计算机网络技术与应用[张玲等主编][电子教案和教学指南]第3章

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1、网络协议与IP寻址之网络结构的分层设计 一、网络协议协议是用来描述进程之间信息交换过程的一组术语。在计算机网 络中包含有多种计算机系统，它们的硬件和软件系统有着很大的差 异，要使得它们之间能够相互通信，进行数据交换，就必须有一套 通信管理机制使通信双方能正确地接收信息，并能理解对方的信息 含义，它们必须事先约定一个规则，这种规则就称为协议。网络协议主要由3个要素组成：语法、语义和交换规则。语法是 以二进制形式表示的命令和相应的结构，确定协议元素的格式（规 定数据与控制信息的结构和格式）；语义是由发出请求、完成的动 作和返回的响应组成的集合，确定协议元素的类型，即规定通信双 方要发出何种控制信息

2、、完成何种动作以及做出何种应答；交换规 则规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变化和过程， 如通信双方的应答关系。 网络协议与IP寻址之网络结构的分层设计 二、分层设计在网络体系结构中，N层是N-1层的用户，同时又是N1层的服 务提供者。对N层而言，N1层用户直接获得了N层提供的服务， 而N层的服务是建立在N-1层所提供的服务基础之上的。 网络协议与IP寻址之网络结构的分层设计 各层之间相互独立，高 层不必关心低层的实现细节， 只要知道低层所提供的服务， 经及本层向上层所提供的服务 即可，能真正做到各司其职。有利于实现和维护，某个 层次实现细节的变化不会对其 他层次产生影响。 易于实现

3、标准化。网络体系结构中采用层次化结构的优点：网络协议与IP寻址之开放系统互联参考模型 一、 OSI参考模型的特征通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信者收信者运输部门的邮件运输业务书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门路由选择运输转送邮局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件通信者活动邮局服务业务邮局转送业务双方都能识别的文字规则邮政编码规则地址规则网络协议与IP寻址之开放系统互联参考模型 1.分层OSI参考模型采用分层的方法来组织。将一个复杂的网络通信任 务分层若干个层，通过每个层实现自己的功能，从而实现网络通信 的功能。每一层的功能和其他各层不重复，每一层的

4、变化也不会影 响到其他层，从而可以利于研发，也易于厂商提供相应的设备。 处理应用程序之间的通信确定数据的表示形式负责在两个端点的应用程序之间建立连接负责逻辑寻址和路径选择负责物理寻址和对网卡的控制为两个应用程序间提供通信以二进制位流（bit）形式传输数据网络协议与IP寻址之开放系统互联参考模型 2.协议与协议栈OSI参考模型采用七层组 织的层次结构，每一层不仅 仅定义了其功能，也定义了 在通信过程中必须要遵守的 规则，我们称之为层的协议 。比如主机A的会话层和主 机B的会话层都要遵守统一 的会话层的协议，这样才能 够互相通信。各层的层次协 议按照层次顺序的排列称为 协议栈。网络协议与IP寻址之

5、开放系统互联参考模型 二、OSI参考模型各层的功能 OSI参考模型将网络分为七个层次，其中第一层到第三层属于通 信子网的功能范畴，第五层到第七层属于资源子网的范畴，第四层 起着衔接上下三层的作用。各层在网络中发挥着各自的作用。1.物理层物理层处于OSI参考模型的最底层，直接面向网络传输介质；物 理层负责将二进制数据位流（bit）通过传输介质，从一台计算机发 送给另一台计算机。在常用的网络设备中，集线器工作在OSI参考 模型的物理层 。 物理层具体解决了以下问题： 使用什么类型的传输介质，使用什么样的连接器件和连接设备。 使用什么拓扑结构。 什么样的物理信号表示二进制的0和1，以及该物理信号与传

6、输相 关的特性如何。网络协议与IP寻址之开放系统互联参考模型 数据链路层位于OSI参考模型的第二层，数据链路层就在物理层 的基础上，通过将bit组织封装成帧，从而建立一条可靠的数据传输 通道。在常用的网络设备中，网卡和交换机是工作在数据链路层重 要的网络设备 。2.数据链路层 数据链路层具体解决了以下问题： 将bit信息加以组织封装成帧。 确定了数据帧的结构。 通过使用硬件地址及物理地址来寻址。 实现差错校验信息的组织。 对共享的介质实现访问控制。网络协议与IP寻址之开放系统互联参考模型 网络层位于OSI参考模型的第三层，提供了数据的网络地址，也 就是IP地址，同时提供了统一的寻址方案，因此它

7、屏蔽了底层的技 术细节，把各种网络统一到了一个逻辑平台上。网络层传输的数据 单位称为分组。路由器是工作在OSI参考模型的网络层的重要设备 ，通过网络层的地址路由器可以为网络访问提供访问路径。路由器 同时在数据传输过程中实现流量控制和差错管理。3.网络层网络层具体解决了以下问题： 提供了网络层的地址（IP地址），并进行不同网络系统间的 路径选择。 数据包的分割和重新组合。 差错校验和恢复。 流量控制和拥塞控制。网络协议与IP寻址之开放系统互联参考模型 数据链路层位于OSI参考模型的第四层，传输层负责准确可靠的 将数据从网络的一端传到另一端。 4.传输层传输层具体解决了以下问题： 建立连接。 保证

8、数据无差错的传输。5.会话层数据链路层位于OSI参考模型的第五层，会话层主要负责管理远 程用户或进程之间的通信。会话层具体解决了以下问题：会话的建立。通信的控制。网络协议与IP寻址之开放系统互联参考模型 数据链路层位于OSI参考模型的第五层，表示层确保一个系统的 应用层发送的信息能够被另一个系统能读取。 6.表示层表示层具体解决了以下问题： 数据的表示。 数据的压缩与解压。 定义传输的句法和转换。7.应用层应用层处于OSI参考模型的最顶层，直接面向用户；它为数据库 访问、电子邮件、文件传输等用户应用程序提供直接服务。 应用层具体解决了以下问题： 提供用户接口，得到传输的数据。 提供面向用户的界

9、面，即实用程序。 涉及到网络服务、服务公告及服务使用方式。网络协议与IP寻址之TCP/IP协议 一、TCP/IP层次结构TCP/IP模型共分成四层，分别是网络接口层、网络层、传输层和 应用层。 TCP/IP模型共分成四层，分别是网络接口层、网络层、传 输层和应用层。 网络协议与IP寻址之TCP/IP协议 TCP/IP 每层功能及使用的协议1.网络接口层 TCP/IP模型中的网络接口层又称为“网络接入层”或者“网络访 问层”，具体负责选择一条物理链路，并通过该物理链路将数据从 发送端送到接收端。网络接口层的功能包括IP地址与物理硬件地址的映射，基于不同 硬件类型的网络接口，定义了和物理介质的连接

10、等等。2.网络层 TCP/IP的网络层对应于OSI参考模型的第三层（网络层），它主 要进行最佳路径的选择和数据包的转发。该层负责相同或不同网络 中计算机的通信，主要处理来自传输层的分组发送请求和路由选择 。 使用的主要协议有IP、ICMP、ARP、RARP协议。网络协议与IP寻址之TCP/IP协议 3.传输层 传输层也称为主机到主机层，对应于OSI参考模型的第四层（传 输层）。在TCP /IP模型中，传输层提供端到端，即应用程序之间的 通信，主要功能是数据格式化、数据确认、可靠性、流量控制和丢 失重传等典型的问题。 位于该层的TCP协议（传输控制协议）是TCP/IP模型中最主要的 协议之一，它

11、提供了面向连接的可靠的传输服务。传输层还提供了 一种不可靠的UDP传输协议，即用户报文协议。 4.应用层 TCP/IP应用层对应于OSI参考模型的上三层（会话层、表示层和 应用层），它包括了一些服务。这些服务是与终端用户直接相关。 应用层还要告诉传输层哪个数据流是由哪个应用程序发出的。使用 的主要协议有HTTP、SMTP、SNMP、DNS、Telnet等协议。网络协议与IP寻址之TCP/IP协议 二、TCP/IP数据封装过程 用户调用应用程序通过TCP/IP来访问相应的服务。应用层负责 将这些应用程序信息转换成数据流，交给传输层处理。 传输层的基本任务是提供端到端的通信。传输层的协议负责系 统

12、地管理信息地流动，提供可靠或不可靠地传输服务。 网络层负责处理主机之间的通信。该层还要解决如何交付数据 包，是交给路由器，还是交给本地端口。 网络接口层负责将网络层提供的数据包封装成帧，帧中包括源 MAC地址、目的MAC地址、使用何种协议等等，在接收方，该层 读取帧中的信息，如果发给自己则拆开帧头，将数据包交给网络层 处理。如果不是，则丢弃该帧。 最后硬件把帧转换成比特流通过传输介质将信息送出去。网络协议与IP寻址之IP地址与IP寻址 一、IP地址 1.IP地址的作用网络协议与IP寻址之IP地址与IP寻址 2.IP地址的表示IP地址由网络位和主机位组成网络位所在网络地址（网络ID） 在哪个网络

13、上？所在网络上计算机的地址主机位（主机ID）该网络的哪台主 机？ 网络协议与IP寻址之IP地址与IP寻址 3.IP地址的分类IP地址共分为5类：A、B、C、D、EIP地址共分为5类：A、B、C 、D、E网络协议与IP寻址之IP地址与IP寻址 4.IP地址的分配原则 只有A、B、C三类地址可以分配给计算机和网络设备； IP地址的第一个段不能为127，保留留作测试使用； 网络地址不能全为0，也不能全为1。全为0没有网络，全为1用 作网络掩码； 主机地址不能全为0，也不能全为1。全为0代表网络，全为1代 表主机； IP地址在网络中必须惟一。5.私有IP地址 1个A类地址：10.0.0.010.255

14、.255.255 16个B类地址：172.16.0.0172.31.0.0 256个C类地址：192.168.0.0192.168.255.255 网络协议与IP寻址之IP地址与IP寻址 二、子网与子网掩码1.子网网络协议与IP寻址之IP地址与IP寻址 2.子网掩码子网掩码是一个32位的数字，其主要作用是将网络地址从IP地址 中剥离出来，求出IP地址的网络号。即告诉TCP/IP主机，IP地址的 哪些位对应于网络地址，哪些位对应于主机地址。TCP/IP协议使用 子网掩码判断目标主机地址是位于本地子网还是远程子网。子网中 的所有主机必须配置相同的子网掩码。3.可变长的子网掩码网络协议与IP寻址之I

15、P地址与IP寻址 4.子网掩码的计算 利用子网数来计算 在求子网掩码之前必须先搞清楚要划分的子网数目，以及每个子 网内的所需主机数目。将子网数目转化为二进制来表示取得该二进制的位数，为 N取得该IP地址的类子网掩码，将其主机地址部分的的前N位置 1 即得出该IP地址划分子网的子网掩码。如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成27个子网： 27=11011 该二进制为五位数，N = 5 将B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址前5位置 1，得 到 255.255.248.0即为划分成 27个子网的B类IP地址 168.195.0.0的子网掩码。网络协议与IP寻址之IP地址与IP寻址 利用主机数来计算 如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成若干子网，每个子网内有主 机700台： 700=1010111100 该二进制为十位数，N = 10 将该B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址全部置 1，得 到255.255.255.255然后再从后向前将后 10位置0,即为： 11111111.11111111.11111100.00000000即255.255.252.0。这就是该欲划分成主机为700台的B类IP地址 168.195.0.0的子网掩码。