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1、局域网设计与组网实用教程,清华大学计算机系列教材 王宝智 主编,2017/6/5,2,第2章 计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构2.2 OSI模型和TCP/IP协议栈2.3 协议参考模型层功能2.4 局域网层次结构作业,2017/6/5,3,2.1 计算机网络体系结构,计算机网络体系结构包含两个方面的内容，一方面是指所有计算机网络都遵照的抽象的协议参考模型，另一方面是指一个具体计算机网络所使用的协议栈。下面对这两方面的内容加以简单讲解。,2017/6/5,4,2.1.1 协议参考模型,IBM公司的SNA原DEC公司的DECnetOSITCP/IP,2017/6/5,5,2.1.2
2、协议栈,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口 1,网络接口 2,网络接口 3,2017/6/5,6,协议,协议是通信双方遵守的约定。协议具备以下两方面的基本内容：语法：协议的语法方面的规则定义了通信双方所交换的信息的格式。通信双方交换的数据称为协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)。PDU由若干字段组成，一个字段又包括若干比特。语义：协议的语义定义了通信双方要完成的操作。例如，在什么条件下数据必须重发或丢弃。按照相同的语义，通信双方才能实现有意义的数据交换。,2017/6/5,7,2.2 OSI模型和TCP
3、/IP协议栈,2.2.1 OSI模型层次结构OSI包括七个功能层(layer)，如图2-1所示。,2017/6/5,8,图2-1开放系统互联参考模型,2017/6/5,9,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,2017/6/5,10,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,10100110100101 比
4、特 流 110101110101,计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层,2017/6/5,11,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,2017/6/5,12,H3,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层,2017/6/5,13,H4,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机
5、 2,运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层,2017/6/5,14,应 用 程 序 数 据,H5,应 用 程 序 数 据,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程,2017/6/5,15,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,我收到了 AP1 发来的应用程序数据！,2017/6/5,16,2.2.2 TCP/IP协议族,TCP（Transmission Control Protocol）称为
6、传输控制协议，IP(Internet Protocol)称为互联网协议。注意：此处的互联网是泛指多个局域网组成的网络，而不是国际互联网（Internet） 。TCP/IP协议栈如图2-5(a)所示，图中没有画出TCP/IP协议族的所有协议。,2017/6/5,17,TCP/IP参考模型,2017/6/5,18,2.3 协议参考模型层功能,下面我们介绍协议参考模型中功能层规范的一些典型的功能。我们的介绍以TCP/IP模型为背景，只是在介绍数据链路层和物理层时用到了OSI的术语。,2017/6/5,19,2.3.1 应用层功能,应用层主体是一些与用户网络应用程序配套的协议，例如支持网络管理的简单网
7、络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)，支持电子邮件(E-mail)的简单邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol，SMTP)和邮局协议(Protocol Of Post office，POP)，支持WWW应用的超文本传送协议(HyperText Transfer Protocol，HTTP)，支持域名解析的DNS(Domain Name System)等。,2017/6/5,20,1. DNS的功能,DNS的功能是进行域名解析(domain name resolution)。域名解析的作用是由计算机的名字求
8、解该计算机的网络层协议地址，例如IP协议的IP地址。,2017/6/5,21,2.域名,最具有代表性的名字是域名。域是划分网络主机的一种逻辑单元，域的引入是为了便于网络主机的命名以及对名字的管理。,2017/6/5,22,因特网的域名空间,根,2017/6/5,23,3.域名服务器,DNS由一组域名服务器组成，域名服务器实际上是一个服务器软件，运行在指定的机器上。通常把运行域名服务软件的机器叫做域名服务器。相应地，请求域名解析服务的软件叫域名解析器(name revolver)。域名服务器也构成一定的层次结构，如图2-8所示。,2017/6/5,24,树状结构的 DNS 域名服务器,根域名服务
9、器,org 域名服务器,com 域名服务器,edu 域名服务器,域名服务器,abc 公司有两个权限域名服务器,权限域名服务器,根域名服务器,顶级域名服务器,域名服务器,2017/6/5,25,4. 域名解析方式,2017/6/5,26,图2-10在Windows XP中指定起始DNS服务器,2017/6/5,27,2.3.2 运输层功能,运输层的核心功能是要在计算机之间提供无差错的数据运输服务。换句话说，接收方运输层提交给高层的数据必须是没有差错的。运输层的下层结构在传送数据时，由于网络拥塞和通信介质上的故障会产生一些差错，例如数据丢失和误码。这些差错是不可避免的。然而，高层结构不能允许数据中
10、存在差错，因此，就需要它采取办法消除下层结构中存在的差错，保证它交给高层的数据是正确无误的。,2017/6/5,28,运输层采取的措施,编号排序：发送方给数据编号，然后按照编号顺序发送数据。确认：接收方在正确接收数据后给发送方发出确认信息，通知接收方哪些数据已经被正确接收。超时重传：发送方在发出数据后的一段时间内，如果没有收到接收方对这些数据的确认信息就重新发送那些数据。流控制：也称为流量控制。差错控制：接收方收到数据后，计算校验和检查数据在传输过程中是否出现差错。,2017/6/5,29,2.3.3 网际层功能,网际层的核心功能是互联不同类型的局域网，例如把一个以太网和一个令牌环网互联起来。
11、因为以太网数据格式与令牌环网数据的格式不一样，因此，两种网络之间不能通信。要想使它们能够通信，就必须在两种数据格式之间进行转换。,2017/6/5,30,网际层其他功能,路由选择地址解析(address resolution)拥塞控制(congestion control),2017/6/5,31,1.路由选择,路由选择的目的是要确定第三层PDU应该从网络互联设备的哪个接口发送出去，使数据发往目的计算机。路由选择由路由选择算法实现，路由选择算法能够根据第三层PDU中目的地址计算出下一跳的地址。在路由器中，路由选择算法由路由选择协议软件实现。以IP协议为例，它的概念性路由表如表2-3所示。,20
12、17/6/5,32,表2-3 路由表,要发送的分组的目的IP地址：128.30.33.138/25,2017/6/5,33,路由选择必须考虑两个因素,网络的通信量和网络的拓扑结构。任何路由选择算法都要为数据选择一条通信量相对较小的路径以避免拥塞的发生。路由选择算法必须随时掌握网络的拓扑结构，因为拓扑结构反映了网络中路由器的连通性，任何路由选择算法都不能选择一个不工作的路由器作为数据的下一跳路由器。因此，路由选择算法的分类就根据其对网络通信量和拓扑结构变化的适应能力做出。,2017/6/5,34,路由选择策略分为两大类,静态路由选择(static routing)和动态路由选择(dynamic
13、routing)。两类策略的本质区别在于，动态路由选择能够根据实时测量或估计的网络当前通信量和拓扑结构做出路由选择，而静态策略做出的路由选择是事先计算好的，在网络启动时加载到路由器中。因此，动态路由选择又被称为自适应路由选择(adaptive routing)，它能够根据网络通信量和拓扑结构的变化调整路由。,2017/6/5,35,2.地址解析,前面讲到，在把高层数据封装到网络层PDU时，需要事先得到目的主机的网络层地址（例如IP地址）。再把网络层PDU封装进局域网MAC帧时需要知道MAC地址。那么，这个MAC是如何得到的呢？求解MAC地址就是地址解析的任务。具体讲，地址解析要由下一跳路由器的
14、网络地址求得下一跳路由器网络接口的MAC地址（假设该接口是局域网接口），以便把MAC帧发给下一跳路由器。,2017/6/5,36,2017/6/5,37,地址解析客户软件,2017/6/5,38,实现地址解析功能的协议,ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)和RARP(Reverse ARP，逆地址解析协议)。ARP用于从IP地址计算MAC地址，RARP用于从MAC地址计算IP地址，其工作原理与ARP基本一致。,2017/6/5,39,说明,上面的讨论是在假设网络接口是局域网接口的前提下进行的，当接口是广域网接口时，第三层PDU不会封装进MAC帧，而要封
15、装进WAN帧。WAN 帧的地址是数据链路的标识符，由下一跳路由器网际层地址计算数据链路标识符的工作不再由ARP承担，而是由WAN设备的管理模块配置，可以由人工通过软件设置，也可以自动分配。,2017/6/5,40,3.拥塞控制,计算机网络设备的通信能力都有一定的范围，当大量的主机向网络发送数据的总量接近网络通信容量的上限时，数据会在网络中积聚，进而导致网络传输能力的进一步下降。这时网络就发生了拥塞(congestion)。此时路由器由于不堪重负开始丢弃数据，使被转发的第三层PDU的数量急剧下降。,2017/6/5,41,造成网络拥塞的原因,存储空间不足处理器速度慢链路带宽低,2017/6/5,42,拥塞控制的基本方法,拥塞预警法：路由器建立一种拥塞预警机制，当轻度拥塞发生时，通知源主机减少发送数据的数量，避免拥塞加剧。当路由器发现拥塞时，它向所有的源主机发送一种特殊的分组(chock packet，称为抑制分组)。源主机收到抑制分组后按一定的比率减少发送给特定目的地的通信量。经过一定的时间，如果再收到抑制分组，主机再减少通信量。一定时间以后，主机再没收到抑制分组时，认为拥塞解除，再逐步恢复发送速率。网际层的ICMP(internet control message protocol)协议就采用拥塞预警原理。,
