第三章计算机网络体系结构第一节基本概念第二节OSI参考模型第三节TCP/IP体系一、基本概念1.网络协议网络协议计算机网络是由多台计算机和通信设备组成的，这些通信实体之间要实现通信，双方必须有相同约定，即网络协议。网络协议就是交互双方为传送数据而建立的规则或约定。一个网络协议由三个要素组成：语法数据与控制信息的格式、编码，以及信号的级别等；语义用于协调和进行差错处理的控制信息。同步（定时）对事件实现的顺序说明，如速度匹配、排序等。2.协议分层对于复杂的网络系统采取按层的方式来组织。根据实现的功能把网络协议分成几个层次，每个层次实现不同的功能服务，高层使用低层提供的服务，不同系统的同等层具有相同的功能，它们之间通过相应的协议通信。层次结构如下图所示。3计算机网络体系结构我们将网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义。计算机网络采用层次结构的优点：各层之间相互独立。灵活性好。易于实现和维护。利于实现标准化。世界上第一个网络体系结构是IBM公司于1974年提出的“系统网络体系结构SNA”。后来的ISO模型的提出也是参考了SNA模型。4.服务类型在计算机网络协议的层次结构中，层与层之间具有服务与被服务的单向依赖关系，下层向上层提供服务，而上层调用下层的服务。任意相邻两层的下层称为服务提供者，而上层称为服务调用者。下层为上层提供的服务可分为面向连接服务(ConnectionOrientedService)和无连接服务(ConnectionlessService)。面向连接服务：面向连接服务以电话系统为模式。无连接服务：无连接服务以邮政系统为模式。二、ISO/OSI参考模型OSI参考模型是基于国际标准化组织（ISO）的建议，作为各种层上使用的协议国际标准化的第一步而发展起来的，因而被称为ISO OSI开放系统互联参考模型（开放系统互联参考模型（open system interconnection refertence mode）。）。OSI模型定义了网络互连的七层框架，在这一框架下进一步详细规定了每一层的功能，以在实现开放系统环境中的互连性、互操作性、与应用的可移植性。OSI各层的特点和主要功能：1.物理层它是最低的层次，为上一层提供物理连接，以便在传输介质上透明地传送比特流。它的主要任务是确定传输介质的接口特性。2.数据链路层在物理层的连接上采用差错控制、流量进行可靠地信息传送。它的传输单位为帧。3.网络层通过路由选择算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径。网络层要实现路由选择、拥塞控制与网络互连等功能。在网络层上传输单位为IP数据包。4.传输层把上一层的数据分成较小的单元，传递到网络层，确保端到端之间的可靠传输。5.会话层在不同机器上的用户建立会话关系。6.表示层采用抽象的方式定义数据结构，以使采用不同表示方法的计算之间能进行通信。7.应用层包含大量人们普通需要的协议。应用层包含了文件传输、电子邮件、远程登陆等协议。三、TCP/IP参考模型Internet的TCP/IP协议簇在计算机网络的标准中占有非常重要的地位。TCP/IP协议簇中最为重要的两个协议是：传输控制协议TCP网际协议IPTCP/IP参考模型由四个层次组成。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连层主机网络层ISO参考模型TCP/IP参考模型它包含所有的高层协议。应用层协议主要有七种：网络终端协议TELNET，用于实现互连网中远程登录功能；文件传输协议FTP，用于实现互连网中交互式文件传输功能；电子邮件协议SMTP，用于实现互连网中电子邮件传送功能；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；路由信息协议RIP，用于网络设备之间交换路由信息；网络文件系统NFS，用于网络中不同主机间的文件共享；HTTP协议，用于WWW服务。注：目前TCP/IP参考模型是事实上的网络体系结构标准，OSI参考模型只用于网络研究。三、TCP/IP协议TCP/IP协议是当今计算机网络中最为成熟、最为广泛使用的一种网络协议标准。它由两部分协议构成：TCP协议传输控制协议TCP协议采用重传确认和滑窗流量控制机制保证数据传输的可靠性，TCP/IP协议适用于异型机与异型网的互连，提高了组网的灵活性。IP协议网络层协议IP协议是将因特网连到一起的网络层协议，所以称为因特网协议（Internetprotocol），简单为IP协议。它的作用就像运行在高速公路上的汽车，可以把各种数据信息打包成IP数据包进行运输。1.TCP/IP的基本内容2.IP地址每个因特网上的主机和路由器都有一个IP地址，它包括网络号和主机号。这一编码是唯一的，没有两台有同一IP地址的机器。所有IP地址都是32位的，并且用于IP分组的源地址和目标地址字段。IP地址格式如下图所示。ABCDE010110111011110网络主机网络主机网络主机多点播放地址留作将来使用32位A类IP地址网络地址空间长度为7位，主机地址空间长度为24位。A类地址是：1.0.0.0127.255.255.255。所以A类网允许最多126个1600万主机的网络，用于有大量主机的大型网络。B类IP地址网络地址空间长度为14位，主机地址空间长度为16位，A类地址是：128.0.0.0191.255.255.255。所以B类网允许最多16382个有64K主机的网络，适用于一些国际大型公司与政府机构。C类IP地址：网络地址空间长度为21位，主机地址空间长度为8位。C类IP地址是：192.0.0.0233.255.255.255。因此C类网允许最多200万个有254个主机的网络。D类IP地址：多址广播地址,不用于标识网络,用于其它特殊用途。E类IP地址：IP地址暂时保留，用于某些实验或将来用途。特殊的IP地址：全0表示本网络或本主机。全1代表内部网络上的广播，通常是一个LAN。而10.0.0.0/255.0.0.0、127.0.0.0/255.0.0.0、172.16.0.0/255/255、192.168.0.0/255.255.0.0是保留的地址(私有地址)，不能在Internet上传输。其中127.0.0.1用于回路测试，测试本机网卡及网络协议是否正常。如今成千上万的网络连上了因特网，而且这个数字每年都在翻番。为避免冲突，IP地址不是任意分配的，必须由国际组织统一分配。A类IP地址由国际网络信息中心NIC分配；B类IP地址由InterNIC、APNIC和ENIC分配；C类IP地址由国家或地区网络的NIC分配。3.IP地址的书写方法32位的IP地址采用带点十进制标记法书写。在这种格式下，每字节以十进制记录，从0到255。最低的组地址是是0.0.0.1，最高为255.255.255.255。例如，南宁电信局域名服务器的IP地址为202.103.224.68。4.子网掩码为了便于管理，可以将本单位所属主机划分为若干个子网，用IP地址中的主机号字段中的前若干位作为“子网号字段”，后面剩下的仍为主机号字段。TCP/IP体系规定了一个32位的子网掩码表示子网络号字段的长度。子网掩码是一连串的“1”和一连串“0”组成。“1”对应于网络号和子网号字段，而“0”对应于主机号字段。子网掩码和IP地址结合使用，就可区分一个网络地址的网络号和主机号。如地址192.9.200.13，缺省子网掩码为255.255.255.0，则它的网络号和主机号分别是192.9.200.0和134.域名及域名系统为了解决主机IP地址抽象、难记忆的问题，人们经过研究，引入了一种字符型的主机名字标识符，称为域名，对应的域名管理机制称为域名系统（DNS）。 域名的命名采用了层次结构，对应INTERNET的层次结构。从顶层DNS结构以下的第一层独立的实体是七个顶层域，它们按不同类别划分，这些域可进一步划分为代表域中企业和分支的子域。根服务器.com域服务器.edu域服务器.ibm.com子域服务器.ucb.edu子域服务器.ca.us子域服务器.us域服务器Internet主机域名的一般格式是：主机名.单位名.类型名.国家代码二级域名,代表单位的类型或省份与地区三级域名,代表所在的域或单位主机较多的单位,域名的划分还可更细,可以有四级到六级的域名。例如：netlab.cs.nankai.edu.cn中国教育机构南开大学计算机系最高域名,代表主机所在的国家与地区,如CN代表中国网络实验室5.IP路由选择IP数据报在广域网中要正确递送到目的地，就需要由多个路由器进行路由选择。每个路由器内存储有一张路由表，记录了网络的拓扑信息，因此路由器基于路由表信息采用优化路由选择算法就可以正确地选择下一个递送的路径。