交换与路由实用配置技术第1章——网络技术基础知识

交换与路由实用配置技术第1章——网络技术基础知识第1页共42页第1章网络技术基础知识1．1OSI/RM参考模型1.1.1OSI/RM的形成谈到网络不能不谈OSI/RM参考模型，虽然OSI/RM参考模型的实际应用意义不是很大，但对其正确的理解可以更好地理解网络系统的工作，同时对于学习TCP/IP协议体系也有着重要的意义。经过20世纪60年代的发展，组建网络的技术、方法和理论日趋成熟。为了促进网络产品的开发和对网络市场的占有，各大计算机企业纷纷制定自己企业的网络技术标准。IBM公司首先于1974年推出了本公司的系统网络体系结构（SystemNetworkArchitecture，SNA），在IBM公司的主机环境中得到广泛的应用。DEC公司也在20世纪70年代末开发了数字网络体系结构（DigitalNetworkArchitecture，DNA），适用于NEC公司计算机系统和网络产品的组网建设，其后又有多家公司纷纷推出自己企业的网络标准。但是这些网络技术标准只在一个企业标准的网络范围内有效，也就是说由于各个企业的网络体系结构和标准各不相同，所以导致按照不同企业标准建设的网络之间不能互联。这就好比中国的道路是按照中国的标准进行建设（右行），而英国的道路是按照英国的标准进行建设（左行），中国的道路与英国的道路由于标准不一，而无法进行互通，如图1.1。图1.1道路标准不同无法互通针对上述的情况，为了解决不同体系结构、不同标准的网络互联问题，国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）于1977年设立专门的机构研究上述问题，并于1981年制定了开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI/RM）。作为国际标准，OSI/RM规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI/RM的网络通信产品都是所谓的开放系统，也就是意味着可以与其他网络系统进行互联。今天，几乎所有网络厂商的产品都是开放系统，不遵从国际标准的产品逐渐失去了市场。这种统一的标准化产品互相竞争的市场促进了网络技术的进一步发展。1.1.2OSI/RM层次结构1．网络分层的必要性相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。比如说两台计算机之间通过网络系统连接进行通信，以下简单罗列一些计算机网络需要考虑的问题：交换与路由实用配置技术第1章——网络技术基础知识第2页共42页z需要解决传输线路的问题。z需要解决数据传输过程中信号编码的问题。z需要解决从源到宿的寻址问题。z需要解决传输出现错误的问题。z需要解决网络出现拥塞的问题。z需要解决网络路由选择的问题。z需要解决数据表示的问题。z需要解决向用户提供应用的问题。从以上可以看出，网络的通信过程极其复杂，解决复杂问题的昀好方法就是将“大”问题分解为“小问题”，而这些较小的问题就比较易于研究和处理，而这些较小的问题可以通过软件、硬件或软硬件的结合来解决，这些软硬件可以简单理解为功能模块，或者也可以称之为软硬件功能实体，具体情况如图1.2所示。功能模块1去解决问题1，功能模块2去解决问题2，功能模块3去解决问题3，以此类推，功能模块1可能是硬件也可能是软件，对于功能模块2、3也是同样道理，它们到底是软件还是硬件暂且不论，需要关心的只是这些功能模块可以解决网络传输中的部分问题。而这些功能模块中，有些功能模块必须在其他功能模块先实现的基础上才能实现，比如说，要实现功能模块2去解决问题2，就必须先实现功能模块1去解决问题1，这样就形成了功能模块的分层结构。图1.2网络分层原理2．OSI/RM的层次结构OSI/RM是一个开放性的通信系统互连参考模型，OSI/RM有7层结构，如图1.3。图中简单介绍了这七层及其需要解决的问题。图1.3OSI/RM交换与路由实用配置技术第1章——网络技术基础知识第3页共42页在这个OSI/RM七层结构中，每一层都通过服务访问点（ServiceAccessPoint，SAP）为其上一层提供服务，这种服务是垂直的。3．OSI/RM的数据封装拆封(1)数据封装过程具体的数据封装过程如图1.4。图1.4源主机数据封装过程在OSI/RM中，如果一台主机需要传送用户的数据时，数据首先通过应用层的接口进入应用层，在应用层中，应用层功能实体给数据加上应用层首部AH，形成应用层协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU），然后递交到下一层表示层。表示层并不关心上层应用层的数据格式，而是把整个应用层递交的数据看成一个整体进行封装，通过表示层实体加上表示层首部PH，然后递交到下一层会话层。同样，会话层、传输层、网络层、数据链路层也都要分别给上层递交下来的数据加上自己的首部。它们是会话层首部SH、传输层首部TH、网络层首部NH和数据链路层首部DH，其中，数据链路层还要给网络层递交下来的数据加上数据链路层尾部DT，昀终形成一帧数据，即数据帧。当这一帧数据进入物理层的时候，物理层实体将该帧数据进行数据编码，转换为可以在物理链路传输的比特流，并进行传输。(2)数据拆封过程图1.5目的主机数据拆封过程其过程与数据封装的过程相反，如图1.5所示。当比特流通过物理链路传送到目的主机的物理层时，该主机的物理层将比特流解码后，恢复出一帧数据，然后把它递交到上一层数据链路层，数据链路层负责检查、判断数据帧的首部DH和尾部DT，然后去掉首部和尾部，递交到上一层网络层。交换与路由实用配置技术第1章——网络技术基础知识第4页共42页同样，网络层、传输层、会话层、表示层、应用层也要做类似的工作，昀终，原始数据被递交到目的主机的具体应用程序中。(3)数据传输过程中的封装和拆封过程图1.6网络互联设备的数据封装和拆封过程由于网络中很少会出现源主机与目的主机直接连接的情况，源主机和目的主机之间需要通过网络互联设备才能进行通信，这些网络互联设备工作于OSI/RM的不同层次，例如，数据链路层设备会检查数据链路层封装DH和DT，然后进行处理转发，而网络层设备不光要检查数据链路层封装DH和DT，还要检查网络层封装NH，然后进行处理转发，以此类推，昀终到达目的主机，如图1.6所示。其中数据链路层设备主要有网桥、交换机，网络层设备主要有路由器和三层交换机。4．协议和协议三要素(1)协议的概念从上面数据封装和拆封的过程中可以很容易地理解，发送方的各层实体在各层加上的首部，到达接收方后，接收方的各层实体必须可以正确地理解首部，比如说，发送方网络层实体添加的NH首部有一定的格式、含义和信息，那么网络中转发设备的网络层实体、目的主机的网络层实体必须能够对这样的NH首部进行正确的理解，那么可以称为两个对等层实体遵循相同的协议。协议是控制两个对等层实体进行通信的规则的集合。协议是“水平的”，即协议是控制对等层实体之间通信的规则，如图1.7。交换与路由实用配置技术第1章——网络技术基础知识第5页共42页图1.7对等层遵循相同的协议同样也可以认为网络中的计算机与计算机、计算机与网络设备之间要想正确地传送数据，必须在数据传输的顺序、数据的格式及内容等方面有一个约定或规则，这种约定或规则称为协议。特别强调的是，协议昀大的特点就是水平性，即对等层的双方实体遵循相同的协议。注意，协议是“水平”的，而服务是“垂直”的。(2)协议的三要素协议所具有的三个要素是：z语法：数据与控制信息的结构和格式。z语义：数据传输中控制信息的含义。z时序：实现数据传输的详细顺序和步骤。以下以两个人相互打招呼（双方数据通信）来理解协议的三个要素。甲向乙说：“你好吗？”，这个句型就是语法，不能说：“吗好你？”甲说的“你好吗？”，表达的一种问候的含义，这就是语义，乙不能认为是其他的含义。甲先说“你好吗？”，然后才和乙进行交谈，昀后说“再见”，这就是时序，而不能先说“再见”，然后才进行交谈。1.2TCP/IP协议体系从上面OSI/RM的数据封装、拆封的工作情况可以看出，OSI/RM过于庞大和复杂，在实际的网络中并不适用，而真正在网络中实用的标准却是TCP/IP协议体系，也可以这么认为OSI/RM是理论上的网络标准，而TCP/IP协议体系是实际使用的网络标准。TCP/IP协议体系是70年代中期美国国防部为其高级研究项目专用网络（AdvancedResearchProjectsAgencyNetwork，ARPANet）开发的网络体系结构和协议标准，以它为基础组建的Internet是目前世界上规模昀大的计算机互联网络，正因为Internet的广泛使用，使得TCP/IP协议体系成为了事实上的标准。TCP/IP协议体系是网络中使用的昀基本的通信协议集合，虽然从名字上看TCP/IP包括两个协议，传输控制协议TCP和网际协议IP，但TCP/IP协议体系实际上是一组协议，它包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP、TFTP等许多协议，这些协议一起称为TCP/IP协议体系，或者称为TCP/IP协议栈、TCP/IP协议族，而这些协议都是由Internet体系结构委员会（InternetArchitectureBoard，IAB）作为Internet标准发布的协议。1.2.1TCP/IP协议体系的层次结构TCP/IP协议体系和OSI/RM的对比示意图如图1.8。交换与路由实用配置技术第1章——网络技术基础知识第6页共42页图1.8OSI/RM与TCP/IP协议体系的对比TCP/IP协议体系将网络划分为四个层次，分别是网络接口层、网络互联层、网络传输层、应用层。但从实质上讲，TCP/IP协议体系只有三层，即网络互联层、网络传输层、应用层，因为昀下面的网络接口层并没有什么具体内容和定义，这也意味着各种类型的物理网络都可以纳入到TCP/IP协议体系中，这也是TCP/IP协议体系流行的一个原因。网络不可能离开物理网络——物理层而存在，因此为了便于实际的分析，通常在TCP/IP协议体系的基础上结合OSI/RM，将网络分为物理层、数据链路层、网络互联层（即网络层）、网络传输层（即传输层）和应用层。下面分别简单介绍各层的主要功能。(1)应用层：应用层是TCP/IP体系结构中的昀高层。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要（这反映在用户所产生的服务请求）。(2)传输层：传输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文。(3)网络层：网络层负责为不同网络中的不同主机之间提供通信。在网络层，数据的传送单位是分组或数据包。在TCP/IP体系中，网络层的分组叫作IP数据包。(4)数据链路层：数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传输帧，每一帧包括数据和必要的控制信息。数据链路层的目的就是把一条有可能传输中出现差错的物理链路，转变成为从网络层向下看去是一条不出差错的数据链路。(5)物理层：物理层的任务就是透明地传送比特流，并提供各种物理层标准的网络接口。1.2.2TCP/IP协议体系的协议分布前面已经提到TCP/IP协议体系是用于计算机通信的一组协议，而并非几个协议，具体的部分协议分布情况如图1.9所示。图1.9TCP/IP协议体系的部分协议分布表1.1是TCP/IP协议体系中一些常见协议的说明。表1.1TCP/IP协议体系中常见协议协议/标准/规范名称中文含义FTP（FileTransferProtocol）文件传输协议TELNET远程终端登陆HTTP（HyperTextTransferProtocol）超文本传输协议SMTP（SimpleMailTransferProtocol）简单邮件传输协议POP（PostOfficeprotocol）邮局协议DNS（DomainNameSystem）域名系统SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol）简单网络管理协议TFTP（TrivialFileTransferProtocol）简单文件传输协议NTP（NetworkTimeProtocol）网络时间协议交换与路