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1、第2章 IP网络及互连技术,2.1 网络互连基础 2.2 OSI参考模型及各层功能 2.3 TCPIP协议 2.4 IPv4 协议 2.5 IPv6协议 2.6 TCP协议 2.7 UDP协议 2.8 网络互连设备 2.9 路由器及网关配置,2.1 网络互连基础 1.IP网络的体系结构 网络体系结构是网络和它的部件所执行功能的精确定义,并以协议、实体、逻辑环境等加以描述，即 网络体系结构=系统,实体,层,协议 系统:包含一个或多个实体的具有信息处理和通信功能的物理整体。 实体:在一个系统中,任何能完成某一特定功能的进程或程序,都可称为一个逻辑实体。,层:指系统中能提供某一种或某一类服务功能的逻
2、辑实体。 协议:指为完成在两个实体间通信或服务所必须遵守的规则和约定。协议分为对等层间的对话协议和相邻层间的接口协议。 不同的网络其体系结构不同,为了解决不同网络间的互连问题,国际标准化组织(ISO)于1977年成立了专门机构研究,并提出了一套信息系统互连标准建议,即著名的OSI(开放系统互连)参考模型。此建议为计算机网络以及其它信息网络的发展奠定了基础。,2.网络协议的概念 协议是通信双方为了实现通信所进行的约定或所作用的对话规则,是用于描述进程之间信息交换过程的一个术语。 一般来说,协议由语法、语义和定时关系三部分组成。语义规定通信双方彼此“讲什么”,即确定协议元素的类型,如规定通信双方要
3、发出什么控制信息,执行的动作和返回的应答。语法规定通信双方彼此“如何讲”,即确定协议元素的格式,如数据和控制信息的格式。定时关系规定时间执行的顺序,即确定通信过程中通信状态的变化,通常可以用状态图来描述,如规定正确的应答关系即属于定时关系问题。,3.网络功能和协议层次化 IP通信网络是一个极其复杂的系统,为了减少网络设计的复杂性,同时也为了便于管理,通常把网络的功能按高低划分为若干个层次。网络的层数、每层的名字、功能和向上层提供的服务都随网络的不同而不同，其共同点是较低层为较高层提供服务,且较低层功能具体实现方法的变更不影响较高层所执行的功能。 网络功能分成N层,N值根据需要而定。不同机器的相
4、应层之间可以进行对话,对话的规则和惯例就是该层的协议。不同机器上对应层所含的两个实体称为同层实体或同等进程。同等进程通过协议进行通信,各层协议通信是虚拟的。虚拟是指数据流并不在两个同等层之间直接流动。,4.各层中共同要解决的问题 各层协议除了各自关心的问题外,也存在一些具有共性的问题,列举如下: (1)建立连接。 (2)拆除连接。 (3)确定数据传输的方向。 (4)差错控制。 (5)数据流量控制。 (6)路径选择。 (7)多路复用。 (8)信息的拆装。,2.2 OSI参考模型及各层功能 1.OSI参考模型分层原则 OSI参考模型的分层原则包括： (1)根据不同层次的抽象分层。 (2)每层应当实
5、现一个定义明确的功能。 (3)每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。 (4)各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。 (5)层数应合理,既要避免不同的功能混杂在同一层中,也要避免过多分层引起的系统体系结构过于庞大的问题。,图2-1 开放系统互连参考模型的分层结构图,2.OSI参考模型及各分层功能 OSI参考模型本身不是网络体系结构的全部内容,这是因为它并未确切地描述用于各层的协议和服务,它仅仅告诉我们每一层应该做什么。不过,ISO已经为各层制定了标准,但它们并不是参考模型的一部分,它们是作为独立的国际标准来公布的。OSI参考模型各层功能如表21所示。,表21 OSI参考模型各层功能
6、,1)物理层 物理层(PhysicalLayer)涉及到通信在信道上传输的原始比特流。物理层的设计必须保证一方发出二进制“1”时,另一方收到的也是“1”而不是“0”。这里的典型问题是用多少伏特电压表示“1”,多少伏特电压表示“0”;一个比特持续多少微秒;传输是否在两个方向上同时进行;最初的连接如何建立和完成,通信后连接如何终止;网络接口插件有多少针及各针的用途。此问题主要涉及机械的、电气的和过程的接口处理,以及物理层下的物理传输介质选择等。,2)数据链路层 数据链路层(DataLinkLayer)的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能,使之对网络层显现为一条无错线路。发送方把输入数据分装在数
7、据帧(DataFrame)里(典型的帧为几百字节或几千字节),按顺序传送各帧,并处理接收方回送的确认帧(AcknowledgmentFrame)。因为物理层仅仅接收和传送比特流,并不关心它的意义和结构,因而只能依赖各链路层来产生和识别帧边界，可以通过在帧的前面和后面附加上特殊的二进制编码模式来达到这一目的。如果这些二进制编码偶然在数据中出现,则必须采取特殊措施以避免混淆。,传输线路上突发的噪声干扰可能把帧完全破坏掉。在这种情况下,发送方机器上的数据链路层软件必须重新传送该帧。然而,相同帧的多次重传也可以使接收方收到重复帧,比如接收方给发送方的确认帧丢失后,就可能收到重复帧。数据链路层要解决由帧
8、的破坏、丢失和重复所带来的问题。数据链路层可能向网络层提供几类不同的服务,每一类都有不同的服务质量和价格。 数据链路层要解决的另一个问题(在大多数层上也存在)是防止高速的发送方的数据把低速的接收方数据“淹没”。因此，需要有某种流量调节机制,使发送方知道当前接收方还有多少缓存空间。通常流量调节和出错处理同时完成。,如果线路能用于双向传输数据,数据链路层软件还必须解决新的麻烦,即从A到B数据帧的确认帧与同时从B到A的数据帧竞争线路的使用权问题。 广播式网络在数据链路层还要处理新的问题,即如何控制对共享信道的访问。数据链路层的一个特殊的子层介质访问子层,就是专门处理这个问题的。,3)网络层 网络层(
9、NetworkLayer)关系到子网的运行控制,其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。路由既可以选用网络中固定的静态路由表,几乎保持不变,也可以在每一次会话开始时决定(例如通过终端对话决定),还可以根据当前网络的负载状况,高度灵活地为每一个分组决定路由。 如果在子网中同时出现过多的分组,它们将相互阻塞通路,形成拥塞。此类拥塞控制也属于网络层的范围。,因为拥有子网的人总是希望他们提供的子网服务能得到报酬,所以网络层常常设有记账功能。最低限度,软件必须对每一个顾客究竟发送了多少分组、多少字符或多少比特进行记数,以便于生成账单。当分组跨越国界时,记账则更加复杂。 当分组不得不跨越一个
10、网络以到达目的地时,新的问题又会产生：第二个网络的寻址方法可能和第一个网络完全不同;第二个网络可能由于分组太长而无法接收;两个网络使用的协议也可能不等同。网络层必须解决这些问题,以便使异种网络能够互连。,4)传输层 传输层(TransportLayer)的基本功能是从会话层接收数据,并且在必要时把它分成较小的单元,传递给网络层,并确保到达对方的各段信息正确无误,而且,这些任务都必须高效率地完成。从某种意义上讲,传输层使会话层不受硬件技术变化的影响。 通常,会话层每请求建立一个传输连接,传输层就为其创建一个独立的网络连接。如果传输连接需要较高的信息吞吐量,传输层也可以为之创建多个网络连接,让数据
11、在这些网络连接上分流,以提高吞吐量。另一方面,如果创建或维持一个网络连接不合算,传输层可将几个传输连接复用到一个网络连接上,以降低费用。在任何情况下,都要求传输层能使多路复用对会话层透明。,传输层也要决定向会话层,最终向网络用户提供什么样的服务。最流行的传输连接是一条无错的、按发送顺序传输报文或字节的点到点的信道。但是,还有的传输服务是不能保证传输次序的独立报文传输和多目标报文广播,采用哪种服务是在建立连接时确定的。 除了将几个报文流多路复用到一条通道上,传输层还必须解决跨网络连接的建立和拆除问题。这需要某种命名机制,使机器内的进程可以讲明它希望与谁会话。另外,还需要一种机制以调节通信量,使高
12、速主机不会发生过快地向低速主机传输数据的现象。这样的机制称为流量控制(FlowControl),在传输层(同样在其它层)中扮演着关键角色。主机之间的流量控制和路由器之间的流量控制是不同的。,5)会话层 会话层(SessionLayer)允许不同机器上的用户建立会话(Session)关系。会话层允许进行类似传输层的普通数据的传输,并提供了对某些应用有用的增强服务会话,也可被用于远程登录到分时系统或在两台机器间传递文件。 会话层服务之一是管理对话。会话层允许信息同时双向传输,或任一时刻只能单向传输。,一种与会话有关的服务是令牌管理(TokenManagement)。有些协议保证双方不能同时进行同样
13、的操作,这一点很重要。为了管理这些活动,会话层提供了令牌。令牌可以在会话双方之间交换,只有持有令牌的一方可以执行某种关键操作。 另一种会话服务是同步(Synchronization)。如果网络平均每小时出现一次大故障,而两台计算机之间要进行长达两小时的文件传输，这时该怎么办呢？每一次传输中途失败后,都不得不重新传输这个文件,而当网络再次出现故障时,又可能半途而废了。为了解决这个问题,会话层提供了一种方法,即在数据流中插入检查点。每次网络崩溃后,仅需要重传最后一个检查点以后的数据即可。,6)表示层 表示层(PresentationLayer)完成某些特定的功能,由于这些功能常被请求,因此人们希望
14、找到通用的解决办法,而不是让每个用户来实现。值得一提的是,表示层以下的各层只关心可靠地传输比特流,而表示层关心的是所传输的信息的语法和语义。,表示层服务的一个典型例子是用一种大家一致同意的标准方法对数据编码。大多数用户程序之间交换的并不是随机的比特流,而是诸如人名、日期、货币数据和发票之类的信息。这些对象是用字符串、整型、浮点数的形式,以及由几种简单类型组成的数据结构来表示的。不同的机器有不同的代码来表示字符串(如ASCII码和Unicode码)、整型(如二进制反码和二进制补码)等。为了让采用不同表示法的计算机之间能进行通信,交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义,并且使用标准的编码方式。
15、表示层管理这些抽象数据结构,并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。,7)应用层 应用层(ApplicationLayer)包含大量人们普遍需要的协议。例如,世界上有成百种不兼容的终端型号，如果希望一个全屏幕编辑程序能工作在网络中许多不同的终端类型上,每个终端都有不同的屏幕格式、插入和删除文本的换码序列、光标移动规则等,其困难可想而知。 解决这一问题的方法之一是定义一个抽象的网络虚拟终端(NetworkVirtualTerminal),编辑程序和其它所有程序都面向该虚拟终端。而对每一种终端类型,都写一段软件来把网络虚拟终端映射到实际的终端。例如,当把虚拟终端的光标移到屏幕左上角时
16、,该软件必须发出适当的命令使真正的终端的光标移动到同一位置。所有虚拟终端软件都位于应用层。,另一个应用层功能是文件传输。不同的文件系统有不同的文件命名原则,文本行有不同的表示方式等。不同的系统之间传输文件所需处理的各种不兼容问题,也同样属于应用层的工作。此外还有电子邮件、远程作业输入、名录查询和其它各种通用和专用的功能。,最后需要指出,OSI参考模型是在普遍意义下考虑了一般情况而推荐参考采用的模式。OSI的设计者以为这种模型以及根据这种模型开发出的协议会逐渐支配计算机通信领域,而最终替换各种专用协议的实现以及相互竞争的多厂家的模型(如TCPIP),然而这种情况并没有发生。虽然在OSI框架中已经开发出了很多有用的协议,但七层模型作为一个整体却没有兴盛起来。相反地,TCPIP体系结构却逐渐占据了支配地位。最关键的原因是TCPIP协议已经成熟,并经过很好的测试,而此时OSI参考模型还处在发展阶段。当开始认识到网络之间互操作需要的时候,
