计算机网络课件第3章网络体系结构与网络协议.ppt

计算机网络技术及实训计算机网络技术及实训张蒲生 主编中国水利水电出版社第3章 网络体系结构与网络协议 3.1 计算机网络体系结构 3.2 OSI参考模型3.3 TCP/IP参考模型3.4 局域网协议标准3.1 计算机网络体系结构3.1.1 网络体系结构的相关概念3.1.2 计算机网络体系结构3.1.1 网络体系结构的相关概念1.协议协议(Protocol)是一种通信约定。就邮政通信而言，就存在很多通信约定。网络协议就是为实现网络中的数据交换建立的规则标准或约定，它主要由语法、语义和时序三部分组成，即协议的三要素。语法：是用户数据与控制信息的结构与格式。语义：是需要发出何种控制信息，以及要完成的动作与应做出的响应。时序：是对事件实现顺序控制的时间。3.1.1 网络体系结构的相关概念2.实体、层次、接口 实体(Entity)在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成，这些实体抽象地表示通信时的软件元素(如进程或子程序)或硬件元素(如智能I/O芯片等)。实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施。层次(Layer)接口(Interface)接口是同一个节点或节点内相邻层之间交换信息的连接点。在邮政系统中，邮箱就是发信人与邮递员之间规定的接口。3.1.2 计算机网络体系结构把网络层次结构模型与各层次协议的集合定义为计算机网络体系结构。网络体系结构对计算机网络应实现的功能进行了精确的定义，而这些功能是用什么样的硬件与软件去完成的，则是具体的实现问题。为了减少计算机网络的复杂程度，按照结构化设计方法，计算机网络将其功能划分为若干个层次，较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能。网络中的每一层都起到隔离作用，使得低层功能具体实现方法的变更不会影响到高一层所执行的功能。计算机网络中采用层次结构的好处是：各层之间相互独立。灵活性好。各层都可采用最合适的技术来实现。易于实现维护。有利于促进标准化。3.2 OSI参考模型3.2.1 OSI参考模型的基本概念3.2.2 OSI参考模型的结构3.2.3 OSI参考模型各层的功能3.2.4 OSI环境中的数据传输过程3.2.1 OSI参考模型的基本概念1.OSI参考模型的提出1974年，ISO发布了著名的ISO/IEC7498标准，它定义了网络互联的七层框架，也就是开放系统互连OSI参考模型。在OSI框架下，进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互连性、互操作性和应用的可移植性。2.体系结构的分层方法 体系结构 服务定义 协议规格说明3.2.2 OSI参考模型的结构ISO将整个通信功能划分为七个层次，划分层次的主要原则是：网中各节点都有相同的层次。不同节点的同等层具有相同的功能。一个节点内相邻层之间通过接口通信。每一层可以使用下一层提供的服务，并向其上层提供服务。不同节点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。3.2.3 OSI参考模型各层的功能1.物理层该层是网络通信的数据传输介质，由连接不同节点的电缆与设备共同构成。物理层的主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数据传输速率并监控数据出错率，以便能实现数据流的透明传输。2.数据链路层数据链路层的主要功能是：在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接，传输以“帧”为单位的数据包，并采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。3.网络层网络层的主要功能是：为数据在节点之间传输创建逻辑链路，通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最佳路径，以及实现拥塞控制，网络互联等功能。3.2.3 OSI参考模型各层的功能4.传输层传输层的主要功能是：向用户提供端到端的服务，处理数据包差错、数据包次序以及其他一些关键传输问题。传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因此，它是计算机通信体系结构中关键的一层。5.会话层会话层的主要功能是：负责维护两个节点之间的传输链接，以便确保点到点的传输不中断，以及管理数据交换等功能。6.表示层表示层的主要功能是：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，主要包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。7.应用层应用层的主要功能是：为应用软件提供了很多服务，例如，文件服务器，数据库服务、电子与其他网络软件服务。3.2.4 OSI环境中的数据传输过程1.OSI的通信模型结构第1章目录3.2.4 OSI环境中的数据传输过程2.OSI中数据传输过程3.2.5 单元实训：OSI参考模型实训目的 了解网络标准化组织。理解OSI参考模型体系结构，能够较清楚地理解OSI参考模型各层的功能。实训条件Windows 操作系统的计算机，具备Internet环境。实训内容和步骤 到Internet网查询ISO、ANSI组织(2)比较写上了地址并且贴上了邮票的信件与数据帧之间的相似之处、列出OSI模型的层次结构，并概略地陈述各层的功能、将信件通过邮政系统发送和数据包通过OSI模型各层传输进行比较。3.3 TCP/IP参考模型1.TCP/IP的层次结构2.TCP/IP协议的特点3.3.1 TCP/IP的协议体系1.TCP/IP的层次结构TCP/IP协议遵守一个四层的模型概念：自上而下依次为应用层(Application Layer)、传输层(Transport Layer)、网际层(Internet Layer)和网络接口层(Network Interface Layer)。3.3.1 TCP/IP的协议体系2.TCP/IP协议的特点 TCP/IP协议的特点 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，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。3.3.1 TCP/IP的协议体系2.TCP/IP协议的特点 TCP/IP与OSI的共同点 TCP/IP与OSI都采用了协议分层方法，将庞大且复杂的问题划分为若干个较容易处理的范围较小的问题；TCP/IP与OSI的协议层次的功能大体上相似，都存在网络层、传输层和应用层。两者都可以解决异构网的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信；TCP/IP与OSI都是计算机通信的国际性标准，OSI是国际通用的，TCP/IP是工业界使用最多的；TCP/IP与OSI都能够提供面向连接和无连接两种通信服务机制；TCP/IP与OSI都是基于一种协议集的概念，协议集是一簇完成特定功能的相互独立的协议。3.3.2 TCP/IP协议集TCP/IP是一个通信协议集的缩写，它是一个完整的协议簇，由若干个协议构成一个网络协议体系。3.3.2 TCP/IP协议集1.应用层协议 远程终端协议TELNET 文件传输协议FTP 简单邮件传输协议SMTP 域名服务DNS 动态主机配置协议DHCP 路由信息协议RIP 超文本传输协议HTTP 网络文件系统NFS 引导协议BOOTP 简单网络管理协议SNMP3.3.2 TCP/IP协议集2.传输层协议 传输控制协议(TCP)用户数据报协议(UDP)3.网际层协议 网际协议IP 网际控制报文协议ICMP 网际主机组管理协议IGMP 地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP3.3.3 OSI和TCP/IP的差异1.模型设计的差别2.层数和层间调用关系不同3.最初设计差别4.对可靠性的强调不同5.标准的效率和性能上存在差别5.市场应用和支持上不同3.3.4 TCP/IP协议的安装与设置1.IP地址2.子网掩码3.默认网关4.安装与测试TCP/IP5.Private IP的使用1.IP地址在以TCP/IP为通信协议的网络上，每台主机都必须拥有惟一的IP地址，该IP地址不但可以用来标识每一台主机，其中也隐含着网络的信息。为了适合不同大小规模的网络需求，IP地址被分为A、B、C、D、E五大类，其中A、B、C类是可供Internet网络上的主机使用的IP地址，而D、E类是供特殊用途使用的IP地址。可以根据具体的网络规模来申请适合的Network ID类别 3.3.4 TCP/IP协议的安装与设置2.子网掩码子网掩码也占用32位，它可以用来从IP地址中得到Network ID和Host ID，也可以用来将网络切割为若干个子网。利用子网掩码获得IP地址的Network ID和Host ID 利用子网掩码切割子网3.默认网关在同一个网络区域（Network ID相同）内的主机，可以直接相互通信；而不同网络区域（Network ID不同）内的主机，则无法直接相互沟通，必须通过IP路由器进行中转。两个使用TCP/IP协议的网络之间的连接可以依靠IP路由器来完成。3.3.4 TCP/IP协议的安装与设置4.安装与测试TCP/IP选择“开始”“设置”“网络和拨号连接”，在打开的对话框中用鼠标右键单击“本地连接”，从弹出的快捷菜单中选择“属性”命令，并单击“安装”“协议”“添加”“Internet协议(TCP/IP)”，在“本地连接 属性”对话框选中“Internet协议(TCP/IP)”单击“属性”设置IP地址、子网掩码、默认网关等。5.Private IP的使用前面所介绍的IP属于公用IP地址，这些地址可以直接用来连接Internet，而专用IP是不能直接对外的IP地址，只能够在单位内部的Intranet（企业内部网）中使用。虽然专用IP无法直接连接到Internet，但却可以通过防火墙、NAT等设备间接连接到Internet。从外界的Internet上只能看到使用公用IP地址的NAT设备，但是看不到在单位内部使用专用IP地址的主机。3.3.4 TCP/IP协议的安装与设置1.实训目的 学会网络硬件设备的连接方法；学会设置IP地址、子网掩码、网络标识等简单配置；学会网络连接与配置正确性的测试。2.实训条件 已经利用制作好的非屏蔽超五类双绞线连接客户机和服务器；客户机已经安装了网卡和Windows 2000 Professional操作系统；服务器已经安装Windows Server 2003或Windows 2000 Server操作系统，且安装网卡；3.实训内容和步骤3.3.5 IP地址的配置与测试1.实训目的 学会使用ping命令来测试网络的连通性和可达性的方法；学会使用ipconfig命令来显示本地计算机IP地址和网卡MAC地址；学会使用netstat命令来显示网络连接信息的命令使用；学会使用路由跟踪命令tracert；学会使用ARP命令来显示和修改ARP表项的命令使用。2.实训条件 已经使用集线器或者交换机将若干台计算机连成一个小型网络。每台计算机已经安装Windows 2000 Professional/Server或Windows Server 2003操作系统。已经为每台计算机设置确定的IP地址，其中一台计算机作为服务器，其他计算机作为客户机。3.实训内容与步骤3.3.6 常用网络命令的使用3.4.1 访问控制方式3.4.2 IEEE 802参考模型与协议3.4.3 局域网体系结构3.4 局域网协议标准以太网工作时多个站点共享一条物理信道，但在某一时间片内只允许一个站点发送数据、广播式通信，目的站点接收；工作时，总线上多个站点同时发送数据造成的冲突-称为碰撞，就是不可避免的，以太网通信协议-载波监听多路访问/碰撞检测方法的内容就是如何减少碰撞？出现碰撞后怎么解决的通信规则？带冲突检测的载波监听多路访问就是先听后说，边发边听。3.4.1 访问控制方式1.带有冲突检测的载波侦听多路访问方法2.令牌环网令牌环网使用一个标记或称令牌沿着环循环。当各节点都没有帧(数据包)发送，令牌的形式为01111111，称空令牌。当一个节点要发送帧时，需等待空令牌到达，然后将它改为忙令牌，即01111110。紧跟着忙令牌，节点把数据帧发送到环上。由于令牌是忙状态，所以其它节点不能发送帧，必需等待。发送的帧在环上循环一周后再回到发送节点，将该帧从环上移去。同时将忙令牌改为空令牌，传至后面的节点，使之获得发送帧的许可权。3.4.1 访问控制方式3.令牌总线网令牌总线网是将数据发送权按类似物理环路顺序形成闭合环路，而数据信包的传仍在两节点间进行，环路中令牌的传送按虚线逻辑环路传送。当一个节点要发送信包时，必须持有令牌。持有令牌的节点发送完信包或者发送的数据信包达到一定的个数，必须将发送控制权移给下一个节点(称为下游节点)。这样网上各节点都有平等的发送数据信包的权力，网上只有一个令牌，完全消除了发送数据的竞争现象，彻底避免了冲突。3.4.1 访问控制方式1.IEEE 802参考模型在1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会(简称IEEE 802委员会)，专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE 802标准。由于局域网中不需要中间数据交换，也即没有路由选择问题，因此在局域网中没有网络层及以上层次，只有OSI参考模型下面的两层，但是局域网中的数据链路层又分为逻辑链路子层LLC(Logical Link Control)和媒体访问控制子层MAC(Medium Access Control)两个子层，IEEE 802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系。3.4.2 IEEE 802参考模型与协议2.IEEE 802标准美国电气与电子工程师学会IEEE(Institute of Electrica1 and Electronics Engineers)802委员会；IEEE 802委员会专门制定局域网标准。ISO把这个802规范称为ISO 802标准，因此，许多IEEE标准也是ISO标准。如，IEEE 802.3标准就是ISO 802.3标准。3.4.2 IEEE 802参考模型与协议802.3CSMA/CDMAC物理层802.4令牌总线MAC物理层802.5令牌环MAC物理层802.6MANMAC物理层802.9语音数据综合ISDN802.11无线局域网802.8光纤技术802.7宽带技术802.2 逻辑链路控制LLC802.1B 综述及体系结构8 0 2.1A管理802.10 局域网安全物理层数据链路层网络层ISO/OSIIEEE 802局域网在地理范围上分布在几公里以内，从应用技术的观点来看，采用局域网技术建立并运行的网络可称为局域网；从应用技术上来讲，城域网与局域网采用同一类技术、本质上也是局域网。就应用技术而言，计算机网络技术可分为局域网技术与广域网技术两个大的方面，两者之间有明显区别。局域网与广域网相比，有两个主要技术特点：第一、局域网中不存在数据交换，不用选择路径，因而不需要OSI模型的网络层及以上功能层次，只有OSI模型中的低两层，即物理层与数据链路层；第二、在局域网中，可用带有物理地址的数据帧传送数据，降低寻址、地址转换等方面的工作量。3.4.3 局域网体系结构在局域网中，数据链路层不但要完成其最基本的数据成帧、差错控制、流量控制、链路管理四个方面的功能，针对不同的网络拓扑结构、传输媒体，采用不同的媒体访问控制方法及通信协议，这是局域网中最具个性的重要方面，这也要放在数据链路层解决，所以，局域网的数据链路层被分为逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层。3.4.3 局域网体系结构