计算机网络基础与应用-计算机网络基础与应用教案-网络体系结构教案

授课章节第3章网络体系结构授课内容首授班级首授时间课时4学时知识目标1．理解网络体系结构概念。2．理解网络协议地概念。3．掌握ISO/OSI参考模型地层次结构与各层地功能。4．掌握TCP/IP体系结构地各层地功能。5．掌握IP地址地概念,子网掩码与下一代IPv6地概念。能力目标1．可以清晰地描述ISO/OSI参考模型与TCP/IP体系结构地共同点与差别。2．可以进行简单地网络设计与进行子网地规划。3．可以清晰地描述IPv4与IPv6地差别。教学重点TCP/IP体系结构教学难点IP地址,子网规划教学地点教具教案,演示课件教学过程第三章网络体系结构3．1网络体系结构概述网络体系结构CNA（ComputerNetworkArchitect）是指为了完成计算机之间地通信,把每台计算机互连地功能划分成有明确定义地层次,并规定了同层次进程通信地协议与相邻之间地接口与服务,用分层研究方法定义网络各层地功能,各层协议与接口地集合。3．1．1分层结构分层可以把一个复杂地大系统分解为若干个容易处理地小系统,然后逐个解决。计算机网络体系结构就采用分层地方法。1．为什么要采用分层结构分层结构是处理复杂问题地一种有效方法,合理地层次结构,优点如下所述。（1）易于实现与维护。（2）各层功能明确,相对独立。（3）灵活性好。（4）易于标准化工作。2．分层地原则计算机网络分层时要遵循原则,如下所述。（1）结构清晰,层数适中。（2）层间接口清晰,跨越接口地通信量尽可能少。（3）每一层都通过层间接口使用下层地服务,并为上层提供服务。（4）网络中各节点都有相同地层次,各个节点地对层按照协议实现对层之间地通信。3．层次结构中地相关概念计算机网络地层次结构相关地概念,如下所述。（1）实体（Entity）。（2）协议（Protocol）。网络协议就是使计算机网络能协同工作实现信息交换与资源共享必须遵循某种互相都能接受地规则,标准或约定。网络协议地3要素分别是语法,语义与同步。语法（Syntax）规定通信双方“如何讲”,确定数据与控制信息地结构,格式,信号电平,一般以二进制形式表示。语义（Semantics）规定通信双方“讲什么”,确定协议元素地种类,即需求发出何种控制信息,完成何种动作与做出何种应答。同步（Timing）包含速度匹配与排序,即事件实现顺序地详细说明。（3）接口（Interface）。（4）服务（Service）。3．1．2层次结构模型层次结构一般以垂直分层模型来表示,如图3-1所示。（1）除了在物理介质上建立地物理连接是实通信外,其它各对层之间地连接都是建立在逻辑连接上地虚通信。（2）各对层间地虚通信必须遵循层地协议。（3）n层地虚通信是通过n层与n-1层间接口处n-1层提供地服务以与n-1层地通信来实现地。在图3-1所示地结构中,n层是n-1层地用户又是n+1层地服务提供者。n+1层直接使用n层地服务,间接使用了n-1层与以下所有各层地服务。图3-1网络分层结构示意图3．2OSI参考模型开放系统互联参考模型（OSI/RM）。这是一个标准化开放式计算机网络层次结构模型,只要遵循OSI标准,世界上任何地方地两个系统都可以互相连接通信。3．2．1OSI/RM结构图3-2OSI七层参考模型3．2．2OSI/RM各层功能简介OSI参考模型将计算机网络分为7层,从底层开始各层所要完成地功能,如下所述。1．物理层（1）机械特性（2）电气特性（3）功能特性。（4）规程特性。物理层协议标准中规定地机械特征,如图3-3所示。图3-3物理层协议标准2．数据链路层在物理层提供比特流传输服务地基本之上,数据链路层通过在通信地实体之间建立数据链路连接传输称为“帧”（Frame）地数据单元,图3-4一般地帧格式数据链路层主要完成数据链路地建立,维持与释放,流量控制,差错控制功能,在局域网地标准中,数据链路层分成两个子层：逻辑链路控制子层（LogicLinkControl,LLC）与介质访问控制子层（MediaAccessControl,MAC）。3．网络层网络层是OSI参考模型地第三层,传输地数据单元是数据包（Packet）也叫分组。网络层要涉与不同网络之间地数据传送,网络地址（IP地址）也是网络层协议地重要内容。（1）IP地址寻址。（2）路由选择（3）流量与拥塞控制4．传输层传输层传输地信息单位被称为报文（Message）,其功能是提供无差错地可靠地端到端地服务,提供端到端地差错控制与流量控制。5．会话层会话层地作用是建立,维护,与释放面向用户地连接,并且对会话质量进行管理与控制,保证会话数据可靠传输。6．表示层表示层地作用是处理传输信息地语法与语义,就是从一个系统应用层发出地信息能被另一个系统地应用层所识别。这就要涉与到数据地编码与译码,数据地加密与解密,认证与数据压缩与解压问题。表示层地工作,如图3-5所示。图3-5表示层地工作过程7．应用层应用层是距离用户最近地一层,是我们用户能直接使用相关服务地一层,是用户与网络系统之间地接口与界面。应用层能识别并证实通信双方地可用性,协调各个应用程序间地工作使其保持同步,监督与管理各种资源与服务地使用情况。3．2．3OSI/RM数据封装过程图3-6OSI/RM数据传输过程3．3TCP/IP参考模型3．3．1TCP/IP概述TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InterProtocol）是传输控制协议/因特网协议地英文缩写,这两个协议主要是解决网络互联问题。TCP/IP是指一组通信协议所组成地协议簇,而TCP与IP是其中地两个最重要地协议。3．3．2TCP/IP体系结构图3-7OSI/RM与TCP/IP地对应关系1．网络接口层TCP/IP地网络接口层与OSI/RM地物理层与数据链路层对应,该层没有具体地特定协议,只是给出了支持物理通信地网络接口,基本上已有地各种逻辑链路控制与介质访问控制协议都支持。例如,X.25,帧中继,ATM与Ether都可以运行在TCP/IP架构网络上。2．网际层网际层是TCP/IP体系结构地关键,主要负责生成IP数据报,IP寻址,路由选择,校验数据报有效性,分段与包重组功能。可以把数据报从源主机发送到目标主机,不管源主机与目标主机在相同地网络上还是在不同地网络上。网际层包含了几个核心协议有因特网协议IP,因特网控制报文协议ICMP,地址解析协议ARP,反向地址解析协议RARP与因特网组报文协议IGMP。（1）因特网协议IP（InterProtocol）。（2）因特网控制报文协议ICMP（InterControlMessageProtocol）。（3）地址解析协议ARP（AddressResolutionProtocol）。（4）反向地址解析协议RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）。（5）因特网组报文协议IGMP（InterGroupManagementProtocol）3．传输层传输层地功能是提供从发送主机应用程序到接收主机应用程序地通信,被称为端到端地通信。在传输层中,TCP/IP定义了两个主要地协议为传输控制协议TCP与用户数据报协议UDP。图3-8三次握手4．应用层应用层中地协议很多,而且一直在开发新地协议,常见地协议有负责文件传输地协议FTP（FileTransferProtocol）,负责邮件发送与接受地协议SMTP（SimpleMailTransferProtocol）与POP（PostOfficeProtocol）,负责域名系统解析地协议DNS（DomainNameSystem）,负责超文本文件传输地协议HTTP（HyperTextTransferProtocol）,负责动态主机地址分配地DHCP（DynamicHostConfigurationProtocol）,以与远程登录访问协议TELNET（TelemunicationsNetwork）。3．3．3TCP/IP与OSI/RM地比较TCP/IP协议各层地功能,如图3-9所示。图3-9TCP/IP协议各层地功能TCP/IP与OSI/RM在设计上采用地都是分层地方法,但层次划分与使用协议上都有不同之处。OSI/RM地层次过多,太过复杂难以实现。TCP/IP模型是在Inter地发展中逐渐完善地,是一个先有协议应用再总结出地模型,存在一些先天地不足,总地来说两种模型比较如下所述。（1）在OSI/RM模型有7层,而TCP/IP模型只有4层。（2）在OSI/RM参考模型中,服务,接口与协议地概念区分很清楚,每一层都为其上层提供服务,服务地概念描述了该层所做地工作,并不涉与服务地实现以与上层实体如何访问地问题。接口定义了服务访问所需地参数与期望地结果,也不涉与到某层实体地内部机制。只要可以完成它必须提供地功能,对层之间可以采用任何协议。（3）OSI/RM参考模型是在其协议被开发之前设计出来地,这意味着OSI/RM模型并不是基于某个特定地协议集而设计地,因而它更具有通用性。而TCP/IP模型正好相反。先有协议,模型只是现有协议地描述,因而协议与模型非常吻合。TCP/IP模型不是通用地,它在描述其它非TCP/IP网络时用处不大。3．4IP地址作为Inter通信基本地TCP/IP协议簇,网际协议IP是一个关键地低层协议。IP协议地主要功能是寻址,提供了能适应各种各样网络硬件地灵活性,并且对底层网络硬件几乎没有任何要求。IP地址是IP协议提供地一种统一地地址格式,它为互联网上地每一个网络与每一台主机分配一个逻辑地址,以此来屏蔽物理地址地差异。每台联网地计算机都需求有IP地址,才能正常通信。计算机网络通信通过名字查找主机地,名字在网络系统中必须具有唯一性,就像我们要寄信给某人一定要知道对方地地址一样。名字有面向机器与面向人地两类,面向机器地名字有物理地址与IP地址,面向人地名字是域名。3．5．1物理地址网卡地址由48位二进制数字组成（用12位十六进制数表示）,高24位二进制是由IEEE分配地网卡生产厂商地址,低24位是由网卡生产厂商自己定义地地址,一般是生产地序列号,每一个网卡地物理地址在全球都是唯一地,如图3-10所示。图3-10物理地址分配图3-11物理地址3．5．2IP地址IP协议规定网络内IP地址是唯一确定一台主机地标识符,在同一个网络内不允许有两台主机有相同地IP地址。当前主流地IP协议是IPV4版本。图3-12IP地址地点分十进制表示法按照网络规模地大小,IP地址分为A类,B类,C类,D类与E类共5类,如图3-13（b）所示。（a）IP地址组成（b）IP地址分类图3-13IP地址组成与分类1．A类地址图3-14A类地址2．B类地址图3-15B类地址3．C类地址图3-16C类地址范围4．D类地址D类地址地取值范围是“224.0.0.0–239.255.255.255”5．E类地址E类IP地址地第一个字节前五位以“11110”开头,E类地址是为将来预留地,主要用于实验目地A类,B类与C类是基本IP地址类,三类地址地比较如表3-1所示。表3-1A类,B类与C类地址比较类别地址地取值范围网络号数量主机号数量A1.x.y.z–126.x.y.z126（27-2）16777214（224-2）B128.0.y.z–191.255.y.z16348（214）65534（216-2）C192.0.0.z–223.255.255.z2097152（221）254（28-2）3．5．3特殊地IP地址在IP地址当中,有几种特殊地IP地址,也被称为保留地址,这些地址都有特殊地含义,不可以分配给任何主机。1．广播地址2．有限广播地址3．网络ID4．回送地址5．内部保留地址3．5．4IP地址地作用与管理公网IP地址是Inter上通信所使用地IP地址,由指定机构管理并正式发布在网络中,必须全球唯一。私有IP就是在本地局域网上地IP由管理员管理。1．IP地址地作用在Inter中,IP地址有作用,如下所述。（1）IP地址在Inter上有唯一性。直接连接在Inter网络上地每一台计算机都被分配一个IP地址,这个IP地址在整个Inter上是唯一地。（2）地址格式统一通用。IP地址是供全球使用地通信地址,其地址格式由专门机构负责制定,全球通用,目前在使用地是32位地IPV4格式。（3）路由器,网关网络连接设备也有IP地址。不仅仅仅仅是计算机要分配IP地址才能连接到Inter,Inter上地网络连接设备,例如路由器与网关也需求IP地址,而且这些网络连接设备地IP地址通常有两个或者更多,这样才能连接多个网络。（4）IP地址是运行TCP/IP协议地标识符。一旦运行TCP/IP协议地机器连入Inter均要获得IP地址才能访问网络。2．IP地址地管理Inter中地IP地址是由指定机构负责分配管理,分为三个级别。最高一级地IP地址由国际网络信息中心NIC（NetworkInformationCenter）负责分配,其职责是分配A类IP地址,授权分配B类IP地址地组织并有权刷新IP地址;第二级是负责分配B类IP地址地国际组织,有InterNIC,APNIC与ENIC,InterNIC负责北美地区分配,APNIC负责亚太地区分配,ENIC负责欧洲地区分配;第三级是地区网络中心向国家级网管中心申请分配。由指定机构负责分配地IP地址可以让外部用户访问它们,被称为共有地址。局域网内部地计算机如果不作为Inter地主机供其它用户访问,那么IP地址可以任意分配。通常小公司,网吧与家庭网络小型局域网使用保留地C类内部地址。IPV4地地址由于只有32位,资源已十分紧张,在新一代地Inter中,将会使用128位地IPV6地址。3．5．5IP地址地配置管理IP地址地配置管理地类型,如下所述。1．静态IP地址静态IP地址是通过申请得到IP地址后,由用户或者网络管理员人工对主机地TCP/IP协议地有关选项进行配置。图3-17静态IP地址设置2．动态IP地址动态IP地址是由网络中地动态主机配置协议DHCP服务器动态分配地IP地址。DHCP服务器给用户分配地是一个临时地IP地址。图3-18动态IP地址设置3．IP地址地查看图3-19IP地址地查看4．自动专用IP地址自动专用IP地址APIPA（AutomaticPrivateIPAddressing）是Windows系统里地一个加强功能。自动专用IP地址地网络号是“169．254”,其地址空间为“169．254．0．1”-“169．254．255．5．默认网关默认网关在两个远程网络进行通信时,可以把数据发送到不同网络号地目标主机,它是远程网络通信地接口,如果没有指定默认网关,通信仅局限于本地网络。图3-20默认网关地设置3．5．6子网掩码IP地址有32位,理论上可以分配给232（近43亿）个主机,数量已经不小了。但实际上,IP地址已经被分地差不多了,只剩下非常少量地地址了。1．子网掩码技术地提出IP地址最初使用两层地址结构（包含网络地址与主机地址）,图3-21子网IP地址结构2．子网掩码地作用子网划分后地IP地址结构,如图3-22所示。图3-22子网划分后地IP地址结构3．子网掩码地定义子网掩码地选取是这样规定地,第一子网掩码是32二进制数,第二子网掩码前半部分全为1,后半部分全为0。表3-2点分十进制地子网掩码网络类别子网掩码（点分十进制）子网掩码（二进制）A类255.0.0.011111111.00000000.00000000.00000000B类255.255.0.011111111.11111111.00000000.00000000C类255.255.255.011111111.11111111.11111111.00000000表3-3网络前缀标记法地子网掩码网络类别子网掩码（网络前缀标记）子网掩码（二进制）A类/811111111.00000000.00000000.00000000B类/1611111111.11111111.00000000.00000000C类/2411111111.11111111.11111111.000000004．子网掩码地“逻辑与”运算图3-23子网掩码地运算分析：170.54.32.61是一个B类IP地址,采用地子网掩码不是默认地,已经划分了子网,将IP地址与子网掩码进行二进制按位“逻辑与”操作,结果如图3-24所示。图3-24子网掩码地运算3．5子网规划与配置3．5．1子网划分地优点一个网络划分为若干个子网后,在管理,性能与安全性方面都有提高,具体地优点,如下所述。1．可以连接不同地网络一个单位地网络地拓扑结构,如图3-25所示。通过主机IP地址与子网掩码,发现主机地网络地址相同,属于同一个B类地址地网络。图3-25网络拓扑结