第三章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系

第三章

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的3個著名標(biāo)準(zhǔn)化組織掌握：ISO的OSI7層參考模型ARPA的TCP/IP四層模型3.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議3.1.1協(xié)議的本質(zhì)網(wǎng)絡(luò)上計算機(jī)和設(shè)備之間相互通信和數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換的整套規(guī)則。3.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議3.1.2協(xié)議的中心任務(wù)語法—如何通信語義—通信內(nèi)容定時—通信的順序、速度等3.1.3協(xié)議的功能和種類協(xié)議的功能分割與重組尋址封裝與拆裝排序信息流的控制差錯控制同步干路傳輸連接控制3.1.3協(xié)議的功能和種類協(xié)議的分類3.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成問題的提出：如何保證要傳送的計算機(jī)數(shù)據(jù)能在這條通路上正確發(fā)送和接收？計算機(jī)文件格式如果不兼容，必須有文件轉(zhuǎn)換的功能對于出現(xiàn)的各種差錯如數(shù)據(jù)錯送錯誤，重復(fù)或丟失，或網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)交換機(jī)出現(xiàn)故障，接收方如何正確的接收數(shù)據(jù)？例：主機(jī)1向主機(jī)2通過網(wǎng)絡(luò)傳送文件假如文件的格式不一樣，至少一個主機(jī)要完成文件的轉(zhuǎn)化，需要一個文件傳送的模塊來完成。文件通過通信設(shè)備進(jìn)行可靠的傳輸，由通信模塊來完成。負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)接口細(xì)節(jié)，幫助通信模塊完成任務(wù)。將文件傳送模塊換成郵件傳送模塊，同樣可以使用各層的功能。分層可以帶來如下好處：（1）各層之間是獨(dú)立的。（2）靈活性好。（3）結(jié)構(gòu)上可分割開。（4）易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。（5）能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。ARPANET設(shè)計時就提出了分層的方法。分層能夠?qū)嫶蠖鴱?fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題。1974年IBM宣布了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA3.2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述為了使不同體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都能互連，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1977年成立了專門機(jī)構(gòu)研究該問題。不久，他們就提出一個試圖使各種計算機(jī)在世界范圍內(nèi)互連成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，即著名的開放系統(tǒng)互連基本參考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，簡稱為OSI。

OSI7層參考模型7應(yīng)用層6表示層5會話層4傳遞層3網(wǎng)絡(luò)層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）提出的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型。它將數(shù)據(jù)從一個站點(diǎn)到達(dá)另一個站點(diǎn)的工作分割成七個不同的任務(wù)，這些任務(wù)按層管理。解決網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用問題解決與網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸問題（無差錯傳輸）解決實(shí)際的信號傳輸1應(yīng)用層確定進(jìn)程之間通信的性質(zhì)以滿足用戶的需要(這反映在用戶所產(chǎn)生的服務(wù)請求)。處理的數(shù)據(jù)單元：報文處理的地址：進(jìn)程標(biāo)識—端口號端口端口是一個軟件結(jié)構(gòu)，被客戶程序或服務(wù)進(jìn)程用來發(fā)送和接收信息。一個端口對應(yīng)一個16比特的數(shù)。服務(wù)進(jìn)程通常使用一個固定的端口，例如，SMTP使用25、Xwindows使用6000。這些端口號是‘廣為人知’的，因?yàn)樵诮⑴c特定的主機(jī)或服務(wù)的連接時，需要這些地址和目的地址進(jìn)行通訊。如果把IP地址比作一間房子

，端口就是出入這間房子的門。真正的房子只有幾個門，但是一個IP地址的端口

可以有65536個之多！端口是通過端口號來標(biāo)記的，端口號只有整數(shù)，范圍是從0

到65535。端口有什么用呢？我們知道，一臺擁有IP地址的主機(jī)可以提供許多服務(wù)，比如Web服務(wù)、FTP服務(wù)、SMTP服務(wù)等，這些服務(wù)完全可以通過1個IP地址來實(shí)現(xiàn)。那么，主機(jī)是怎樣區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)呢？顯然不能只靠IP地址，因?yàn)镮P地址與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的關(guān)系是一對多的關(guān)系。實(shí)際上是通過“IP地址+端口號”來區(qū)分不同的服務(wù)的。端口并不是一一對應(yīng)的需要注意的是，端口并不是一一對應(yīng)的。比如你的電腦作為客戶機(jī)訪

問一臺WWW服務(wù)器時，WWW服務(wù)器使用“80”端口與你的電腦通信，但你的電腦則

可能使用“3457”這樣的端口.表示層表示層關(guān)心的是所傳輸?shù)男畔⒌恼Z法和語義，但其僅完成語法的處理而語義的處理是由應(yīng)用層來完成的。這一層處理數(shù)據(jù)格式化問題，由于不同的軟件應(yīng)用程序經(jīng)常使用不同的數(shù)據(jù)格式化方案，所以數(shù)據(jù)格式化是必需的這一層處理數(shù)據(jù)格式化問題，由于不同的軟件應(yīng)用程序經(jīng)常使用不同的數(shù)據(jù)格式化方案，所以數(shù)據(jù)格式化是必需的這一層處理數(shù)據(jù)格式化問題，由于不同的軟件應(yīng)用程序經(jīng)常使用不同的數(shù)據(jù)格式化方案，所以數(shù)據(jù)格式化是必需的。數(shù)據(jù)壓縮。當(dāng)數(shù)據(jù)格式化后，在文本和數(shù)字中間可能會有空格也格式化了。數(shù)據(jù)壓縮將這些空格刪除并壓緊數(shù)據(jù)，減小其大小以便發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸后，由接收結(jié)點(diǎn)的表示層來解壓縮。會話層組織并協(xié)調(diào)兩個進(jìn)程之間的通話。指定應(yīng)用程序的端口號。會話層允許不同機(jī)器上的用戶建立會話關(guān)系，它主要是針對遠(yuǎn)程訪問目的是完成正常的數(shù)據(jù)交換，并提供了對某些應(yīng)用的增強(qiáng)服務(wù)會話。會話層的主要任務(wù)包括會話管理、傳輸同步以及數(shù)據(jù)交換管理等。會話一般都是面向連接的，例如，當(dāng)文件傳輸?shù)街型緯r建立的連接突然斷了，是從文件的開始重傳還是斷點(diǎn)續(xù)傳，這個任務(wù)由會話層來完成。運(yùn)輸層保證數(shù)據(jù)可靠地從發(fā)送結(jié)點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)。例如，傳輸層確保數(shù)據(jù)以相同的順序發(fā)送和接收，并且傳輸后接收結(jié)點(diǎn)會給出響應(yīng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)使用不同的要求包大小各異的協(xié)議時，將消息分段為較小的單元。網(wǎng)絡(luò)層它解決的是網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間，即網(wǎng)際的通信問題，而不是同一網(wǎng)段內(nèi)部的事。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能即是提供路由，即選擇到達(dá)目標(biāo)主機(jī)的最佳路徑，并沿該路徑傳送數(shù)據(jù)包。除此之外，網(wǎng)絡(luò)層還要能夠消除網(wǎng)絡(luò)擁擠，具有流量控制和擁擠控制的能力。數(shù)據(jù)鏈路層構(gòu)造幀。每一幀均以特定的方式格式化，使得數(shù)據(jù)傳輸可以同步以將數(shù)據(jù)可靠地在結(jié)點(diǎn)間傳送。這一層將格式化數(shù)據(jù)，以便作為幀編碼為傳輸結(jié)點(diǎn)發(fā)送的電子信號，由接收結(jié)點(diǎn)解碼，并檢驗(yàn)錯誤。包含著由地址和控制信息組成的域，物理層在物理媒體上傳輸原始的數(shù)據(jù)比特流。在物理層，傳輸?shù)碾p方應(yīng)該有一致同意的約定，如：媒體信道上有多少條線，相應(yīng)的插頭和插座的機(jī)械形狀和大小，插針的個數(shù)和排列、什么電信號（如多少伏電壓）代表“1”和什么電信號代表“0”，1比特的持續(xù)時間是多長，每個插針或每條線傳輸?shù)氖鞘裁葱盘枺ㄈ珉娫椿驍?shù)據(jù)或控制等）和它們之間應(yīng)按什么順序升起或落下，最初的連接如何建立，傳輸完成后連接又如何終止等等。3.3.2OSI參考模型節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流3.4TCP/IP參考模型3.4.1TCP/IP參考模型概述TCP/IP名稱傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OSI參考模型研究的初衷是希望為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議的發(fā)展提供一種國際標(biāo)準(zhǔn)，但由于Internet在全世界的飛速發(fā)展，使得TCP/IP協(xié)議得到了廣泛的應(yīng)用，雖然TCP/IP不是ISO標(biāo)準(zhǔn)，但廣泛的使用也使TCP/IP成為一種“實(shí)際上的標(biāo)準(zhǔn)”，并形成了TCP/IP參考模型。TCP/IP在不斷發(fā)展的過程中也吸收了OSI標(biāo)準(zhǔn)中的許多概念及特征。

TCP協(xié)議的特點(diǎn)：開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以免費(fèi)使用，并且獨(dú)立于特定的計算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)。獨(dú)立于特定的網(wǎng)絡(luò)硬件，可以運(yùn)行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互連網(wǎng)中。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。

TCP/IP參考模型分層3.4.2TCP/IP協(xié)議簇網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)際層負(fù)責(zé)相鄰節(jié)點(diǎn)之間通信，數(shù)據(jù)分組的邏輯（IP）地址尋址與路由。網(wǎng)際協(xié)議—IPIP協(xié)議向傳輸層提供一種無連接的，不可靠的服務(wù)。這種方式下無法預(yù)先確定數(shù)據(jù)將沿著哪條線路到達(dá)目的地。以“無連接”方式來傳輸數(shù)據(jù)時，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、重復(fù)等現(xiàn)象，其可靠性不高，但優(yōu)點(diǎn)是靈活方便，可實(shí)現(xiàn)線路最大的利用率。網(wǎng)際協(xié)議—IPIP最明顯的一個功能是能使報文送到特定目的地。連接源和目的地網(wǎng)絡(luò)中的路由器和交換機(jī)使用目的IP地址確定經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑。相似的，IP報文也包括源機(jī)器地址。源地址的出現(xiàn)是因?yàn)槟康臋C(jī)可能會和源機(jī)通信。網(wǎng)際協(xié)議—IP網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP它是TCP/IP協(xié)議族的一個子協(xié)議，用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。

我們在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常會使用到ICMP協(xié)議，只不過我們覺察不到而已。比如我們經(jīng)常使用的用于檢查網(wǎng)絡(luò)通不通的Ping命令（Linux和Windows中均有），這個“Ping”的過程實(shí)際上就是ICMP協(xié)議工作的過程。還有其他的網(wǎng)絡(luò)命令如跟蹤路由的Tracert命令也是基于ICMP協(xié)議的。地址解析協(xié)議ARP在局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際傳輸?shù)氖恰皫?，幀里面是有目?biāo)主機(jī)的MAC地址的。在以太網(wǎng)中，一個主機(jī)要和另一個主機(jī)進(jìn)行直接通信，必須要知道目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。但這個目標(biāo)MAC地址是如何獲得的呢？它就是通過地址解析協(xié)議獲得的。所謂“地址解析”就是主機(jī)在發(fā)送幀前將目標(biāo)IP地址轉(zhuǎn)換成目標(biāo)MAC地址的過程。ARP協(xié)議的基本功能就是通過目標(biāo)設(shè)備的IP地址，查詢目標(biāo)設(shè)備的MAC地址，以保證通信的順利進(jìn)行。

逆向地址解析協(xié)議RARP就是將局域網(wǎng)中某個主機(jī)的物理地址轉(zhuǎn)換為IP地址，比如局域網(wǎng)中有一臺主機(jī)只知道物理地址而不知道IP地址，那么可以通過RARP協(xié)議發(fā)出征求自身IP地址的廣播請求，然后由RARP服務(wù)器負(fù)責(zé)回答。

傳輸層TCP服務(wù)提供了數(shù)據(jù)流傳輸、可靠性、有效流控制、全雙工操作和多路復(fù)用技術(shù)等。TCP通過面向連接的、端到端的可靠數(shù)據(jù)報發(fā)送。UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)。UDP協(xié)議基本上是IP協(xié)議與上層協(xié)議的接口。UDP協(xié)議適用端口分辨運(yùn)行在同一臺設(shè)備上的多個應(yīng)用程序。端口、套接字套接字：IP地址、服務(wù)類型(TCP\UDP)以及應(yīng)用程序監(jiān)控的端口組成IP+端口號應(yīng)用層使用TCP傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議遠(yuǎn)程登錄協(xié)議Telnet超文本傳輸協(xié)議Http簡單郵件協(xié)議SMTP郵件代理協(xié)議POP3文件傳輸協(xié)議FTP應(yīng)用層使用UDP傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMPTFTPRPC應(yīng)用層使用TCP和UDP傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議DNS3.5TCP/IP協(xié)議的基本參數(shù)在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，每個主機(jī)都有唯一的地址，它是通過IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。IP協(xié)議要求在每次與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)建立連接時，每臺主機(jī)都必須為這個連接分配一個唯一的32位地址，因?yàn)樵谶@個32位IP地址中，不但可以用來識別某一臺主機(jī)，而且還隱含著網(wǎng)際間的路徑信息。需要強(qiáng)調(diào)指出的，這里的主機(jī)是指網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點(diǎn)，不能簡單地理解為一臺計算機(jī)，實(shí)際上IP地址是分配給計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器（即網(wǎng)卡）的，一臺計算機(jī)可以有多個網(wǎng)絡(luò)適配器，就可以有多個IP地址，一個網(wǎng)絡(luò)適配器就是一個節(jié)點(diǎn)。IP地址的直觀表示法點(diǎn)分十進(jìn)制標(biāo)記法將4B的二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換成4個十進(jìn)制數(shù)值每個十進(jìn)制數(shù)值小于等于2554個十進(jìn)制數(shù)值間用“.”隔開IP地址的結(jié)構(gòu)(1)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識ID

網(wǎng)絡(luò)ID用于辨認(rèn)子網(wǎng)，同一子網(wǎng)上的所有TCP/IP主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)ID都相同。(2)主機(jī)ID主機(jī)ID用于辨認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的每一個主機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)類型網(wǎng)絡(luò)ID主機(jī)ID每一個利用TCP/IP通信的主機(jī)都需要一個唯一的IP地址，IP地址都被分成網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址兩部分，這種尋址策略有些類似街道（網(wǎng)絡(luò)地址）和門牌號（主機(jī)地址）。如下圖：IP地址的分類IP地址的類型定義了網(wǎng)絡(luò)ID使用哪些位，主機(jī)ID使用哪些位，同時也定義了每類網(wǎng)絡(luò)中包含的網(wǎng)絡(luò)數(shù)目和每類網(wǎng)絡(luò)中可能包含的主機(jī)數(shù)目。表1表明了各類IP地址的定義及網(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID字段的取值范圍。下表歸納了A、B、C三類網(wǎng)絡(luò)的IP地址取值范圍。

網(wǎng)絡(luò)類別、網(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID字段的取值范圍網(wǎng)

絡(luò)

類

別IP地址網(wǎng)絡(luò)ID主機(jī)ID網(wǎng)絡(luò)編號(W)的取值范圍主

機(jī)

個

數(shù)AW.X.Y.ZWX.Y.Z1～126約1700萬BW.X.Y.ZW.XY.Z128～19165000CW.X.Y.ZW.X.YZ192～223254

網(wǎng)

絡(luò)

類

別網(wǎng)絡(luò)編號(W)的取值范圍網(wǎng)

絡(luò)

個

數(shù)主

機(jī)

個

數(shù)A1.X.Y.Z～126.X.Y.Z126約1700萬個B128.X.Y.Z～191.X.Y.Z1638465000C192.X.Y.Z～223.X.Y.Z約200萬個254

A、B、C三類網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)取值范圍特殊IP地址的使用本網(wǎng)地址全‘0’廣播地址1.直接廣播主機(jī)向其他網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)廣播信息構(gòu)成：一個有效的網(wǎng)絡(luò)號和一個全“1”的主機(jī)號舉例：55發(fā)送直接廣播前需要知道目的網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號2.有限廣播(1)將廣播限制在最小的范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的IP編址：廣播將被限制在本網(wǎng)絡(luò)之中子網(wǎng)編址：廣播被限制在本子網(wǎng)之中(2)構(gòu)成：55(3)發(fā)送