chap03 计算机网络体系结构

第3章计算机网络体系结构1计算机网络体系结构计算机网络体系结构是计算机之间相互通信的层次以及各层中的协议和层次之间接口的集合。世界上第一个网络体系结构：SNA（SystemNetworkArchitecture）2网络协议网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。网络协议的三要素是语法、语义、时序。语法：指数据与控制信息的结构、编码及信号电平等。语义：指对构成协议的协议元素含义的解释。时序：也称为同步，规定了事件的执行顺序。3OSI参考模型开放系统互联（OpenSystemInterconnection，OSI）参考模型·应用层：OSI参考模型中的最高层，用于为应用程序提供服务。·表示层：提供各种应用层数据的编码和转换功能，确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别，主要包括数据格式变换、数据的加密与解密、数据压缩与恢复等功能4OSI参考模型·会话层：负责通信中两个节点之间的会话连接的建立、维护和断开，以及数据的交换。·传输层：为用户提供端到端的服务，处理报文错误、报文次序错误等传输问题。5OSI参考模型·网络层：为网络上的不同主机提供通信服务，包括路由选择、拥塞控制、网络互连等功能。数据链路层：在物理层提供服务的基础上，在通信的实体间建立数据链路连接，传输以帧为单位的数据包，并为网络层提供差错控制和流量控制服务。6OSI参考模型·物理层：利用传输介质为通信的网络节点之间建立、维护和释放物理连接，实现比特流的透明传输，进而为数据链路层提供数据传输服务。7传输介质计算机1AP1计算机25432176AP15432176应用程序数据H7应用程序数据H6H7应用程序数据H5H6H7应用程序数据H5H6H7应用程序数据H4H5H6H7应用程序数据H4H3H5H6H7应用程序数据H4H3H2H5H6H7应用程序数据H4H3H2H1应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层OSI参考模型数据传输过程8TCP/IP协议TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，传输控制协议/网际协议）指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。9TCP/IP与OSI参考模型的对应层次关系10TCP/IP协议1．应用层应用层功能是定义数据格式并按照对应的格式解读数据。应用层的主要协议有：Telnet（远程登录协议）FTP（文件传输协议）SMTP（简单邮件传输协议）SNMP（简单网络管理协议）HTTP（超文本传输协议）DNS（域名解析协议）。11TCP/IP协议2．传输层传输层的主要功能是定义端口，标识应用程序身份，实现端到端的通信。传输层的主要协议有TCP和UDP（UserDatagramProtocol，用户数据报协议）。（1）TCP协议。TCP是一种可靠的面向连接的协议，能够提供可靠的数据传输，主要任务是进行数据分组、确认收到的分组、设置超时时间等。12TCP/IP协议2．传输层UDP协议是一种不可靠的无连接协议，负责把数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，不进行差错检验，不能保证数据一定被送达目的主机。13TCP/IP协议3．网络层网络层的主要功能是定义网络地址、区分网段、MAC寻址、对不同子网的数据包进行路由。网络层的主要协议有IP、ICMP和IGMP。（1）IP协议。是一个无连接的协议，任务是为每个网卡分配一个IP地址，将数据包从一个网络转发到另一个网络。14TCP/IP协议（2）ICMP即网际控制报文协议（InternetControlMessageProtocal），任务是为IP协议提供差错报告，如网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。（3）IGMP即网际组管理协议（InternetGroupManagementProtocol），负责把UDP数据包多播到多台主机。15TCP/IP协议4．链路层链路层主要功能是对电信号进行分组并形成具有特定意义的数据帧，然后以广播的形式通过物理介质发送给接收端。链路层主要协议有ARP、RARP。ARP（AddressResolutionProtocol，地址解析协议）协议是根据IP获取对应的MAC地址。RARP（ReverseAddressResolutionProtocol，反向地址解析协议）协议是根据MAC地址获取对应的IP。16TCP/IP数据封装过程注意：在网络层可以看到IP地址，在链路层只能看到MAC地址而看不到IP地址。17TCP/IP数据封装过程数据包在不同的协议层有不同的称谓：在传输层叫报文或者段（segment）在网络层叫数据报（datagram）在链路层叫帧（frame）18IP地址表示方法IPv4（InternetProtocolversion4）即网际协议版本4，IP称为逻辑地址。IPv4采用32位二进制数表示，即用4个字节表示，常用点分十进制记法表示，例如IPv4地址10000000000010110000001100011111用点分十进制表示为1。19MAC地址MAC地址（MediaAccessControlAddress，媒体访问控制地址）也叫物理地址（PhysicalAddress）或硬件地址，用于在网络中唯一标识一个网卡，一台设备如果有一个或多个网卡，则每个网卡都需要有一个唯一的MAC地址。MAC地址的长度为48位（6个字节），通常表示为12个16进制数，如00-16-EA-AE-3C-40就是一个MAC地址，MAC地址全球具有唯一性。20查看IP地址和MAC地址的方法在命令行提示符下运行ipconfig/all21MAC帧发送过程IP地址是按照区域划分的，数据链路传送的是MAC帧，由MAC地址完成下层的实际转发。到路由节点后，会从MAC帧中解析出IP数据包，获取到IP地址，来判断目的IP是属于哪个区域的，再找到目的IP对应的MAC地址，然后再将MAC地址重新封装到新的MAC帧。发送过程中源和目的IP地址不变，变化的是源和目的MAC地址。22TCP/IP数据封装过程【例3-1】网络站点A发送数据包给B，在数据包经过路由器转发的过程中，封装在数据包1中的目的IP地址和目的MAC地址分别是什么？封装在数据包1中的目的IP地址为70目的MAC地址为00d0.63c3.3c41

23IPv4数据报结构24IPv4数据报结构版本：占4位，IPv4对应的是0100。首部长度：占4位，对应的十进制数值×4即为IP首部字节数。4位可表示的最大数值是15，因此IP首部的最大长度为15×4=60字节。服务类型：占8位，一直没用。25IPv4数据报结构数据报总长度：占16位，指首部和数据之和的总长度，单位为字节，216-1=65535，因此数据报的最大长度为65535字节，并且总长度还不能超过最大传送单元MTU（MaximumTransmissionUnit）值。26IPv4数据报结构标识：占16位，是计数器，用来产生数据报标识。27IPv4数据报结构分片标志：占3位，但只有2位有效。最低位为1表示后面还有分片的数据报，为0表示这已是若干数据报片中的最后一个，中间位为0时表示此IP数据报允许分片，为1时表示不允许分片。28IPv4数据报结构片偏移：占13位。分片后某片在原分组中的相对位置，片偏移以8字节为偏移单位，除最后一个分片外，其他分片的长度是8字节的整数倍。29IPv4数据报结构TTL是跳数，每经过一个路由器，就把TTL值减1。当TTL值为0时，就丢弃这个数据报。数据报在网络上经过的路由器的最大数值是255。若把TTL的初始值设为1，表示这个数据报只能在本局域网中传送。

30IPv4数据报结构协议：占8位。用于指出此数据包携带的数据使用的协议类型，以使目的主机IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。首部检验和：占16位。用于检验数据包的首部。可选部分：很少使用。31IPv4地址分类

主机号全0的IP地址称为网络地址或网段，全1代表广播地址，因此全0和全1的主机号不能用。组播地址只能用于目的地址，不能用于源地址。32IPv4地址分类

由于127.*.*.*用作本机回送地址，因此A类网络号中的01111111，即127也不能用。全0的网络号00000000也不能用，故A类网络数为27-2。主机号全0用作网络地址标识（也称网络号），全1代表广播地址，故全0和全1的主机号不能用，可供分配的地址数要减2。167772146553425433IP组播

IP组播是将IP数据包传输到一个组播组（MulticastGroup）的主机集合。IP组播允许主机子集跨越互联网上任意的物理网络。34子网划分与子网掩码

子网划分是指把网络划分为更小的网络，通过缩小网络规模来提高网络效率。35IPv4地址采用固定分类的弊端

1677721465534254处于同一广播域36IPv4地址采用固定分类的弊端

1677721465534254处于同一广播域解决方法：把网络划分更小的网络，通过缩写网络规模来提高网络效率。划分后的子网通过子网掩码来区分主机位和网络位。

37子网掩码(subnetmask)为长度32位的二进制数，从左边开始，用连续的1来指明IP地址中的网络位，用连续的0来指明IP地址中的主机位。标准A类地址中网络号占1个字节，主机号占3个字节，因此其对应的子网掩码为：11111111.00000000.00000000.00000000，对应十进制为。38标准B类地址网络号占2个字节，主机号占2个字节，对应的子网掩码为：11111111.11111111.00000000.00000000，对应十进制为。标准C类地址网络号占3个字节，主机号占1个字节，对应的子网掩码为：11111111.11111111.11111111.00000000，对应十进制为。39子网划分与子网掩码

子网掩码不能单独存在，必须与IP地址一起使用。将子网掩码和IP地址按位进行逻辑“与”运算，可以得到IP地址的网络地址。逻辑“与”运算规则为：0&0＝0，0&1＝0，1&1＝1。【例3-2】某主机的IP地址为，子网掩码为92，该主机所在的网络地址是多少？40子网划分与子网掩码

【例3-3】某单位申请到了C类网络地址，现要将其划分为4个子网供4个部门使用，试计算各子网的子网掩码、可以主机分配使用IP地址数、网络地址、广播地址、IP地址范围。解：C类地址的网络号为24位，主机号为8位，划分4个子网时，因22＝4，因此需从8位主机号中借2位作为子网的网络号，剩余的6位作为子网的主机号，划分后的4个子网的子网掩码为：1111111111111111

1111111111000000，十进制为92，借的2位与原来的24位网络号一起组成26位子网网络号。41子网划分与子网掩码

划分后的4个子网的主机号为6位，共有26＝64个地址，但全0和全1的主机号不能分配给主机使用，所以4个子网中可供主机分配的IP地址数为26-2＝62个。从主机号中借的2位取值分别为：00、01、10、11。42子网划分与子网掩码

划分后的4个子网的主机号为6位，共有26＝64个地址，但全0和全1的主机号不能分配给主机使用，所以4个子网中可供主机分配的IP地址数为26-2＝62个。从主机号中借的2位取值分别为：00、01、10、11。43网络前缀法表示掩码

CIDR（ClasslessInter-DomainRouting，无类别域间路由或无分类编址）网络前缀法表示掩码，即：IP地址/<