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第一讲网络通信协议1.网络的分层结构四互联网网络层协议三TCP/IP参考模型一网络的分层结构二OSI参考模型五互联网传输层协议1.1计算机网络定义计算机网络的定义什么是计算机网络是指相互联接的其目的在于实现资源共享的独立自主计算机的集合。严格定义：将地理位置不同、并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享的系统。计算机网络主要功能：1.数据通信2.资源共享3.负荷的均衡/分布处理1.2分层方法引入网络的层次结构为什么要分层？网络现状多种通信媒体——有线、无线不同种类设备——通用、专用不同操作系统不同应用环境不同种类业务相互交织，形成了非常复杂的网络应用环境1.2分层方法引入分层方法的特点：1.对复杂问题处理的基本方法；2.将总体要实现的很多功能分配到不同层次中；3.对每层要完成的服务及服务要求都要明确规定；1.2分层方法引入分层方法的特点（续）：4.上层建立在下层基础上，使用下层提供的服务；5.高层在使用低层提供的服务时，不需要知道低层服务的实现方法。1.3网络分层结构•网络层次模型中的基本概念服务用户服务用户服务提供者服务提供者协议N+1层N+1层N层N层提供服务第1层第1层…………实体：每个层次当中任何可以发送或接收信息的部分。对等层：两个不同系统的同名层次。对等实体：位于不同系统的同名层次中的两个实体。接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。1.4网络协议P3P2P121321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1主机A主机B网络协议分层结构定义：为进行网络中的数据（信息）交换而建立的规则、标准或约定是对等层通信双方关于如何进行通信达成的一致。注意：1.协议是水平的，服务是垂直的2.协议作用在对等实体之间3.不同层有不同的协议4.不同层上的一组协议为协议栈1.5分层结构的特点及原则•层次结构方法的优点–把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于实现和维护–定义并提供了具有兼容性的标准接口–使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块–独立性强——上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务—黑箱方法1.5分层结构的特点及原则•层次结构方法的优点（续）–适应性强——只要服务和接口不变，层内实现方法可任意改变。–一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络，因此每个区域的网络可单独升级或改造。1.5分层结构的特点及原则•分层原则–各层相对独立–层次数量适中–每层具有特定的功能–底层对高层提供的服务与底层如何实现无关–相邻层之间的结构有利于标准化1.6对等层通信实质主任B参谋BB系学员对等层通信的实质1.6对等层通信实质•在网络体系结构中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,ProtocolDataUnit)。•封装：协议给上一层的PDU加上特定的协议头，组成本层PDU的过程。P3P2P121321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1系统A系统B报文报文对等层通信的实质•对等层实体之间虚拟通信•下层向上层提供服务•实际通信在最底层完成1.6对等层通信实质•对等层通信小结数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。由此可知，在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包装多层“信封”。但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。四互联网网络层协议三TCP/IP参考模型一网络分层模型二OSI参考模型2.OSI参考模型五互联网传输层协议2.1OSI参考模型概述1978为开放系统互联成立专门委员会，1980年草拟参考模型协议书，1983年正式批准为国际标准。它是关于如何将开放式系统（即为了与其他系统通信而相互开放的系统）连接起来的模型。2.2OSI参考模型主机A主机B加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路确定分组从源端到目的端如何选路网络层数据链路层2.3OSI参考模型各层功能处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题物理层大量普遍需要的协议完成一些特定功能，不需要让用户自己实现允许不同机器上的用户建立会话主要服务是管理会话从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元传送给网络，使会话层不会受到硬件技术的影响。表示层会话层传输层应用层2.3OSI参考模型各层功能四互联网网络层协议三TCP/IP参考模型一网络分层结构二OSI参考模型五互联网传输层协议3.TCP/IP参考模型3.1TCP/IP参考模型概述Internet的发展历史ARPA网Internet90年代初Internet成为全球范围最大的网络80年代末NSF网60年代末3.1TCP/IP参考模型概述应用层传输层网际层主机至网络层网络层解决了计算机到计算机通信的问题，进行分组交换。因特网在该层的协议主要有网络互联协议IP、网间控制报文协议ICMP、地址解析协议ARP等。负责接收IP数据报，并把该数据报发送到相应的网络上。网际层网络接口层3.2TCP/IP参考模型各层功能因特网在该层的协议主要有文件传输协议FTP，远程终端访问协议Telnet、简单邮件传输协议SMTP和域名服务协议DNS等。传输层提供一个应用程序到另一个应用程序之间端到端的通信，因特网在该层的协议主要有传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP等。会话层传输层3.2TCP/IP参考模型各层功能3.3两种模型的比较独立的协议栈同层功能大致相同共同处OSI区别三个主要观念：服务、接口、协议OSI在协议发明前产生，通用性强；TCP/IP不适用于任何其他协议栈；OSI是7层；TCP/IP为4层；OSI在网络层提供面向连接和无连接两种服务，在传输层提供面向连接服务；TCP/IP在网络层提供无连接服务，在传输层提供面向连接和无连接两种服务。差异3.4TCP/IP中数据封装过程TCP/IP的数据封装过程网络接口层网际层传输层应用层MessagesorStreamsmessageTCP(UDP)headermessageTCP(UDP)headerIPheadermessageTCP(UDP)headerIPheaderFrameheader报文分组IP数据包FCS四互联网网络层协议三TCP/IP参考模型一网络分层结构二OSI参考模型4.互联网网络层协议五互联网传输层协议4.1IP层协议概述IP层协议IP层主要提供不可靠、无连接交付机制的服务。IP层主要协议包括IP协议，ICMP协议及ARP协议。IP协议是TCP/IP模型网络层最重要的协议，是将互联网连接到一起的网络层协议。4.2IP协议•网际协议（IP）是一个网络层协议，它包含寻址信息和控制信息，可使数据包在网络中路由。•IP协议有两个基本任务：提供无连接的和最有效的数据包传送；提供数据包的分割及重组以支持不同最大传输单元大小的数据连接IP协议4.2.1IP报文格式IP协议•IP数据包(Datagram)格式：包头+数据4.2.1IP报文格式•版本(Version)-4bits–目前填4•IHL（包头长度）-4bits–20到60byte，以32bit为单位•服务类型(TypeofService，TOS)-8bits–Precedence(优先级)–0(smallest)~7(highest)–D(lowDelay)–T(highThroughput)–R(highReliability)PrecedenceDTRUnused346501274.2.1IP报文格式•DifferentialServices(DiffServ)重新定义TOS域：CodepointUnused34650127PoolCodepointAssignedby1xxxxx0StandardOrganization2xxxx11LocalorExperimental3xxxx01LocalorExperimental4.2.1IP报文格式•总长度(TotalLength)-16bits–包括包头和数据的长度–以字节为单位，最小20，最大65535。•标识（Identification）-16bits–本数据包所含的切片(Fragment)所属原始完整数据包的识别号码。4.2.1IP报文格式•DF(Don'tFragment)-1bits–本数据包不允许做切片分割，宁可丢弃。•MF(MoreFragment，更多位)-1bits–除了最后一个切片，皆指明还有后续切片。•切片位移(FragmentOffset)-13bits–本数据包所含的切片在所属原始完整数据包的位移–单位：8字节；最大：81924.2.1IP报文格式•存活时间(Time-to-Live，TTL)-8bits–限制数据包在子网络内存活的时间(秒)，最大255秒–每次跳跃，路由器会减去时间，直到减到0时丢弃–实作上多采用跳跃计数(hopcount)，每次跳跃减1•协议(Protocol)-8bits–协议编号，例如TCP、UDP等，参见RFC17004.2.1IP报文格式•包头校验和(HeaderChecksum)-16bits–只检查包头•源地址(SourceAddress)-32bits•目的地址(DestinationAddress)-32bits•选项（option）4.2.2IP地址IP地址•因特网采用一种全局通用的地址格式，为全网的每一网络和每一台主机的每一个端口都分配一个唯一的地址——IP地址。•IPv4-32bit/IPv6-128bit。•每个IP地址都是成对的（netid，hostid）。•同一个物理网络上的主机使用netid相同IP地址。•同一个物理网络上的主机使用netid相同IP地址。4.2.2IP地址北大街东大街住户1住户n……住户1住户m地址：北大街1号地址1：北大街n号地址2：东大街m号住户地址：街道地址＋住户号4.2.2IP地址IP地址的几点说明：•0.0.0.0指的是「这个主机」，只能用在开机•Netid为0，指的是「这个网络」。•Hostid为255，指的是「导引广播」，在netid所指的网络广播。•目的地址255.255.255.255，指的是「限制广播」，在整个局域网络广播。•Netid为127，指的是「环回地址」，供测试自己主机的网络，通常用127.0.0.14.2.2IP地址子网编址为什么要用子网编址IP地址浪费，因此可以借用hostid中的部分作为subnetid，使多个物理子网络共享一个网络前缀。子网编址的实质IP地址＝netid＋subnetid＋hostid通过netid和subnetid来识别一个子网。4.2.2IP地址子网掩码：32bit，识别netid与subnet的相关位为1，其余位为0。[IP地址]与[子网掩码]做AND逻辑运算的结果，为子网编址情况下的网络地址。例如：140.138.144.38主机，子网掩码255.255.254.0，则AND运算后得到140.138.144.0网络140.138.143.25主机，子网掩码255.255.254.0，则AND运算后得到140.138.142.0网络4.2.2IP地址•各类IP地址分配不均。•思想：分配剩余的等级C网络为可变长度的区块无类域间路由（CIDR）起始地址结束地区數量194.0.0.0195.255.255.255欧洲32M198.0.0.0199.255.255.255北美32M200.0.0.0201.255.255.255中南美32M202.0.0.0203.255.255.255亚洲、大洋洲32M204.0.0.0223.255.255.255保留320M4.2.2IP地址•采用无类型和子网编址的好处–降低网络拥塞、可以支持不同的网络技术、可以处理技术上的限制、安全性、减低广播造成的中断、容易管理。•I