【教学课件】第3章网络体系结构与协议.ppt

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1、第3章 网络体系结构与协议,本章内容,知识结构,网络体系结构与协议,体系结构的形成,IP地址与域名,OSI/RM的层次结构,OSI/RM的基本概念,OSI/RM各层的功能,TCP/IP与OSI/RM的比较,开放系统互连/参考模型,域名系统,子网技术,IP编址,网络系统的体系结构,网络系统的层次结构,通信系统的层次结构,OSI/RM的数据传输,TCP/IP的层次结构,TCP/IP的基本概念,TCP/IP各层的功能,TCP/IP协议栈,TCP/IP参考模型,TCP/IP与OSI/RM的不同点,TCP/IP与OSI/RM的共同点,IPv6协议,3.1 网络体系结构的形成,网络体系结构是为了完成计算机

2、间的协同工作，把计算机间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。网络体系结构是网络各层及其协议的集合,所研究的是层次结构及其通信规则的约定。,通信系统的层次结构,为了便于理解，我们以邮政通信系统为例，以此引出计算机网络通信和网络体系结构的概念，这一概念对计算机网络中电子邮件的发送和接收有着重要的参考意义。,网络系统的层次结构,1、网络层次概念 计算机网络是将独立的计算机及其终端设备等实体通过通信线路连接起来的复杂系统。为了实现彼此间的通信，采用的基本方法是针对计算机网络所执行的各种功能，设计出一种网络系统结构层次模型，这个层次模型包括两个方面的内容

3、：将网络功能分解为许多层次,在每个功能层次中，通信双方必须共同遵守许多约定和规程，以免混乱。层次之间逐层过渡，前一层次做好进入下一层次的准备工作。这个层次之间逐层过渡可以用硬件来完成,也可以采用软件方式实现。采用层次结构的目的是使各厂家在研制计算机网络系统时由一个共同遵守的标准。,网络系统的层次结构,2、网络分层结构 计算机之间相互通信涉及到许多复杂的技术问题，而解决这一复杂问题十分有效的方法是分层解决。为此，人们把网络通信的复杂过程抽象成一种层次结构模型，如图3-2所示。,网络系统的层次结构,3、通信规则约定从以上邮政通信过程与网络通信过程分析可知，在一定意义上，它们两者的信息传递过程有很多

4、相似之处。（1）邮政通信与网络通信两个系统都是层次结构,可等价成4层结构的系统。（2）不同的层次有不同的功能任务,但相邻层的功能动作密切相关。（3）在邮政通信系统中,写信人要根据对方熟悉的语言，确定用哪种语言；在书写信封时，国家不同规定也不同。（4）计算机网络系统中,必须规定双方之间通信的数据格式、编码、信号形式；要对发送请求、执行动作及返回应答予以解释；事件处理顺序和排序。,网络系统的体系结构,1、网络体系结构的定义 计算机网络体系结构系统、实体、层次、协议 系统：是计算机网络构成的系统通常是包括一个或多个实体的具有信息处理和通信功能的物理整体。实体：在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体

5、组成。在一个计算机系统中,能完成某一特定功能的进程或程序都可成为一个逻辑实体。层次：是人们对复杂问题的一种处理方法。通常将系统中能提供某种或某类型服务功能的逻辑构造称为层。协议：是指两个实体间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。,网络系统的体系结构,协议通常分为对等层间对话协议和相邻层间的接口协议。网络协议主要由以下三个要素组成：语法。规定如何进行通信，即对通信双方采用的数据格式、编码等进行定义。语义。规定用于协调双方动作的信息及其含义，它是发出的命令请求、完成的动作和返回的响应组成的集合,即对发出的请求、执行的动作以及对方的应答做出解释。时序。规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变

6、化和过程,例如通信双方的应答关系、是采用同步传输还是异步传输等。由此可见:计算机网络体系结构是系统、实体、层次、协议的集合，是计算机网络及其部件所应完成功能的精确定义。,2、网络体系结构的优点计算机网络系统采用层次化网络体系结构具有以下优点。,网络系统的体系结构,3.2 开放系统互联/参考模型,1、问题的提出 OSI是Open System Interconnection 的缩写，意为开放式系统互联参考模型。在OSI出现之前，计算机网络中存在众多的体系结构，其中以IBM公司的SNA和DEC公司的数字网络体系结构最为著名。为了解决不同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组织ISO(注意不要与OS

7、I搞混）于1981年制定了开放系统互连参考模型。OSI/RM标准为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础,“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统都具备互联的能力。,OSI/RM的基本概念,OSI/RM的基本概念,2、定义方法在OSI标准中，采用的是三级抽象：体系结构（Architecture）服务定义（Service Definition）协议规格说明（Protocol Specification）OSI标准可分为三大类型：（1）总体标准：具有总的指导作用；（2）功能标准：为满足特定应用而从基本标准中选择接口关系和通信规则等方面的汇集。（3）应用标准：为基本应用定义层与

8、层之间的接口关系和不同系统之间同层的通信规则。,OSI/RM的层次结构,图 3-3 OSI/RM结构示意图,1、层次结构模型OSI/RM整个网络按照功能划分成7个层次，如图3-3所示。,OSI/RM的层次结构,2、层间通信关系 OSI/RM的最高层为应用层，面向用户提供应用服务；最低层为物理层，连接通信媒体实现数据传输。层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。两个用户计算机通过网络进行通信时,除物理层之外,其余各对等层之间均不存在直接的通信关系，而是通过各对等层的协议来进行通信。比如，两个对等的网络层使用网络层协议通信，只有两

9、个物理层之间才通过媒体进行真正的数据通信。在实际中。当两个通信实体通过一个通信子网进行通信时，必然会经过一些中间结点。一般来说，通信子网的结点只涉及到低3层的结构。,3.2.3 OSI/RM各层的功能,OSI参考模型是一个在制定标准时所使用的概念性框架，没有确切地描述用于各层的协议和服务，也没有提供一个可以实现的方法，它仅仅告诉我们每一层应该做什么，但其本身不含网络体系结构的全部内容。不过，ISO已为各层制定了标准，但它不是参考模型的一部分，而是作为独立的国际标准公布的。1、物理层 定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体

10、上传输。具体涉及接插件的规格、“0”、“1”信号的电平表示、收发双方的协调等内容。,3.2.3 OSI/RM各层的功能,2、数据链路层 比特流被组织成数据链路协议数据单元(帧)进行传输，实现二进制正确的传输。将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。3、网络层 数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。主要解决如何使数据分组跨越各个子网从源地址传送到目的地址的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需

11、要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。,3.2.3 OSI/RM各层的功能,4、传输层（Transport Layer）传输层的主要任务是完成同处于资源子网中的源主机和目的主机之间的连接和数据传输，具体功能是：为高层数据传输建立、维护和拆除传输连接，实现透明的端到端数据传送。提供端到端的错误恢复和流量控制。信息分段与合并，将高层传递的大段数据分段形成传输层报文。考虑复用多条网络连接，提高数据传输的吞吐量。传输层主要关心的问题是建立、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等。它提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”（数据报）两

12、种服务。,3.2.3 OSI/RM各层的功能,5、会话层 会话层的主要任务是实现会话进程间通信的管理和同步,允许不同机器上的用户建立会话关系，允许进行类似传输层的普通数据的传输。会话层的具体功能是：提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以提供单方向会话或双向同时进行会话。在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。6、表示层 表示层的主要任务是完成语法格式转换，在计算机所处理的数据格式与网络传输所需要的数据格式之间进行转换。表示层的具体功能是：,3.2.3 OSI/RM各层的功能,语法变换。表示层接收到应用层传递过来的以某种语法形式表示的

13、数据之后，将其转变为适合在网络实体之间传送的以公共语法表示的数据。具体包括数据格式转换;字符集转换；图形、文字、声音的表示；数据压缩与恢复;数据加密与解密；协议转换等。选择并与接收方确认采用的公共语法类型。表示层对等实体之间连接的建立、数据传输和连接释放。7、应用层 应用层是OSI模型的最高层,是计算机网络与用户之间的界面，由若干个应用进程(或程序)组成，包括电子邮件、目录服务、文件传输等应用程序。,3.2.3 OSI/RM各层的功能,OSI提供的常用应用服务有：目录服务。记录网络对象的各种信息，提供网络服务对象名字到网络地址之间的转换和查询功能。电子邮件。提供不同用户间的信件传递服务，自动为

14、用户建立邮箱来管理信件。文件传输。包括文件传送、文件存取访问和文件管理功能。作业传送和操作。将作业从一个开放系统传送到另一个开放系统去执行；对作业所需的输入数据进行定义；将作业的结果输出到任意系统；对作业进行监控等。虚拟终端。将各种类型实标终端的功能一般化、标准化后得到的终端类型。,OSI/RM的数据传输,1、数据传输单元 在OSI/RM中,被传送的信息称为协议数据单元(PDU)，由数据服务单元和控制信息单元组成。服务数据单元(Service Data Unit，SDU)：用户数据，是上一层传下来的数据单元。协议控制信息(Protocol Control Information，PCI）:本层

15、的控制信息，用来协调本层对等实体之间的通信。PDU、PCI和ICI共同组成了接口数据单元（Interface Data Unit，IDU）。下层接收到IDU后，从IDU中去掉ICI,这时的数据包被称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）；随着SDU一层层向下传送,每一层都要加入自己的信息。当SDU较长时,要分成几段,每段加上本层的控制信息,构成多个PDU。,OSI/RM的数据传输,2、数据传输过程 在OSI中，数据传输的源点和终点要具备OSI参考模型中的7层功能,图3-4表示系统A与系统B通信时数据传输的过程。,图 3-4 OSI中的数据流,OSI/RM的数据传输,数据的

16、实际传递过程,发送方,接收方,OSI/RM的数据传输,3.3 TCP/IP参考模型,1、TCP/IP协议的起源 美国国防部高级研究计划局(ARPA)从20世纪60年代开始致力于研究不同类型计算机网络之间的相互联接问题,并成功开发出了著名的传输控制协议/网际协议（TCP/IP）协议。2、TCP/IP协议的特点 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。独立于特定的网络硬件：可以运行在局域网、广域网,更适用于互联网中。统一的网络地址分配方案：使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的IP地址。标准化的高层协议：可以提供多种可靠的用户服务。,TCP/IP的基本概念,TCP/

17、IP的层次结构,1、结构模型 TCP/IP参考模型分为四层：应用层、传输层、互联层、网络接口层。TCP/IP的结构与OSI结构的对应关系如图3-5所示。,图 3-5 TCP/IP模型与OSI模型对照,TCP/IP的层次结构,TCP/IP协议也采用对等层通信的模式，封装和解除封装也在各层进行。发送方在发送数据时，应用程序将要发送的数据加上应用层头部交给传输层，TCP或UDP再将数据分成大小一定的数据段，然后加上本层的报文头。数据传输如下图所示。,TCP/IP各层的功能,TCP/IP协议栈,1969年美国国防部高级研究计划局（ARPA）按照层次结构思想进行计算机网络模块化研究，开发了一组从上到下单

18、向依赖关系的协议栈（Protocol Stack），也叫做协议族。,3.4 TCP/IP与OSI/RM的比较,TCP/IP与OSI/RM共同点,OSI参考模型和TCP/IP参考模型有很多相似之处：它们都是基于独立的协议栈的概念，而且各层的功能大体相似。,共同点主要体现在5个方面,3.4.2 TCP/IP与OSI/RM的不同点,不同点主要体现在6个方面,虽然OSI和TCP/IP存在着不少的共同点，但也存在很大的区别。,3.5 IP地址和域名,在日常生活中，通信双方借助于彼此的地址和邮政编码进行信件的传递。Internet中的计算机通信与此相类似，网络中的每台计算机都有一个网络地址，发送方在要传送

19、的信息上写上接收方计算机的网络地址信息才能通过网络传递到接收方。基于TCP/IP协议的网络系统中，连接在网络上的每台计算机与设备都被称为“主机”,主机之间的沟通是通过IP地址、子网掩码和IP路由交换这三个“桥梁”实现的。,IP地址,1、IP地址的概念 在Internet网上，每台主机、终端、服务器、以及路由器都有自己的IP地址，这个IP地址是全球唯一的，用于标识该机在Internet网中的位置。IP地址与IP地址的分类如下图所示。,IP地址,2、IP地址的分类 IP地址分为A类、B类、C类、D类和E类共五类。,子网技术,1、子网的划分 虽然网络地址类别的划分为信息传递带来了许多方便,但也带来了

20、一些问题，比如有的单位虽然获取了一个A类地址,但永远不会有16777214台主机,这说明IP地址的设计不尽合理。据统计，有超过半数的B类地址所连接的主机不到50台，而一个B类网络却可以容纳65534台主机,这就意味着有6万多个IP地址被浪费掉了。这种不合理的地址方案一方面造成了极大的地址浪费，另一方面又使IP地址紧缺。为此，将网络按照一定的原则划分为不同的部分，每一部分都是一个独立的逻辑网络,我们将其称为子网(subnetwork).利用子网解决IP地址不合理问题的方案两种。两种方案的具体实现技术分别如图3-10和3-11所示。,子网技术,图 3-10 某校网络IP地址示意图,子网技术,图 3

21、-11 划分子网后的校园网示意图,子网技术,2、子网掩码 子网掩码能分出IP地址中哪些位是网络ID，哪些位是主机ID。通过它和IP地址进行按位“逻辑与（AND）”运算,可以屏蔽掉IP地址中的主机部分，得到IP地址的网络ID。子网掩码的另一个作用是将一个网络ID再划分为若干个子网，以解决网络地址不够的问题。,子网技术,3、IP路由交换 同一个网络区域内的主机可以直接相互通信，而不同网络区域内的主机则无法直接相互通信，必须通过IP路由器进行中转。两个使用TCP/IP协议的网络之间的连接通常依靠IP路由器来完成。例如，利用路由器X和路由器Y来连接甲、乙两个网络的实现如图3-14所示。,图 3-14

22、利用路由器连接甲、乙两个网络,域名系统,1、域名地址 Internet采用了一套和IP地址对应的地址表示方法，称为域名系统(DNS)。DNS使用与主机位置、作用、行业有关的一组字符来表示IP地址，这组字符类似于英文缩写或汉语拼音。2、域名结构 Internet的域名系统和IP地址一样,采用典型的层次结构，每一层由域或标号组成，其结构如下表所示。,域名系统,图 3-21 域名结构示意图,3、域名分配 域名的层次结构给域名的管理带来了方便，每一部分授权给某个机构管理，授权机构可以将其所管辖的名字空间进一步划分，最后形成树形的层次结构，如图3-21所示.,域名系统,4、DNS服务用户使用域名访问In

23、ternet上的主机时,需要通过提供域名服务的DNS服务器将域名解析（转换）成对应的IP地址。,图 3-22 DNS服务器把域名解析为IP地址,域名系统,5、域名管理机构 域名地址由国际组织网络信息中心（NIC）集中管理,统一分配。各级域名的管理权授予相应的机构，各管理机构可以将管辖内的各域进一步划分成若干个子域管理权再授予相应的子机构，以完成所属主机名和主机IP地址的管理。目前全世界共有三个这样的网络信息中心：InterNIC：负责美国及其它地区 ENIC：负责欧洲地区。APNIC：负责亚太地区。亚太地区的地址分配权在亚太地区网络信息中心(APNIC),其总部设在日本东京大学。申请时要考虑申

24、请哪一类IP地址,然后向国内的代理机构提出，现在申请到的IP地址大多为C类地址。,IPv6协议,1、IPv6的研究背景 由于IPv4本身存在一些局限性，因而面临着以下问题。IP地址的消耗引起地址空间不足：IP地址只有32位,可用的地址有限，最多接入的主机数不超过232。IPv4缺乏对服务质量优先级、安全性的有效支持。lPv4协议配置复杂,特别是随着个人移动计算机设备上网、网上娱乐服务的增加、多媒体数据流的加入,以及出于安全性等方面的需求，迫切要求新一代IP协议的出现。为此,互联网工程任务组IETE开始着手下一代互联网协议的制定工作。IETE于1991年提出了请求说明，1994年9月提出了正式草

25、案，1995年底确定了IPng的协议规范,被称为“IPv6”，1995年12月开始进入Internet标准化进程。,IPv6协议,2、IPv6的技术特点 IPv6在技术上做了许多改进,它具有以下5个方面的特点。,IPv6协议,4、IPv6扩展头结构 IPv6将IPv4首部中选项的功能都放在扩展首部中,并将扩展首部留给路径两端的源站和目的站的主机来处理,而数据报途中经过的路由器都不处理这些扩展首部,这样就大大提高了路由器的处理效率。,图 3-23 ipv6数据报格式,3、IPv6数据报格式 IPv6数据报的报头长度为40字节（320位），数据报格式由8部分组成，如图3-23所示。,IPv6协议,

26、5、IPv6的地址表示 IPv6地址有三种格式,即首选格式、压缩格式和内嵌格式。首选格式：在IPv6中,128位地址采用每16位一段，每段被转换成4位十六进制数,并用“：”分隔，结果用所谓的“冒号十六进制数”来表示。例如二进制格式的IPv6地址：每16位分为一段：将每个16位段转换成十六进制数字，用“：”分隔,结果如：21DA:00D3:0000:2F3B:02AA:00FF:FE28:9C5A 压缩格式：用128位表示地址时往往会含有较多0甚至一段全为0,可将不必要的0去掉,即把每个段中开头的零删除。,IPv6协议,这样，上述地址就可以表示为：21DA:D3:0:2F3B:2AA:FF:FE

27、28:9C5A 其实还可以一步简化IPv6地址的表示,冒号十六进制数格式中被设置为0的连续16位信息段可以被压缩为:(即双冒号)。例如 EF70:0:0:0:2AA:FF:FE9A:4CA2可以被压缩为：EF70:2AA:FF:FE9A:4CA2 内嵌格式：这是作为过渡机制中使用的一种特殊表示方法。IPv6地址的前面部分使用十六进制表示,而后面部分使用IPv4地址的十进制表示。例如：或 0:0:0:0:0:ffff或:ffff,IPv6协议,6、IPv6地址的分类 IPv6地址长度为128位，按其传输类型划分为单播、任播和多播三种。取消了原IPv4中的广播。单播地址：用来标识单一网络接口，目标

28、地址是单播地址的数据包将发送给以这个地址标识的网络接口。任播地址：又称泛播地址，用来标识一组网络接口，目标地址是任播地址的数据包将发送给其中路由意义上最近的一个网络接口，地址范围是除了单播地址外的所有范围。多播地址：用来标识一组网络接口，发送到多播地址的数据包发送给本组中所有的网络接口。此外，还有回送或返回地址。这是个测试地址，该地址除最低位是1外，其余的位全是0。,IPv6协议,7、IPv6域名系统的体系结构 IPv6网络中的DNS与IPv4中的DNS在体系结构上是一致的，都是采用树形结构的域名空间。虽然IPv6协议与IPv4协议不同，但并不意味着需要单独设置IPv6 DNS体系和 IPv4 DNS体系。相反，只有是同一体系，才能共同拥有统一的域名空间。也只有这样，在IPv4到IPv6的过渡阶段，域名可以同时对应于多个IPv4和IPv6的地址。总之，IPv6与IPv4相比，在地址空间、地址设定、路由地址构造、安全保密性、网络多媒体等方面有了明显的改进和提高。随着IPv6网络的普及，IPv6地址将逐渐取代IPv4地址。,本章小结,