(9.6)--《路由器技术》第4章计算机网络.ppt

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1、第4章掌握TCP/IP协议【单元背景】计算机网络的建设和维护是个非常复杂的系统工程，为了直观地说明其中工作机制，人们通过建立网络模型，使用分层的原理，形象地描绘计算机网络组成体系。常见计算机网络模型有：OSI网络互联模型、TCP/IP互联网模型和IEEE802局域网模型。其中：TCP/IP是互联网通信基础协议，规范了网络中的所有通信设备之间的数据通讯方式。【学习目标】u了解OSI网络参考模型u掌握TCP/IP参考模型u详细了解TCP/IP各层协议u会使用IP地址u熟悉Wireshark协议分析软件4.1网络体系结构介绍为了减少网络设计的复杂性，大多数网络都采用分层设计方法。所谓分层设计方法，就

2、是按照信息的流动过程，将网络分解为一个个功能模块，同等功能层之间采用相同的传输协议，相邻功能层之间通过接口进行信息传递，如图4-1所示。4.1网络体系结构介绍如图4-2所示网络体系结构中主流OSI、IEEE802、TCP/IP协议分层模型中，显示每一个协议的分层结构模块，以及它们之间的相关关系。4.1网络体系结构介绍1.什么是网络体系结构什么是网络体系结构为了完成网络中的计算机之间通信合作，把网络功能分成明确层次，规定相同层次之间通信的规则（协议），和上下相邻层之间的服务（接口）标准。4.1网络体系结构介绍网络通信是一个复杂过程，为了把抽象的网络通信过程直观地描述出来，使用图4-4所示邮件通信

3、过程，各人承担的不同工作，处理若干个通信子过程。4.1网络体系结构介绍像生活中信件一样，网络体系结构也采用层次化结构说明，如图4-5所示。通过将整个通信过程，拆分成若干个功能模块，每个层次功能模块都承担通信过程中一部分任务，从而简化网络中的通信的任务。4.1网络体系结构介绍通信过程中，每一个底层模块，又向上层提供服务。通信过程中对等层之间使用统一的通信规则（也称为协议）；在上下层与层之间使用标准化的接口，下一层为上一层提供服务，如图4-6所示。4.1网络体系结构介绍2.网络体系结构组成网络体系结构组成网络体系由分层、协议、接口、服务等几个要素，组成网络体系结构全部内容，各部分内容功能如下所示，

4、如图4-7所示。其中：分层分层,协议协议,接口接口,服务服务.4.1网络体系结构介绍3.分层设计优点分层设计优点采用分层方式说明网络体系结构中各模块之间组成关系，以及各个功能模块承担整体通信中的一部分功能，如图4-8所示。4.2网络体系结构发展历史4.2 网络体系结构发展历史网络体系结构发展历史世界上第一个网络体系结构是IBM于1974年提出SNA网络体系结构，此外还有DECnet的Digital网络体系结构（DNA）、ISO组织的OSI/RM参考模型。其中，开放系统互联OSI/RM（Open System Interconnection）模型，由国际标准化组织ISO在20世纪80年代规范，旨

5、在保证所有网络互相兼容，实现开放、互联系统之间互联互，是最为经典的网络体系结构。4.3OSI网络参考模型根据网络功能，OSI/RM网络体系结构将网络通信过程分为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层七层，也称七层模型，如图4-9所示。4.3OSI网络参考模型1.OSI模型上三层功能介绍模型上三层功能介绍(1)应用层（应用层（Application Layer）（第七层）（第七层）应用层为应用程序提供接口，使得应用程序能够使用网络服务，如图4-11所示。应用层直接面对用户的具体应用，包含应用程序执行通信任务所需要协议，如电子邮件、文件传输、万维网服务等。4.3OSI网络参考

6、模型(2)表示层（表示层（Presentation Layer）（第六层）（第六层）表示层考虑的是两个通信系统之间，交换信息的语法和语义，数据管理的表示方式等，如文本的ASCII表示形式。如果通信双方用不同数据表示方法，就不能互相通讯。表示层的功能有：数据的解码和编码、数据语法转换、语法表示、表示连接管理、数据加密和数据压缩，如图4-12所示。4.3OSI网络参考模型(3)会话层（会话层（Session Layer）（第五层）（第五层）会话层在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传送。会话层的作用主要是在网络中不同用户、节点之间建立和维护通信通道，

7、同步两个节点之间的会话，决定通信是否被中断，以及中断时决定从何处重新发送，如图4-13所示。4.3OSI网络参考模型2.OSI模型下三层功能介绍模型下三层功能介绍(1)传输层（传输层（Transport Layer）（第四层）（第四层）传输层位于第四层，是承上启下的一层，是OSI模型中重要一层，如图4-14所示。4.3OSI网络参考模型传输层负责将报文能准确、可靠、顺序地进行源端到目的端（端到端，end-to-end）的传输。如图4-15所示，这两个节点可以在同一子网，也可以在不同子网中。4.3OSI网络参考模型服务点编址服务点编址计算机在同一时间运行多个程序，需要标明从某台计算机上特定进程，

8、传输到另一台计算机上的特定进程，这个特定进程就叫做端口地址，如图4-17所示。4.3OSI网络参考模型分段与重组分段与重组传输层根据网络处理能力，把一些大的数据包，分割成小的数据单元，如图4-18所示，一个大的报文要分成若干个传输报文段。然后，为每个数据单元（也称数据片）分配一个序列号，保证数据单元到达接收方的时，能够正确地排序、重组。4.3OSI网络参考模型连接控制连接控制传输层可以是无连接的传输，也可是面向连接的传输。无连接的传输将每个报文看成是独立数据报，直接传给目的机器传输层。4.3OSI网络参考模型流量控制流量控制如果接收端设备，接收数据速率小于发送端设备发送数据的速率；那么，可能因

9、过载而无法工作。如图4-20显示传输层使用窗口工作机制，控制端对端传输流量。4.3OSI网络参考模型差错控制差错控制为了加强网络中端到端传输的可靠性，在传输层上还增加了纠错功能。纠错功能通过重传来实现。在网络传输过程中，如果接收方正确接受到信息，那么接受方的传输层，会发送一个ACK（应答）来通知发送方，如图4-21所示。4.3OSI网络参考模型(2)网络层（网络层（Network Layer）（第三层）（第三层）网络层将数据包，从源发送端传输到目的端，这可能要跨越多个网络。传输层负责将完整的数据报文在传输过程中，实现端到端连接；而网络层则需要确保每一个数据分组包，能够从源端传输到目的端，如图4

10、-22所示。4.3OSI网络参考模型如果两台设备连接在同一个子网中（局域网），那么就不需要网络层。如果两台设备连接在不同的子网中，那么，就需要网络层来完成从源端到目的端传输，如图4-23所示。4.3OSI网络参考模型网络层的主要功能是提供网络通讯路由，即选择到达目标主机最佳路径，并沿该路径传送数据。除此之外，网络层还要消除网络拥挤、流量控制和拥挤控制等能力。工作在网络层的重要设备路由器，提供网络路由功能，如图4-24所示。4.3OSI网络参考模型(3)数据链路层（数据链路层（Ddta Link Layer）（第二层）（第二层）数据链路层是建立在物理网络传输的基础上，以帧为单位传输数据，主要任务

11、进行数据帧封装，数据链路建立与释放，顺序和流量控制、差错检测和恢复等，如图4-25所示。4.3OSI网络参考模型(4)物理层（物理层（Physics Layer）（第一层）（第一层）物理层在物理传输介质上，提供机械和电气接口。包括电缆、物理端口和附属设备，如双绞线、同轴电缆、RJ-45接口、串口等都工作在这个层次，如图4-26所示。4.3OSI网络参考模型4.3OSI网络参考模型3.数据传输的封装及拆封机制数据传输的封装及拆封机制数据在网络传输的过程中，在各层传输之前，均被附加一些该层控制信息，把每一层在数据上附加该层信息，称为数据封装。4.4TCP/IP参考模型1.什么是什么是TCP/IP协

12、议协议TCP/IP协议得名于两个最重要的协议：传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和网际协议（Internet Protocol，IP）,该协议最早美国国防部在20世纪60年代末为ARPAnet网络开发，后随Internet网发展成为网络互联工业标准。4.4TCP/IP参考模型2.TCP/IP协议分层内容协议分层内容TCP/IP协议和OSI协议一样，也采用分层结构，如图4-29所示，TCP/IP将OSI协议中应用层、表示层、会话层三层统一整合成应用层，从而使数据表示、会话建立和应用软件更紧密结合起来，使通信中数据处理部分更集中，也更为实用和简单。4

13、.5TCP/IP各层协议介绍在TCP/IP协议族中，每一种协议负责网络通信中一部分工作，为网络中的数据传输提供一部分服务功能，从而使得TCP/IP协议族能协调统一工作，如图4-30所示。4.5TCP/IP各层协议介绍1.应用层应用层应用层相当于OSI参考模型中应用层、表示层和会话层的综合，是面向用户使用层，为终端用户提供使用网络的服务：远程登录（Telnet）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、WWW浏览（HTTP）等等。4.5TCP/IP各层协议介绍(3)WWW服务服务。也称为万维网服务，WWW服务互联网应用最广泛服务。WWW服务通过浏览器（如IE）每天为用户提供上网服务。WWW服务

14、使用超文本链接（HTML）技术，可以很方便地从一个信息页跳转到另一个信息页，如图4-32所示。4.5TCP/IP各层协议介绍(4)E-mail电子邮件服务电子邮件服务。电子邮件服务包含邮件发送和邮件接收两个过程，分别由SMTP和POP3协议完成。其中，SMTP协议负责发送邮件和存储邮件；POP3协议负责将邮件通过SLIP/PPP协议连接，传送到用户计算机上，如图4-33所示。4.5TCP/IP各层协议介绍(5)动态主机配置协议动态主机配置协议DHCP。允许一台计算机加入新的网络时，能自动获取到IP地址。DHCP使用客户服务器方式，当一台计算机启动时就广播一个DHCP地址请求报文，DHCP服务器

15、收到请求报文后，就从地址池中返回一个DHCP回答报文。4.5TCP/IP各层协议介绍(6)域名系统域名系统DNS。DNS主要的功能是将易于记忆域名与IP 地址进行转换。DNS域名系统是网络资源命名机制，该系统将网络名称分类，形成Internet名称数据库。4.5TCP/IP各层协议介绍(6)域名系统域名系统DNS。DNS主要的功能是将易于记忆域名与IP 地址进行转换。DNS域名系统是网络资源命名机制，该系统将网络名称分类，形成Internet名称数据库。4.5TCP/IP各层协议介绍2.传输层传输层传输层位于通信子网和资源子层之间，是一个端对端（主机-主机）层。在TCP/IP协议中起到承上启下

16、的作用。（1）传输层功能）传输层功能传输层是TCP/IP协议中最关键一层，负责数据传输中通信质量层。4.5TCP/IP各层协议介绍面向连接面向连接面向连接通信指通信双方在通信过程中，要建立一条虚拟通信链路。完整通信由三个过程组成：建立连接、使用连接和释放连接，如图4-39所示。生活中的电话系统是一个经典的面向连接通信模式，分别为：拨号、通话、挂机。在Internet网中，TCP协议是重要的面向连接的通信协议，保证质量，可靠传输。4.5TCP/IP各层协议介绍面向无连接面向无连接面向无连接指通信双方不需要事先建立一条虚拟通信链路，而是把每个带有目的地址的报文分组，传输到通信链路上，由系统自主选定

17、路线传输。生活中的邮政信件系统是一个无连接的模式，不事先连接，随机性选择传播。在Internet网中，IP、UDP协议都是一种无连接通信协议，不保证质量。4.5TCP/IP各层协议介绍（3）面向连接）面向连接TCP协议协议面向连接的TCP通信，在通信之前，要先建立通信连接，通过“建立连接”-“使用连接”-“释放连接”三个过程，为通信过程中的两个节点之间，提供可靠传输服务。4.5TCP/IP各层协议介绍三次握手目的是：使数据段的发送和接收同步，告诉主机一次可接收数据量，并建立虚连接，如图4-41所示三次握手的简单过程。4.5TCP/IP各层协议介绍窗口工作机制窗口工作机制TCP协议在工作时，发送

18、端每传输一组数据后，必须等待接收端的确认后，才能够发送下一个分组。为此，TCP在进行数据传输时，使用了滑动窗口机制。TCP协议的滑动窗口用来暂存通信双方将要传送数据分组。每台运行TCP协议的设备有两个滑动窗口：一个用于数据发送，另一个用于数据接收，如图4-42所示。4.5TCP/IP各层协议介绍互联网上传输的众多服务都使用TCP协议，封装传输以保证通信质量。如图4-44所示显示面向连接TCP协议数据报封装格式。4.5TCP/IP各层协议介绍（4）面向无连接的）面向无连接的UDP协议协议无连接服务不能保障报文的丢失、重复或失序，不对通信过程中质量保证。UDP协议是一种无连接的、不可靠的传输协议，

19、提供进程到进程的通信，而不是主机到主机的通信。4.5TCP/IP各层协议介绍UDP报文传输过程中可靠性较差，正是因为UDP协议控制选项少，在传输过程中延迟小、数据传输效率高，适合可靠性要求不高应用程序，如DNS、TFTP、SNMP等，UDP报文的格式如图4-46所示。4.5TCP/IP各层协议介绍（5）传输端口服务）传输端口服务设备的应用层通常都安装有许多应用程序，提供不同服务。传输数据时，传输层如何知道服务由哪一个应用程序发出？或接收到数据要提交哪一个应用程序？TCP/IP协议使用端口技术解决这个问题，端口指网络中通信服务，是一种抽象的结构，包括一些数据结构和I/O（基本输入输出）缓冲区。按

20、端口号可分为2大类：公认端口（Well Known Ports）：从0到1023，这些端口提供系统服务，称为系统端口。如：80端口是HTTP服务。如表4-3所示。注册端口（Registered Ports）：取值范围从1024到49151。它们松散绑定于一些自定义服务。如图4-47显示某网站远程登录注册端口。4.5TCP/IP各层协议介绍3.网络层网络层网络层也叫Internet层，是TCP/IP协议中面向通信（通信子网）最复杂一层。（1）网络层的功能）网络层的功能网络层使用网络地址方式，将数据设法从源端，经过若干个中间节点传送到目的端，为传输层提供端到端服务，实现资源子网访问通信子网，如图4

21、-49所示。4.5TCP/IP各层协议介绍（2）互联网协议）互联网协议IP（Internet Protocol）IP协议是一种不可靠的、无连接数据报协议，不保证数据可靠传输。IP协议提供一种尽力而为传输服务，就像邮局尽最大努力传递邮件，不对每一封信跟踪，也不通知发信人信件丢失或损坏情况，如图4-50所示。4.5TCP/IP各层协议介绍IP协议的基本任务是：在传输过程中，传输层将数据传到网络层，IP协议将数据封装为IP数据报，交给链路层传送。其中：若目的主机在本地，将数据直接传给目的主机；若目的主机在远程网络，则由网关设备路由器转发，路由器通过网络将数据传送到下一台路由器，直到目的主机，如图4-

22、51所示。4.5TCP/IP各层协议介绍P层的分组叫做数据包（Packet）。如图4-52给出IP数据报格式，它由两部分组成：首部和数据。其中：首部有20-60字节，包含路由选择和交互信息。4.5TCP/IP各层协议介绍（3）互联网控制报文协议）互联网控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）IP提供不可靠的、无连接、数据分组传送服务。为了使互联网能报告差错，提供传输中报错信息，需要在网络层增加报文报错机制：即互联网控制报文协议ICMP。4.5TCP/IP各层协议介绍（4）地址转换协议）地址转换协议ARP（Address Resolution P

23、rotocol）TCP/IP协议为网络中每台主机分配一个32位IP地址，但为让数据在物理网上传送，还必须知道对方的物理地址，也即设备的MAC物理地址。ARP地址解析协议能根据IP地址，获取该IP地址（网络层地址）对应的物理地址（数据链路层地址）。4.5TCP/IP各层协议介绍（5）反向地址转换协议）反向地址转换协议RARP（Reserve Address Resolution Protocol）反向地址转换RARP协议用于一种特殊情况，如果站点初始化以后，只有自己的物理地址而没有IP地址，则它可以通过RARP协议，发出广播请求，请求自己的IP地址。4.5TCP/IP各层协议介绍4.网络接口层网

24、络接口层网络接口层负责接收IP数据报信息，并通过网络发送；或者从网络上接收物理帧，解析IP数据包信息，交给IP层传输。4.5TCP/IP各层协议介绍网络接口层负责以下任务是封装数据帧，数据链路层把从网络层收到的IP数据包，封装成可以处理的数据帧单元（Frame），如图4-57所示。4.6详细了解IP地址1.IP地址概述地址概述在Internet网中，需要唯一标识Internet上每一台设备，确保设备之间通信，好像电话系统一样，每一部电话都拥有唯一电话号码，同样，在Internet网中两台设备，也不会有相同的IP地址。4.6详细了解IP地址2.IP地址表示方法地址表示方法在Internet网中I

25、P地址表现为32位二进制：10000000 00001011 00000011 00011111。为了使IP地址具有可读性，生活中通常使用点分十进制表示：128.11.3.31。如图4-58所示显示了点分十进制的IP地址。应当注意到，因为每个字节仅有8位，因此在点分十进制表示法中的每个数目一定在0255之间。4.6详细了解IP地址4.IP地址的分类地址的分类在IP地址使用早期，IP地址使用分类概念，这种地址结构叫做有类编址。有类IP地址技术将IP地址分成五类：A类、B类、C类、D类和E类。如图4-59所示。4.6详细了解IP地址如图4-60所示：A类地址最高位0和随后7位网络号，剩下24位表示

26、主机号。Internet网内共有126个A类网络（网络号1126，号码0和127保留）；每一个A类网络中有1600万个节点。4.6详细了解IP地址如图4-61所示：B类地址最高两位10和随后14位网络号；剩下16位表示主机号。Internet网内大约有16000个B类网络；每个B类网络中有65 000多个节点。4.6详细了解IP地址如图4-62所示：C类地址最高三位110和随后21位网络号；剩下8位表示主机号。Internet网内大约有200万个C类网络；每个C类网络中最多有254个节点。4.6详细了解IP地址5.子网络掩码子网络掩码子网掩码也是一组32位二进制数，和IP地址配对出现，获取IP

27、网络地址。子网掩码将网络地址部分置1，主机地址部分置0，形成32位二进制码。使用子网掩码和IP地址按位相与（AND）运算，得出该地址网络地址,如图4-63所示。4.6详细了解IP地址子网技术是在主网络的基础上，划分出的更小的网络段，以方便更有效地利用网络地址空间，方便网络管理,提高网络性能,如图4-64所示。4.6详细了解IP地址如IP地址为192.168.2.45的主机，网络掩码为255.255.255.0，通过这个掩码，就可以计算出该主机所在网络地址为192.168.2.0,如图4-65所示。4.6详细了解IP地址6.特殊特殊IP地址地址A类、B类和C类地址中的某部分地址空间，用作特殊的地

28、址使用。（1）网络地址主机部分全是0的IP地址，用来标识一个网络的，如192.168.2.0。(2)广播地址在A、B、C类地址中，若主机位是全为1，则这个地址称为直接广播地址，用来网段内通信，如192.168.2.255。(3)环回地址第一个字节等于127的IP地址用作环回地址，这个地址用来测试本机器的TCP/IP协议是否安装正常。当使用这个地址时，数据包永远不离开这台机器；这个数据包就简单地返回到TCP/IP，因此这个地址可用于测试IP软件。4.6详细了解IP地址(4)私有地址IP地址分为公网IP地址和私有IP地址。公网IP是在Internet使用的IP地址，而私有IP地址则是在局域网中使用的IP地址。在A类地址中，10.0.0.0到10.255.255.254是私有地址。在B类地址中，172.16.0.0到172.31.255.254是私有地址。在C类地址中，192.168.0.0到192.168.255.254是私有地址。锐捷网络，锐捷网络，让您的网络尽在掌握让您的网络尽在掌握 !