计算机网络基础教程课件：网络体系结构与协议

1计算机网络基础教程

2网络体系结构与协议本章要点计算机网络体系结构的基本概念OSI参考模型TCP/IP参考模型IP地址与子网掩码常用网络测试命令33.1计算机网络体系结构

在网络设计时，将会用到众多的、各种各样的协议，而这些协议和协议群十分庞大、复杂。所以一般都要使用结构化的技术，从层次结构的角度来组织网络。这样使得每个协议的设计、分析、编码和测试都比较容易。计算机网络体系结构43.1.1网络体系结构的基本概念网络体系结构包括四个要素：实体、系统、层和协议。

1．实体指软件元素或硬件元素的抽象。能完成特定功能的进程的抽象称为逻辑实体，能完成发送和接收信息的物理实体称为通信实体。不管是逻辑实体还是通信实体，描述的都是功能特性。3.1计算机网络体系结构52．系统包含一个或多个实体，具有信息处理和通信功能的整体。通常一个系统总是硬件、软件两部分的有机结合。3．层是处理复杂问题的一种结构化技术。分层的基本思想是，每一层都在它的下层提供的服务基础上提供更高级的增值服务，而最高层提供能运行网络应用程序的服务。这样，分层的方法就把复杂的问题分解开来。

3.1计算机网络体系结构64．协议协议是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。这些规则和约定明确规定了所交换数据的格式和有关的同步等问题。3.1计算机网络体系结构73.1.2常见的网络层次模型

不同的网络组织机构进行网络研究时，往往划分有不同的层次模型。主要有OSI/RM参考模型、TCP/IP参考模型、LAN参考模型。3.1计算机网络体系结构81．OSI参考模型它是ISO开发的，是一个完全开放的模型，其目的在于实现不同厂家、研究机构的各种网络产品的互联。符合OSI标准的产品可以与位于任何地方、遵循同一标准的任何其他系统进行通信。

3.1计算机网络体系结构92．TCP/IP参考模型它是一种建立在既成事实上的标准，是描述Internet体系结构的最好方法。

TCP/IP参考模型将网络分成：网络接口层、网络层、传输层、应用层。由于它是在TCP/IP协议出现以后才制定的，所以这个参考模型既详细又实用。读者将来会在实践中大量用到与此有关的知识。3.1计算机网络体系结构103．LAN参考模型

LAN参考模型是IEEE制定的标准。它将网络分成：逻辑链路控制层、介质访问控制层和物理层。3.1计算机网络体系结构11OSI参考模型的层次划分原则：（1）层数应足够多，以避免不同的功能混合在同一层中；（2）层次的划分应该有助于制定网络协议的国际标准；（3）各层的功能要尽可能相对独立；（4）各层的划分要便于层与层之间的衔接；（5）网络中各结点都有相同的层次，相同的层次具有相同的功能；（6）扩充某一层功能或协议时，不能影响整体模型的主体结构；（7）每一层都可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；（8）不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。按照以上的分层原则，OSI／RM模型将整个网络分成七层结构，由高层到低层依次是：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。3.20SI参考模型12133.2.1应用层应用层是OSI参考模型的最高层，是用户应用程序和网络之间的接口。其主要功能是直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。应用层负责网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，包括建立与结束使用者之间的联系，监督、管理相互连接起来的应用系统和所使用的应用资源。还为用户提供各种服务，包括目录服务、文件传送、远程登录、电子邮件、虚拟终端、作业传送和操作以及网络管理等。然而，这一层并不包含应用程序本身。3.20SI参考模型143.2.2表示层表示层如同应用程序和网络之间的“翻译官”，在表示层，通过一些编码规则定义通信中传送这些信息所需要的传送语法，它把要交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合OSI内部使用的传送语法，即完成信息格式的转换。这种格式化因所使用网络的类型不同而不同。表示层提供的主要功能包括：（1）传送语法的协商；（2）抽象语法和传送语法之间的转换；（3）数据的压缩与解压；（4）数据的加密与解密。3.20SI参考模型153.2.3会话层会话层是OSI模型的第五层，是用户应用程序和网络之间的接口，其主要功能是向两个表示层提供建立和使用连接的方法。这种表示层之间的连接称为会话。因此，会话层的任务就是组织两个会话进程之间的通信，并对数据交换进行管理。3.20SI参考模型163.2.4传输层传输层是OSI模型的第四层，其主要功能是向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输。传输层的目的是向高层屏蔽下层数据通信的细节，即向用户透明地传送报文。传输层是整个网络体系结构中的关键部分。它利用通信子网提供的服务，实现数据可靠、顺序、无差错地从源端传输到目的端。传输层提供的服务比较简单，但其协议却很复杂，这是因为底层的通信子网之间通常有较大的差异。3.20SI参考模型173.2.5网络层网络层是OSI模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。它不同于数据链路层，数据链路层只涉及网络中相邻节点之间数据帧的传输，而网络层的源端到目的端可能要经过若干个网络节点，这些中间节点暂时接收数据分组，然后根据网络中的通信情况选择下一个节点把分组转发出去。网络层提供两种服务：面向连接的服务和无连接的服务。3.20SI参考模型183.2.6数据链路层数据链路层是0SI模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信，并对网络层提供服务。数据链路层应具有以下基本功能：（1）把数据组织成帧，并以帧为单位进行发送、接收、检验和应答；（2）流量控制功能，协调发送方与接收方的速度；（3）差错控制功能，对帧进行校验，发现错误时要求重发；（4）具有数据链路管理功能，即会话的建立、维护和拆除功能。

3.20SI参考模型193.2.7物理层物理层是OSI模型的第一层，在数据链路层实体之间提供激活、维持和释放用于传输比特的物理连接的方法，这些方法有机械的、电气的、功能的和过程的特征。

3.20SI参考模型203.3

TCP/IP参考模型TCP/IP的核心思想是将使用不同低层协议的异构网络，在传输层、网络层建立一个统一的虚拟逻辑网络，以此来屏蔽、隔离所有物理网络的硬件差异，从而实现网络的互联。TCP/IP参考模型将网络体系结构分成四个层次分别是：链路层、网络层、传输层和应用层。3.3.1TCP/IP概述213.3

TCP/IP参考模型223.3

TCP/IP参考模型

应用层是TCP/IP参考模型的最高层，它向用户提供一些常用应用程序，如电子邮件等。应用层包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。3.3.2应用层233.3

TCP/IP参考模型

1．TCP协议

TCP协议是一种可靠的面向连接的协议，主要功能是保证信息无差错地传输到目的主机，它将某结点的数据以字节流形式无差错投递到互联网的任何一台机器上，发送方的TCP将用户交来的字节流划分成独立的报文并交给网络层进行发送，而接收方的TCP将接收的报文重新装配交给接收用户，TCP同时处理有关流量控制的问题，以防止快速的发送方淹没慢速的接收方。3.3.3传输层243.3

TCP/IP参考模型2．UDP协议

UDP协议是一种不可靠的无连接协议，它与TCP协议不同的是它不进行分组顺序的检查和差错控制，UDP协议将可靠性问题交给应用层解决，UDP协议主要面向请求/应答式的交互式应用。如果对每一次交互都要进行两次报文交换，并为此建立连接和撤销连接，开销是相当大的。这种情况下使用UDP就非常有效。另外，UDP协议也应用于那些对可靠性要求不高，但要求网络的延迟较小的场合，如话音和视频数据的传送。3.3.3传输层253.3

TCP/IP参考模型网络层的主要功能是负责相邻结点之间的数据传送。主要包括三个方面：（1）处理来自传输层的分组发送请求。将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往目的结点的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。（2）处理输入数据报。首先检查数据报的合法性，然后进行路由选择，假如该数据报已到达目的结点（本机），则去掉报头，将IP报文的数据部分交给相应的传输层协议；假如该数据报尚未到达目的结点，则转发该数据报。（3）处理ICMP（InternetControlMessagesProtocol）报文。3.3.4网络层263.3

TCP/IP参考模型物理链路层主要功能是接收IP层的IP数据包，并将IP数据报通过底层物理网络发送出去，或者从底层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。该层是主机与网络的实际连接层。网络接口有两种类型：第一种是设备驱动程序，如局域网网卡的驱动程序；第二种是含自身数据链路协议的复杂子系统。3.3.4物理链路层273.4IP地址与子网划分IP协议要求所有参加Internet的网络节点要有一个统一规定格式的地址，简称IP地址。在Internet网上，每个网络和每一台计算机都分配有一个IP地址，这个IP地址在整个Internet网络中是唯一的。IP地址是供全球识别的通信地址。InternetIP地址由InterNIC（Internet网络信息中心）统一负责全球地址的规划、管理，同时由InterNIC、APNIC、RIPE三大网络信息中心具体负责美国及其他地区的IP地址分配。通常每个国家需成立一个组织，统一向有关国际组织申请IP地址，然后再分配给客户。283.4IP地址管理与子网划分3.4.1IP地址为适应大型、中型、小型的网络IP地址分配的需要，根据网络号和主机号的数量可将IP地址分为五类：A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。1．A类地址用7位（bit）来标识网络号，24位标识主机号（如表3-1所示），最前面一位为“0”，即A类地址的第一段取值介于1～126之间，因此A类网络地址的范围从1.O.0.0到126.0.0.0。全世界总共只有126个可能的A类网络，每个A类网络最多可以连接16777214台主机。293.4IP地址管理与子网划分2．B类地址用14位来标识网络号，16位标识主机号，前面两位是“10”（如表3-2所示）。B类地址的第一段取值介于128～191之间，第一段和第二段合在一起表示网络号，因此B类网络地址的范围从128.1.0.0到191.254.0.0。全世界大约有16000个B类网络，每个B类网络最多可以连接65534台主机。

303.4IP地址管理与子网划分3．C类地址用21位来标识网络号，8位标识主机号，前面三位是“110”（如表3-3所示）。C类地址的第一段取值介于192～223之间,第一段、第二段、第三段合在一起表示网络号。最后一段标识网络上的主机号。因此，C类网络地址范围从192.0.1.0至223.255.254.0。每一个C类地址理论上可支持最大256个主机地址（0～255），但是仅有254个可用，因为0和255不是有效的主机地址。在IP地址中，0和255是保留地址。IP地址中所有的主机地址为0用于标识网络，而全为1表示在此网段中的广播地址。313.4IP地址管理与子网划分4．D类地址

D类地址用于在IP网络中的组播，一个组播地址是一个唯一的网络地址。它指导报文到达预定义的IP地址组。D类地址用于在一个私有网中传输组播报文至IP地址定义的端系统组中。因此没有必要把地址中的8位位组或地址位分开表示网络和主机。相反，每个D类IP地址用于识别一个IP地址组。323.4IP地址管理与子网划分5．E类地址

E类地址的前4位恒为1，因此有效的地址范围从240.0.0.0至255.255.255.255。E类地址虽被定义，但却被保留作研究之用。333.4.2子网掩码1.子网掩码

IP协议标准规定：每一个使用子网的网点都选择一个32位的位模式，若位模式中的某位置1，则对应IP地址中的某位为网络地址中的一位；某位模式中的某位置0，则对应IP地址中的某位为主机地址中的一位。子网掩码与IP地址结合使用，可以区分出一个网络地址的网络号和主机号。343.4.2子网掩码

为了使用方便，常常使用“点分整数表示法”来表示一个子网掩码。由此可以得到A、B、C三大类IP地址的标准子网掩码。

A类地址：255.0.0.0B类地址：255.255.0.0C类地址：255.255.255.0353.4.2子网掩码2.变长子网掩码既然子网掩码中为1的部分可以定义为网络号，那么，就可以通过加长子网掩码，即将掩码中原本为0的最高位部分修改为1，来使本来应当属于主机号的部分改变成为网络号，进而达到划分子网的目的。一般情况下，变长子网掩码在局域网中很少使用，而在Internet中使用较多。36广播地址：主机号全为1，代表广播地址全0地址：主机号全为0，代表本主机地址回送地址：A类地址中网络号为127是一个保留地址，称为回送地址。37子网划分的简单应用题有一个企业，他有50台计算机，如何合理的分配IP及子网掩码能够使其IP浪费最少？求子网掩码？求总IP数,范围？求可用IP数,范围？浪费了多少个IP？192.168.1.038有一个企业,它有1000台计算机,由于企业资金有限,无法购买三层设备,要使得这1000台计算机能够相互通信,如何分配它们的IP地址及子网掩码?192.168.0.0393.4.3IP地址分配方式

在网络中为计算机分配IP地址，可以使用三种方式，即DHCP自动分配、手工配置和自动专用IP寻址方式。其中，DHCP方式配置的IP地址称为动态IP地址，手工配置的IP地址称为静态IP地址。这三种方式适合于所有的Windows系统，但各自适合于不同的网络。因此，网络管理员需要根据网络规模和应用的实际情况，来决定使用哪种方式。401.自动分配IP地址为了便于管理IP地址，网络中通常都会提供DHCP服务，可以自动为网络中的计算机提供IP地址、子网掩码和默认网关等信息，并由计算机自动配置，无需管理员参与。这种方式适合于网络中计算机数量较多，或者管理员无暇经常管理客户端，或者普通用户不熟悉IP地址的设置等情况。同时，DHCP也是Windows默认采用的地址分配方式。

412.手工设置IP地址手工设置IP地址也是经常使用的一种分配方式。使用手工方式进行设置时，通常需要为网络中的每一台计算机分别设置四项IP地址信息（IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器）。采用手工设置的方式不仅工作量大，而且容易输入错误，并可能出现键入重复。所以，一般只在设置网络服务器时，或者计算机数量较少的小型网络中使用。手工设置的IP地址为静态IP地址，在没有重新配置之前，计算机将一直拥有该IP地址。因此，既可以据此访问网络内的某台计算机，也可以据此判断计算机是否已经开机并接入网络。不过，默认网关和DNS必须是计算机所在的网段中的IP地址，而不能填写其他网段中的IP地址。423.自动专用IP寻址方式自动专用IP寻址方式（APIPA）是Windows系统提供的专用功能。当网络中没有配置DHCP服务器，并且没有为计算机手工设置IP地址时，Windows系统就会自动为当前计算机分配一个随机的IP地址，范围为169.254.0.1～169.254.255.254，子网掩码为255.255.O.O，并使用此IP地址建立网络连接，与其他计算机进行通信。当计算机使用APIPA方式分配了IP地址以后，仍然会有规律地尝试连接DHCP服务器，当成功连接到DHCP服务器并申请到IP地址以后，使用APIPA方式配置的IP地址就会失效，转而使用申请到的IP地址与网络通信。433.4.4IP地址的设置

1.IP地址信息（1）IP地址合法的IP地址一般由提供Internet接入的当地服务商(ISP)分配，私有IP地址则可以由网络管理员自由分配。需要注意的是，在同一个网络中，所有计算机的IP地址都不能相同，否则，会发生IP地址冲突，导致网络通信失败。（2）子网掩码子网掩码是与IP地址结合使用的一种技术。它的主要作用有两个，一是用于确定IP地址中的网络号和主机号，二是用于将一个大的IP网络划分为若干小的子网络。44（3）默认网关默认网关的意思是一台主