1、第二章 网络协议网络协议nOSI参考模型及TCP/IP协议体系n网络设备nIP协议nIP地址n路由技术nDNS域名解析和ARP地址解析协议OSI参考模型及TCP/IP协议体系n国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization）为计算机连网所定义的开放系统互连模型OSI(Open System Interconnection)。n七层中的每一层都完成一组特定的功能，从而为上一层提供一定的服务。n规定各层如何操作的那些原则和规程就称为协议。OSI参考模型及TCP/IP协议体系图2.1 OSI参考模型OSI参考模型及TCP/IP协议体
2、系n从理论上来说，这个模型中每一层的协议都与它的上层或下层的协议无关。n优点：这使得每层可以独立地采用新技术，而不影响其他层。n实际中，各层之间多多少少有些关联。OSI参考模型及TCP/IP协议体系1物理层n通过通信设施或媒介把比特流从一个地方传到另一个地方。n物理层协议定义了传输媒介的电器和机械特性，如比特率、电平等等。OSI参考模型及TCP/IP协议体系2数据链路层n利用物理层提供的比特传送功能，同一条链路的相邻两台计算机之间传送数据帧，保证数据帧的可靠传送，一个帧由网络层数据包加上一个较短的数据链路层帧头构成n在多台计算机共享同一个媒介的情况下，在各台计算机之间作处访问媒介的仲裁OSI参
3、考模型及TCP/IP协议体系3网络层n利用数据链路层提供的帧传送功能，在通信的源和目的之间传送数据包(可能需要经过一条或多条中间链路)，数据包由高层数据加上个较短的网络层报头构成。n网络层协议规定了一台设备如何才能找到网络中的另一台设备，并规定了如何选择路由，将数据包送到它的目的地。OSI参考模型及TCP/IP协议体系4传输层n使得网络层提供的端到端的包传送功能是可靠的。把送入传输层通过可靠的端到端传输功能到达对端、然后从对端传输层送出的数据称为数据流。n传输层将数据流分批传送，每一次能传送的一段数据称为数据段、由高层协议数据加上一个较短的传输层报头构成。n传输层协议规定了检错和纠错方法。OS
4、I参考模型及TCP/IP协议体系5会话层n 会话层接收从传输层送来的可靠的数据流，并向局层提供非富的、面间应用的服务。n例如，有的会话层提供周期性的检测点，使得网络发生灾难性的故障后通信仍能恢复。OSI参考模型及TCP/IP协议体系6表示层n定义了在一个应用中互相交换的信息的语义和语法，也就是说，表示层定义了某个应用中的整数、文本消息和其他数据是如何进行编码和通过网络传送的，这使得无论它们各自存储数据的方式是否不同，使用不同硬件和操作系统的计算机之间都可以交换信息。OSI参考模型及TCP/IP协议体系7应用层n这一层传送用户运行的某个计算机程序的特定信息。n规定了如何传送电子邮件(E-mail
5、)、文件以及如何从Web服务器上取下World Wide Web页面。OSI参考模型及TCP/IP协议体系图2.2 TCP/IP协议体系OSI参考模型及TCP/IP协议体系nTCP/IP协议族与OSI模型有相似之处，但又有些不同。n因特网通常将OSI模型中的高三层合并成个应用层。OSI参考模型及TCP/IP协议体系nTCP/IP体系中的网络层协议称为因持网协议(IP)。n因特网中的第4层有两种广泛采用的协议：传输控制协议(TCP)，它为高层提供可靠的、面向数据流的服务；而用户数据报协议(UDP)则为高层提供没有可靠性保证的、无连接的服务。n因特网的网络协议(IP)和有可靠性保证的传输层协议(T
6、CP)一起构成了因特网协议族的名称。OSI参考模型及TCP/IP协议体系nICMP(Internet Control Message Protocol)因特网控制报文协议定义了一套差错报文和控制报文，用来表示数据包传输过程中发生了错误，另外还有一些ICMP报义为节点提供诊断信息。n实现IP的节点必须实现ICMP，以保证于因特网标准兼容。因此，当我们谈到IP时，就表示也同时包括ICMP。链路层协议nIEEE802 系列标准把数据链路层分成LLC(Logical Link Control,逻辑链路控制)和MAC(Media Access Control,媒介接入控制)两个子层。OSI参考模型及TC
7、P/IP协议体系nIEEE 802系列的局域网和城域网规范主要涉及MAC层和PHY层协议n发送端将来自IP层的数据包处理成数据帧，并经过物理层的处理发送到无线链路。n接收端从无线链路接收数据，并经过物理层和链路层的处理后，把数据包传递给IP层。OSI参考模型及TCP/IP协议体系n移动IP主要关系到网络层协议，以及将数据包从源计算机传到目的端所需的各种技术。n为了传送数据包，网络层依赖于数据链路层提供的服务，因此，还涉及各种链路的一些重要特性n同时，还研究它们对传输层协议产生的影响。网络设备n网络设备又称作节点，从网络层看，网络设备(或节点)有两类：n主机 包括PC机、工作站、主机、文件服务器
8、以及其他各种计算机。n路由器 它在主机和其他路由器之间转发数据包，使得主机不必和通信所用的链路直接相连。网络设备n路由器和网桥n路由器是运行在网络层的设备。路由器根据数据包中的网络层协议头转发数据包。n网桥则运行在数据链路层，即网桥按照数据包的数据链路层头对数据链路层帧进行中继。对网络层来说网桥是不可见的。链路层协议n逻辑链路控制(LLC)子层n逻辑链路控制子层LLC是位于MAC之上一个子层，它屏蔽了各种MAC的差别向其上层提供统一的数据链路服务。其主要功能是：处理两个站点之间帧的交换，实现端到端（源到目的）的无差错的帧传输和应答功能以及流量控制功能。nLLC可为网络用户提供两种服务：无确认无
9、连接服务和面向连接的服务。n无确认无连接服务：它提供无需建立数据链路级连接而网络层实体能交换链路服务数据单元的手段。数据传送方式可以是点到点、点到多点式，也可以是广播式。这是一种数据报服务。n面向连接的服务：在这种服务方式下，必须先建立链路连接，才能进行帧的传送。它提供了建立、维持、复位和终止数据链路层连接的手段。还提供了数据链路层的定序、流控和错误恢复，这是一种虚电路服务。链路层协议n媒体接入控制(MAC)子层nMAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输nMAC子层根据不同的业务特性来提供不同的资源，从而提高网络性能 IEEE协议体系nIEEE802.1A：体系结构 nIEEE8
10、02.1B：寻址、网络互连和网络管理 nIEEE802.2：逻辑连路控制（LLC）nIEEE802.3：带冲突检测的载波侦听多路访问控制方法（CSMA/CD）和物理层协议 nIEEE802.4：令牌总线（TOKEN BUS）访问控制方法和物理层协议 nIEEE802.5：令牌环（TOKEN RING）访问控制方法和物理层协议 IEEE协议体系nIEEE802.11：无线LAN标准 nIEEE802.15：无线个域网标准nIEEE802.16：无线城域网标准nIEEE802.20：移动宽带接入系统nIEEE802.21：介质无关切换技术nIEEE802.22：基于认知无线电的无线接入技术 IEE
11、E协议体系移动通信系统的演进移动通信系统的演进n第三代移动通信系统nWCDMAnCDMA2000nTD-SCDMA 移动通信系统的演进移动通信系统的演进IP工作原理nIP地址n路由技术n地址解析 IP地址nIP地址是一个32比特(4字节)的数，采用点分十进制。n每一个节点的每个网络端口都有一个IP地址。n端口是节点与链路的硬件和软件连接点n具有多个网络端口的节点也就有多个IP地址，每个端口一个地址，如：路由器IP地址nIP地址有两个部分：n网络前缀部分n主机部分网络n网络前缀看成是用来标识一条链路的，而主机部分是用来标识连接在链路上的一台特定主机或路由器的。n对于一条链路有多个网络前缀的情况，
12、可以把一条物理链路看成包含多条虚拟链路，而每一条虚拟链路部分配了一个网络前缀。IP地址n前缀长度指明了一个IP地址网络前缀部分的比特数n另一种IP地址及其前缀长度的简写方式为：地址/前缀长度n例：129.61.18.26的前缀长度为24比特，可写成129.61.18.26/24 路由技术n对于一个节点来说,有两类IP包:n一类是包的目的端点就是这个节点本身;n另一类包的目的端点为其它节点。n节点通过比较自己的IP地址和IP包中的目的地址,判断自己是否是目的端点。n如不是，转发n如是，根据IP报头中的协议类型域送交相应的高层协议处理。路由技术n当节点收到不以它为目的节点的包时，需要“为作出一个转
13、发决策”或“为一个包选路由”。n决策依据IP路由表路由技术n路由表中的每一项，也就是每一条路由，至少包括4个域：n目的地址(Target)n前缀长度(Prefix-Length)n下一跳地址(Next Hop)n端口(Interface)n当节点需要转发一个IP包时，它就在路由表中查找目的地址、前缀长度这两列与IP报头中的目的IP地址域相匹配的那一项。如果发现确实存在匹配的项、就将数据包从路由表中该项所指示的端口转发到下一跳节点。路由技术n节点路由表表项中的下一跳地址可能取两种值：n目的地址与该节点无直接链路那么下一跳地址的取值为能够到达目的地址的一台路由器的IP地址n目的地址与节点的其一条链
14、路直接相连，下一跳地址就取一个特殊的值路由技术n路由表实例目的地址/前缀长度下一跳地址端口7.7.7.0/24directa7.7.9.99/32路由器1a6.6.6.0/24路由器2b0.0.0.0/0路由器3c路由技术有三类基本的路由表表项：n特定主机路由：前缀长度为32比特的路由表表项。从名字可以看出,特定主机路由只能匹配一个特定的IP目的地址。n网络前缀路由：前缀长度为1-31比特的路由表项。对于目的IP地址的网络前缀与该路由中目的地址的网络前缀部分一样的IP包来说，该路由都是匹配的路由。路由技术n缺省路由:是前缀长度为0比特的路由表项。缺省路由可以匹配所有的IP包。然而，根据“最长匹
15、配前缀“原则，只有在特定主机和网络前缀路与IP包的目的IP地址都不匹配时才可能采用缺省路由。路由技术图2.3 选路实例路由技术图2.3 选路实例路由技术n选路实例n图中有两个以太网,它们通过路由器连接到FDDI(Fiber Distribution Data Interface)环上,FDDI环则作为高速主干网。n每个节点的每个端口都有一个IP地址。n主机有一个端口，所以只有一个IP地址；n路由器有两个端口有两个IP地址，在同一条连续上的各节点端口的IP地址具有相同的网络前缀。路由技术n以太网A的前缀长度为24比特，另8比特则作为主机部分。n以太网B和光纤主干网的网络前缀长度也为24比特，它们
16、的网络前缀分别为2.0.0和3.0.0。路由技术n节点路由表的表项可以通过以下三种方式生成：n静态生成：手工配置n动态生成、可以通过接收ICMP重定向报文(Redirect)n动态生成、通过路由协议自动交换路由信息路由技术1静态置路由表项n由主要用户或网络管理人员手工配置成的。n通常配置成两种路由：n目的地为相邻节点则采用网络前缀路由n目的地为其他节点则采用缺省路由n路由器的路由表项也可以通过手配置，但是，当网络的链路数达到几十或几百条时、这种手工配置的路由表几乎是不可能维护的。路由技术2ICMP重定向n如果一台路由器觉得它的邻接节点(即在同一条链路上的主机)在为某一个目的地址选择路由时，没有
17、采用最好的下一跳节点，这台路由器可以通过向出主机发送ICMP重定向报文，告诉那台主机对于这个目的地址可以选另一台路由器作为下一跳节点。n路由器只能向数据包的源发送ICMP报文，而不能向中间路由器发送。因此，ICMP重定向不能作为路由器为网络中所有目的地址动态生成路由的通用方法。路由技术3.动态路由协议n直接或非直接地利用IP在路由器之间传送消息。n常见动态路由协议nRIP(Routing Information Protocol)nOSPP(0pen Shorted Path First)nBGP(Border Gateway Protocol)路由技术动态路由协议的工作机制：1)确定网络前缀
18、。2)根据网络前缀手工配置路由器各端口的IP地址、以及它们连接的链路的前缀长度。3)通过手工配置或路由协议的规定，路由器可以了解相邻路由器的情况.所谓相邻路由器是指发送的数据包只通过一条链路就能到达的那些路由器。路由技术4)路由器定期地交换称为路由更新的信息,这些信息包括一个路由表项列表，每个表项的内容有：目的地址、相应的前缀长度以及到这些地址的距离的度量方法(如经过的跳数)。5)路由器将收集到的路由更新信息中的表项加入到它的路由表中,通过这种方法,路由器就能动态地学习到到达网络中各个地址的路由。路由技术n采用了动态路由协议的IP协议具有极高的可靠性，这是因为大多数路由协议允许路由器为同一个目
19、的地址保留多条路由，如果一台或多台路由器、一条或多条链路暂时发生了故障，IP可以绕过这些故障。n在因特网中，节点和链路的故障是经常发生的，然而信息仍然可以正常传送、大多数情况下用户都感觉不到故障的发生。地址解析 n两种地址转换n域名解析：DNSnIP地址和MAC地址的转换：ARP 地址解析协议 n决定与某一个IP地址对应的数据链路层地址的过程称为地址解析。n在Internet中，最通用的地址解析方法称为地址解析协议ARP(Address Resolution protocol)。地址解析协议 工作过程如下：1)发送者向一条链路广播ARP请求消息这条消息中的目标IP地址(Target Addre
20、ss)域给出了想要找的是哪个IP地址对应的数据链路层地址。2)每个收到ARP请求消息的节点都将其中的目标IP地址与自己的IP地址相比较。如果目标IP地址与某个节点的IP地址相等，这个节点就向发出请求的节点发送ARP应答(ARP Reply)消息。其中注明自己的数据链路层地址。地址解析协议 n各节点会在ARP缓存中存放一些IP地址/数据链路层地址的对应关系，而不必为每个包都重复上面所说的ARP过程。n缓存中的对应关系在经过一段时间后，就会被删去。本章总结 n掌握并理解OSI参考模型和TCP/IP体系结构n了解现有网络设备基本功能n重点掌握路由协议工作原理及相关知识n掌握两种地址转换及功能练习题
