第2讲 计算机网络的体系结构与通信协议

计算机网络基础与应用浙江商业职业技术学院信息技术系网络由什么组成？你在我们教室看到了什么？或者你家里有什么和网络有关的？学生回答！网络的组成（看得见的硬件）通信设备、线路（通信子网）通信设备：集线器、交换机、路由器、ADSLModem，包括程控交换机等通信线路：双绞线、电话线、光纤、无线电波等资源子网中的硬件硬件：主机、服务器、工作站、终端等网络的组成（还有看不见的东西）网络操作系统等软件网络的组成（还有Protocol)返回通信协议的一个比喻要完成的任务－－通信：杭州的老总A要告诉北京的老总B：货已发出。A用中文写好信；把信交给秘书；秘书把信投进邮筒；邮局根据收信人地址选择好信件的传递路线；把信件打包后交给火车站；火车站负责把信件运输到北京；北京的火车站收到信件后，以后的步骤是什么？B怎么收到信息？分析上述例子目的：通信是怎么完成的通信？每个人遵守一定的规则–A按一定的格式写好信–秘书在信封上填好地址–邮局根据邮件的处理方法发送邮件–铁路有自己的运作方式以上每个人协同工作，相互依赖，完成同一件事：通信每个人又相互独立–明确分工–秘书只需要知道把信投到邮筒就行了–邮递员不需要会开火车分析上述例子甲地乙地运输部门间约定邮局间约定用户间约定邮局/运输部门约定运输部门运输部门邮局：B收信人：乙发件人：甲用户/邮局约定邮局：A图2-1邮政系统分层模型分析上述例子计算机网络的体系结构计算机网络的目的是实现网络系统中的资源共享，所以网上各系统之间要不断地进行数据交换，但不同的系统可能使用完全不同的操作系统，或采用不同标准的硬件设备等，差异很大。为了使不同厂家、不同结构的系统能够相互通信，通信双方必须遵守共同、一致的规则和约定，如通信过程的同步方式、数据格式、编码方式等，否则，通信是毫无意义的。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。由于通信功能是分层实现的，因而进行通信的两个系统就必须具有相同的层次结构，如图所示。两个不同的系统上的相同层称为同等层或对等层。通信在对等层上的实体之间进行，双方实现第n层功能所遵循的共同规则，被称为第n层协议。计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。计算机网络的体系结构计算机通信协议（Protocol）目的：完成计算机通信（communicate）什么是协议：为了计算机能通信而制定的一组规则规则规定了不同设备应该如何协同工作以保证把数据传输到对方有什么通信协议？•TCP/IP•IPX/SPX•NetBEUI•AppleTalk•、、、、、、•你也可以制定一个！OSI模型描述了通信过程中不同设备的功能实际上也规定了不同设备之间如何协同由ISO（国际标准化组织）提出确定网络设备的标准分层通常是解决复杂问题的好方法分层意味着分工分层的3大优点：-各层之间独立，一层变化不影响其他层-易于实现和维护-有利标准化：不同厂家的设备可以共存分层物理层（Physical）负责0和1的传送:1.使用什么传输介质？2.0和1在线路上如何表示？3.线的接头是什么样的？4.机械、电气、功能特性等。比喻：信是用火车拉还是汽车拉？数据链路层（DataLink）介质访问控制帧的封装:将传输数据增加同步信息、校验信息及地址信息后封装成数据帧。差错检测–检错，不纠错–循环冗余校验：一种算法而已介质访问控制方法–同一线路有多台计算机要访问，要避免冲突比喻：邮局会在信上盖上邮戳网络层（Network）1.定址：数据是谁发送的、发给谁？如何表示不同的计算机？例如：IP地址（类似我们的通信地址）。2.选择最佳路径将信息从最合适的路径传送到接收端。比喻：信从什么线路送到北京？从A到C有什么路径？传输层（Transport）提供可靠（或者不可靠）的端到端服务。流量控制。比喻：秘书发现对方没收到信，会再发一封？会话层（Session）1.允许用户在设备之间建立、维持和终止会话。2.管理会话。3.举例：元首之间的会晤，先派人谈好议事规则会话层（Session）表示层（Presentation）对数据进行编码数据压缩数据的加密比喻：信用中文还是英文写？应用层（Application）实际的协议：http、ftp作为用户应用程序与网络间的接口。使用户的应用程序能够与网络进行交互式联系。数据封装对等层通信数据协议单元(PDU)：１．应用层、表示层、会话层：数据（Data）２．传输层：段（Segment）３．网络层：包（Packet）４．数据层：帧（Frame）５．物理层：位（Bit）TCP/IP参考模型（DOD模型）应用层传输层网际层网络访问层TCP/IP是互联网上事实上的标准协议DOD：美国国防部OSI七层模型和DOD四层模型对比TCP/IP协议集（一组协议）物理层传输介质物理层的设备（中继器、集线器）数据链路层解决介质访问冲突：采用CSMA/CD帧的封装冲突冲突产生的原因：因为大家共享介质产生冲突的解决办法：CSMA/CDCSMA/CD的工作原理–先听后发–边听边发–冲突等待–随机重发CSMA/CD详细流程帧的封装Preamble：同步位Destination：目的MACSource：源MACType：帧的类型Data：数据FCS：帧校验位安装抓包软件ethereal选择网卡开始抓包查看帧（Frame）网络层的知识IP地址路由器IP地址的作用IP地址的作用：如同电话号码，标识不同的计算机Internet上的计算机IP地址要惟一共32bit10000000000010110000001100011111有谁能记住？IP地址表示法：点分十进制记法–首先将32Bits的IP地址分成4段：•例：10000000000010110000001100011111–将各段的二进制数值转化为十进制•写成：128.11.3.31•计算机世界网址：61.135.135.5•是不是容易一些了？–层次型的地址：和电话号码的区号类似，否则无法寻址–网络地址：位于IP地址的前段，用来识别所属网络，相当于电话号码的区号。–主机地址：位于IP地址的后段，用来识别网络上的不同设备，相当于市内的电话号码。网络号主机号IP地址的组成IP地址的组成–问题：哪一部分是网络地址、主机地址？–解决问题的方法：分类–IP地址分类：A、B、C、D、E类等。–我们只介绍A,B,C类，其余的在高级课程介绍IP地址的分类ClassA：以0开头的IP地址范围:(网络地址和主机地址不能全部为0或全部为1)00000001.00000000.00000000.0000000101111111.11111111.11111111.11111110即1.0.0.1到127.255.255.254网络数量：全世界只有126个（1-126）？？每个网络的主机数量：224-2=16777214A类IP地址ClassB:以10开头的IP地址范围:(网络地址和主机地址不能全部为0或全部为1)10000000.00000000.00000000.0000000110111111.11111111.11111111.11111110即128.0.0.1到191.255.255.254网络数量：214＝16384每个网络的主机数量：216-2=65534B类IP地址ClassC:以110开头的IP地址范围:(网络地址和主机地址不能全部为0或全部为1)11000000.00000000.00000000.0000000111011111.11111111.11111111.11111110即192.0.0.1到223.255.255.254网络数量：221＝2097152每个网络的主机数量：28-2=254C类IP地址快速判断IP地址的类型：A类:1-126（127也被保留了，127.0.0.1）B类:128-191C类:192-223IP地址类别的判定特殊的IP地址–1、主机地址全零代表整个网络•192.168.1.0代表网络本身–2、主机地址全1代表网络上的全部设备，也称广播地址•192.168.1.255–3、网络地址与主机地址全1也称为广播，指世界上所有主机。•255.255.255.255–4、私有地址•10.0.0.0－－10.255.255.255•172.16.0.0－－172.31.255.255•192.168.0.0－－192.168.255.255IP地址规划与子网划分当我们在网络层采用IP协议组建一个IP网时，必须要为网络中的每一台主机分配一个唯一的IP地址，这就必然要涉及网络规划网络规划步骤：首先分析网络规模；其次确定使用公用地址还是私有地址，并根据网络规模确定所需要的网络号类别；最后根据可用的地址进行主机IP地址的分配。IP地址与子网子网划分的基本概念为解决IP地址资源短缺，同时也为了提高IP地址资源的利用率，引入了子网划分技术。子网划分：是指由网络管理员将一个给定的网络划分为若干和更小的部分，即子网。为了创建子网，网络管理员需要从原有的IP地址的主机位中借出连续的高若干位作为子网络标识IP地址与子网子网划分的方法：首先要明确划分后所要得到的子网数量和每个子网中所要拥有的主机数，然后才能确定需要从原主机位借出的子网标识位数IP地址与子网子网掩码引入子网划分技术后，带来的一个问题就是主机或路由设备如何区分一个给定的IP地址是否已被进行了子网划分，从而能正确地从中分离出有效的网络标识。有类别的IP地址：未引入子网划分技术无类别的IP地址：引入了子网划分技术IP地址与子网子网掩码子网掩码通常与IP地址成对出现子网掩码使用与IP地址相同的编址格式在子网掩码中，与IP地址中的网络位部分对应的位取值为“1”，而与IP地址主机部分对应的位取值为“0”。通过将子网掩码与相应的IP地址进行求“与”操作，就可以决定给定的IP地址所属的网络号。IP地址与子网例子：对C类子网进行划分后的子网掩码：划分位数：2、3、4、5、6子网掩码：192、224、240、248、252IP地址与子网C类子网表子网数量主机数量掩码子网位数主机位数262255.255.255.19226630255.255.255.351414255.255.255.44306255.255.255.53622255.255.255.62IP地址与子网为表达方便，在书写上我们还可以采用“X.X.X.X/Y”的方式来表示IP地址与子网掩码，其中每个X表示与IP地址中的一个8位组对应的十进制值，Y表示子网掩码中与网络标识对应的位数。如：102.2.3.3/255.0.0.0102.2.3.3/255.255.248.0IP地址与子网IP地址只是在网际范围内标识主机的逻辑地址，不能直接利用他们在物理上发送分组。为了在物理上实现IP分组的传输，需要在网络互连层提供从主机IP地址到主机物理地址的映射功能。ARP：地址解释协议，AddressResolutionProtocol。ARP与RARP图：ARP与RARP网络3：192.168.3.0主机18主机19网络1：192.168.1.0网络2：192.168.2.0主机1主机2主机3主机4主机5主机6192.168.1.2192.168.1.4192.168.2.2192.168.1.1情况1：主机1向主机3发送数据包以自己的IP地址封装了一个IP数据包主机1通过将IP地址与掩码地址“与”操作判断源与目标在同一网络中主机1查找本地的ARP缓存，以确定主机3的地址映射若无，则主机1以广播帧形式向同一网络中所有节点发送一个ARP请求，只有主机3会以自己的MAC地址信息为内容给主机1发出一个ARP回应，主机1收到回应后，首先将其中的MAC地址信息加到本地ARP缓存中。启动相应帧的封装和发送过程ARP与RARP情况2：主机1向主机4发送数据包以自己的IP地址封装了一个IP数据包主机