数据与计算机通信网络体系结构互联及TCPIP

网络体系结构、互联及TCP/IP网络体系结构2内容提要•网络体系结构与协议•网络互联层次及互联设备•因特网协议•传输协议3概述•互连网(internet)是泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络,它使得互连接的计算机用户可以进行通信，即从功能上和逻辑上看，这些机器互连在一起，组成一个网络系统。要使网络互连在一起，必须要通过中继系统。根据中继系统的所在的层次，分为下列五种中继系统：•（1）物理层中继系统，即转发器（repeater）。•（2）数据链路层中继系统，即网桥或桥接器（bridge）。•（3）网络层中继系统，即路由器（router）。•（4）网桥和路由器的混合物桥路器（brouter）。•(5)网络层以上的中继系统，即称为网关（gateway）。4网络体系结构与协议•网络体系结构的起源–世界上第一个网络体系结构由IBM公司提出（74年，SNA），以后其他公司也相继提出自己的网络体系结构如：Digital公司的DNA，美国国防部的TCP/IP等，多种网络体系结构并存，其结果是若采用IBM的结构，只能选用IBM的产品，只能与同种结构的网络互联。–为了促进计算机网络的发展，国际标准化组织ISO与1977年成立了一个委员会，在现有网络的基础上，提出了不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构，称为开放系统互联模型（OSI参考，opensysteminterconnection）5网络体系结构与协议•网络体系结构的概念–一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集;–网络协议是按层次结构来组织的；–网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；–网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；–体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。6计算机网络协议•网络协议概念–网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；–网络协议的三要素：语义、语法与时序；–语义：用于解释比特流的每一部分的意义；–语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；–时序：事件实现顺序的详细说明。7计算机网络协议•OSI体系结构–在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone，CCITT）；国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）。–CCITT与ISO的工作领域是不同的：CCITT主要是考虑通信标准的制定；ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。8计算机网络协议–在OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信；–OSI标准中，采用的是三级抽象：•体系结构（architecture）；•服务定义（servicedefinition）；•协议规范（protocolspecification）。9计算机网络协议体系结构服务定义协议规范OSI三级抽象示意图10体系结构•开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务；•作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；•对网络内部结构最精炼地概括与描述。11服务定义•详细地说明了各层所提供的服务；•某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；•低层的服务是通过接口向上一层提供的;•各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；•定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是具体实现的。12协议规范OSI标准中的各种协议明确地定义了：–应该发送什么样的控制信息；–如何解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。13计算机网络协议–OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定；–在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；–OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。14计算机网络协议•对等层通信的实质–网中各结点都具有相同的层次–不同结点的同等层具有相同的功能；–同一结点内相邻层之间通过接口通信；–不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。–对等层实体之间虚拟通信–下层向上层提供服务–实际通信在最底层完成–在发送方数据由最高层逐渐向下层传递,到接收方数据由最低层逐渐向高层传递.15OSI参考模型应用层Application表示层Presentation会话层session传输层transport物理层Physical数据链路层DataLink网络层Network7654321处理网络应用数据表示主机间通信端到端的连接寻址和最短路径介质访问（接入）二进制传输1617网络互联层次及互联设备•网络互联解决的问题–如何把两种网连起来,即异构网通信•目的–向高层隐藏底层物理网络技术的细节,为用户提供统一的通信服务•实现方法–利用应用程序,即应用级互联–利用操作系统,即网络级互联18应用级互联•早期的异构网互联通过应用程序完成的•应用程序直接建立在物理网络上,无中间协议•应用级互联的缺点:–若在系统中增加新的功能,必须为每台机器编写新的应用程序–增加新的硬件,必须修改旧的应用程序–每个应用程序都必须处理本机与网络连接的细节,导致代码重复•应用级互联的弊端:–互联网络达到一定规模,要为所有机器编写应用程序几乎不可能–采用点到点的存储转发通信方式,如果网络中某个中间节点的应用程序出错,发送和接收方无法知道和控制19网络级互联•网络级互联提供实时把数据分组从源端发送到目的端的机制•网络级互联通过分组交换机制将底层物理网络硬件细节隐藏起来,避免了应用级互联的种种弊端•网络级互联的优点:–这技术直接映射到底层网络硬件,十分高效–把数据包传递功能从应用程序中分离出来,允许网络中每台机器只需处理与数据包传递有关的操作–网络级互联使整个互联网络系统更加灵活–网络互联模式允许网络管理人员通过修改或增加某些网络软件就能在互联网中加入新的网络技术,而对应用程序不做任何改变20网络级互联•网络级互联的关键思想–形成TCP/IP网络的基本概念–对各种不同物理网络的一种高度抽象–通过提供通用网络服务,使底层网络技术对用户和应用程序透明•网络级互联目标–建立一个统一、协作、提供统一服务的通信系统•具体方法–在底层网络技术与应用程序之间增加一个中间层软件，以便抽象和屏蔽底层物理网络的硬件细节，向用户提供通用的网络服务21网络互联设备•中继器（物理层）•网桥（数据链路层）：销减负荷•以太网集线器HUB（物理层与数据链路层）：多口中继，有的也具备网桥功能•交换机（数据链路层）：多口网桥•调制解调器•路由器（网络层）•网关：用于连接不同类型的网络22中继器•传输介质超过了网段长度后，可用中继器延伸网络的距离，对弱信号予以再生放大，IEEE802标准规定最多允许四个中继器接五个网段。中继器工作在物理层，不提供网段隔离功能。•中继器主要用于扩展LAN的跨度•功能是接收从一条电缆上传输过来的消息,将其放大后再发送到另一条电缆上•完全是硬件设备,操作遵循物理层协议•属于网段的互联设备23集线器•一种特殊的中继器•是一种以星型拓扑结构将通信线路集中在一起的设备，相当于总线，工作在物理层，是局域网中应用最广的连接设备，按配置形式分为独立型hub，模块化hub和堆叠式hub三种。•以集线器为中心的优点:如果系统中某条线路或节点故障,不影响其他节点的正常工作•集线器可分为三类:–无源集线器•负责把多段介质连接在一起,不对信号做任何处理,每种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半–有源集线器•类似无源集线器,但它具有对信号进行再生和放大从而扩展介质长度的功能–智能集线器智能型hub改进了一般hub的缺点，增加了桥接能力，可滤掉不属于自己网段的帧，增大网段的频宽，且具有网管能力和自动检测端口所连接的PC网卡速度的能力。•市场上常见有10M，100M等速率的hub。24集线器技术•集线器技术发展迅速,已出现交换技术(在集线器上增加了线路交换功能)和网络分段方式—提高了传输带宽,Hub可分为三种–切换式•重新生成每一个信号并在发送前过滤每个包,而且只将其发送到目的地址•切换式Hub可使10Mbit/s和100Mbit/s的站点用于同一网段中–共享式•提供了所有连接点的站点间共享一个最大频宽•不过滤或重新生成信号,与之相连的站点必须以同一速度工作–可堆叠共享式•是共享式Hub的一种,它们级连在一起时,可看作是网中的一个大Hub•6个8口的Hub级连在一起时,可看作1个48口的Hub25网桥(1)•一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁•作用–过滤和转发。–连接不同的传输介质，无路径选择能力。–扩展网络距离–有选择地将有地址的信号从一个传输介质发送到另一个传输介质–有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信•本地网桥:在传输介质允许长度范围内互联网络的网桥•远程网桥:连接的距离超过网络的常规范围时使用的远程桥,通过远程桥互联的局域网将成为城域网或广域网–如果使用远程网桥,必须成对出现26网桥(2)•内桥和外桥–内桥是文件服务的一部分,通过文件服务器中不同网卡连接起来的局域网,由文件服务器上运行的网络操作系统管理–外桥安装在工作站上,实现两个相似或不同的网络之间的连接,运行在一台独立的工作站上,专用网桥的工作站不能当普通工作站使用,只能建立两个网络之间的桥接;非专用网桥既可以作为网桥,也可以作为工作站27网桥(3)•网桥应用环境•网桥的基本特征•基于两种标准的网桥–透明网桥:802.1标准的网桥由各网桥自己来决定路由,局域网上的各站不负责路由选择–容易安装–源选径网桥:802.5标准的网桥由发送帧的源节点负责路由选择,即源节点路选网桥假定了每个节点在发送帧时都已经清楚知道发往各个目的节点的路由,源节点在发送帧时需要将详细的路由信息放在帧的首部28调制解调器（Modem）•调制解调器（Modem）作为末端系统和通信系统之间信号转换的设备，是广域网中必不可少的设备之一。分为同步和异步两种，分别用来与路由器的同步和异步串口相连接，同步可用于专线、帧中继、X.25等，异步用于PSTN的连接。29路由器•在互联网日益发展的今天,是什么把网络相互连接起来?•什么是路由器?–通俗讲,它是互联网的枢纽、交通警察“–路由器的定义是:用来实现路由选择功能的一种媒介系统设备–路由器是互联网的主要节点设备。路由器通过路由决定数据的转发30路由器-工作原理•地址解析协议ARP–用于把网络层地址映射到数据链路层地址–通常用于解析IP地址,最常见的数据链路层是以太网•例如:接口A想给接口B发送数据–A只知道B的IP地址–A先查找B的物理地址,然后发送一个含有B的IP地址的ARP广播请求B的物理地址–B收到该广播后,向A回应其物理地址–若AB不在同一个网段,A只向下一跳路由器发送ARP请求31路由器-工作原理•ARP产生的问题–IP地址冲突–由于两个不同的主机IP地址相同产生–任何互联的网络中,IP地址是唯一的•解决办法:没有,但可以避免这类错误–当A初始化时,发送一个含有其IP地址的ARP请求,没有收到回应,表明该IP没有被使用–假定B使用了该IP地址,A就收到B发送的ARP回应,表明该IP地址被使用,那么A不能使用该IP,返回错误信息32路由器-工作原理•ARP缓存表–是IP地址,硬件地址对的列表,可用命令arp来管理,语法包括•向表中添加静态表项:arp-sIPaddresshardwareaddress•从表中删除表项:arp–dIPaddress•显示表项:arp–a–动态表项通过一段时间自动删除,时间长度由特定的TCP/IP决定33路由器-工作原理•静态ARP地址的使用–使用代理ARP来避免在每台机器上配置路由表,对子网特别有用–基本思想是:即使对于不在本子网的主机也发送ARP请求,ARP代理服务器回应以网关的硬件地址–代理ARP简化了主