计算机网络体系结构和拓扑结构

第二章计算机网络体系结构和拓扑结构第一节网络体系结构第二节开放系统和开放系统互连模型第三节TCP/IP参考模型与协议第四节计算机网络拓扑结构第四节物理地址与IP地址第一节网络体系结构一、网络体系结构的基本概念两台计算机通信时，对传送信息内容的理解，信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵循一个共同的约定规则，这些规则精确地规定了所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定的规定、约束与标准被称为网络协议（Protocol）。一个网络协议主要由以下三个要素组成：1）语法：用户数据与控制信息的结构和格式。2）语义：需要发出何种控制信息以及完成的动作和做出的响应。3）时序：对事件实现顺序的详细说明。我们将计算机网络层次结构模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构（NetworkArchitecture）。二、计算机网络的层次体系结构将一个比较复杂的问题分解成若干个容易处理的子问题，尔后“分而治之”逐个加以解决，这种结构化设计方法是工程设计中常用的手段。分层就是系统分解的最好方法之一。三、层次模型实际上，单台计算机系统的体系结构也是一种层次结构，如图2.1(左)所示。。在图2.1(右)所示的一般分层结构中，n层是n-1层的用户，又是n+1层的服务提供者。n+1层的用户虽然只直接使用了n+1层提供的服务，实际上它通过n+1层还间接使用了n层的服务，并更间接地使用了n-1层以及以下所有各层的服务。裸机图2.1层次结构现代计算机网络都采用了层次化的体系结构。但由于计算机网络涉及多个实体间的通信，其层次结构画成如图2.2所示的垂直模型要比如图2.1所示的“洋葱”式的模型更为清晰。要点归纳如下：（1）除了在物理媒体上进行实通信外，其余各对等层实体间都是进行虚通信。（2）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。（3）n层的虚通信是通过n-1/n层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。…n+1层n层n-1层…实通信虚通信n-1层协议n层协议n+1层协议虚通信图2.2计算机网络的层次模型计算机A计算机B……N-1层N-1层N层N层N+1层N+1层……计算机网络中采用层次结构，可以有以下好处：（1）各层之间相互独立。（2）灵活性好（3）各层都可以采取最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其它层。（4）易于实现和维护（5）有利于促进标准化。世界上第一个网络体系结构是IBM公司于1974年提出的，命名为“系统网络体系结构SNA”。第二节开放系统和开放系统互连模型一、开放系统互连基本参考模型OSI模型共分为七层，从下到上依次为物理层（PhysicalLayer）、数据链路(DataLink)层、网络(Network)层、运输（Transport）层、会话(Session)层、表示（Presentation）层和应用(Application)层。二、层次模型中各层的功能OSI协议模型的7个层次中，每一个层次都定义了各自的计算机网络通信协议，使上层与下层的实现细节隔离。它们一起将用户和数据通信的具体细节隔离开来。如果充分实现的话，它们将允许不兼容的设备互相通信。各层功能如下表所示：层次功能7.应用层提供电子邮件、文件传输等用户服务6.表示层转换数据格式，数据加密和解密5.会话层通信同步错误恢复和事务操作4.运输层网络决策实现分组和重新组装3.网络层路由选择计费信息管理2.数据链路层错误检测和校正，组帧1.物理层数据的物理传输表2-1OSI各层功能总结第三节TCP/IP参考模型与协议一、TCP/IP网络的四层结构模型TCP/IP是美国政府资助的高级研究计划署(ARPA)在二十世纪七十年代的一个研究成果，用来使全球的研究网络联在一起形成一个虚拟网络，也就是国际互联网。下图给出了TCP/IP参考模型及与OSI参考模型的层次对应关系。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层互联层主机----网络层TCP/IP参考模型OSI参考模型二、TCP/IP协议简介TCP/IP（传输控制协议/网间协议）是一种网络通信协议，它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式。TCP协议即传输控制协议，是一种面向连接的传输层协议。IP协议位于Internet协议栈的第三层(互联层)，除了可以提供网络路由之外，IP协议还具有错误控制以及网络分段等众多功能，是整个Internet协议栈的核心。TCP/IP是Internet的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。另一个重要的TCP/IP协议集的成员是用户数据报协议UDP。TCP是一个可靠的协议（TCP是面向有连接的通信），因为它用错误检查和握手确认来保证数据完整地到达目的地。UDP是一个“不可靠”的无连接协议，因为它不能保证数据报的接收顺序同发送顺序相同，甚至不能保证它们是否全部到达。在TCP/IP参考模型中，应用层协议主要有：（1）网络终端协议TELNET,用于实现互联网中远程登录功能。（2）文件传输协议FTP，用于实现互联网中交互式文件传输功能。（3）电子邮件协议SMTP，用于实现互联网中电子邮件传送功能。（4）域名服务DNS，用于实现网络设备名字到IP地址映射的网络服务。（5）路由信息协议RIP，用于实现网络设备之间交换路由信息。（6）网络文件系统NFS，用于网络中不同主机间的文件共享。（7）NTTP协议，用于服务。三、OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较OSI参考模型与TCP/IP参考模型的共同之处是它们都采用了层次结构的概念，在传输层中二者定义了相似的功能。但是二者在层次划分、使用的协议上是有很大区别的。造成OSI协议不能流行的原因之一是模型与协议自身的缺陷。TCP/IP参考模型与协议也有它自身的缺陷：首先，它在服务、接口与协议的区别上就不清楚。其次，TCP/IP的主机——网络本身并不是实际的一层，它定义了网络层与数据链路层的接口。第四节计算机网络拓扑结构一、计算机网络拓扑的定义网络的拓扑结构是抛开网络物理连接来讨论网络系统的连接形式，网络中各站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。它的结构主要有星型结构、总线结构、树型结构、网状结构、分布式结构等。二、网络拓扑可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：1、点一点线路子网的拓扑(点对点式)。2、广播信道子网的拓扑(多点式)。三、几种典型网络拓扑的特点1.公共总线型拓扑定义：总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位是平等的。特点：结构简单，可扩充性好，但维护难，分支节点故障查找难。2.星型拓扑定义：星型拓扑是指各工作站以星型方式连接成网特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于建网；网络延迟时间较小，传输误差较低，但成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差。3.环型拓扑定义：由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环。特点：信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单；但可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。4.树型拓扑的主要特点定义：是分级的集中控制式网络。特点：通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。5.网状型拓扑网状拓扑构型又称做无规则型。在网状拓扑构型中，结点之间的连接是任意的，没有规律的。特点：它的安装也很复杂，但系统可靠性高，容错能力强。有时也称为分布式结构。6、分布式结构定义：是将分布在不同地点的计算机通过线路互连起来的一种网络形式。特点：即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操作，因而具有很高的可靠性，但连接线路用电缆长，造价高；网络管理软件复杂；报文分组交换、路径选择、流向控制复杂；在一般局域网中不采用这种结构。第五节物理地址与IP地址一、物理地址1、什么是物理地址在任何一个物理网络中，各站点都有一个机器可识别的地址。局域网使用一种编址方案来提供直接通信，局域网上的每个站点都被分配一个唯一数值叫做硬件地址或物理地址或MAC地址。2、物理地址的编址方式1）静态的。由厂商分配每一网络接口卡唯一的物理地址，地址永久不会改变。2）动态的。当站点第一次启动时，它能自动给自己分配一个物理地址，一台计算机每次重启动时可以得到不同的地址。3）可配置的。提供可由用户配置地址的机制，配置通常在硬件首次安装时完成。是静态与动态方案的折衷。3、以太网的物理地址全世界所有的网卡都有自己的唯一标号，是不会重复的。无论把这个网卡接入到网络的什么地方，MAC地址都是不变的。其长度为48位二进制数，由12个00~0FFH之间的16进制数组成，每个16进制数之间用“-”隔开，如“00-10-5C-AD-72-E3”4、查询MAC地址方法方法一：1）在Win95/98下,单击菜单“开始”＝“运行”,在弹出的对话框中输入winipcfg，单击“确定”按钮，2）出现默认拔号网络的适配器信息，如图2.10。注意：这并不是网卡的适配器地址，需要在出现PPPAdapter的箭头处点下拉键，选择网卡的型号，如图2.11所示：3）正确选择网卡型号之后将出现适配器地址,即所要查的MAC地址,如图2.12所示:图2.11选择网卡的型号图2.12MAC地址方法二:在Win95/98/2000/XP下,单击”开始”－”程序”,找到”MS-DOS方式”或者是”命令提示符”,在弹出的对话框中输入ipconfig/all,回车后将出现对话框,找到PhysicalAddress,即所查的MAC地址。二、IP地址1、什么是IP地址IP地址是运行TCP/IP协议的计算机的通用标识，用来标识网络上的计算机以及和它相连的网络。2、IP编址方案IP地址由4组8位二进制数组成，总共32位,在网络中IP地址是一个唯一的32位二进制数，常用点分十进制表示法进行表示。3、IP地址层次:（1）IP地址=网络号+主机号（2）IP地址层次保证了以下两点：1）IP地址的两层结构设计使得寻径很有效2）地址的唯一性。4、IP地址的分类：32位的IP地址被分割成两部分，一部分用来标识网络（网络号），另一部分用来标识主机（主机号）。TCP/IP组织开始的时候定义了三种分割的办法：标识网络的字段长度分别为开始的1、2、3个字节，对应的分别称为A、B、C类网络。1）A类：最高位总是0，最高的8位（1个字节）标识网络，剩下的24位标识主机。因此总共有127个A类的网络，每个网络可以有16777214个主机。第一字节为0－126。2）B类：最高两位总是10，高16位（2个字节）标识网络，剩下的16位标识主机。因此总共有16384个B类的网络，每个网络可以有65534个主机。第一字节为128－191。3）C类：最高位总是11，前24位（3个字节）标识网络，剩下的8位标识主机。因此总共有2097151个C类的网络，每个网络可以有254个主机。第一字节为192－223。5、地址解析的概念：网络层地址和物理层地址之间的映射过程称为地址解析。地址解析出现在数据链路层。只能解析同一个子网内计算机的MAC地址，无法解析远程网络计算机的MAC地址。三、捆绑MAC地址和IP地址进入“MS-DOS方式”或“命令提示符”，在命令提示符下输入命令：ARP-s10.88.56.7200-10-5C-AD-72-E3即可把MAC地址和IP地址捆绑在一起。ARP命令的各参数的功能如下：ARP-s-d-a1）-s：将相应的IP地址与物理地址的捆绑，如本文中的例子。2）-d：删除相应的IP地址与物理地址的捆绑。3）-a：通过查询ARP协议表显示IP地址和对应物理地址情况。四、IP地址与MAC地址的区别IP地址是指Internet协议使用的地址，而MAC地址是Ethernet协议使用的地址。IP地址与MAC地址之间并没有什么必然的联系，MAC地址是Ethernet网卡上带的地址，长度为48位。