协议，它们的主要区别是：1.TCP是面向连接的协议，而UDP是无连接协议。2.TCP要求系统资源较多，UDP较少；3.UDP程序结构较简单4.流模式（TCP）与数据报模式(UDP);5.TCP保证数据正确性，UDP可能丢包6.TCP保证数据顺序，UDP不保证9.2互联网与TCP/IP协议族路由器与交换机路由器路由器又可