第三章--網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

1、第3章 網(wǎng)絡(luò)參考模型本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 本章主要講述了OSI/RM參考模型、TCP/IP參考模型、IPv4與IPv6兩種互聯(lián)網(wǎng)地址體系結(jié)構(gòu)。通過本章學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握以下內(nèi)容： 1.了解什么是網(wǎng)絡(luò)層次模型 2.OSI/RM、TCP/IP模型的分層情況及各層的主要功能 3.能進(jìn)行中小網(wǎng)絡(luò)的IP地址管理劃分 3.1 網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu) 學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過本節(jié)的的學(xué)習(xí)，使同學(xué)們掌握網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)的基本知識，掌握網(wǎng)絡(luò)層次劃分的原則。 本節(jié)重點： 1 、 網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)的基本概念 2、 網(wǎng)絡(luò)層次劃分的原則 3、 常見的網(wǎng)絡(luò)層次模型 本節(jié)難點： 1、 網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)的基本概念 2、 常見的網(wǎng)絡(luò)層次模型一、 網(wǎng)絡(luò)

2、層次體系結(jié)構(gòu)的基本概念 網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)主要包括四個要素： 實體、 系統(tǒng)、 層、 協(xié)議。（智能I/O芯片等的軟件元素（如進(jìn)程等）或硬件元素包含一個或多個實體，具有信息處理和通信功能的整體。通常一個系統(tǒng)總是硬件、軟件兩部分的有機結(jié)合。 是處理復(fù)雜問題的一種結(jié)構(gòu)化技術(shù)。 是在系統(tǒng)中兩實體間完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定的集合協(xié)議又包含三個要素：語法、語義、同步。 二、網(wǎng)絡(luò)層次劃分的原則 1980年，H.Zimmerman提出了網(wǎng)絡(luò)層次劃分的基本原則： (1) 層次適中，當(dāng)必須要有不同級的抽象時，設(shè)立一層。 (2) 界面清晰，當(dāng)所提供的服務(wù)容易描述時，作為層次間的界面，應(yīng)使通過界面的信息量最少

3、。 (3) 當(dāng)某層功能實現(xiàn)技術(shù)明顯地與別層不同時，單獨設(shè)立一層。 (4) 功能相似的放在同一層。(5) 根據(jù)過去成功的經(jīng)驗分層。(6) 功能具有獨立性,并能局部化時，單設(shè)一層。(7) 每層只與上下相鄰層有接口關(guān)系，而與其他層無關(guān)。(8) 對數(shù)據(jù)做不同處理時可分層。 (9)在現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)接口的可用處分層，每層的功能選擇應(yīng)著眼于國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。 三、常見的網(wǎng)絡(luò)層次模型 1. OSI/RM參考模型 OSI標(biāo)準(zhǔn)中采用體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)定義、協(xié)議規(guī)格說明三級抽象，將網(wǎng)絡(luò)分成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層。 2.TCP/IP參考模型 TCP/IP參考模型將網(wǎng)絡(luò)分成：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)

4、層、傳輸層、應(yīng)用層。 LAN參考模型 LAN參考模型是IEEE制定的標(biāo)準(zhǔn)。它將網(wǎng)絡(luò)分成：邏輯鏈路控制層、介質(zhì)訪問控制層、物理層。(1) 邏輯鏈路控制（LLC，Logical Link Contral）層(2) 介質(zhì)訪問控制（MAC，Media Access Contral）層(3) 物理層3.2 OSI參考模型 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解OSI參考模型的層次劃分原則，對OSI中的七層有個簡單的掌握，以及它們之間的聯(lián)系。 本節(jié)重點和難點：OSI參考模型中七層結(jié)構(gòu)及它們之間的聯(lián)系一、OSI參考模型的層次劃分原則：1、層數(shù)應(yīng)足夠多，以避免不同的功能混合在同一層中。2、層次的劃分應(yīng)該有助于制定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的國際標(biāo)準(zhǔn)

5、。3、各層的功能要盡可能具有相對獨立性。4、各層的劃分要便于層與層之間的銜接。5、網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點都有相同的層次，相同的層次具有相同的功能。 6、擴充某一層功能或協(xié)議時，不能影響整體模型的主體結(jié)構(gòu)。7、每一層使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)。二、按照以上的分層原則， OSI/RM模型將整個網(wǎng)絡(luò)分成七層結(jié)構(gòu)，由低層到高層依次是：三、OSI/RM的各層協(xié)議1、 物理層（ physical layer ） 物理層是OSI模型的第一層，對傳輸方式而言，參考模型規(guī)定物理連接可以是全雙工的或半雙工的； 2、 數(shù)據(jù)鏈路層（data link layer ） 數(shù)據(jù)鏈路層是OSI模型的第二層，它控制網(wǎng)絡(luò)層與物

6、理層之間的通信，并對網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)。3、 網(wǎng)絡(luò)層（ network layer ） 網(wǎng)絡(luò)層是OSI模型的第三層，其主要功能是將網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成對應(yīng)的物理地址，并決定如何將數(shù)據(jù)從發(fā)送方路由到接收方。 4、 傳輸層（transport layer ） 傳輸層是整個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分，它利用通信子網(wǎng)提供的服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠、順序、無差錯地從源端傳輸?shù)侥康亩恕?5、 會話層（session layer） 會話層的主要任務(wù)是在傳輸連接的基礎(chǔ)上提供增值服務(wù)，對端用戶間的對話進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。利用分段技術(shù)和拼接技術(shù)來提高數(shù)據(jù)交換的效率。 6、 表示層（presentation layer） 表示層如同應(yīng)用

7、程序和網(wǎng)絡(luò)之間的“翻譯官” 完成信息格式的轉(zhuǎn)換。7、 應(yīng)用層（application layer） 應(yīng)用層是用戶和網(wǎng)絡(luò)的界面，為用戶使用網(wǎng)絡(luò)提供接口或手段。用戶的應(yīng)用進(jìn)程利用OSI提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行通信，完成信息處理；而應(yīng)用層為用戶提供許多網(wǎng)絡(luò)服務(wù)所需要的應(yīng)用協(xié)議。四、OSI/RM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層應(yīng)用層物理連接數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)報頭 數(shù)據(jù)幀報頭 網(wǎng)絡(luò)報頭 數(shù)據(jù) 幀報尾比 特 流消息數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)包（分組）數(shù)據(jù)幀比特流3.3 TCP/IP參考模型 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 掌握TCP/IP參考模型所包括的四個 層次

8、，了解應(yīng)用層中的幾個協(xié)議。 本節(jié)重點和難點： TCP/IP參考模型一TCP/IP背景 1目的：使不同廠家生產(chǎn)的各種型號和運行完全不同的操作系統(tǒng)得計算機互相通信 2起源： 1969，美國 ARPANET 兩個重要協(xié)議： TCP：描述如何在網(wǎng)絡(luò)上建立可靠的，主機對主機的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) IP ：描述如何在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)尋址的標(biāo)準(zhǔn)積極如何進(jìn)行數(shù)據(jù)包的路由 注： 其實TCP/IP不只是兩個協(xié)議，它是一個協(xié)議集。 二、 TCP/IP概述 TCP/IP的核心思想是將使用不同低層協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，在傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層建立一個統(tǒng)一的虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)，以此來屏蔽、隔離所有物理網(wǎng)絡(luò)的硬件差異，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。 TCP /

9、IP參考模型將網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分成四個層次，分別是：鏈路層（又稱網(wǎng)絡(luò)接口層）、網(wǎng)絡(luò)層(IP層)、傳輸層（TCP層）、應(yīng)用層。 三：TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)及協(xié)議組 TCP/IP模型與OSI參考模型相比，更側(cè)重于互聯(lián)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送，而不是嚴(yán)格的功能層次劃分。OSI主要用于理論分析，解釋網(wǎng)絡(luò)通信機制，而TCP/IP則為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層傳輸層Internet層網(wǎng)絡(luò)接口層又稱DoD模式TELNETFTPSMTPDNSRIPSNMPTCPUDPIPARPIGMP ICMP以太網(wǎng)令牌環(huán)幀中繼ATM傳輸介質(zhì)：雙絞線、電纜、光纖等四、TCP/IP參考模型1、鏈路層 鏈路層主要負(fù)責(zé)接收從IP層交來的I

10、P數(shù)據(jù)報并將IP數(shù)據(jù)報通過低層物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，或者從低層物理網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽出IP數(shù)據(jù)報，交給IP層。網(wǎng)絡(luò)接口有兩種類型： 第一種是設(shè)備驅(qū)動程序，如局域網(wǎng)網(wǎng)卡的驅(qū)動程序； 第二種是含自身數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的復(fù)雜子系統(tǒng)。2、網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是負(fù)責(zé)相鄰結(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳送。主要包括三個方面：(1) 處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求 將分組裝入IP數(shù)據(jù)報，填充報頭，選擇去往目的結(jié)點的路徑，然后將數(shù)據(jù)報發(fā)往適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口。(2) 處理輸入數(shù)據(jù)報 首先檢查數(shù)據(jù)報的合法性，然后進(jìn)行路由選擇： 假如該數(shù)據(jù)報已到達(dá)目的結(jié)點（本機），則去掉報頭，將IP報文的數(shù)據(jù)部分交給相應(yīng)的傳輸層協(xié)議； 假如該數(shù)據(jù)報尚未到達(dá)

11、目的結(jié)點，則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報。 (3) 處理ICMP（Internet Control Messages Protocol）報文： 即處理網(wǎng)絡(luò)的路由選擇、流量控制和擁塞控制等問題。3、傳輸層 傳輸層主要功能是在源結(jié)點和目的結(jié)點的兩個進(jìn)程實體之間提供可靠的端到端的數(shù)據(jù)傳輸。 TCP/IP模型提供了兩個傳輸層協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（User Datagram Protocol）。 A、TCP協(xié)議 TCP協(xié)議是一個可靠的面向連接的傳輸層協(xié)議，它將某結(jié)點的數(shù)據(jù)以字節(jié)流形式無差錯投遞到互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺機器上。 B、UDP協(xié)議 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議是一個不可靠的、無連接的傳輸層協(xié)議，UDP協(xié)

12、議將可靠性問題交給應(yīng)用程序解決。UDP協(xié)議主要面向請求/應(yīng)答式的交互式應(yīng)用。4、應(yīng)用層 傳輸層的上一層是應(yīng)用層，應(yīng)用層包括所有的高層協(xié)議。 五、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送應(yīng)用層傳輸層Internet層網(wǎng)絡(luò)接口層DataDataTCPHeaderDataIPHeaderDataCRCTypeSourceDestinationPreamle662MAX=1500bytesPhysical packet Received size=1514bytes(Ethernet II)3.4 IP地址 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1、掌握IP地址的概念和子網(wǎng)掩碼的計算 2、掌握子網(wǎng)的劃分和地址數(shù)計算 3、掌握可變第子網(wǎng)掩碼與

13、地址數(shù)計算 4、了解IP地址分配原則 本節(jié)重點： 1、IP地址的概念和子網(wǎng)掩碼的計算 2、子網(wǎng)的劃分和地址數(shù)計算 3、可變長子網(wǎng)掩碼與地址數(shù)計算 本節(jié)難點： 1、子網(wǎng)的劃分和地址數(shù)計算 2、可變長子網(wǎng)掩碼與地址數(shù)計算一、IP地址1、 IP協(xié)議要求所有參加Internet的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要有一個統(tǒng)一規(guī)定格式的地址，簡稱IP地址。 IP的原始版本是IPv4，32位長由網(wǎng)絡(luò)號（網(wǎng)絡(luò)ID）和主機號（主機ID）兩部分構(gòu)成，每個地址組織成由點分隔的8位數(shù)（如圖），習(xí)慣上每一個8位位組用0255之間的一個十進(jìn)制數(shù)表示。 網(wǎng)絡(luò)# 主機#32 位 1字節(jié) 8位.1字節(jié) 8位.1字節(jié) 8位.1字節(jié) 8位2、 為適應(yīng)大型

14、、中型、小型的網(wǎng)絡(luò)IP地址分配的需要，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)號和主機號的數(shù)量可將IP地址分為五類： A類、B類、C類、D類、E類地址（結(jié)構(gòu)如下圖）A類地址: 用前面8位來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)號，其中規(guī)定最前面一位為“0”，24位標(biāo)識主機地址，即A類地址的第一段取值（也即網(wǎng)絡(luò)號）可以是“0000000101111111”之間任一數(shù)字，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后即為1128之間。主機號除全0、和全1不用，所以它的IP地址范圍為“54”。 A類地址是為大型政府網(wǎng)絡(luò)而提供，因為A地址中有-54和-54這兩段地址有專門用途，所以全世界總共只有126（1127）個可能的A類網(wǎng)絡(luò)。每個A類網(wǎng)絡(luò)最多可以連接16777214臺計算機，這類地址數(shù)是最

15、少的，但這類網(wǎng)絡(luò)所允許連接的計算機是最多的。 用前面16位來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)號，其中最前面兩位規(guī)定為“10”，16位標(biāo)識主機號，也就是說B類地址的第一段“1000000010111111”，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后即為128191之間，第一段和第二段合在一起表示網(wǎng)絡(luò)地址，它的地址范圍為“54”。 B類地址適用于中等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，全世界大約有16000個B類網(wǎng)絡(luò)，每個B類網(wǎng)絡(luò)最多可以連接65534臺計算機。這類IP地址通常為中等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)提供。其中54地址段有專門用途。 B類地址: C類地址: 用前面24位來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)號，其中最前面三位規(guī)定為“110”，8位標(biāo)識主機號。這樣

16、C類地址的第一段取值為“110000011011111”之間，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后即為192223。第一段、第二段、第三段合在一起表示網(wǎng)絡(luò)號，最后一段標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)上的主機號，它的地址范圍為“55”。 C類地址適用于校園網(wǎng)等小型網(wǎng)絡(luò)，每個C類網(wǎng)絡(luò)最多可以有254臺計算機。這類地址是所有的地址類型中地址數(shù)最多的，但這類網(wǎng)絡(luò)所允許連接的計算機是最少的。這類IP地址可分配給任何有需要的人。其中55為企業(yè)局域網(wǎng)專用地址段。 它用于多重廣播組，一個多重廣播組可能包括1臺或更多主機，或根本沒有。D類地址的最高位為1110，第一段八位體為“1110000011101111”，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制即為224239，剩余的位設(shè)計客

17、戶機參加的特定組，它的地址范圍為“55”。 在多重廣播操作中沒有網(wǎng)絡(luò)或主機位，數(shù)據(jù)包將傳送到網(wǎng)絡(luò)中選定的主機子集中，只有注冊了多重廣播地址的主機才能接收到數(shù)據(jù)包。Microsoft支持D類地址，用于應(yīng)用程序?qū)⒍嘀貜V播數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)間的主機上，包括WINS和Microsoft NetShow。 D類地址: E類地址: 這是一個通常不用的實驗性地址，保留作為以后使用。E類地址的最高位為11110，第一段八位體為“1111000011110111”，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制即為240-247。 注：IPv4協(xié)議中對首段位為248254 的地址段暫無規(guī)定。 二、 子網(wǎng)掩碼IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： 每一個使用子網(wǎng)的網(wǎng)點都

18、選擇一個32位的位模式，若位模式中的某位置1，則對應(yīng)IP地址中的某位為網(wǎng)絡(luò)地址（包括網(wǎng)間網(wǎng)部分和物理網(wǎng)絡(luò)號）中的一位；若位模式中的某位置0，則對應(yīng)IP地址中的某位為主機地址中的一位。 子網(wǎng)掩碼與IP地址結(jié)合使用，可以區(qū)分出一個網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)號和主機號。 為了使用的方便，常常使用“點分整數(shù)表示法”來表示一個子網(wǎng)掩碼。由此可以得到A、B、C三大類IP地址的標(biāo)準(zhǔn)子網(wǎng)掩碼。 A類地址： B類地址： C類地址： 思考：在給定了IP地址和子網(wǎng)掩碼的情況下，我們?nèi)绾吻蟮镁W(wǎng)絡(luò)號和主機號呢？ 三、 用定長子網(wǎng)掩碼計算地址空間 定長子網(wǎng)掩碼是指所有的網(wǎng)際網(wǎng)ID部分具有相同的位數(shù)。由于IPv4地址體系中，每個IP地

19、址為32位固定長度，所以采用定長子網(wǎng)掩碼時，有一個顯著的特點： 每個網(wǎng)段可供分配的IP地址數(shù)相同 計算步驟如下：(1) 將所需的子網(wǎng)數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制。7（十進(jìn)制數(shù)）：111（二進(jìn)制數(shù)）(2) 以二進(jìn)制表示子網(wǎng)數(shù)所需的位數(shù)即為向缺省子網(wǎng)掩碼中加入的位數(shù)，這些位數(shù)需要向主機ID借用。111：3位(3) 決定子網(wǎng)掩碼B類地址的標(biāo)準(zhǔn)掩碼為：11111111.11111111.00000000.00000000。借用主機ID的3位以后子網(wǎng)掩碼為：11111111.11111111.11100000.00000000。即。(4) 決定可用的網(wǎng)絡(luò)ID列出附加位引起的所有二進(jìn)制組合：0000 （00000000

20、 ） 00132 （00100000 ） 01064 （01000000 ） 01196 （01100000 ） 100128（10000000） 101160（10100000） 110192（11000000） 111224 (11100000) (5) 決定可用的主機ID范圍 由于主機號全為“1”的網(wǎng)絡(luò)地址用于廣播之用（同時向網(wǎng)上所有主機發(fā)送報文），主機號全為“0”的網(wǎng)絡(luò)地址被解釋成“本”網(wǎng)絡(luò)，所以在列出可用的主機ID時應(yīng)去掉這兩個地址。(6) 為每個網(wǎng)段指定IP地址段四、 可變長子網(wǎng)掩碼與地址數(shù)計算 目前所采用的IP v4地址資源變得相當(dāng)短缺。 為了有效地利用有限的地址資源，出現(xiàn)了變長

21、子網(wǎng)掩碼（VLSM）技術(shù)。實際上子網(wǎng)掩碼的大小不會自己改變，VLSM的意思是不同子網(wǎng)的子網(wǎng)掩碼可能有不同的長度，但一旦子網(wǎng)掩碼的長度確定了，它們就不變了。 這個技術(shù)對于高效分配IP地址，減少路由表的大小非常有用，但是如果使用不當(dāng)可能會造成意想不到的錯誤。五、 IP地址分配的原則 A、 CNNIC對IP地址的管理規(guī)定 中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(China Internet Network Information Center ，CNNIC)是成立于1997年6月3日的非營利管理與服務(wù)機構(gòu)，行使國家互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心的職責(zé)。 作為亞太互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（APNIC）的國家互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)注冊機構(gòu)會員（NIR），CNNIC成立了以CNNIC為召集單位的IP地址分配聯(lián)盟，負(fù)責(zé)為我國的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商（ISP）和網(wǎng)絡(luò)用戶提供IP地址。 CNNIC對IP地址的申請及使用管理做了較為嚴(yán)格的規(guī)定。 B、RFC 1918私有地址塊 1.公有地址與私有地址 I