chap03 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

第3章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)之間相互通信的層次以及各層中的協(xié)議和層次之間接口的集合。世界上第一個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：SNA（SystemNetworkArchitecture）2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素是語法、語義、時序。語法：指數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)、編碼及信號電平等。語義：指對構(gòu)成協(xié)議的協(xié)議元素含義的解釋。時序：也稱為同步，規(guī)定了事件的執(zhí)行順序。3OSI參考模型開放系統(tǒng)互聯(lián)（OpenSystemInterconnection，OSI）參考模型·應(yīng)用層：OSI參考模型中的最高層，用于為應(yīng)用程序提供服務(wù)。·表示層：提供各種應(yīng)用層數(shù)據(jù)的編碼和轉(zhuǎn)換功能，確保一個系統(tǒng)的應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)能被另一個系統(tǒng)的應(yīng)用層識別，主要包括數(shù)據(jù)格式變換、數(shù)據(jù)的加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)等功能4OSI參考模型·會話層：負(fù)責(zé)通信中兩個節(jié)點(diǎn)之間的會話連接的建立、維護(hù)和斷開，以及數(shù)據(jù)的交換?！鬏攲樱簽橛脩籼峁┒说蕉说姆?wù)，處理報文錯誤、報文次序錯誤等傳輸問題。5OSI參考模型·網(wǎng)絡(luò)層：為網(wǎng)絡(luò)上的不同主機(jī)提供通信服務(wù)，包括路由選擇、擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)互連等功能。數(shù)據(jù)鏈路層：在物理層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上，在通信的實(shí)體間建立數(shù)據(jù)鏈路連接，傳輸以幀為單位的數(shù)據(jù)包，并為網(wǎng)絡(luò)層提供差錯控制和流量控制服務(wù)。6OSI參考模型·物理層：利用傳輸介質(zhì)為通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間建立、維護(hù)和釋放物理連接，實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸，進(jìn)而為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。7傳輸介質(zhì)計(jì)算機(jī)1AP1計(jì)算機(jī)25432176AP15432176應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H7應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H6H7應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H5H6H7應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H5H6H7應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5H6H7應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H3H5H6H7應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H3H2H5H6H7應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H3H2H1應(yīng)用層表示層會話層傳輸層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層OSI參考模型數(shù)據(jù)傳輸過程8TCP/IP協(xié)議TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）指能夠在多個不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膮f(xié)議簇。9TCP/IP與OSI參考模型的對應(yīng)層次關(guān)系10TCP/IP協(xié)議1．應(yīng)用層應(yīng)用層功能是定義數(shù)據(jù)格式并按照對應(yīng)的格式解讀數(shù)據(jù)。應(yīng)用層的主要協(xié)議有：Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）FTP（文件傳輸協(xié)議）SMTP（簡單郵件傳輸協(xié)議）SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）HTTP（超文本傳輸協(xié)議）DNS（域名解析協(xié)議）。11TCP/IP協(xié)議2．傳輸層傳輸層的主要功能是定義端口，標(biāo)識應(yīng)用程序身份，實(shí)現(xiàn)端到端的通信。傳輸層的主要協(xié)議有TCP和UDP（UserDatagramProtocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。（1）TCP協(xié)議。TCP是一種可靠的面向連接的協(xié)議，能夠提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，主要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)分組、確認(rèn)收到的分組、設(shè)置超時時間等。12TCP/IP協(xié)議2．傳輸層UDP協(xié)議是一種不可靠的無連接協(xié)議，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)報的分組從一臺主機(jī)發(fā)送到另一臺主機(jī)，不進(jìn)行差錯檢驗(yàn)，不能保證數(shù)據(jù)一定被送達(dá)目的主機(jī)。13TCP/IP協(xié)議3．網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是定義網(wǎng)絡(luò)地址、區(qū)分網(wǎng)段、MAC尋址、對不同子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由。網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議有IP、ICMP和IGMP。（1）IP協(xié)議。是一個無連接的協(xié)議，任務(wù)是為每個網(wǎng)卡分配一個IP地址，將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)。14TCP/IP協(xié)議（2）ICMP即網(wǎng)際控制報文協(xié)議（InternetControlMessageProtocal），任務(wù)是為IP協(xié)議提供差錯報告，如網(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。（3）IGMP即網(wǎng)際組管理協(xié)議（InternetGroupManagementProtocol），負(fù)責(zé)把UDP數(shù)據(jù)包多播到多臺主機(jī)。15TCP/IP協(xié)議4．鏈路層鏈路層主要功能是對電信號進(jìn)行分組并形成具有特定意義的數(shù)據(jù)幀，然后以廣播的形式通過物理介質(zhì)發(fā)送給接收端。鏈路層主要協(xié)議有ARP、RARP。ARP（AddressResolutionProtocol，地址解析協(xié)議）協(xié)議是根據(jù)IP獲取對應(yīng)的MAC地址。RARP（ReverseAddressResolutionProtocol，反向地址解析協(xié)議）協(xié)議是根據(jù)MAC地址獲取對應(yīng)的IP。16TCP/IP數(shù)據(jù)封裝過程注意：在網(wǎng)絡(luò)層可以看到IP地址，在鏈路層只能看到MAC地址而看不到IP地址。17TCP/IP數(shù)據(jù)封裝過程數(shù)據(jù)包在不同的協(xié)議層有不同的稱謂：在傳輸層叫報文或者段（segment）在網(wǎng)絡(luò)層叫數(shù)據(jù)報（datagram）在鏈路層叫幀（frame）18IP地址表示方法IPv4（InternetProtocolversion4）即網(wǎng)際協(xié)議版本4，IP稱為邏輯地址。IPv4采用32位二進(jìn)制數(shù)表示，即用4個字節(jié)表示，常用點(diǎn)分十進(jìn)制記法表示，例如IPv4地址10000000000010110000001100011111用點(diǎn)分十進(jìn)制表示為1。19MAC地址MAC地址（MediaAccessControlAddress，媒體訪問控制地址）也叫物理地址（PhysicalAddress）或硬件地址，用于在網(wǎng)絡(luò)中唯一標(biāo)識一個網(wǎng)卡，一臺設(shè)備如果有一個或多個網(wǎng)卡，則每個網(wǎng)卡都需要有一個唯一的MAC地址。MAC地址的長度為48位（6個字節(jié)），通常表示為12個16進(jìn)制數(shù)，如00-16-EA-AE-3C-40就是一個MAC地址，MAC地址全球具有唯一性。20查看IP地址和MAC地址的方法在命令行提示符下運(yùn)行ipconfig/all21MAC幀發(fā)送過程IP地址是按照區(qū)域劃分的，數(shù)據(jù)鏈路傳送的是MAC幀，由MAC地址完成下層的實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)。到路由節(jié)點(diǎn)后，會從MAC幀中解析出IP數(shù)據(jù)包，獲取到IP地址，來判斷目的IP是屬于哪個區(qū)域的，再找到目的IP對應(yīng)的MAC地址，然后再將MAC地址重新封裝到新的MAC幀。發(fā)送過程中源和目的IP地址不變，變化的是源和目的MAC地址。22TCP/IP數(shù)據(jù)封裝過程【例3-1】網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)包給B，在數(shù)據(jù)包經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，封裝在數(shù)據(jù)包1中的目的IP地址和目的MAC地址分別是什么？封裝在數(shù)據(jù)包1中的目的IP地址為70目的MAC地址為00d0.63c3.3c41

23IPv4數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)24IPv4數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)版本：占4位，IPv4對應(yīng)的是0100。首部長度：占4位，對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值×4即為IP首部字節(jié)數(shù)。4位可表示的最大數(shù)值是15，因此IP首部的最大長度為15×4=60字節(jié)。服務(wù)類型：占8位，一直沒用。25IPv4數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)報總長度：占16位，指首部和數(shù)據(jù)之和的總長度，單位為字節(jié)，216-1=65535，因此數(shù)據(jù)報的最大長度為65535字節(jié)，并且總長度還不能超過最大傳送單元MTU（MaximumTransmissionUnit）值。26IPv4數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)標(biāo)識：占16位，是計(jì)數(shù)器，用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)報標(biāo)識。27IPv4數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)分片標(biāo)志：占3位，但只有2位有效。最低位為1表示后面還有分片的數(shù)據(jù)報，為0表示這已是若干數(shù)據(jù)報片中的最后一個，中間位為0時表示此IP數(shù)據(jù)報允許分片，為1時表示不允許分片。28IPv4數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)片偏移：占13位。分片后某片在原分組中的相對位置，片偏移以8字節(jié)為偏移單位，除最后一個分片外，其他分片的長度是8字節(jié)的整數(shù)倍。29IPv4數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)TTL是跳數(shù)，每經(jīng)過一個路由器，就把TTL值減1。當(dāng)TTL值為0時，就丟棄這個數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)過的路由器的最大數(shù)值是255。若把TTL的初始值設(shè)為1，表示這個數(shù)據(jù)報只能在本局域網(wǎng)中傳送。

30IPv4數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)協(xié)議：占8位。用于指出此數(shù)據(jù)包攜帶的數(shù)據(jù)使用的協(xié)議類型，以使目的主機(jī)IP層知道應(yīng)將數(shù)據(jù)部分上交給哪個處理過程。首部檢驗(yàn)和：占16位。用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包的首部?？蛇x部分：很少使用。31IPv4地址分類

主機(jī)號全0的IP地址稱為網(wǎng)絡(luò)地址或網(wǎng)段，全1代表廣播地址，因此全0和全1的主機(jī)號不能用。組播地址只能用于目的地址，不能用于源地址。32IPv4地址分類

由于127.*.*.*用作本機(jī)回送地址，因此A類網(wǎng)絡(luò)號中的01111111，即127也不能用。全0的網(wǎng)絡(luò)號00000000也不能用，故A類網(wǎng)絡(luò)數(shù)為27-2。主機(jī)號全0用作網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)識（也稱網(wǎng)絡(luò)號），全1代表廣播地址，故全0和全1的主機(jī)號不能用，可供分配的地址數(shù)要減2。167772146553425433IP組播

IP組播是將IP數(shù)據(jù)包傳輸?shù)揭粋€組播組（MulticastGroup）的主機(jī)集合。IP組播允許主機(jī)子集跨越互聯(lián)網(wǎng)上任意的物理網(wǎng)絡(luò)。34子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)劃分是指把網(wǎng)絡(luò)劃分為更小的網(wǎng)絡(luò)，通過縮小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來提高網(wǎng)絡(luò)效率。35IPv4地址采用固定分類的弊端

1677721465534254處于同一廣播域36IPv4地址采用固定分類的弊端

1677721465534254處于同一廣播域解決方法：把網(wǎng)絡(luò)劃分更小的網(wǎng)絡(luò)，通過縮寫網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來提高網(wǎng)絡(luò)效率。劃分后的子網(wǎng)通過子網(wǎng)掩碼來區(qū)分主機(jī)位和網(wǎng)絡(luò)位。

37子網(wǎng)掩碼(subnetmask)為長度32位的二進(jìn)制數(shù)，從左邊開始，用連續(xù)的1來指明IP地址中的網(wǎng)絡(luò)位，用連續(xù)的0來指明IP地址中的主機(jī)位。標(biāo)準(zhǔn)A類地址中網(wǎng)絡(luò)號占1個字節(jié)，主機(jī)號占3個字節(jié)，因此其對應(yīng)的子網(wǎng)掩碼為：11111111.00000000.00000000.00000000，對應(yīng)十進(jìn)制為。38標(biāo)準(zhǔn)B類地址網(wǎng)絡(luò)號占2個字節(jié)，主機(jī)號占2個字節(jié)，對應(yīng)的子網(wǎng)掩碼為：11111111.11111111.00000000.00000000，對應(yīng)十進(jìn)制為。標(biāo)準(zhǔn)C類地址網(wǎng)絡(luò)號占3個字節(jié)，主機(jī)號占1個字節(jié)，對應(yīng)的子網(wǎng)掩碼為：11111111.11111111.11111111.00000000，對應(yīng)十進(jìn)制為。39子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)掩碼不能單獨(dú)存在，必須與IP地址一起使用。將子網(wǎng)掩碼和IP地址按位進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，可以得到IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址。邏輯“與”運(yùn)算規(guī)則為：0&0＝0，0&1＝0，1&1＝1。【例3-2】某主機(jī)的IP地址為，子網(wǎng)掩碼為92，該主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)地址是多少？40子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼

【例3-3】某單位申請到了C類網(wǎng)絡(luò)地址，現(xiàn)要將其劃分為4個子網(wǎng)供4個部門使用，試計(jì)算各子網(wǎng)的子網(wǎng)掩碼、可以主機(jī)分配使用IP地址數(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址、廣播地址、IP地址范圍。解：C類地址的網(wǎng)絡(luò)號為24位，主機(jī)號為8位，劃分4個子網(wǎng)時，因22＝4，因此需從8位主機(jī)號中借2位作為子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)號，剩余的6位作為子網(wǎng)的主機(jī)號，劃分后的4個子網(wǎng)的子網(wǎng)掩碼為：1111111111111111

1111111111000000，十進(jìn)制為92，借的2位與原來的24位網(wǎng)絡(luò)號一起組成26位子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號。41子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼

劃分后的4個子網(wǎng)的主機(jī)號為6位，共有26＝64個地址，但全0和全1的主機(jī)號不能分配給主機(jī)使用，所以4個子網(wǎng)中可供主機(jī)分配的IP地址數(shù)為26-2＝62個。從主機(jī)號中借的2位取值分別為：00、01、10、11。42子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼

劃分后的4個子網(wǎng)的主機(jī)號為6位，共有26＝64個地址，但全0和全1的主機(jī)號不能分配給主機(jī)使用，所以4個子網(wǎng)中可供主機(jī)分配的IP地址數(shù)為26-2＝62個。從主機(jī)號中借的2位取值分別為：00、01、10、11。43網(wǎng)絡(luò)前綴法表示掩碼

CIDR（ClasslessInter-DomainRouting，無類別域間路由或無分類編址）網(wǎng)絡(luò)前綴法表示掩碼，即：IP地址/<