第3章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

1第3章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

（時(shí)間：3次課，6學(xué)時(shí)）2第3章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)提示：在第2章中，我們對(duì)數(shù)據(jù)通信的基本要素進(jìn)行了介紹，本章將進(jìn)一步對(duì)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)軟件基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行介紹，主要介紹網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、OSIRM和TCP/IP協(xié)議等。學(xué)習(xí)完這些內(nèi)容后，讀者對(duì)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)軟件的兩大支柱將會(huì)有一個(gè)比較全面的了解。教學(xué)目標(biāo)：掌握網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的組成、OSIRM、TCP/IP協(xié)議以及TCP/IP參考模型。這些知識(shí)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中占有重要的位置，請(qǐng)同學(xué)們注意。3第3章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議3.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.2ISO/OSIRM3.3TCP/IP協(xié)議3.4TCP/IP參考模型3.5TCP/IP協(xié)議的特點(diǎn)以及與OSI參考模型的比較43.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.1.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念3.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層原理3.1.3協(xié)議、接口和體系結(jié)構(gòu)

53.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.1.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信所需要的功能來描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)僅僅是人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)功能的描述，這些功能的實(shí)現(xiàn)要通過具體的硬件和軟件來完成。從這個(gè)意義上講，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由兩方面組成。一方面是網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型，另一方面是各層的協(xié)議。所以，也可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型和各層次協(xié)議的集合。63.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層原理由于完成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)是非常龐雜、牽扯面非常廣的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，參照人們處理復(fù)雜任務(wù)的工作模式，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中也采取了分層的方法。第一，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是有層次的，一個(gè)層次完成一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的功能。第二，在層次之間設(shè)置了通信接口，依據(jù)事先的規(guī)定完成兩個(gè)層次之間的聯(lián)系任務(wù)。

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這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：第一，由于每一個(gè)層次的功能是獨(dú)立的，完成這項(xiàng)功能所需的軟件就可以獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立調(diào)試，可以保證軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量。對(duì)每一個(gè)層次軟件的維護(hù)也比較方便。第二，如果其中一個(gè)層次的功能有所變化，或者一個(gè)層次的軟件要采用新技術(shù)，只要通信接口的規(guī)則不變，都不會(huì)對(duì)其他層次產(chǎn)生影響。所以有利于每一個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)化。8

工作特點(diǎn)：（1）各層獨(dú)立，層間以接口相聯(lián)系（2）上層調(diào)用下層的功能，下層對(duì)上層的服務(wù)是“透明”的。（3）兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的實(shí)體發(fā)生聯(lián)系，在功能上講相當(dāng)于各實(shí)體的相應(yīng)層發(fā)生聯(lián)系。（4）每一個(gè)層次都要完成本層次的功能，而使用一個(gè)層次的功能，都要符合一定的規(guī)則、約定和標(biāo)準(zhǔn)（即協(xié)議）。93.1.3協(xié)議、接口和體系結(jié)構(gòu)

1.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議三要素計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由語法、語義和時(shí)序三要素組成。(1) 語法即用戶數(shù)據(jù)的控制信息結(jié)構(gòu)及格式。(2) 語義即需要發(fā)出何種控制信息，以及完成的動(dòng)作及做出的響應(yīng)。(3) 時(shí)序即對(duì)事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。102.接口接口是同一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)不同層次之間交換信息的連接界面，也可以看作一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。兩個(gè)層次之間要相互傳遞信息，顯然也必須遵守相關(guān)的協(xié)議。

提示：各層次之間有接口存在，各層次通過接口來傳遞信息。所謂體系結(jié)構(gòu)是指一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和協(xié)議的集合。具體到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，則計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)就是網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型和各層次協(xié)議(及其接口)的集合。113.2ISO/OSIRM3.2.1OSI參考模型的基本概念3.2.2OSI參考模型結(jié)構(gòu)123.2ISO/OSIRM3.2.1OSI參考模型的基本概念開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSIRM(OpenSystemInterconnectionReferenceModel)于1977年由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO，InternationalStandardsOrganization)一個(gè)專門分委員會(huì)所制定。這是一個(gè)定義連接異種計(jì)算機(jī)(也就是至少采用不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，當(dāng)然其內(nèi)部的硬件和軟件可能都不同)的參考標(biāo)準(zhǔn)(或者是參考模型)。提出這樣一個(gè)參考模型就是為了制訂一個(gè)大家都能遵守和采用的網(wǎng)間標(biāo)準(zhǔn)以替代各個(gè)廠家自行制定的網(wǎng)間標(biāo)準(zhǔn)。13

此標(biāo)準(zhǔn)稱為“開放”的含義：第一，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)公開的標(biāo)準(zhǔn)，所有的內(nèi)容細(xì)節(jié)都向所有希望知道的人們公開。第二，表示這是一個(gè)“外部”標(biāo)準(zhǔn)，不需要每個(gè)使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)改變自己內(nèi)部的數(shù)據(jù)表示和處理過程，只要遵守了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就可以和其他任何遵守該標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。14

“參考”模型是指這不是一個(gè)強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)，可以遵照?qǐng)?zhí)行，也可以不予理會(huì)。只要遵照同一標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)之間能夠達(dá)到互聯(lián)與互通的目的即可。參考模型稱為“模型”是因?yàn)樗鼉H僅提出了對(duì)于系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)(Architecture)、服務(wù)定義(ServiceDefinition)和協(xié)議規(guī)格說明(ProtocolSpecification)的描述，并沒有提出任何具體協(xié)議，也沒有給出任何具體實(shí)現(xiàn)方法。15

由于這個(gè)協(xié)議相當(dāng)完美(不是完全完美)，所以實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)協(xié)議是一個(gè)相當(dāng)龐雜的任務(wù)。迄今為止，在世界上還沒有任何一個(gè)廠商或者組織真正實(shí)現(xiàn)了這個(gè)參考模型。所以這個(gè)參考模型具有雙重意義。16其一：是對(duì)人們研究相關(guān)協(xié)議提供了一個(gè)很好的參考，人們提到網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時(shí)都要說到7層模型。其二：是從另外一個(gè)意義上講，過分關(guān)注這個(gè)模型可能使人們的研究走入困境。我國在網(wǎng)絡(luò)的研究過程中過分地關(guān)注了這個(gè)模型，不少人花費(fèi)了大量精力而沒有相應(yīng)的收獲，皆因于此。也正因?yàn)槿绱耍聦?shí)上人們執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)不是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而是實(shí)際上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議簇。17OSIRM7層模型，如圖所示。183.2.2OSI參考模型結(jié)構(gòu)

OSI參考模型是一個(gè)建議模型，劃分層次的主要原則如下：協(xié)議的主要目的是將異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)與互通。為此，將完成這個(gè)任務(wù)所需的功能劃分為若干層次，不同節(jié)點(diǎn)的相同層次具有機(jī)同的功能。網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)上的相同層次的實(shí)體稱為同等層實(shí)體，具有相同的功能。在功能上認(rèn)為同等層實(shí)體相互通信。19

每一層完成協(xié)議為其所定義的功能，修改某一層次的功能僅僅影響該層次對(duì)于任務(wù)完成的質(zhì)量，并不影響其他層次（即層的獨(dú)立性）。每一層次使用下層為它提供的服務(wù)，并向上層提供服務(wù)，且僅限于向它的上層提供服務(wù)，層次之間通過相鄰層次之間的接口進(jìn)行通信，除此之外沒有其他的途徑。201.數(shù)據(jù)信息的構(gòu)成信息在信道中傳輸，必須符合信道傳輸時(shí)對(duì)信息傳輸控制的規(guī)定。正文控制信息服務(wù)質(zhì)量要求正文信息和附加信息構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)傳輸中數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)。把附加信息和正文數(shù)據(jù)結(jié)合在一起構(gòu)成一個(gè)傳輸單位，稱為“打包”。

212.物理層物理層的主要任務(wù)是：作為系統(tǒng)和通信介質(zhì)的接口，用來在數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體中(DTE和DCE之間)傳輸比特流。物理層是7層參考模型的最底層。是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。物理層建立在物理通信基礎(chǔ)上面，向上為數(shù)據(jù)鏈路層提供服務(wù)。22DTE(DataTerminalEquipment，數(shù)據(jù)終端設(shè)備)：處理用戶數(shù)據(jù)的設(shè)備。

DCE(DataCircuitTerminatingEquipment，數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備)

物理層的作用在于：提供用于建立、保持和斷開物理連接的，以完成DET和DCE之間比特傳輸為目的的通信線路所具有的機(jī)械的、電氣的、功能的和過程的條件。23功能上講：①物理層要實(shí)現(xiàn)實(shí)體之間的按位(Bit)傳輸，保證按位傳輸?shù)恼_性，并向數(shù)據(jù)鏈路層提供一個(gè)透明的比特流傳輸。②在數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)通信和交換設(shè)備等之間完成對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的建立、保持和拆除操作。

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這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了如下的四個(gè)方面：以RS-232C為例機(jī)械特性：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用的插頭和插座的幾何尺寸、針數(shù)(常用的有9針和25針)。電氣特性：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定+5~+15伏電信號(hào)作為數(shù)字“0”，－5~－15伏電信號(hào)作為數(shù)字“1”；允許的數(shù)據(jù)傳輸率等級(jí)，如50、300、9600b/s等等；傳輸距離通常不超過10m，數(shù)據(jù)傳輸率越高距離越短。25

功能特性：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各個(gè)針腳的功能，如9針中的2針為接收信號(hào)，3針為發(fā)送信號(hào)，5針為接地。

規(guī)程特性：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在一系列高電平以后出現(xiàn)的一個(gè)比特低電平為通信開始，作為接收端開始接收數(shù)據(jù)的信號(hào)。后面是8比特?cái)?shù)據(jù)信號(hào)、1比特校驗(yàn)信號(hào)、1比特或1比特半高電平的結(jié)束信號(hào)。26

提示：物理層要提供通信線路的物理連接、比特?cái)?shù)據(jù)傳送、比特序列順序化、數(shù)據(jù)電路標(biāo)識(shí)、故障情況報(bào)告和服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)等服務(wù)。物理層的功能包括線路物理連接的建立和拆除，數(shù)據(jù)傳輸，物理層管理等方面。物理層不是物理硬件，而是對(duì)物理硬件及其應(yīng)用的協(xié)議。

273.數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的功能是：利用物理層的服務(wù)，在通信的實(shí)體間傳輸以“幀”為單位的數(shù)據(jù)包，并采用差錯(cuò)控制和流量控制方法建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

幀：二進(jìn)制代碼按一定規(guī)則編制而成的比特信息流。在通信線路上傳輸?shù)囊唤M信息稱為“幀”。28

幀是信息傳輸?shù)幕締挝?。在系統(tǒng)中幀的大小和規(guī)格有嚴(yán)格的規(guī)定，以便于數(shù)據(jù)信息的正確傳輸。幀的例子:29

數(shù)據(jù)鏈路和鏈路：數(shù)據(jù)鏈路是從信源到達(dá)信宿所經(jīng)過的整個(gè)數(shù)據(jù)管道。它包括了具體的通信線路、通信設(shè)備以及相關(guān)的規(guī)程(軟件)。而鏈路則是通信線路中的一個(gè)部分。鏈路是任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的、中間沒有其他任何節(jié)點(diǎn)的物理線路段。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議建立在物理層協(xié)議之上，目的是在不太可靠的物理層鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。30

提示：從數(shù)據(jù)鏈路層開始都要調(diào)用下面的層次功能。

注意數(shù)據(jù)鏈路層的功能：利用物理層的服務(wù)，在通信的實(shí)體間傳輸以“幀”為單位的數(shù)據(jù)包，并采用差錯(cuò)控制和流量控制方法建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。物理層的著眼點(diǎn)主要放在比特上，而數(shù)據(jù)鏈路層的著眼點(diǎn)主要放在幀上。314.網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層最主要的功能是在信源和信宿之間建立邏輯鏈路，為報(bào)文或報(bào)文分組的傳遞選擇合適的路由以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。為進(jìn)行路由選擇要選擇合適的路由選擇算法，還要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)情況實(shí)現(xiàn)擁塞控制等項(xiàng)功能。32物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層是七層協(xié)議的基礎(chǔ)層次，也是目前最成熟的層次。無論是在廣域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸還是在局域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸都以這幾個(gè)層次為基礎(chǔ)。

物理層主要是針對(duì)傳輸介質(zhì)的，保證比特傳輸；數(shù)據(jù)鏈路層是物理層的基礎(chǔ)上針對(duì)鏈路上比特組（幀）的，而網(wǎng)絡(luò)層是依據(jù)路由選擇針對(duì)網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)狀拓?fù)洌┑摹?35.傳輸層由于在網(wǎng)絡(luò)層上可能產(chǎn)生整包的數(shù)據(jù)差錯(cuò)(無連接時(shí)的失序、丟失等等)，不能保證信源到信宿傳輸?shù)目煽啃?。為了向用戶提供可靠的端到?End－to－End)服務(wù)，傳輸層的任務(wù)是處理數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)包次序以及其他一些關(guān)鍵的傳輸問題。所以傳輸層處于分層結(jié)構(gòu)體系高低層之間，是高低層之間的接口，是非常關(guān)鍵的一層。也就是底層協(xié)議有不完善的地方要由傳輸層的工作予以彌補(bǔ)。傳輸層使用傳輸控制協(xié)議，還要實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間、不同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間信息的可靠傳輸。346.會(huì)話層

會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層統(tǒng)稱高層服務(wù)，通常又稱為高層協(xié)議。如果說下四層是面向數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，可以說上三層是面向用戶應(yīng)用的。顧名思義，會(huì)話層的功能是保證會(huì)話順利進(jìn)行。用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以理解為用戶之間進(jìn)行對(duì)話。在對(duì)話用戶之間建立和釋放會(huì)話連接，確保會(huì)話過程的連續(xù)性以及管理數(shù)據(jù)交換等功能都是會(huì)話層所必備的功能。會(huì)話的服務(wù)過程分為會(huì)話連接建立階段、數(shù)據(jù)傳送階段以及會(huì)話連接釋放階段。357.表示層不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信，第一個(gè)問題就是要使不同的網(wǎng)絡(luò)能夠相互理解。也就是說它們之間的數(shù)據(jù)及控制信息的表示應(yīng)該是能夠相互理解的。表示層的功能就是處理OSI系統(tǒng)內(nèi)不同類型網(wǎng)絡(luò)(用戶)信息的表示問題，包括數(shù)據(jù)的語義和語法。根據(jù)需要進(jìn)行語法變換(如代碼轉(zhuǎn)換、字符集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式的修改等)和傳送語法的選擇。數(shù)據(jù)的加密和解密、壓縮和解壓也在這一層中完成。368.應(yīng)用層應(yīng)用層是面向用戶的一層，它為用戶的應(yīng)用進(jìn)程訪問OSI環(huán)境提供服務(wù)。用戶的應(yīng)用進(jìn)程對(duì)用戶的表現(xiàn)是應(yīng)用軟件，而應(yīng)用層提供服務(wù)則表現(xiàn)為文件服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、電子郵件和其他網(wǎng)絡(luò)軟件服務(wù)。注意：應(yīng)用層是極其關(guān)鍵的一層，事實(shí)上系統(tǒng)所要求的性能如果沒有由其他層次滿足則需要由應(yīng)用層來完成。373.3TCP/IP協(xié)議3.3.1TCP/IP參考模型的基本概念3.3.2Internet的協(xié)議結(jié)構(gòu)3.3.3IP協(xié)議3.3.4IP地址和域名3.3.5TCP協(xié)議3.3.6UDP協(xié)議383.3TCP/IP協(xié)議TCP/IP成為了實(shí)際的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。無論在局域網(wǎng)還是互聯(lián)網(wǎng)中TCP/IP都有重要的用途。393.3.1TCP/IP參考模型的基本概念

TCP/IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議簇，即是由很多協(xié)議構(gòu)成。這些協(xié)議都是為了完成某一任務(wù)而提出的，任務(wù)能夠完成則協(xié)議也就確定下來了。隨著功能的完善，任務(wù)自然也就越來越多，相關(guān)的協(xié)議自然也越來越多。最后形成了一個(gè)協(xié)議簇。既然這個(gè)協(xié)議簇是發(fā)展而來的，自然還會(huì)繼續(xù)發(fā)展下去?，F(xiàn)在的TCP/IP模型是依照現(xiàn)有的協(xié)議再增加人們的希望而后做出來的。

403.3.2Internet的協(xié)議結(jié)構(gòu)413.3.3IP協(xié)議

IP協(xié)議(InternetProtocol，網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議簇的基礎(chǔ)協(xié)議。IP協(xié)議運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)層，它可以為高層協(xié)議提供不可靠的數(shù)據(jù)投遞服務(wù)、面向無連接的傳輸服務(wù)和盡最大努力投遞服務(wù)等三種服務(wù)。IP協(xié)議有兩個(gè)主要的版本。目前執(zhí)行的是IPv4。由于形勢的發(fā)展這個(gè)版本已經(jīng)不能滿足需要了。即將執(zhí)行的版本是IPv6，目前正處于試驗(yàn)階段，我國在IPv6的研究方面處于世界先進(jìn)行列。

421.IPv4數(shù)據(jù)報(bào)頭結(jié)構(gòu)表明版本號(hào)(IPv4或IPv6)

其數(shù)值為0~15

以4個(gè)字節(jié)為一個(gè)單位，報(bào)頭長度最大為15×4=60字節(jié)它確定子網(wǎng)主機(jī)提供什么服務(wù)(如延時(shí)、吞吐量和可靠性)16~31比特為報(bào)文總長度，包括報(bào)頭和正文數(shù)據(jù)在內(nèi)當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)穿越網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各個(gè)路由器能處理的數(shù)據(jù)報(bào)最大尺寸不同，可能需要將一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)分解為更多的數(shù)據(jù)報(bào)。分解以后的數(shù)據(jù)報(bào)分段由標(biāo)識(shí)表明它所屬的分組，同組的標(biāo)識(shí)相同。

該分段在組中的鏈接信息表示該段在分組中的位置

用來限制數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中的生存時(shí)間。分段每經(jīng)過一個(gè)節(jié)點(diǎn)生命期就減少1，如其到“0”，則丟棄該分段(分組)。數(shù)據(jù)報(bào)所使用的協(xié)議43

在遠(yuǎn)程通信中數(shù)據(jù)的傳輸是以“數(shù)據(jù)報(bào)”為通信單元。為此，IP協(xié)議定義了數(shù)據(jù)報(bào)的格式及其解釋方法。一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)由兩部分組成：報(bào)頭和數(shù)據(jù)(報(bào)文)。報(bào)文為正文，報(bào)頭則是控制信息。這一點(diǎn)和七層協(xié)議中“幀”的格式相似。IPv4的數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭格式見上圖。由圖可見，一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的報(bào)頭由兩部分組成。第一部分為固定部分，從“版本”到“目的IP地址”，為20個(gè)字節(jié)。第二部分為選項(xiàng)和擴(kuò)充部分，這部分長度是可變的，最長長度為40個(gè)字節(jié)。

44提示：由IPv4數(shù)據(jù)報(bào)頭可以看出IP數(shù)據(jù)報(bào)的特性，理解報(bào)頭的意義即可。452.IP數(shù)據(jù)報(bào)的通信過程每個(gè)路由器在收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)以后都要對(duì)它進(jìn)行“拆包”從中找出這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的目的地址并進(jìn)行檢驗(yàn)。如果目的地就在本網(wǎng)內(nèi)則發(fā)給相應(yīng)的主機(jī)（經(jīng)計(jì)算換成該主機(jī)的MAC地址）。如果目的地址不在本網(wǎng)內(nèi)，則要依據(jù)目的地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)經(jīng)過路由計(jì)算以后選擇應(yīng)該向哪一個(gè)路由器發(fā)出這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)（選擇路由），并發(fā)出這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。46IP數(shù)據(jù)報(bào)可能出現(xiàn)的問題：同一報(bào)文的各個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)所經(jīng)過的路徑不同，即次序可能顛倒、數(shù)據(jù)報(bào)可能丟失或重復(fù)。IP協(xié)議對(duì)于這些情況沒有糾正功能。

結(jié)論：所以IP協(xié)議屬于點(diǎn)到點(diǎn)的(信源到路由器、路由器到路由器和路由器到信宿都構(gòu)成點(diǎn)到點(diǎn))、無連接的(不指定數(shù)據(jù)通道)、不可靠的(沒有糾錯(cuò)功能)通信協(xié)議。47

盡管IP協(xié)議有以上的缺點(diǎn)，但是它不對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)卻節(jié)省了時(shí)間，這對(duì)于傳輸對(duì)實(shí)時(shí)要求較強(qiáng)的數(shù)據(jù)有利。例如傳輸電視畫面即是如此。483.IP數(shù)據(jù)報(bào)的相關(guān)概念數(shù)據(jù)報(bào)的分段：各個(gè)路由器能夠處理的數(shù)據(jù)報(bào)大小不一，對(duì)于下個(gè)路由器所能處理的數(shù)據(jù)報(bào)的大小有時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行重新分段。數(shù)據(jù)報(bào)的重裝：數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的主機(jī)時(shí)順序可能已經(jīng)混亂。要由IP協(xié)議把這些混序分段重新裝配成為數(shù)據(jù)報(bào)49

路由選擇：對(duì)于上層協(xié)議中發(fā)來的沒有指定路由的數(shù)據(jù)報(bào)，IP協(xié)議根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)中的目的IP地址來搜索路由表中的路由。路由表由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時(shí)更新。在這個(gè)層次中還有其他一些協(xié)議，如地址解析協(xié)議(ARP，AddressResolutionProtocol)、控制報(bào)文協(xié)議(ICMP，InternetControlMessageProtocol)和反向地址轉(zhuǎn)換協(xié)議(RARP，ReverseAddressResolutionProtocol)。504.IPv6的報(bào)頭結(jié)構(gòu)IPv6報(bào)頭基本首部結(jié)構(gòu)IPv6報(bào)頭結(jié)構(gòu)

51IPv6的報(bào)頭中最顯著的特征是數(shù)據(jù)報(bào)的IP地址是128位二進(jìn)制數(shù)。

IPv6擴(kuò)展首部為可以鏈接的，可以分配很少，甚至是零個(gè)，如果有需要?jiǎng)t需要多少就可以鏈接多少。

IPv6的其他部分中優(yōu)先級(jí)表明數(shù)據(jù)報(bào)的重要程度分為0~15共16個(gè)等級(jí)。流標(biāo)號(hào)用來表明數(shù)據(jù)報(bào)的所屬，同組的數(shù)據(jù)報(bào)享受相同的服務(wù)類型。負(fù)載長度就是凈數(shù)據(jù)長度，可見凈數(shù)據(jù)長度最大為64KB。下一個(gè)首部指明后面是否有擴(kuò)展首部。跳數(shù)限制就是IPv4中的生命期。523.3.4IP地址和域名

1.IP地址進(jìn)入Internet網(wǎng)（間接連入互聯(lián)網(wǎng)的不算）上的每一臺(tái)主機(jī)和通信設(shè)備都必須分配一個(gè)惟一的32位二進(jìn)制數(shù)的地址作為標(biāo)志，這個(gè)地址被稱為IP地址。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中IP地址具有惟一性。在網(wǎng)絡(luò)工作過程中邏輯的IP地址由地址解析協(xié)議轉(zhuǎn)換成為物理地址。532.IP地址的結(jié)構(gòu)為方便起見，IP地址分為四段，每段八位，各段中間用一個(gè)“.”分隔。由于二進(jìn)制數(shù)不容易看，所以通常把它寫成十進(jìn)制數(shù)。因而這種表示方法被稱為點(diǎn)分十進(jìn)制。每一段的值都在0~255范圍之內(nèi)。5455A類網(wǎng)絡(luò)可以有126個(gè)，適合于大型網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)數(shù)可達(dá)1600多萬個(gè)。A類網(wǎng)絡(luò)IP地址在

～55之間。

B類網(wǎng)絡(luò)可以有16382個(gè)，適合于中型網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以有65534臺(tái)主機(jī)。B類網(wǎng)絡(luò)IP地址在

～55之間。

56C類適合于小型網(wǎng)絡(luò)，這樣的網(wǎng)絡(luò)可以有200多萬個(gè)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)數(shù)可以達(dá)到254個(gè)。C類網(wǎng)絡(luò)IP地址在

～55之間。

D類用于Internet體系結(jié)構(gòu)委員會(huì)進(jìn)行組播用，E類地址保留備用。在所有的IP地址中，全為“1”和全為“0”的地址有特殊的用途。57(2)IPv6的IP地址結(jié)構(gòu)

IPv6的IP地址分為八段，每段含16位二進(jìn)制數(shù)。各段之間用冒號(hào)分隔，每段的數(shù)用16進(jìn)制數(shù)表示。所以也稱其為冒號(hào)分十六進(jìn)制。如：FF05：0000：0000：0000：0D30：0000：D471：4C7F

簡潔表示法：①連串的零允許使用一對(duì)冒號(hào)代替，②零壓縮只能使用一次。上述的地址經(jīng)過零壓縮以后就變成：

FF05：：0D30：0：D471：4C7F

58

為了便于由IPv4向IPv6過渡，允許冒號(hào)十六進(jìn)制和點(diǎn)分十進(jìn)制混合使用。如上述的IP地址就可以表達(dá)為：

FF05：：0D30：0：27IPv6的IP地址如何使用目前還沒有公布。593.域名IP地址的表達(dá)方式很適合于計(jì)算機(jī)辨認(rèn)，但是卻不適合于人來辨認(rèn)和記憶，所以要把IP地址用一個(gè)有一定意義的字符串來代替。這個(gè)字符串就稱為域名。一般情況下，域名的格式為：主機(jī)名.機(jī)構(gòu)名.網(wǎng)絡(luò)名.最高層域名。例：

為浙江大學(xué)的某一臺(tái)計(jì)算機(jī)的域名。60

所謂一般情況時(shí)說，如果不按這個(gè)格式起域名也沒關(guān)系，只要能夠用（即可以被解析）就行。域名的管理是由Internet的域名系統(tǒng)(DNS，DomainNameSystem)分域管理模式完成的。只要在自己的域中不出現(xiàn)重名，在整個(gè)Internet中就不會(huì)出現(xiàn)重名。

614.子網(wǎng)劃分及掩碼由于IP地址緊張使得網(wǎng)絡(luò)地址缺乏，所以當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)數(shù)不多的情況下可以把一個(gè)網(wǎng)絡(luò)再分為幾個(gè)子網(wǎng)供兩個(gè)或更多的單位使用。但是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在Internet上網(wǎng)絡(luò)地址就是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接Internet的路由器的IP地址，這個(gè)地址不能動(dòng)。所以只能在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)地址方面想辦法。62

例如：23中202.223.76.x是路由器的地址，就只能在第四段x（主機(jī)地址段）想辦法。X的值為0～255,要拿出前幾位作為子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)。現(xiàn)在把這個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)再劃分為2個(gè)子網(wǎng)。子網(wǎng)號(hào)不能為全0，也不能為全1，所以子網(wǎng)號(hào)為10、11，也就是要用2位二進(jìn)制數(shù)來表示子網(wǎng)。

63這樣的子網(wǎng)示意圖如下：202.113.76.10xxxxxx202.113.76.x202.113.76.01xxxxxx子網(wǎng)1子網(wǎng)2互聯(lián)網(wǎng)643.3.5TCP協(xié)議傳輸控制協(xié)議(TransferControlProtocol)是一個(gè)基于IP協(xié)議的、面向連接的、可靠的傳輸協(xié)議。653.3.6UDP協(xié)議用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UserDatagramProtocol)也是基于IP協(xié)議的，但它是無連接的不可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。提示：IP協(xié)議和UDP協(xié)議都是無連接的和不可靠的協(xié)議。那么兩者有什么區(qū)別呢？IP協(xié)議管理的是數(shù)據(jù)報(bào)本身結(jié)構(gòu)，這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)本身提供的就是無連接和不可靠的協(xié)議。UDP協(xié)議管理的是數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸過程。TCP協(xié)議則在利用IP協(xié)議的基礎(chǔ)上提供可靠的傳輸服務(wù)。

663.4TCP/IP參考模型3.4.1TCP/IP參考模型3.4.2應(yīng)用協(xié)議673.4TCP/IP參考模型68網(wǎng)絡(luò)接口層(NetworkInterfaceLayer主機(jī)網(wǎng)絡(luò)層)

網(wǎng)絡(luò)接口層又譯做主機(jī)網(wǎng)絡(luò)層這一層對(duì)應(yīng)于OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。由于在制定TCP/IP協(xié)議時(shí)如何進(jìn)行物理層的通信并不成為問題(使用已有的比較成熟的遠(yuǎn)程通信技術(shù))，對(duì)于具體的物理層并沒有專門的TCP/IP協(xié)議，只要能夠正確地發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)包就可以符合協(xié)議要求。69這層的主要任務(wù)包括：①負(fù)責(zé)對(duì)上接收網(wǎng)際層下傳的IP數(shù)據(jù)報(bào)并通過物理網(wǎng)絡(luò)予以發(fā)送。②對(duì)下接收物理網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)幀，去掉本層的控制信息交付網(wǎng)際層。③此外還要進(jìn)行差錯(cuò)控制。從同層實(shí)體的角度來看，網(wǎng)絡(luò)接口層之間傳送的是數(shù)據(jù)幀。702.網(wǎng)際層（InternetLayer

）網(wǎng)際層也稱為互聯(lián)網(wǎng)層或者互聯(lián)層。這一層對(duì)應(yīng)于OSI的網(wǎng)絡(luò)層。它的主要任務(wù)與網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)也相似。都是負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的基本通信。它的主要功能包括：（1）對(duì)上把來自傳輸層的分組裝入IP數(shù)據(jù)包、選擇發(fā)送路徑后將數(shù)據(jù)報(bào)輸出(交給網(wǎng)絡(luò)接口層)。71

（2）對(duì)下檢查收到的數(shù)據(jù)報(bào)的目的地址。若目的地址就是本節(jié)點(diǎn)的IP地址則去掉本層控制信息將分組上傳到傳輸層處理。如果不是則需要轉(zhuǎn)發(fā)就選擇發(fā)送路徑(路由)交網(wǎng)絡(luò)接口層轉(zhuǎn)發(fā)。（3）路徑流量控制和解決擁塞問題。在這一層中傳輸?shù)氖欠纸M(包)。這一層主要使用了IP協(xié)議。723.傳輸層（TransportLayer

）這一層也和OSI的傳輸層相對(duì)應(yīng)。這層的任務(wù)是信息流的格式化(也就是應(yīng)將應(yīng)用層下傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆纸M)、保證可靠傳輸(負(fù)責(zé)信元和信宿之間端到端的傳輸)、處理流量控制等。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高但是要求可靠性高的文件，例如電子郵件，使用了傳輸控制協(xié)議。對(duì)于傳輸實(shí)時(shí)性要求較高但可靠性不是太高的信息，例如電視畫面使用了用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。734.應(yīng)用層（ApplicationLayer

）應(yīng)用層的目的在于為用戶提供盡可能多的高質(zhì)量服務(wù)。為此發(fā)展了大量的應(yīng)用層協(xié)議。所以應(yīng)用層包括了所有的高層協(xié)議并且不斷在發(fā)展。提示：雖然TCP/IP參考模型和ISO參考模型的劃分方法不一致，但是它們要完成同樣的網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)，所以核心實(shí)質(zhì)還是一樣的。74

網(wǎng)絡(luò)接口層的目的在于提出在網(wǎng)絡(luò)鏈路中傳輸?shù)摹皫袷健?，用于主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)的連接上。其中包括SLIP協(xié)議和PPP協(xié)議。這兩個(gè)協(xié)議有廣泛的用途，希望能夠參考教材予以注意。

SLIP(SerialLineInternetProtocol，串行線路因特網(wǎng)協(xié)議)SLIP幀格式的特點(diǎn)是簡單，易于實(shí)現(xiàn)。75缺點(diǎn)：其一，必須事先知道對(duì)方的IP地址，而且沒有動(dòng)態(tài)分配IP地址的功能。這對(duì)于家庭上網(wǎng)沒有固定IP地址的情況就極為不利了。再有，幀中沒有校驗(yàn)字段，在傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤無從發(fā)現(xiàn)。第三，只能支持IP協(xié)議，對(duì)于其他協(xié)議沒有協(xié)議類型信息提供接收方判別。這些大大地限制了它的應(yīng)用，所以其正在迅速地被PPP協(xié)議來代替。76PPP(Point-to-PointProtocol，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議)PPP協(xié)議的幀格式見圖。標(biāo)識(shí)字段(Flag)，表明幀的開始與結(jié)束地址字段(Adrr)的值總是0xff。所有的站點(diǎn)都要接收這個(gè)幀。77

控制字段(Ctrl)的默認(rèn)值為0x03，表明這個(gè)幀沒有編號(hào)。也就是在一般情況下接收方無法依據(jù)編號(hào)要求發(fā)送方重發(fā)某一編號(hào)的幀，自然也就不能提供基于應(yīng)答的可靠傳輸機(jī)制。如果需要的話，可以在這個(gè)字段中填入編號(hào)。協(xié)議字段表明幀所應(yīng)用的協(xié)議類型。這些協(xié)議可以支持廣泛的功能。783.4.2應(yīng)用協(xié)議應(yīng)用層中最主要的協(xié)議有以下幾種：網(wǎng)絡(luò)終端協(xié)議(Telnet)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程