第三章 计算机网络体系结构及协议

学习目标： 理解网络协议的概念 掌握ISO/OSI参考模型的层次结构和各层功能 掌握TCP/IP体系结构的各层功能 熟练掌握TCP/IP协议，重点掌握IP地址的划分 能够进行IP地址的规划

3.1 网络体系结构的基本概念 3.1.1网络协议 1．网络协议的定义 为进行计算机网络中数据交换而建立的规则、标准或集合就称为网络协议(Protocol)

3.1 网络体系结构的基本概念 2．网络协议三要素: （1）语义（Semantics）。用于协调和差错处理的控制信息。即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种应答。 （2）语法（Syntax）。数据与控制信息的格式、编码及信号电平等。 （3）定时（Timing）。速度的匹配与排序。

3.1.2 网络体系结构 1．网络层次结构 计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，形成网络层次结构。

3.1.2 网络体系结构 n+1层 n层 n-1层 主机A 主机B 逻辑连接(虚通信) 物理介质 物理连接(实通信) n+1层协议 图3.1 计算机网络层次图

3.1.2 网络体系结构 2．网络体系结构（Architecture） 计算机网络各层及其协议的集合称为网络体系结构。

3.1.2 网络体系结构 3．网络分层原则 （1）层数应适中。 （2）各层功能明确且独立。 （3）层间接口必须清晰，跨越的接口信息应尽量少。

3.1.2 网络体系结构 4．层次结构的特点 （1）除了物理介质上进行的是实通信之外，其它各层实体间只有逻辑连接，因而进行的都是虚通信。 （2）对等层上的虚通信必须遵守该层的协议。 （3）n+1层通过接口向n层提出服务请求，而n层则通过接口向n+1层提供服务。 （4）n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处的n-1层提供的服务以及n-1层的通信来实现的。

3.2 ISO/OSI参考模型 3.2.1 ISO/OSI参考模型的结构 1．OSI的定义 开放系统互联参考模型OSI/RM(Open System Interconnection Reference Model)是国际标准化组织ISO于20世纪70年代研究的计算机网络体系结构，是一个定义连接异种计算机标准的主体结构。

3.2.1 ISO/OSI参考模型的结构 2．OSI的分层结构 OSI采用分层结构技术，共定义了七层。OSI七层模型从下到上分别为物理层(Physical Layer,PH)、数据链路层（Data Link Layer DL）、网络层（Network Layer ,N）、传输层（Transport Layer ,T）、会话层（Session Layer ,S）、表示层（Presentation Layer ,P）和应用层（Application Layer ,A）

3.2.1 ISO/OSI参考模型的结构 3．OSI的分层模型 只有在主机中才可能需要所有七层模型，而在通信子网中的IMP一般只需要最低三层甚至最低二层的功能就够了。

3.2.1 ISO/OSI参考模型的结构 端开放系统 A层协议 应用层A P层协议 表示层P S层协议 会话层S 传输层T 中继开放系统 N DL PH IMP 端开放系统 应用层A 表示层P 会话层S 传输层T 网络层N 数据链路层DL 物理层PH 通信子网 开放系统互联参考模型OSI 中继开放系统

3.2.1 ISO/OSI参考模型的结构 4．OSI主要特性 （1）是一种异构系统互联分层结构，提供了控制互联系统规则的标准框架。 （2）是一种抽象结构，而不是一种具体实现的描述。 （3）不同系统上的相同层的实体称为同等层实体，同等层实体之间的通信由该层协议管理，即必须遵循相应的协议。 （4）相邻层间的接口，定义原语操作和低层向上层提供的服务。 （5）所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务。 （6）直接的数据传送仅在最低层实现。

3.2.2 OSI各层的主要功能 （1）物理层 物理层是OSI参考模型的最低层，也是OSI模型的第一层，它利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接。 反映在物理接口协议中的物理接口的四个特性是：机械特性、电气特性、功能特性与规程特性。

3.2.2 OSI各层的主要功能 （2）数据链路层 在数据链路层中，比特流被组织成数据链路协议数据单元（通常称为帧），并以帧为单位进行传输，帧中包含地址、控制、数据及校验码等信息。 数据链路层的主要作用是通过校验、确认、反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成为对网络层来说无差错的数据链路 数据链路层是两个相邻节点间的通信协议，它不能解决数据经过通信子网中多个转接节点的通信问题。

3.2.2 OSI各层的主要功能 （3）网络层 设置网络层的主要目的就是要为报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的主机提供服务，而使网络用户不必关心网络拓扑结构与所使用的通信介质。 在网络层中，数据以网络协议数据单元（通常称为分组）为单位进行传输。

3.2.2 OSI各层的主要功能 （4）传输层 传输层是第一个端—端，也即主机—主机的层次，传输层提供的端到端的透明数据传输服务，使高层用户不必关心通信子网的存在，由此用统一的传输原语编写高层软件便可运行在任何通信子网上。传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题

3.2.2 OSI各层的主要功能 （5）会话层 主要功能是组织和同步不同主机上各种进程间的通信（也称为对话）。 （6）表示层 如何使采用不同编码方法的计算机在通信中能相互理解数据内容，这就是表示层所要完成的任务。 （7）应用层 应用层为开放系统互连环境的最高层，为用户提供各种不同的网络应用。

3.2.3 数据的封装与传递 数据实际传送过程 数据发送时，自上而下，层层加码；数据接收时，自下而上，层层解码。

3.3 TCP/IP体系结构 传输控制协议/互联网协议TCP/IP协议（Transmission Control Protocol /Internet Protocol）是美国国防部高级计划研究局DARPA为实现ARPNET互边网而开发的通信协议。是目前Internet网广泛使用的一种通信协议，该协议得到了广大网络产品厂家的支持而成为一个工业标准。

3.3.1 TCP/IP体系结构的层次划分 1．TCP/IP协议的特点 （1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。 （2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，以及互联网中。 （3）统一的网络地址分配方案。 （4）标准化的高层协议。

3.3.1 TCP/IP体系结构的层次划分 2．TCP/IP体系结构的层次 （1）应用层（Applicantion Layer） （2）传输层（Transport Layer） （3）互联层（Internet Layer） （4）网络接口层（Network Interface Layer）

3.3.1 TCP/IP体系结构的层次划分 ISO/OSI与TCP/IP对应关系 应用层A 应用层A 表示层P 会话层S 传输层T 传输层T 网络层N 数据链路层DL 物理层PH 应用层A 传输层T 互联层I 网络接口层N ISO/OSI与TCP/IP对应关系

3.3.2 TCP/IP体系结构各层的功能 1．网络接口层 在TCP/IP分层体系结构中的最底层，负责接收IP数据并通过网络发送出去，或者从网络上接收物理帧，抽取数据报交给互联层。

3.3.2 TCP/IP体系结构各层的功能 2．互联层 互联层负责将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。 主要功能包括： （1）处理来自传输层的分组发送请求。 （2）处理接收的数据报。 （3）处理ICMP报文、路由、流控与拥塞问题。

3.3.2 TCP/IP体系结构各层的功能 3．传输层 传输层负责应用进程之间的端－端通信。 4．应用层 应用层是最高层，与OSI模型中的高3层的任务相同。

3.3.3 TCP/IP协议集 TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括了许多别的协议，组成了TCP/IP协议簇。 TELENT FTP SMTP DNS 其它 TCP DUP ICMP IP ARP RAPA Ethernet ARPAnet PDN 其它 TCP/IP层次模型

3.3.3 TCP/IP协议集 TCP/IP层次模型中，第二层为TCP/IP的实现基础，其中可包含IEEE802.3的CSMA/CD、IEEE802.4的Token Bus以及IEEE802.5的Token Ring。 在第三层网络中，IP为网际协议（Inter Protocol）ICMP为网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol）、APP为地址转换协议（Address Resolution Protocol）、RARP为反向地址转换协议（Reverse ARP）。 第四层为传输层，TCP为传输控制协议、UDP为用户数据报协议（UserDatagram Protocol）。 第五～七层中，SMTP为简单邮件传送协议（Simple Mail Transfer Protocol）、DNS为域名服务（Domain Name Service ）、FTP为文件传输协议（File Transfer Protocol）、TELNET为远程终端访问协议。

3.3.3 TCP/IP协议集 1．网络接口层协议 （1）SLIP协议 SLIP提供在串行通信线路上封装IP分组的方法，用于远程用户通过电话和MODEM接入TCP/IP网络。 （2）PPP协议 PPP协议是一种点—点通信协议，它由组帧方式、链路控制协议LCP及网络控制协议NCPs组成。具有差错检测与动态分配IP地址的功能，可解决个人用户上Internet网的问题。

3.3.3 TCP/IP协议集 2．互联层层协议 网络层中含有四个重要的协议：互连网协议IP、互连网控制报文协议ICMP、地址转换协议ARP和反向地址转换协议RARP。

3.3.3 TCP/IP协议集 （1）互连网协议IP（Internet Protocol） （2）互连网控制报文协议ICMP ICMP由发现问题的站产生，用于通知分组信源有网络、主机或终端出现差错或阻塞情况，是IP正式协议的一部分。

3.3.3 TCP/IP协议集 （3）地址转换协议ARP APR的作用是将IP地址（32位）转换为相应的物理网络地址（MAC48位）。 （4）反向地址转换协议RARP 对没有设置IP地址的站点可以通过RARP协议取得自己的IP地址。

3.3.3 TCP/IP协议集 3．传输层协议 （1）传输控制协议TCP TCP提供可靠的数据传输服务

3.3.3 TCP/IP协议集 （2）用户数据报协议UDP UDP用户数据报协议是对IP协议组的扩充，它增加了一种机制，发送方使用UDP协议可区分一台计算机上多个接收者。 使用UDP协议可区分一台计算机上多个接收者。但UDP协议提供的是不可靠连接服务。

3.3.3 TCP/IP协议集 4．应用层协议 （1）文件传输协议FTP FTP可使本地机与远程机之间进行有关文件的操作。FTP工作时建立两条TCP连接，一条用于文件，另一条用于传送控制。 FTP采用客户/服务顺序模式，它包含客户FTP和服务器FTP。

3.3.3 TCP/IP协议集 （2）远程终端访问TELNET （3）域名服务DNS DNS是一个域名服务的协议，提供域名到IP地址的转换。 （4）简单邮件传输协议SMTP SMTP是一种文本协议，用于可靠、有效的邮件数据传输。

3.4 OSI与TCP/IP的比较 OSI参考模型的主要问题是定义复杂、实现困难。有些同样的功能在多层重复出现，效率低下。 TCP/IP体系结构的缺陷包括网络接口层本身并不是实际的一层，每层的功能定义与其实现方法没能区分开来，使TCP/IP体系结构不适合于其它非TCP/IP协议族等。

3.5 IP地址 3.5.1 IP编址 1．IP地址的组成 IP地址由32位二进制数组成，常用4个十进数表示，每个数之间用“.”分开。 网络标识号：用于标识网络在因特网中的地址 主机标识号：用于标识主机在网络中的地址

3.5.1 IP编址 2．IP地址的分类 IP地址被分为A、B、C、D、E五类地址，常用的三类地址如下： 类 类标志 网络地址位数 最大网络数 主机地址位数 网络中最大主机数 地址范围 A 7 27-2=126 24 224–2 =16777214 0.0.0.0～127.0.0.0 B 10 14 214 -2=16382 16 216-2=65534 128.0.0.0～191.0.0.0 C 110 21 221 -2=2097150 8 28-2=254 192.0.0.～223.0.0.0 D 1110 E 1111

3.5.1 IP编址 （1）A类地址(大型网络)： 网络地址8位+主机地址24位 （2）B类地址(中型网络)： 网络地址16位+主机地址16位 （3）C类地址(局域网络)： 网络地址24位+主机地址8位

3.5.1 IP编址 （4）特殊地址 ①网络标识号127是保留地址，用来进行循环测试。它是非常有用的网络故障排除工具。 ②低位字节全“1”（即255）的地址为广播地址，如发送消息给255.255.255.255表示将信息广播到网络上的每台主机，发送消息给168.192.255.255表示将消息广播到168.192网络每一台机。 ③低字节全“0”表示网络，即主机地址中全“0”的主机代表一个网络。如168.192.0.0表示168.192网络。 ④各类网络中必须去掉全1的广播地址与全0的网络地址，即主机地址应为地址总数-2。如：C类地址中主机数=28-2=254个。

3.5.1 IP编址 （5）IP地址的申请方法 世界上每台主机的IP地址必须惟一才能保证因特网的正常工作，IP地址是由Inter NIC（Internet Network Information Center）组织统一负责管理分配的。中国用户可通过CNNIC申请IP 地址。

3.5.2子网地址与子网掩码 1．子网的概念 将主机标识域进一步划分为子网标识与子网主机标识，即将IP地址分为： 在IP地址的某个网络标识中可以包含大量的主机，如A类地址网可以有16777214个主机，而B类地址网可以有65534个主机。若将如此多的主机连接在同一网络，将会增加网络的数据流量与冲突，降低网络效率，并会给网络寻址与管理带来不便。为解决这个问题，可在网络中引入“子网”的概念。 将主机标识域进一步划分为子网标识与子网主机标识，即将IP地址分为： IP地址=网络标识号+子网地址+主机地址

3.5.2子网地址与子网掩码 2．子网掩码 在具有相同网络标识中网络中，用子网掩码可区分不同的子网。子网掩码由32位二进制数组成，用于区分网络、子网与主机，子网掩码对应网络与子网标识部分全为“1”，对应主机标识部分全为“0”。

3.5.2 IP地址规划 1．划分子网的步骤 （1）确定需要用多少位来表示子网 （2）确定需要用多少位来表示主机 （3）求出子网掩码。 （4）确定标识每一个子网的网络地址 （5）确定每一个子网上所使用的主机地址的范围。

3.5.2 IP地址规划 2．B、C类网络子网划分 （1）C类网络子网划分

3.5.2 IP地址规划 （2）B类网络子网划分