第三章网络体系结构剖析

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1、Computer Networks 计算机网络,第三章 网络体系结构,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,2,主要内容,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,3,3.1 标准化组织,两个重要的概念 “分层”： 两个实体要实现通信，要有一条传输数据的通路，其次还要有一些互相遵守的协议。即通信的两个计算机系统必须高度协调才行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题转化为比较容易处理和研究的若干较小的局部问题。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,4,3.1 标准化组织,两个重要的概念 2. “开放”： 国际标准化组织ISO于1977

2、年提出开放系统互联参考模型OSI/RM，它为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础。 “开放”是指：只要遵循OSI/RM标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的也遵循同一标准的其他任何系统进行通信。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,5,3.2网络体系结构的基本概念,实体：任何能完成某一特定功能的进程或程序都可以称为一个逻辑 “实体”。 系统：包含一个或多个实体，具有信息处理和通信功能的物理整体。 层：是人们对复杂问题处理的基本方法。 协议：在系统中两实体间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定的集合。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,6,3.2网络体

3、系结构的基本概念,计算机网络是由多个互联的节点组成，要做到在节点之间有条不紊地交换数据与控制信息。每个节点都必须遵守一些事先约定好地规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和有关的同步等问题。这些为网络数据交换而制定的规则、标准和约定被称为网络协议。 计算机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。 网络体系结构规定计算机网络应设置哪几层，每层应提供哪些功能的定义，至于功能如何实现，则不属于网络体系结构部分。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,7,3.3 OSI参考模型,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7 6 5 4 3 2 1,

4、OSI 的体系结构,好处： 各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。,层数多少要适当 ：,若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。 层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,8,3.3.1 物理层,处于最低层，向下直接与物理传输介质相连接，向上相邻且服务于数据链路层，实现设备之间连接的物理接口。 主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围

5、。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,9,具体的说，这一层的规程都与电路上传输的原始比特有关，它涉及到什么信号代表“1”，什么信号代表“0”；这一个比特持续多少时间；传输是双向的还是单向的；一次通信中发送方和接收方如何应答；设备之间连接件的尺寸和接头数，以及每根连线的用途等。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,10,作用：通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。 主要功能包括： 链路管理。实现对数据链路层连接的建立、维持和

6、释放。 帧同步。在数据链路层，数据的传送单位是帧。 提供数据的流量控制 检测和校正物理链路产生的差错。 区分数据和控制信息 透明传输 寻址 介质访问控制（MAC） 逻辑链路控制（LLC）,数据链路层,数据链路层,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,11,MAC子层是数据链路层底部的一个子层，它确定网络的逻辑拓扑是总线型还是环型，这一子层定义 了数据帧传输协议，包括竞争、令牌传递、轮询等方式。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,12,数据链路层像个数字管道,常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。,2019/10/1

7、6,浙江邮电职业技术学院计算机系,13,数据链路层的简单模型,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据的流动,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,14,作用：实现网络上任一节点的数据准确、无差错地传输到其他节点。 数据链路层协议是相邻两直接连接结点间的通信协议，它不能解决数据经过通信子网中多个转接点的通信问题，设置网络层的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，而网络用户不必关心网络的拓扑结构与所用的通信介质。 主要动能包括： 为传输层提供服务 支持

8、网络连接的实现 提供路径选择和中继 流量控制 网络连接的建立和管理,网络层,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,15,网络层提供的服务,面向连接服务(connection-oriented) （数据报服务） 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。 无连接服务(connectionless) （虚电路服务） 两个实体之间的通信不需要先建立好连接。 是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,16,传输层的主要功能,传输层为应用进程之间提供

9、端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。 传输层还要对收到的报文进行差错检测。 传输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,17,会话层的功能,作用：当两个应用进程进行相互通信时，希望有个作为第三者的进程能组织它们的通话，协调它们之间的数据流，会话层就是为了达到这个目的。 主要功能： 在两个进程之间建立、组织和协调其交互，提供会话活动管理、交互管理和会话同步管理等功能，以达到协调会话过程，为表示层实体提供更好的服务目的。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,18,表示层的功能,作用

10、：主要解决两个通信系统中交换信息的表示方法差异问题。 主要功能： 提供语法转换功能，数据加密和解密、压缩与还原等功能。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,19,应用层的功能,应用层是最终用户通过应用程序访问网络服务的地方，是用户和网络的界面，为用户使用网络提供接口或手段。 规定应用进程在通信时所遵循的协议。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,20,协议和服务,服务是各层向上层提供的一组原语（操作）。上层是服务用户，下层是服务提供者。 协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,2

11、1,3.4 TCP/IP参考模型,TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网际，它源于美国国防部高等计划研究局的ARPANET网，现在已成为Internet互联网的通信协议。 Internet在全世界的飞速发展与TCP/IP协议的广泛应用对网络技术的发展影响。 TCP/IP成功地解决了不同网络之间难以互联的问题，实现了异构网互联通信。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,22,TCP/IP特点,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。 独立于特定的网络硬件，可以运行

12、在局域网、广域网、互联网中。 统一的地址分配方案，每个设备有唯一的地址。 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。 在网内用来确认各种独立网络的不是物理地址，而是IP地址。 使用多层体系结构，定义了每个协议的责任。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,23,3.4 TCP/IP参考模型,TCP/IP 的体系结构,应用层,主机至网络层,网络层 IP,(各种应用层协议如 TELNET, FTP, SMTP 等),传输层(TCP 或 UDP),2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,24,3.4 TCP/IP参考模型,1.主机至网络层,是TCP/IP协议的最低层，通

13、常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。 它负责网络层与硬件设备间的联系，定义了Internet与各种物理网络之间的网络接口，指出主机必须使用某种协议与网络相连。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,25,3.4 TCP/IP参考模型,2.网络层,与OSI网络层相对应，具有更强的网际通信能力。包含有4个重要协议，即IP、ICMP、ARP和RARP。 网络层主要解决计算机到计算机间的通信问题，功能包括： （1）负责处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后将分组装入IP数据报，填充报头，选择路径，然后将数据报发往适当的网络接口。 （2）检查并转发数据报。 （3）处

14、理网络控制报文协议，即处理路径选择、流量控制及拥塞等问题。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,26,IP：网络中的主要协议，同时被TCP和UDP使用。 ICMP：ICMP是“Internet Control Message Protocol”（Internet控制消息协议）的缩写。它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用 。 ICMP协议对于网络安全具有极其重要的意义。ICMP协议本身的特点决定了它非常容

15、易被用于攻击网络上的路由器和主机。向目标主机长时间、连续、大量地发送ICMP数据包，也会最终使系统瘫痪,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,27,ARP：地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）是在仅知道主机的IP地址时确定其物理地址的一种协议。因IPv4和以太网的广泛应用，其主要用作将IP地址翻译为以太网的MAC地址，,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,28,假设: 计算机A的IP为192.168.1.1,MAC地址为00-11-22-33-44-01; 计算机B的IP为192.168.1.2,MAC地址为00-11-2

16、2-33-44-02; ARP工作原理如下: 在TCP/IP协议中,A给B发送IP包,在包头中需要填写B的IP为目标地址,但这个IP包在以太网上传输的时候,还需要进行一次以太包的封装,在这个以太包中,目标地址就是B的MAC地址. 计算机A是如何得知B的MAC地址的呢？解决问题的关键就在于ARP协议。 在A不知道B的MAC地址的情况下,A就广播一个ARP请求包,请求包中填有B的IP(192.168.1.2),以太网中的所有计算机都会接收这个请求,而正常的情况下只有B会给出ARP应答包,包中就填充上了B的MAC地址,并回复给A。 A得到ARP应答后,将B的MAC地址放入本机缓存,便于下次使用。,2019/10/16,浙江邮电职业技术学院计算机系,29,ARP协议并不只在发送了ARP请求才接收ARP应答。当计算机接收到ARP应答数据包的时候，就会对本地的ARP缓存进行更新，将应答中的IP和MAC地址存储在ARP缓存中。因此，当局域网中的某台机器B向A发送一个自己伪造的ARP应答，而如果这个应答是B