第2章 计算机网络体系结构与协议选择

第2章计算机网络体系结构与协议选择第2章计算机网络体系结构与协议选择本章主要内容：网络协议的概念，网络的层次的概念，OSI参考模型，TCP／IP体系结构及协议组合，OSI参考模型与TCP／IP体系结构的比较，网络互连协议IP，IP地址的组成及分类及分配，子网掩码及子网划分，在Windows2003中TCP/IP协议的安装、设置及测试。重点与难点：OSI参考模型和TCP/IP体系结构中各层的基本任务和主要功能，IP协议与IP地址，子网掩码与子网的分割；在Windows2003中TCP/IP协议的安装、设置及测试第2章计算机网络体系结构与协议选择第2章计算机网络体系结构与协议选择2.1网络体系结构的基本概念2.2开放系统互联参考模型(OSI／RM)2.3TCP／IP体系结构2.4Internet上的IP协议与IP地址2.5项目实践[Return]第2章计算机网络体系结构与协议选择2.1.1网络协议的概念计算机网络中为进行数据传输而建立的一系列规则、标准或约定称为网络协议（Protocol）。网络协议通常由语义、语法和定时关系3部分组成。语义定义做什么，语法定义怎么做，而定时关系定义何时做。2.1网络体系结构的基本概念第2章计算机网络体系结构与协议选择2.1.2网络的层次的概念不同系统中的实体的通信任务十分复杂，相互间不可能作为一个整体来处理，否则任何一方的改变，就要修改整个软件包。层次结构使用结构化的设计和实现技术，即把协议按功能分为若干层次，每层完成一定的功能（同层协议），并对其上层提供支持（接口）。由于通信功能是分层实现的，因而进行通信的两个系统就必须具有相同的层次结构，两个不同系统上的相同层称为同等层或对等层。第2章计算机网络体系结构与协议选择计算机网络采用层次化结构的优越性包括：（1）各层之间相互独立。（2）灵活性好。（3）易于实现和维护。（4）有利于网络标准化。返回本章首页第2章计算机网络体系结构与协议选择2.2开放系统互联参考模型(OSI／RM)由于很多网络使用不同的硬件和软件，没有统一的标准，结果造成很多网络不能兼容，而且很难在不同的网络之间进行通信。为了解决这些问题，人们迫切希望出台一个统一的国际网络标准，为此，国际标准化组织(ISO，internationalstandardsorganization）和一些科研机构、大的网络公司做了大量的工作，提出了开放式系统互连参考模型（ISO/OSIRM，internationalstandardsorganization/opensysteminterconnectreferencemodel）和TCP/IP体系结构。第2章计算机网络体系结构与协议选择第2章计算机网络体系结构与协议选择2.2.1ISO/OSI参考模型的结构在OSI参考模型中，计算机之间传送信息的问题分为7个较小且更容易管理和解决的小问题。每一个小问题都由模型中的一层来解决。OSI将这7层从低到高叫做物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。第2章计算机网络体系结构与协议选择按照OSI参考模型，网络中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层次具有相同的功能，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（虚拟通信）。第2章计算机网络体系结构与协议选择2.2.2OSI各层的主要功能（1）应用层（applicationlayer）应用层为最后一层，应用层为用户提供一种通过应用程序访问网上信息的方法，完成用户希望计算机完成的工作。应用层为用户提供应用程序及网络相互作用的接口：FTP、DNS、Telnet、SMTP等。第2章计算机网络体系结构与协议选择（2）表示层（presentation）表示层负责将数据转换为发送方和接收方都能识别的格式，即数据翻译、数据加密和解密、数据压缩和恢复。第2章计算机网络体系结构与协议选择（3）会话层（sessionlayer）会话层在不同计算机的两个应用程序之间建立、维持和结束确定的连接。使用全双工模式或半双式模式？如何发起传输？如何结束传输？如何设置传输参数？就像两国元首在见面会晤之前，总会先派人谈好议事规则，正式谈判时就根据这套规则进行一样。应用层、表示层和会话层为OSI的高层，与提供面向用户的服务有关。即实现资源子网的功能。第2章计算机网络体系结构与协议选择（4）传输层（transport）传输层是最核心的一层，包容了有关传输数据的所有细节。传输层为源主机和目的主机之间提供性能可靠、价格合理的数据传输，而与当前使用的网络无关。（接收站收到数据后返回信息给发送站，表明已正确接收，否则重发。）主要工作：数据包的分段/重组。数据报←→数据块。该层关心的主要问题包括建立、维护和中断虚电路、传输差错校验和恢复以及信息流量控制机制等。第2章计算机网络体系结构与协议选择（5）网络层（networklayer）网络层对数据的大小有限制（把报文划分为分组）；网络层通过路径选择把数据引导到相应的子网上，保证数据在不同子网间的正确传输。其基本任务包括路由选择、拥塞控制与网络互联等功能。使通信子网的数量、类型与拓朴结构对于传输层隐藏。第2章计算机网络体系结构与协议选择（6）数据链路层（datalinklayer）数据链路层负责数据在子网内的正确传输。（采用差错控制和流量控制方法使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。）创建（把分组细分为帧）和管理由网络发送出去的帧。数据链路层把网络层传递来的分组继续加上报头（包括目标网卡和源网卡的硬件地址）和报尾。网卡工作在数据链路层。第2章计算机网络体系结构与协议选择（7）物理层（physicallayer）物理层是OSI参考模型的最低一层，基本功能是保证网络一方可正确接收另一方发送的信息。定义用于传输数据的硬件特性。即定义网络设备物理连接的接口和传输规则。（接口大小、功能、电平高低、编码等）物理层、数据链路层和网络层与具体网络有关，实现通信子网的功能。低3层由硬件实现，高层由软件实现。第2章计算机网络体系结构与协议选择2.2.3OSI环境中的数据的封装与传输过程在网络中，数据都是从源端发出，经过网络传达到目的端。若主机A要与主机B的交换数据，交换过程如图2.6所示：第2章计算机网络体系结构与协议选择图2.6OSI结构中数据的传输与流动过程返回本章首页第2章计算机网络体系结构与协议选择2.3TCP/IP体系结构TCP/IP协议是目前最流行的商业化网络协议，尽管它不是某一标准化组织提出的正式标准，但它已经被公认为目前的工业标准或“事实标准”。因特网之所以能迅速发展，就是因为TCP/IP协议能够适应和满足世界范围内数据通信的需要。TCP/IP协议具有以下几个特点。第2章计算机网络体系结构与协议选择（1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。（2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，以及互联网中。（3）统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都有惟一的地址。（4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。第2章计算机网络体系结构与协议选择与ISO/OSI参考模型不同，TCP/IP体系结构将网络划分为应用层、传输层、互联层、和网络接口层4层2．3．1TCP/IP体系结构的层次划分TCP/IP的分层体系结构与ISO/OSI参考模型有一定的对应关系。第2章计算机网络体系结构与协议选择2.3.2TCP/IP体系结构中各层的功能1、网络接口层在TCP/IP分层体系结构中，最底层是网络接口层，它负责通过网络发送和接收IP数据报。TCP/IP体系结构并未对网络接口层使用权的协议做出强硬的规定，它允许主机连入网络时使用多种现成的和流行的协议，例如局域网协议或其他一些协议。实现OSI的物理层和数据链路层的功能。第2章计算机网络体系结构与协议选择2、互联层互联层是TCP/IP体系结构的第二层，它实现的功能相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务。互联层负责将源主机的报文分组发送到目的的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。第2章计算机网络体系结构与协议选择互联层的主要功能包括：（1）处理来自传输层的分组发送请求。在收到分组发送请求之后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出线。（2）处理接收的数据报。在接收到其他主机发送的数据报之后，检查目的地址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；如目的地址为本节点IP地址，则除去报头，将分组送交给传输层处理。（3）处理互联的路径、流控与拥塞问题。第2章计算机网络体系结构与协议选择3、传输层它的主要功能是负责应用进程之间的端-端（Host-to-host）通信。在TCP/IP体系结构中，设计传输层的主要目的是在互联网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用于会话的端-端连接。因此，它与OSI参考模型的传输层功能相似。第2章计算机网络体系结构与协议选择TCP/IP体系结构的传输层定义了传输控制协议（TCP，transportcontrolprotocol）和用户数据报协议（UDP,userdatagramprotocol）两种协议。TCP协议是一种可靠的面向连接的协议，它允许将一台主机的字节流（bytestream）无差错地传送到目的主机。UDP协议是一种不可靠的无连接协议，它主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成。第2章计算机网络体系结构与协议选择4、应用层在TCP/IP体系结构中，应用层是最靠近用户的一层。它包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。其主要协议包括：（1）网络终端协议（Telnet），用于实现互联网中远程登陆功能；（2）文件传输协议（FTP,filetransferprotocol），用于实现互联网中交互式文件传输功能；第2章计算机网络体系结构与协议选择（3）简单邮件传输协议（SMTPsimplemailtransferprotocol），用于实现互联网中邮件传送功能；（4）域名系统（DNS,domainnamesystem），用于实现互联网设备名字到IP地址映射的网络服务；（5）超文本传输协议（HTTP,bypertexttransferprotocol），用于目前广泛使用的Web服务；（6）路由信息协议（RIP,routinginformationprotocol），用于网络设备之间交换路由信息；第2章计算机网络体系结构与协议选择（7）简单网络管理协议（SNMP,simplenetworkfilesystem），用于管理和监视网络设备；（8）网络文件系统（NFS,networkfilesystem），用于网络中不同主机间的文件共享。应用层协议有的依赖于面向连接的传输层协议TCP（例如Telnet协议、SMTP协议、FTP协议及HTTP协议），有的依赖于面向非连接的传输层协议UDP（例如SNMP协议），还有一些协议（如DNS），既可以依赖于TCP协议，也可以依赖于UDP协议。第2章计算机网络体系结构与协议选择2.3.3TCP/IP的协议组合TCP/IP体系结构与TCP/IP协议栈之间的对应关系如图2.9所示。从图2-9中可以看出，FTP协议依赖于TCP协议，而TCP协议又依赖于IP协议。SNMP协议依赖于UDP协议，而UDP协议也依赖于IP协议返回本章首页第2章计算机网络体系结构与协议选择2.4.1网络互连协议IPIP（InternetProtrol）即网际协议，是应用最广泛的网间互连协议，它定义在网际层，为上层提供不可靠的、尽最大努力完成的、无连接的数据报传输服务。2.4Internet上的IP协议与IP地址第2章计算机网络体系结构与协议选择（1）面向无连接的传输服务。无连接表示每个IP数据包都是独立发送的，而且从源节点到目的节点的一系列数据包可能经过不同的传输路径，有的在传输过程还可能丢失。（2）不可靠的数据投递服务。IP协议本身没有能力证实发送的报文是否被正