模塊三網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)模塊三網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議1任務(wù)完成計算機(jī)物理地址的尋找任務(wù)描述：在寄送信件的時候特別注意寫明收件人的地址，一般會具體到街道、門牌號。這樣信件才能準(zhǔn)確地寄送到目的地。在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)，也需要類似于門牌號的地址信息表示目的地，即目的地址。那么網(wǎng)絡(luò)信息的目的地址是如何表示的？信息從發(fā)送端如何到達(dá)目的地址指向的接收端呢？首先要從網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)以及通信協(xié)議學(xué)起。23.1體系結(jié)構(gòu)與OSI1．網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（1）協(xié)議：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由多個互聯(lián)的結(jié)點組成的，結(jié)點之間的通信必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)被稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有三個要素：語義、語法和時序。語義是用于解釋位流每一部分的意義。它規(guī)定了需要發(fā)出何種控制信息，以及要完成的動作與作出的響應(yīng)。語法定義了通信雙發(fā)的數(shù)據(jù)與控制信息的表現(xiàn)形式，即結(jié)構(gòu)與格式。還規(guī)定了數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義。時序是對事件實現(xiàn)順序的詳細(xì)說明，即何時進(jìn)行通信，先發(fā)送什么，再發(fā)送什么，發(fā)送數(shù)據(jù)的速度等。3（2）接口：對網(wǎng)絡(luò)的研究采用了分層次的結(jié)構(gòu)化處理方法，將總體要實現(xiàn)的諸多功能分配在不同的層次中。一個結(jié)點內(nèi)，相鄰層之間必然需要信息的交換，比如低層為高層提供服務(wù)等，所以相鄰層之間進(jìn)行信息交換的連接點稱之為接口。將網(wǎng)絡(luò)層次性結(jié)構(gòu)模型與各層協(xié)議的集合定義為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（NetworkArchitecture）。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究意義：①各層之間相互獨立。②靈活性好。③由于各層獨立，因此每層都可以選擇最為合適的實現(xiàn)技術(shù)。④易于實現(xiàn)與維護(hù)。⑤有益于標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)。42．開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（1）OSI參考模型的概念OSI中的“開放”是指只要遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)，一個系統(tǒng)就可以與位于世界上任何地方、遵循同一標(biāo)準(zhǔn)的其他任何系統(tǒng)進(jìn)行通信。OSI是分層體系結(jié)構(gòu)的一個實例。每一層是一個模塊，用于執(zhí)行某種主要功能，并具有自己的一套通信指令格式（即協(xié)議）。用于相同層的兩個功能之間的通信的協(xié)議稱為對等協(xié)議。5OSI標(biāo)準(zhǔn)的制定采用的是“分而治之”的分層體系結(jié)構(gòu)方法，OSI將整個通信功能劃分為7個層次，分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層6參考模型劃分層次的主要原則是：①網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點都具有相同的層次。②不同結(jié)點的同等層具有相同的功能。③同一結(jié)點內(nèi)相鄰層之間通過接口通信。④每一層可以使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)。⑤不同結(jié)點的同等層通過協(xié)議來實現(xiàn)對等層的通信。7（2）OSI模型的相關(guān)術(shù)語①數(shù)據(jù)單元OSI模型將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分層，網(wǎng)絡(luò)中同一結(jié)點的相鄰層以及不同結(jié)點的對等層之間都需要傳送數(shù)據(jù)，所以O(shè)SI定義了多種類型的數(shù)據(jù)單元來傳送信息。服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ServiceDataUnit,SDU）是OSI模型中某層等待傳送和處理的數(shù)據(jù)單元。協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ProtocolDataUnit，PDU）指的是在對等層傳送的數(shù)據(jù)單元，它通常是將SDU分成若干段，每一段加上報頭，作為一個單獨協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU在水平方向上傳送。在傳輸層上的服務(wù)數(shù)據(jù)單元被稱為報文（Message），網(wǎng)絡(luò)層上的服務(wù)數(shù)據(jù)單元被稱為分組（Packet）。接口數(shù)據(jù)單元（InterfaceDataUnit,IDU）指的是在相鄰層接口間傳送的數(shù)據(jù)單元，它由SDU和一些控制信息組成。89②服務(wù)訪問點相鄰層間的服務(wù)是通過其接口界面上的服務(wù)訪問點（ServiceAccessPoint，SAP）進(jìn)行的，每個SAP都有一個唯一的地址。③服務(wù)原語某一層為其上一層提供的服務(wù)通常是由一組原語（primitive）操作來組成的，用戶進(jìn)程通過這些原語操作可以訪問該服務(wù)。10113．OSI模型的工作過程123.2OSI各層功能介紹1．物理層物理層是OSI參考模型的底層，向下直接與物理傳輸介質(zhì)相連接。該層負(fù)責(zé)實現(xiàn)兩個物理設(shè)備之間二進(jìn)制位流的透明傳輸，即對數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽物理傳輸介質(zhì)的特性。物理層傳輸數(shù)據(jù)的單位是二進(jìn)制位。需要注意物理層并不是指連接計算機(jī)的具體的物理設(shè)備或具體的傳輸媒體。物理層的作用是，盡可能的屏蔽種類繁多的物理設(shè)備或傳輸媒體之間的差異，對上一層層即數(shù)據(jù)鏈路層提供統(tǒng)一的服務(wù)。所以物理層主要關(guān)心的是在連接各種計算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)的位流。13物理層在設(shè)計時涉及的主要問題有：（1）用多大的電壓代表二進(jìn)制“1”或“0”，以及當(dāng)發(fā)送端發(fā)出“1”時，在接收端如何識別出這是二進(jìn)制位“1”而不是二進(jìn)制位“0”。（2）確定連接電纜材質(zhì)、引線的數(shù)目及定義、電纜接頭的幾何尺寸、鎖緊裝置等。（3）指出一個比特信息占用多長時間。（4）采用什么樣的傳輸方式。（5）初始連接如何建立。（6）當(dāng)雙方結(jié)束通信如何拆除連接。142．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層傳輸數(shù)據(jù)的單位是幀（Frame），數(shù)據(jù)幀的幀格式中包括的信息有：地址信息部分、控制信息部分、數(shù)據(jù)部分、校驗信息部分。數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是通過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（即鏈路控制規(guī)程），在不太可靠的物理鏈路上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。為了完成這一任務(wù)，數(shù)據(jù)鏈路層必須執(zhí)行鏈路管理、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能。15數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層提供的基本服務(wù)有：（1）數(shù)據(jù)鏈路建立、維護(hù)與釋放的鏈路管理工作。（2）數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)數(shù)據(jù)單元幀的傳輸。（3）差錯檢測與控制。（4）數(shù)據(jù)流量控制。（5）幀接收順序控制。（6）在多點連接或多條數(shù)據(jù)鏈路連接的情況下，提供數(shù)據(jù)鏈路端口標(biāo)識的識別，支持網(wǎng)絡(luò)層實體建立網(wǎng)絡(luò)連接。163．網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層傳送的數(shù)據(jù)單位是分組（Packet），即數(shù)據(jù)包。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的兩個計算機(jī)之間可能要經(jīng)過許多個結(jié)點和鏈路，也可能經(jīng)過多個路由器連接的通信子網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)就是要選擇最佳的路徑，使發(fā)送結(jié)點的傳輸層所傳下來的報文能夠正確無誤地按照目的地址找到目的結(jié)點的網(wǎng)絡(luò)層，并交付給目的結(jié)點的傳輸層。這就是網(wǎng)絡(luò)層的路由選擇功能。17路由選擇指的是根據(jù)一定的原則和算法在傳輸通路上選出一條通向目的結(jié)點的最佳路徑。路由選擇是廣域網(wǎng)和網(wǎng)際網(wǎng)中非常重要的問題，局域網(wǎng)則比較簡單，甚至可以不需要路由選擇功能。路由選擇的好壞在很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的性能，如網(wǎng)絡(luò)吞吐量（在一個特定的時間內(nèi)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量），平均延遲時間、資源的有效利用率等。一個好的路由選擇應(yīng)有以下特點：（1）信息傳送所用時間最短。（2）使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。（3）通信量均勻。（4）路由選擇算法應(yīng)簡單易實現(xiàn)，不致因拓?fù)涞淖兓?，影響報文正常到達(dá)目的結(jié)點。184．傳輸層傳輸層傳送的信息單位是報文（Message）。傳輸層的基本功能是從會話層接收數(shù)據(jù)報文，封裝后交給網(wǎng)絡(luò)層。傳輸層在發(fā)送較長的報文時，首先把報文分割成若干個報文分組，然后再交給下一層（即網(wǎng)絡(luò)層）進(jìn)行傳輸。另外，傳輸層還負(fù)責(zé)報文錯誤的確認(rèn)和恢復(fù)，以確保信息的可靠傳遞。OSI模型所定義的傳輸層是中間層，是通信子網(wǎng)（下3層）和資源子網(wǎng)（上3層）的分界線。傳輸層屏蔽通信子網(wǎng)的物理差異，完成資源子網(wǎng)中兩結(jié)點的直接邏輯通信，實現(xiàn)通信子網(wǎng)中端到端的透明傳輸，使高層用戶感覺不到通信子網(wǎng)的存在。另外，傳輸層還要處理端到端的差錯控制和流量控制的問題。195．會話層會話層負(fù)責(zé)在發(fā)送結(jié)點和目的結(jié)點之間建立通信鏈接或會話（session），會話層還負(fù)責(zé)管理已經(jīng)在這兩個結(jié)點之間建立起來的通信會話。會話層的另外一個功能是，在發(fā)送結(jié)點向接目的結(jié)點傳送的數(shù)據(jù)流中加入特殊的檢查點。如果結(jié)點之間的連接丟失，這些檢查點就可以發(fā)揮作用。發(fā)送結(jié)點不需要重現(xiàn)發(fā)送所有的數(shù)據(jù)，只需從最近接收到的檢查點處開始的數(shù)據(jù)發(fā)送即可。206．表示層表示層可被認(rèn)為是OSI參考模型中的翻譯器，該層從會話層取得數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換為接收結(jié)點的應(yīng)用層能夠讀取的格式。表示層也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)壓縮。所以，表示層為上層（應(yīng)用層）提供共同需要的數(shù)據(jù)或信息語法的表示變換。7．應(yīng)用層應(yīng)用層是OSI參考模型的最高層，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與最終用戶的界面，為網(wǎng)絡(luò)用戶之間的通信提供專用的程序21OSI層功能應(yīng)用層在程序之間傳遞信息表示層處理文本格式化，顯示代碼轉(zhuǎn)換會話層建立、維持、協(xié)調(diào)通信傳輸層確保數(shù)據(jù)正確發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層決定傳輸路由，處理信息傳遞數(shù)據(jù)鏈路層編碼、編址、傳輸信息物理層管理硬件連接223.3TCP/IP體系結(jié)構(gòu)3.3.1TCP/IP參考模型的發(fā)展1．TCP/IP參考模型的起源在TCP/IP協(xié)議出現(xiàn)后，出現(xiàn)了TCP/IP參考模型。1974年，Kahn定義了最早的TCP/IP參考模型。1985年，Leiner等人對它開展了進(jìn)一步研究。1988年，Clark在參考模型出現(xiàn)后對其設(shè)計思想進(jìn)行了討論。2．TCP/IP協(xié)議的特性（1）開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以免費使用，并且獨立于特定的計算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)。（2）獨立于特定的網(wǎng)絡(luò)硬件，可以運行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互聯(lián)網(wǎng)中。（3）統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)地址分配方案，使得整個TCP/IP設(shè)備在網(wǎng)中都具有唯一的地址。（4）標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務(wù)。233.3.2TCP/IP參考模型TCP/IP參考模型可以分為四個層次：應(yīng)用層（ApplicationLayer）、傳輸層（TransportLayer）、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層（InternetLayer）、主機(jī)—網(wǎng)絡(luò)層（Host-to-NetworkLayer）。241．主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層（又稱網(wǎng)絡(luò)接口層）與OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層相對應(yīng)，它不是TCP/IP協(xié)議的一部分，但它是TCP/IP賴以存在的與各種通信網(wǎng)之間的接口，所以，TCP/IP對該層并沒有給出具體的規(guī)定。2．網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層的主要功能是使主機(jī)可以把分組發(fā)往任何網(wǎng)絡(luò)并使分組獨立地傳向目標(biāo)（可能經(jīng)由不同的網(wǎng)絡(luò)）。3．傳輸層TCP/IP的傳輸層提供了兩個主要的協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP，它的功能是使源主機(jī)和目的主機(jī)的對等實體之間可以進(jìn)行會話。4．應(yīng)用層在TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中并沒有OSI的會話層和表示層，TCP/IP把它都?xì)w結(jié)到應(yīng)用層。253.4TCP/IP協(xié)議棧263.4.1IP協(xié)議IP協(xié)議，即InternetProtocol，網(wǎng)際協(xié)議。規(guī)定了如何對數(shù)據(jù)包進(jìn)行尋址和路由，并且把數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)。還規(guī)定了計算機(jī)在Internet通信所必須遵守的一些基本規(guī)則，以確保路由的正確選擇和報文的正確傳輸。1．IP地址含義及獲得在Internet中為了定位每一臺計算機(jī)，需要給每臺計算機(jī)分配或指定一個確定的“地址”，稱為Internet的網(wǎng)絡(luò)地址。即用Internet協(xié)議語言表示的地址。目前IP地址仍然使用IPv4協(xié)議版本。IPv4的IP地址由32位二進(jìn)制位組成，它邏輯上分成兩個部分，一部分標(biāo)識主機(jī)所屬的網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識），另一部分標(biāo)識主機(jī)本身（主機(jī)標(biāo)識）2728常見的IP地址分為A，B，C三類，與它對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)有時被稱為A類、B類、C類網(wǎng)絡(luò)。A類網(wǎng)絡(luò)用第一個字節(jié)標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)本身，后面三組數(shù)字作為連接于網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)的地址，并且規(guī)定第一個字節(jié)的第一位必須為0。A類IP地址一般分配給國家級網(wǎng)絡(luò)。B類網(wǎng)絡(luò)用第一、二字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)地址，后面兩組數(shù)字代表網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)地址，且第一個字節(jié)的前兩位為10。B類地址一般分配給大型網(wǎng)絡(luò)，如跨國公司的大型網(wǎng)絡(luò)。C類網(wǎng)絡(luò)用前三個字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)的地址，最后一組數(shù)字作為網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)地址，且第一個字節(jié)的前三位為110。C類地址分配給小型網(wǎng)絡(luò)，如大量的局域網(wǎng)和校園網(wǎng)。29（3）IP分組格式網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元是IP數(shù)據(jù)報（IP分組），IP協(xié)議對IP數(shù)據(jù)報的報文格式進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。每個IP數(shù)據(jù)報包含一個頭部和一個正文部分。而IP數(shù)據(jù)報的頭部決定了數(shù)據(jù)報的正確性及是否能被正確傳輸。IP數(shù)據(jù)報的頭部由一個20字節(jié)的定長部分，和一個可選的變長部分構(gòu)成。30版本號4IP分組頭首部長度4服務(wù)類型8總長度16標(biāo)識符標(biāo)志3段偏移13生存時間協(xié)議分組頭校驗和源站地址（發(fā)送IP分組的源主機(jī)IP地址）目的站地址（目的主機(jī)IP地址）任選參數(shù)選項（根據(jù)需要可以改變）填充段（可變，通常用0填入，可使IP分組滿足4字節(jié)長度的整數(shù)倍）313.4.2TCP與UDP協(xié)議1．傳輸控制協(xié)議TCP（TransmissionControlProtocol）TCP協(xié)議提供面向連接的流傳輸，即數(shù)據(jù)傳送前，主機(jī)間必須建立連接，傳送完畢則需要拆除連接，TCP提供從丟失或損壞數(shù)據(jù)中恢復(fù)報文和控制數(shù)據(jù)傳輸速度的功能。TCP也包括根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整到最佳性能的機(jī)制。首先來了解端口和socket地址。①端口客戶必須標(biāo)識要到達(dá)的服務(wù)器，這可由指定服務(wù)器主機(jī)的IP地址和TCP端口號來完成。0～1023端口號為公認(rèn)端口號，用于訪問標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。用戶應(yīng)用程序只能使用大于1023的端口號。32常用協(xié)議對應(yīng)的端口如下：9：Discard丟棄所有新來的數(shù)據(jù)；19：Chargen交換數(shù)據(jù)流20：FTP-DATA文件傳送數(shù)據(jù)端口21：FTP文件傳送對話端口23：TELNET遠(yuǎn)程登錄端口25：SMTP簡單郵件傳送協(xié)議端口103：X400用于X400郵件服務(wù)110：POP3：用于PC郵件服務(wù)80：Web服務(wù)器（HTTP）端口53：域名系統(tǒng)區(qū)域傳送139：NetBIOS會話服務(wù)33②socket地址用戶通信的IP地址和端口的結(jié)合為socket地址。（2）TCP協(xié)議的功能①確保IP數(shù)據(jù)報的成功傳遞。②對程序發(fā)送的大塊數(shù)據(jù)進(jìn)行分段和重組。③確保正確排序以及按順序傳遞分段的數(shù)據(jù)。④通過計算校驗和，進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的完整性檢查。TCP是基于兩個網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的端對端通信。TCP從高層協(xié)議接收需要傳送的字節(jié)流，將字節(jié)流分成段，然后TCP對段編號和排序以便傳遞。3435（4）TCP工作原理TCP經(jīng)過一個連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放的過程來實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸。在兩個TCP主機(jī)交換數(shù)據(jù)之前，必須先建立會話。TCP會話通過三次握手的過程初始化。一旦初始的三次握手完成，在發(fā)送和接收主機(jī)之間按順序發(fā)送和確認(rèn)報文段。關(guān)閉連接之前TCP使用與建立連接類似的握手過程驗證兩個主機(jī)都完成發(fā)送和接收全部數(shù)據(jù)。36①建立連接37②連接拆除382．用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（UserDatagramProtocol）

UDP協(xié)議的幾個特性：（1）UDP是一個無連接協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接，當(dāng)它想傳送時就簡單地去抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上。在發(fā)送端，UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計算機(jī)的能力和傳輸帶寬的限制；在接收端，UDP把每個消息段放在隊列中，應(yīng)用程序每次從隊列中讀一個消息段。（2）由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護(hù)連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺服務(wù)機(jī)可同時向多個客戶機(jī)傳輸相同的消息。（3）UDP信息包的標(biāo)題很短，只有8個字節(jié)，相對于TCP的20個字節(jié)信息包的額外開銷很小。（4）吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機(jī)性能的限制。39403.4.3其他常用協(xié)議1．遠(yuǎn)程登錄協(xié)議（Telnet）Telnet協(xié)議是用來登錄到遠(yuǎn)程計算機(jī)上，并進(jìn)行信息訪問，通過它可以訪問所有的數(shù)據(jù)庫、聯(lián)機(jī)游戲、對話服務(wù)以及電子公告牌，如同與被訪問的計算機(jī)在同一房間中工作一樣，但只能進(jìn)行些字符類操作和會話。2．文件傳輸協(xié)議（FTP）這是文件傳輸?shù)幕緟f(xié)議，有了FT