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1、主要内容：,第2章 无线网络逻辑结构,2.1 OSI网络模型 2.2 网络层技术 2.3 数据链路层技术 2.4 物理层技术 2.5 操作系统的注意事项 2.6 本章小结,2.1 OSI网络模型,开放式系统互联(OSI)模型是由国际标准化组织制定的，用于为开发计算设备互联的标准提供指导。OSI模型是一个用于开发这些标准的框架，其自身并不是一个标准。网络的任务是非常复杂的，并不是仅仅一个标准就能处理的。 OSI模型将设备与设备之间的连接，或者更恰当地说是应用与应用间的连接用具有逻辑相关的七“层”进行分层描述。,OSI七层模型,七层结构,实际的OSI模型：一个电子邮件例子,2.2 网络层技术,2.
2、2.1 IP寻址 2.2.2 私有IP地址 2.2.3 IPv6 2.2.4 地址解析协议 2.2.5 路由 2.2.6 网络地址转换 2.2.7 端口地址转换,2.2.1 IP寻址,32位的IP地址通常由四个介于0到255之间的用点号分隔的十进制数表示，例如200.100.50.10。其扩展的完整二进制格式为11001000.01100100.00110010.00001010。 IP地址不仅可以标识计算机或者其他网络设备，还可以唯一标识该设备连接的网络。IP地址分为主机ID和网络ID两部分。网络ID很重要，因为它使传送数据包的设备知道在将该数据包送达到目的地的路径中第一个需要调用的端口。,
3、表2.2 本地和远端IP地址,2.2.2 私有IP地址,1996年2月，网络工作组要求对RFC 1918进行行业说明，提议了三组所谓的私有IP地址用于无须接入Internet的网络。这些私有IP地址作为保留的IP地址空间，使一些不同的组织团体可以在他们的私有网络中使用这些相同的IP地址。在这种情况下，一台计算机只要不需要通过Internet进行通信，就不需要拥有一个世界上独一无二的IP地址。,表2.3 私有IP地址范围,随后，国际因特网地址分配委员会(Internet Assigned Numbers Authority, IANA)将169.254.0.0至169.254.255.255地址
4、段保留为自动专用IP地址(Automatic Private IP Address, APIPA）。如果一台计算机将其TCP/IP设置为自动从DHCP服务器获取IP地址，但是却不能找到DHCP服务器时，系统就会自动从这个地址段选定一个私有IP地址，从而使计算机可以在私有网络中进行通信。,2.2.3 IPv6,在32位的情况下，总共有232即42.9亿个IP地址是可用的 。 现在业界正致力于IPv6(Internet Protocol Version 6)。截止到2020年世界总人口将达到100亿，平均每人使用远远不止一台计算机，基于上面的预测，IPv6给出了128位的IP地址。IPv6具有3.
5、41038个可用的IP地址这意味着100亿人口每人可以有3.41027个IP地址，或者说平均地球表面每平方米有6.61023个IP地址，这为未来的发展提供了足够的空间。,2.2.4 地址解析协议,正如上面所提到的，每个物理层的数据传输都是寻址接收设备网卡的MAC（第2层）地址，而不是其IP（第3层）地址。为了对数据包寻址，发送设备首先要找到与目的端的IP地址相对应的MAC地址，然后用该MAC地址标记数据包。这个工作是由地址解析协议(Address Resolution Protocol, ARP)完成的。 发送设备将请求某个IP地址所对应的MAC地址的消息广播到网络上，目的端设备的TCP/IP
6、软件回复所请求的地址信息，则数据包可被寻址，接着将其传送到发送端的数据链路层。 在实际中，发送设备保留有与其最近通信的设备的MAC地址，所以不需要每次都广播请求消息。当需要查找MAC地址时，先在ARP列表或者缓存中查找，如果目的端的IP地址不在其中，才广播请求消息。在很多情况下，计算机是将数据包发送到默认网关，默认网关的MAC地址可以在ARP列表中找到。,2.2.5 路由,路由是一种使数据包能够找到到达目的地路径的机制，不管目的地就是隔壁房间里的设备还是在地球的另一端。 路由器将其接收到的每个数据包的目的地址与其存储空间里的地址表即路由表进行比较。如果发现有相匹配的，则将数据包发送到表中的相应
7、栏标识的地址处，该地址可能是另一个网络的地址，也可能是“下一跳”的路由地址，数据包沿着这个路径到达最终的目的地。 如果路由器没有发现相匹配的地址，将再次遍历路由表，并只查看地址的网络ID部分（用前面提到的子网掩码进行提取）。如果发现有相匹配的，数据包就被发送到相应的地址。如果没有匹配，路由器将寻找一个默认的下一跳的地址，并将数据包发送到那里。作为最后的手段，如果没有设置默认的地址，路由器将向发送IP地址返回“主机不可达”或者“网络不可达”的消息。当收到这样的消息时，通常意味着线路中的某一个路由发生了故障。,当出现上述故障时 ，发送端将生存时间(Time-To-Live, TTL)字段初始化为某
8、一特定值，通常是64，每当数据包经过一个路由器，该值都会减1。当TTL减至0时，该数据包将会被丢弃，同时，通过因特网控制消息协议(Internet Control Message Protocol, ICMP)向发送端报告“超时”消息。,路由器工作的智能部分是建立路由表。简单的网络可以通过一个起始文件设置静态路由表，但是更一般的是，路由器通过发送和接收广播消息建立动态路由表。 这些消息可以是ICMP路由请求和路由广告消息，它们可以使相邻的路由器询问“谁在那里？”并回应“我在这儿”，或者使用更有效的路由信息协议(Router Information Protocol, RIP)消息，在此消息中，
9、路由器周期性地向网络广播完整的路由表。 其他的RIP和ICMP消息允许路由器寻找达到某个地址的最近的路径，并在其他的路由器发现无效路由的情况下更新路由表，而且根据网络的可用性和流量情况定时更新路由表。,2.2.6 网络地址转换,当一台计算机发送数据包到一个私有网络之外的IP地址时，连接私有网络和Internet的网关会将私有IP源地址（192.168.0.1，见表2.4）替换为一个公众IP地址（例如205.55.55.1）。接收服务器和Internet路由器会将其识别为一个有效的目的地地址并正确地对数据包进行路由。当发送端的网关接收到返回的数据包时，用发送端计算机的初始私有IP地址来替换数据包
10、的目的地地址。这个在私有网络的Internet网关处完成的将私有IP地址转换为公共IP地址的过程称为网络地址转换。,表2.4 一个简单的静态NAT表,实际中，与路由相似，NAT也可以是静态的或动态的。在静态NAT中，私有网络中的每台需要访问Internet的计算机都分配一个在指定NAT表中的公众IP地址。在动态NAT中，提供一个公众IP地址池，根据需要将其映射给私有地址。,2.2.7 端口地址转换,如果私有网络的网关只有一个可以分配的公众IP地址，或者在私有网络中需要上网的计算机数目多于可以分配给网关的公共IP地址数，就会出现问题。这种情况通常是一个小团体只有一个连到ISP的Internet连
11、接。这时，似乎私有网络中同时只能有一台计算机可以连到Internet中。端口地址转换(Port Address Translation, PAT)可以解决这一局限，PAT可以将私有IP地址映射到单个公众IP地址的不同端口。,图2.2 实际中的地址转换,表2.5 一个简单的PAT表例子,2.3 数据链路层技术,2.3.1 逻辑链路控制 2.3.2 媒体访问控制 2.3.3 有线网络的媒体访问控制 2.3.4 无线网络的媒体访问控制,2.3.1 逻辑链路控制,图2.4 LLC的逻辑定位和MAC服务接入点,由LLC产生的并传输到MAC层的帧称为LLC协议数据单元(LLC Protocol Data
12、Unit, LPDU)，LLC层管理源设备和目的设备的链路层服务接入点间的LLC协议数据单元的传输。链路层服务接入点(Service Access Point, SAP)是一个指向网络层协议的端口或者逻辑连接点，如图2.4所示。在一个支持多种网络层协议的网络中，每个协议有特定的源SAP(Source SAP, SSAP)和目的SAP(Destination SAP, DSAP)端口。LPDU包括8位的DSAP和SSAP地址以确保LPDU被正确的网络层协议传送。 LLC层定义了无连接的和面向连接的通信服务。在面向连接的通信服务中，接收端的LLC层会追踪接收到的LPDU。如果某个LPDU在传送中丢
13、失或者未被正确接收，目的地的LLC会请求源从上一次接收到的LPDU开始重新传输。 LLC将LPDU通过逻辑连接点向下传输至MAC层，该逻辑连接点被称为MAC服务接入点(MAC Service Access Point, MAC SAP)，而LPDU被称为MAC服务数据单元(MAC Service Data Unit, MSDU)并成为MAC层的数据载荷。,2.3.2 媒体访问控制,数据链路层的第二个子层控制设备允许访问物理层传输数据的方式和时间，这就是媒体访问控制或者MAC层。 接收设备需要能够识别这些在网络媒体中传输的数据包，这是通过MAC地址实现的。每个网络适配器，无论是以太网、无线网还是
14、其他网络技术的适配器，在制造时都被分配了一个独一无二的称为MAC地址的序列号。 以太网地址是MAC地址最一般的形式，包含有六个字节，通常用16进制表示，例如00-D0-59-FE-CD-38。前面三个字节是制造商的编号（上例中的00-D0-59代表Intel），剩余三个字节是该适配器独一无二的序列号。一台装有Windows 95, 98或Me的PC的网络适配器的MAC地址可以通过点击“开始”，“运行”，并输入“winipcfg”然后选择适配器获得。在Windows NT, 2000和XP系统中可以打开一个DOS窗口（点击“开始”、“程序”、“附件”、“命令提示符”）然后输入“ipconfig/
15、all”查到MAC地址。,IEEE 802.11的MAC帧即MAC协议数据单元(MPDU)的完整结构如图2.5所示，MPDU的元素如表2.6所示。,长度（字节） , 长度（字节）,管理，控制，数据,关联请求响应信标 RTS，等,图2.5 MAC层的帧结构,表2.6 802.11 MPDU的帧结构元素,2.3.3 有线网络的媒体访问控制,2.3.3.1 载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD) 2.3.3.2 其他的有线网络MAC方法,2.3.3.1 载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD),在以太网的MAC层中，用于控制设备传输的最常用方法是载波监听多路访问/冲突检测(Carrier
16、Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD)，如图2.6所示。当设备采用这种控制方法传输数据帧到网络时，首先检查物理媒体（载波侦听）以确定是否有其他设备正在传输。如果检测到其他正在传输的设备，就等待直到其传输结束。一旦载波空闲，则开始传输数据，同时继续监听其他传输。,图2.6 以太网CSMA/CD时序,如果设备监听到有其他设备同时也在传输（冲突检测），则停止传输并发送一个短的拥塞信号以告诉其他设备冲突产生。于是每个想要发送的设备都计算一个随机退避时间，该退避时间介于0到tmax之间，当退避时间结束后再次尝试传输。那个恰巧等待了最短时间的设备将会被准许访问媒体，而其余设备将监听该传输并回到载波监听模式。 媒体工作繁忙会导致设备不断地遭遇冲突。当冲突发生时，tmax会在每次新的尝试时加倍，直到10次加倍，如果在16次尝试后发送仍然是失败的，设备将报告“过多冲突错误”。,2.3.3.2 其他
