第三章-计算机网络基础要点.ppt

1、1,计算机网络基础大连理工大学出版社,2,第3章 计算机网络体系结构,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 中小网络的IP地址管理划分 常用网络测试命令,3,3.1 计算机网络体系结构,网络体系结构的提出：为了简化对复杂的计算机网络的研究、设计和分析工作；同时也为能使网络中的不同的计算机系统、不同的通信系统和不同的应用能够互连、互通和互操作，提出了网络体系结构的概念。,第3章 计算机网络体系结构,4,3.1.1 网络体系结构的基本概念 网络体系结构主要包括四个要素：实体、系统、层和协议。 1实体：指软件元素（如进程等）或硬件元素（智能I/O芯片等）的抽象。能完成特

2、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,5,2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。 分层的基本思想是把复杂的问题分解为多个层次，各层之间保持相对的独立性。下层为上层提供服务，上层使用上层提供的服务。不同的网络模型层次的数量、各层的名字、内容、功能都不尽相同。 各层次间的关系：在同一网络体系的层次结构中，下层为上层提供服务，上层利用下层提供的服务完成自己的功能，同时再向更上一层提供

3、服务。因此，上层可看成是下层的用户，下层是上层的服务提供者。,3.1 计算机网络体系结构,6,4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。 从层次角度说，网络协议是网络中所有同等层协议和接口协议的集合。 网络协议组成的三要素：语义、语法和同步。 语义：由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应组成的集合做什么 语法以二进制形式表示的命令和相应的结构怎么做 同步：有关事件顺序的说明何时做,3.1 计算机网络体系结构,7,3.1.2 常见的网络层次模型 1974年继IBM公司提出第一个网络体系结构SNA(系统网

4、络体系结构)之后，几年中各公司推出了十几个网络体系结构方案。这些网络体系结构所构成的网络之间无法互通信和互操作。为了在更大范围内共享网络资源和相互通信，人们迫切需要一个共同的可以参照的标准，使得不同厂家的软硬件资源和设备能够互通信和互操作。,3.1 计算机网络体系结构,8,1OSI/RM参考模型 国际标准化组织ISO于1977年成立了信息技术委员会TC97专门进行网络体系结构标准化的工作。在综合了已有的计算机网络体系结构的基础上，经过多次讨论研究，最后公布了网络体系结构的七层参考模型OSI/RM （Open System Interconnect/Reference Model）参考模型 。,

5、3.1 计算机网络体系结构,9,2TCP/IP参考模型 TCPIP协议是当今计算机网络中应用最广泛、最成熟的网络，已成为事实上的工业标准。它是支持网际各异构网络和异种机之间互连通信的一种公共网络协议。 TCP和IP两个主要协议分别属于传输层和网络层，在Internet中起着重要的作用。,3.1 计算机网络体系结构,10,3.2 0SI参考模型,网络发展的初期，不同的网络使用各自的硬件和软件，造成大部分网络不能兼容，也不能互相通信。 一些国际组织和大型公司制定了相关的网络标准：,11,标准化过程的演变 厂商标准： IBM：SNA (System Network Architecture)系统网络

6、体系结构 DEC：DNA (Digital Network Architecture)数字网络体系结构 SUN：AppleTalk 缺点：适用范围：兼容性？ 技术垄断：竞争？ 标准不统一：用户利益？,3.2 0SI参考模型,12,国际标准 ISO (International Standards Organization )国际标准化组织：OSI/RM (Open System Interconnection/reference model)开发系统互联参考模型，简称OSI参考模型 OSI参考模型是一种概念上的网络模型 详细规划了网络体系结构的框架 事实上的标准： ARPA (Advanced

7、 research project agency)美国国防部远景研究规划局 ：TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 传输控制协议/网际协议(因特网的骨干协议),3.2 0SI参考模型,13,3.2.1ISO/OSI参考模型的结构 ISO推出OSI/RM (Open System Interconnection/reference model)开发系统互联参考模型，简称OSI七层结构的参考模型(所谓开放是指系统按OSI标准建立的系统，能与其他也按OSI标准建立的系统相互连接)。 OSI参考模型是一个描述网络层次结构的模型

8、 OSI参考模型定义的主要内容：信息在网络中的传输过程 OSI参考模型是网络设计的蓝图，并非指一个现实的网络,3.2 0SI参考模型,14,ISO/OSI的7层参考模型,3.2 0SI参考模型,15,物理层（PHysical layer） 数据链路层（Data Link layer） 网络层（Network layer） 传输层（Transport layer） 会话层（Session layer） 表示层（Presentation layer） 应用层（Application layer）,3.2 0SI参考模型,16,每个节点都具有这七层：,3.2 0SI参考模型,17,OSI参考模型的基

9、本思想,网络中各节点具有相同的层次 对等层：不同节点间层次相同的层互为对等层 不同节点的对等层具有相同的功能 同一节点内相邻层之间通过接口通信 每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务 不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信,3.2 0SI参考模型,18,3.2.2OSI各层的主要功能,物理层功能 链路层功能 网络层功能 传输层功能 会话层功能 表示层功能 应用层功能,3.2 0SI参考模型,19,物理层功能,物理层（ physical layer ）是 OSI 模型的最低层，它建立在物理通信介质的基础上，作为系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体间透明的比特流传输。在设计上

10、必须保证一方发送出二进制“ 1 ”时，另一方收到的也是“ 1 ”而不是“ 0 ”。 物理层是 OSI 中唯一设计通信介质的一层，它提供与通信介质的连接，描述这种连接的机械、电气、功能和规程特性，以建 立、维护和释放数据链路实体之间的物理连接。物理层向上层提供位信息的正确传送。 物理层协议定义了硬件接口的一系列标准，典型地如用多少伏特电压表示“ 1 ”，多少伏特表示“ 0 ”；一个比特持续多少时间；传输是双向的还是单向的；最初的连接如何建立和完成通信后连接如何终止；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；每根线的用途等。,3.2.2OSI各层的主要功能,20,数据链路层功

11、能,数据链路层负责将数据单元(比特组)无差错地从一个站点送达下一个相邻站点。它从第三层接受数据，并加上有意义的比特位形成报文头和尾部来携带地址和其他控制信息。一个含有这些附加信息的数据单元称为帧。 链路连接的建立，拆除，分离。 帧定界和帧同步。协议不同，帧的长短和界面也有差别，但无论如何必须对帧进行定界。 顺序控制。指对帧的收发顺序的控制。 差错检测和恢复。还有链路标识,流量控制等等.差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码,而帧丢失等用序号检测.各种错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成。,3.2.2OSI各层的主要功能,21,网络层功能,网络层负责数据包（分组）经过多条链路、由

12、信源到信宿的传递过程，保证每个数据包能够成功和有效率地从出发点到达目的地。 网络层提供了两种服务：交换和路由。 交换是指在物理链路之间建立临时连接，这将会导致网络传输的链路较长。 路由意味着在有多于一条的路径可选时，选择从一点到另一点发送数据包的最佳路径。,3.2.2OSI各层的主要功能,22,传输层功能,传输层为用户提供端到端的报文传送服务。 传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的层次，具有缓冲作用。它介于低3层通信子网系统和高3层之间的一层，是在网络层的基础上再增添一层软件，使之能屏蔽掉各类通信子网的差异，其具有一个不变的通用接口，使用户进程只需了解该接口，便可方便地在网

13、络上使用网络资源并进行通信。此外传输层还要具备差错恢复，流量控制等功能，以此对会话层屏蔽通信子网在这些方面的细节与差异。,3.2.2OSI各层的主要功能,23,会话层功能,会话层提供的服务可使应用建立和维持会话，并能使会话获得同步。 会话层,表示层,应用层构成开放系统的高三层，面对应用进程提供分布处理，对话管理,信息表示,恢复最后的差错等。 会话层建立和验证用户之间的连接。该层的数据单元应该包含寻求连接的主机的确认凭证，包括口令和登录确认。,3.2.2OSI各层的主要功能,24,表示层功能,表示层保证了通信设备之间的互操作性，即为异种机通信提供一种公共语言，使得两台内部数据表示结构都不同的计算

14、机(例如，一个设备使用某种编码，而另一个设备却使用另一种编码)能实现通信。. 表示层还负责为安全性引入的数据加密/解密，以及为提高传输效率必需的数据压缩/解压等功能。,3.2.2OSI各层的主要功能,25,应用层功能,应用层使得用户(不管是人还是软件)可以访问网络。它为用户提供了接口，为诸如电子邮件、远程文件访问和传输、共享数据库管理等应用程序提供了网络服务，是用户和网络的界面。 它包含大量的协议。经常用到的应用层协议有： FTP 、 TELNET 、 HTTP 、 SMTP 等。,3.2.2OSI各层的主要功能,26,3.2.3数据的封装与传递,服务访问点SAP（Service Access

15、 Point） 任何层间服务是在接口的SAP上进行的； 每个SAP有唯一的识别地址； 每个层间接口可以有多个SAP。 接口数据单元IDU（Interface Data Unit） IDU是通过SAP进行传送的层间信息单元； IDU由上层的服务数据单元SDU（Service Data Unit）和接口控制信息ICI（Interface Control Information）组成； 协议数据单元PDU（Protocol Data Unit） 对等层协议之间需要交换的信息单元； PDU由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息PCI（Protocol Control Information)

16、组成；,27,对等层间信息交换是“虚通信” 对等层通信时当数据通过网络从一个节点传到另一个节点前，必须在数据前或后附加上一定的控制信息（称为头部或尾部），保证数据正确传送。 数据封装：在发送节点的某一层为数据增加头部或尾部的过程。 数据拆封：数据到达接受节点的对等层后接收方去除数据头部或尾部的过程。 数据的封装和拆封在发送方和接受方互为对等层的层次发生。,3.2.3数据的封装与传递,28,直接通信与虚通信,3.2.3数据的封装与传递,29,网络中数据的封装与解封,3.2.3数据的封装与传递,30,它们的工作模式一般为：发送时接收上层的数据，将其分割打包，然后交给下层；接收时接收下层的数据包，将

17、其拆包重组，然后交给上层。这样，一个包的传输过程是：发送主机的应用程序将数据传递给网络协议栈实现（网络通信程序），网络协议栈实现将数据层层打包，最后交由物理层在数据链路上发送；接收主机收到数据后，逐层拆包向上传递，直到最后达到应用层，应用程序得到对等方的数据。,3.2.3数据的封装与传递,31,完整的OSI数据传递与流动过程,逐层封装,逐层拆封,封装H、T,不封装,3.2.3数据的封装与传递,32,3.3TCP/IP体系结构,TCP/IP体系结构的层次划分 TCP/IP协议是工业标准或“事实标准” TCP/IP协议的主要特点 开放的协议标准，可以免费使用 可运行于局域网、广域网和互联网中 统一

18、的网络地址分配方案 标准化的高层协议,33,TCP/IP分层体系结构,34,TCP/IP体系结构与OSI参考模型的对应关系,3.3TCP/IP体系结构,35,TCP/IP体系结构中各层的功能,网络接口层（network interface layer） 在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输。 互联层（internet layer） 控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包传送。 传输层（transport layer） 提供端到端的数据传送服务。TCP 和 UDP 应用层（application layer） 提供各种 Internet 管理和应用服务功能。,3.3TCP/IP体系结构,3

19、6,IP数据报格式,37,OSI与TCP的简单比较,1.共同点 层次化的结构 2.OSI的主要问题 定义复杂 实现困难 有些功能在每一层重复出现 效率低下 3.TCP/IP的主要问题 网络接口层并不是实际的一层 各层的功能定义与实现方法没能区分开来等,3.3TCP/IP体系结构,38,在许多文件中，时常会提到“TCPIP协议栈”（TCPIP Suite）这个名词。它除了代表TCP与IP这两种通讯协议外，更包含了与TCPIP相关的数十种通讯协议，其实我们平常口语所谓的TCPIP通讯协议，其背后真正的意义就是指TCPIP的协议组合，而非单指TCP和IP两种通讯协议。,3.3TCP/IP体系结构,3

20、9,TCP/IP协议栈,40,3.4 IP地址管理与子网划分,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。Internet IP地址由Inter NIC（Internet网络信息中心）统一负责全球地址的规划、管理，同时由Inter NIC、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。,41,IP地

21、址的作用,指定计算机到互联网的一个连接（标识互联网络中的某个节点） 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,42,互联网的层次结构,43,IP地址的组成,IP地址的长度为32位二进制数 网络号net-id 标识互联网中一个特定网络 主机号host-id 标示网络中主机的一个特定连接,44,主机在网络间移动,45,IP地址的直观表示法,IP地址本质上是一个长度为32 Bits的二进制数值，看起来就是一长串的0或1： 1001011010010101100110101101111 这样一长串的二进制数值，对于一般人来说，不要说记

22、下来，连复诵或抄写都很困难。,46,点分十进制标记法,1.首先以8bits为单位，将32bits的IP地址分成4段(4个Byte)： 11001011 01001010 11001101 01101111 2.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255 4个十进制数值间用“.”隔开,47,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 4,48,IP地址的分类,IP地址的分类 为了充分利用IP地址空间，Internet委员会定义了五种IP地址类型以适合不同容量的网络，即A类至E类，其中A、B、C三类由InterNIC（Inter

23、net网络信息中心）在全球范围内统一分配，D、E类为特殊地址。,49,net-id:8位,host-id:24位,net-id:16位,host-id:16位,net-id:24位,host-id:8位,50,IP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、C 3类IP地址可以容纳的网络数和主机数,51,区分IP地址的方法,看IP地址的前几个二进制位 若第一个二进制位为“0”，则该IP地址为A类。若第一个二进制位为“1”，则再看第二个二进制位，若为“0”，则该IP地址为B类。若前二个二进制位为“11”，则再看第三个二进制位，若为“0”，该IP地址为C类。若前三个二

24、进制位为“111”，则再看第四个二进制位，若为“0”，该IP地址为D类，若为“1”，则该IP地址为E类。 看IP地址的第一个字节段的十进制位 若为1126，则该IP地址为A类。若为128191，则该IP地址为B类。若为192223，则该IP地址为C类。若为224239，则该IP地址为D类。若为240254，则该IP地址为E类。,52,网络地址,构成 一个有效的网络号和一个全“0”的主机号 意义 表示一个网络 举例 IP地址为4的主机所处的网络为，主机号为44,53,广播地址,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

25、全“1”的主机号 发送直接广播前需要知道目的网络的网络号,54,有限广播 将广播限制在本网络（本子网）最小的范围内 构成：55 发送有限广播前不需要知道网络号,55,回送地址,回送地址： 作用 网络软件测试 本地机器进程间通信 含有网络号127的数据报不可能出现在网络上,56,子网编址,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），弹性不足。举例而言，假设A企业分配到Class B到IP地址，但若将六万多部计算机连接在同一个网络中，势必造成网络效率的低落，因此在实际

26、上不可行。但是，若在Class B网络中只连接几十部计算机，不是会浪费掉许多IP地址吗？ 解决这个问题的方法，便是让企业能自行在内部将网络分割为子网(Subnet)。 子网编址：克服IP地址浪费,57,子网编址方法,IP地址具有层次结构：网络号和主机号 子网编址方法 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,58,子网不仅是简单地将IP地址加以分割，其关键在于分割后的子网必须能够正常地与其他网络相互连接，也就是在路由过程中仍然能识别这些子网。此时，便产生了一

27、个问题：无法再利用IP地址的前导位，来判断网络地址与主机地址有多少个位。,59,子网表示法,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地址的长度相同，一一对应 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 子网掩码是由一串连续的1，再跟上一串连续的0所组成。 为了方便阅读，子网掩码使用与IP地址相同的十进制来表示。 子网掩码必须与IP地址配对使用才有意义。 2.如何判断IP地址的网络号、子网号和主机号？ 结合IP地址和其子网掩码,60,默认的掩码,A、B、C类IP地址的缺省(默认)掩码,如果无需再进行子网划分， 则网络的掩码可设置为默认的值,61,子网表示法举例（1）,1.借用B类IP地址的8位表示子网 子网掩码： 子网号：25,62,子网表示法举例（2）,2.借用B类IP地址的4位表示子网 子网掩码： 子网号：1,63,3.4.6 IP地址分配 CNNIC对IP地址的管理规定 中国互联网络信息中心（China Internet Net