第4章 网络通信协议.ppt

1、互联网体系结构网络通信协议 互联网体系结构本章目标 i了解网络协议的概念了解网络协议的概念 i了解网络体系结构了解网络体系结构 i熟悉熟悉ISO/OSI参考模型及每层的功能参考模型及每层的功能 i掌握掌握TCP/IP模型各层的功能模型各层的功能 i熟练掌握熟练掌握IP地址、子网规划等内容地址、子网规划等内容 9/3/20242HiNEC互联网体系结构4.1 网络协议 i定义定义为为进进行行网网络络数数据据交交换换而而建建立立的的规规则则、标标准准或约定或约定 i组成组成语法语法 语义语义定时定时9/3/20243HiNEC互联网体系结构4.2 ISO/OSI参考模型 i规范计算机网络的开发、应

2、用和互连规范计算机网络的开发、应用和互连iISO/OSI RMi分层分层9/3/20244HiNEC互联网体系结构4.2.1 七层协议 应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层76543219/3/20245HiNEC互联网体系结构4.2.1.0 OSI模型的逻辑结构 应用层7-6接口表示层6-5接口会话层5-4接口传输层4-3接口网络层3-2接口数据链路层2-1接口物理层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层应用层7-6接口表示层6-5接口会话层5-4接口传输层4-3接口网络层3-2接口数据链路层2-1接口物理层12345671234

3、567物理通信设备A设备B中间结点中间结点9/3/20246HiNEC互联网体系结构4.2.1.1 物理层 L2L2数据数据1001011010110010110101物理层物理层L2L2数据数据1001011010110010110101物理层物理层从从数据链路层数据链路层到数据链路层到数据链路层传输媒体传输媒体9/3/20247HiNEC互联网体系结构4.2.1.2 数据链路层 L3L3数据数据L3L3数据数据 L2L2数据数据L2L2数据数据T2T2T2T2H2H2H2H2到物理层到物理层从物理层从物理层从网络层从网络层到网络层到网络层数据链数据链路层路层数据链数据链路层路层帧帧帧帧9/

4、3/20248HiNEC互联网体系结构4.2.1.3 网络层 L4L4数据数据L4L4数据数据 L3L3数据数据L3L3数据数据H3H3H3H3到数据链路层到数据链路层从传输层从传输层到传输层到传输层网络层网络层网络层网络层分组分组从数据链路层从数据链路层分组分组9/3/20249HiNEC互联网体系结构4.2.1.4 传输层 H4H4H4H4H4H4H4H4H4H4H4H4L4L4数据数据L4L4数据数据L4L4数据数据L5L5数据数据L5L5数据数据L4L4数据数据L4L4数据数据L4L4数据数据 到到网络层网络层 从网络层从网络层 从会话层从会话层 到会话层到会话层传输层传输层传输层传输

5、层9/3/202410HiNEC互联网体系结构4.2.1.5 会话层 L6L6数据数据H5H5L5L5数据数据到传输层到传输层从传输层从传输层从表示层从表示层到表示层到表示层会话会话层层L6L6数据数据H5H5L5L5数据数据会话会话层层9/3/202411HiNEC互联网体系结构4.2.1.6 表示层 L6L6数据数据数据的编码、加密和压缩数据的编码、加密和压缩H6H6L7L7数据数据从从应用层应用层到会话层到会话层表示层表示层L6L6数据数据数据的解码、解密和解压缩数据的解码、解密和解压缩 H6H6L7L7数据数据到应用层到应用层从会话层从会话层表示层表示层9/3/202412HiNEC互

6、联网体系结构4.2.1.7 应用层 L7L7数据数据FTPFTPDNSDNSNFSNFS用户用户应用层应用层到到表示层表示层L7L7数据数据FTPFTPDNSDNSNFSNFS用户用户应用层应用层从表示层从表示层9/3/202413HiNEC互联网体系结构4.2.1.8 各层的主要功能 为应用程序提供网络服务为应用程序提供网络服务数据表示数据表示互连主机通信互连主机通信端到端连接端到端连接确定地址和最佳路径确定地址和最佳路径介质访问介质访问二进制传输二进制传输应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层76543219/3/202414HiNEC

7、互联网体系结构4.2.2 协议层 i一个系统包含多个实体一个系统包含多个实体i每每一一层层都都由由多多个个实实体体构构成成，处处在在同同一一层层的实体称为同等实体的实体称为同等实体i在一层之内可以有多个协议在一层之内可以有多个协议 9/3/202415HiNEC互联网体系结构4.2.3 信息的流动过程L7L7数据数据L7L7数据数据 H6H6L6L6数据数据H5H5L5L5数据数据H4H4L4L4数据数据H3H3L3L3数据数据H2H2T2T201010101011111100101010010101010111111001010101 12 23 34 45 56 67 7L7L7数据数据L

8、7L7数据数据 H6H6L6L6数据数据H5H5L5L5数据数据H4H4L4L4数据数据H3H3L3L3数据数据H2H2T2T201010101011111100101010010101010111111001010101 12 23 34 45 56 67 7传输媒体传输媒体9/3/202416HiNEC互联网体系结构4.3 TCP/IPi为为ARPAnet开发的协议集开发的协议集iInternet也采用也采用TCP/IP协议集协议集9/3/202417HiNEC互联网体系结构4.3.1 TCP/IP协议体系iISO/OSI RM 七层协议七层协议iTCP/IP早于早于ISO/OSI RMI

9、nternetTCP/IP9/3/202418HiNEC互联网体系结构4.3.2 TCP/IP的分层及基本工作原理9/3/202419HiNEC互联网体系结构4.3.2.1 TCP/IP各层的主要功能i网络接口层网络接口层i网络层网络层i传输层传输层i应用层应用层9/3/202420HiNEC互联网体系结构4.3.2.2 TCP/IP的基本工作原理9/3/202421HiNEC互联网体系结构4.3.2.2 TCP/IP的基本工作原理(续)9/3/202422HiNEC互联网体系结构4.3.3 数据链路层协议iTCP/IP只定义了网络接口规范只定义了网络接口规范i常用的数据链路层协议常用的数据链

10、路层协议SLIPPPP9/3/202423HiNEC互联网体系结构补充知识MAC地址iipconfig/all00.00.0c.12.34.5624 位位24 位位厂家代码厂家代码序列号序列号ROMRAM9/3/202424HiNEC互联网体系结构4.3.4 网络层协议i相当于相当于OSI模型的网络层模型的网络层i作用：隐藏底层的具体实现作用：隐藏底层的具体实现9/3/202425HiNEC互联网体系结构4.3.4.0 IP协议i提供提供无连接的，不可靠的传递服务无连接的，不可靠的传递服务数据包分段和重组数据包分段和重组路由功能路由功能9/3/202426HiNEC互联网体系结构4.3.4.1

11、 IP地址i物理地址物理地址网卡的物理地址网卡的物理地址与网形有关与网形有关i逻辑地址逻辑地址与网形无关与网形无关统一编址统一编址9/3/202427HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.1 IP地址的表示形式HostNetwork点分十进制点分十进制255最大值最大值25525525511111111二进制二进制11111111111111111111111118 916 1724 25321286432168421128643216842112864321684211286432168421172例如：例如：十进制表示十进制表示1612220410101100二进制表示二进制表示0001

12、0000011110101100110032 bits9/3/202428HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2 IP地址的分类i在在IP协议应用初期，协议应用初期，IP地址是无类别的地址是无类别的i如今为方便管理，将如今为方便管理，将IP地址分为五类地址分为五类i规规定定：网网络络号号及及主主机机号号中中，全全0及及全全1保保留留9/3/202429HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2.1 A类地址i网络号占网络号占1个字节，主机号占个字节，主机号占3个字节个字节i网络号范围：网络号范围：1126i主机号范围：主机号范围：116,777,214(224-2)iIP地址范围：地址范围

13、：1.0.0.1 126.255.255.2548 bits8 bits8 bits8 bits0 xxxxxxxhostA类类9/3/202430HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2.2 B类地址i网络号占网络号占2个字节，主机号占个字节，主机号占2个字节个字节i网络号范围：网络号范围：116382(214-2)i主机号范围：主机号范围：165,534(216-2)iIP地址范围：地址范围：128.1.0.1 191.254.255.2548 bits8 bits8 bits8 bits10 xxxxxxyyyyyyyyhostB类类9/3/202431HiNEC互联网体系结构4.3.

14、4.1.2.3 C类地址i网络号占网络号占3个字节，主机号占个字节，主机号占1个字节个字节i网络号范围：网络号范围：12,097,150(221-2)i主机号范围：主机号范围：1254(28-2)iIP地址范围：地址范围：192.0.1.1 223.255.254.2548 bits8 bits8 bits8 bits110 xxxxxyyyyyyyyzzzzzzzzhostC类类9/3/202432HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2.4 D、E类地址iD类第类第1个字节范围：个字节范围：224,239iE类第类第1个字节范围：个字节范围：2398 bits8 bits8 bits8

15、bits1110Multicast11110ReservedE类类D类类9/3/202433HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2.5 IP地址分类总表8 bits8 bits8 bits8 bits0 xxxxxxxhostA类类10 xxxxxxyyyyyyyyhostB类类110 xxxxxyyyyyyyyzzzzzzzzhostC类类1110Multicast11110ReservedE类类D类类9/3/202434HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2.6 IP地址类别简单判别i第一个字节第一个字节A类：类：1126B类：类：128191C类：类：192223D类：类：224

16、239E类：类：2402559/3/202435HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2.7 几种特殊类型的IP地址i主机号部分主机号部分全全0：代表本网：代表本网全全1：向指定网络广播：向指定网络广播255.255.255.255：在本网内广播：在本网内广播i特殊地址特殊地址127.xx.yy.zz 回环地址，自我测试用回环地址，自我测试用xx.yy.zz 0.0.1,255.255.2549/3/202436HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2.8 私有IP地址i不在公网上出现不在公网上出现A类：类：10.0.0.0 10.255.255.255B类：类：172.16.0.0 17

17、2.31.255.255C类：类：192.168.0.0 192.168.255.2559/3/202437HiNEC互联网体系结构4.3.4.1.2.9 IP地址总量i理论总容量：理论总容量：232=4,294,967,296iA类：类：126*16,777,214=2,113,928,964iB类：类：16384*65534=1,073,709,056iC类：类：2,097,150*254=532,676,100i合计：合计：3,720,314,120i差额：差额：574,653,176i保留：保留：A类：类：16,777,214 B类：类：16*65534=1,048,544C类：类：2

18、56*254=65,024i可用：可用：3,702,423,3389/3/202438HiNEC互联网体系结构4.3.4.2 子网掩码与子网规划i 互联网的构成：子网互联网的构成：子网i如何查找指定的主机？如何查找指定的主机？i规定：规定：同一子网内的所有主机网络号必相同同一子网内的所有主机网络号必相同不同的子网其网络号部分必不相同不同的子网其网络号部分必不相同i判断两台主机是否在一个子网的方法判断两台主机是否在一个子网的方法:只判断网络号部分只判断网络号部分屏蔽主机号部分屏蔽主机号部分9/3/202439HiNEC互联网体系结构4.3.4.2.1 子网掩码8 bits8 bits8 bits

19、8 bitsA类类255000B类类25525500C类类255255255011111111 00000000 00000000 0000000011111111 11111111 00000000 0000000011111111 11111111 11111111 000000009/3/202440HiNEC互联网体系结构4.3.4.2.2 子网掩码实例19216812388ABC19216812398192168133781921681230ABC1921681230192168133025525525509/3/202441HiNEC互联网体系结构4.3.4.2.3 子网规划iIP

20、地址的分类：地址的分类：A、B、C三类三类i地址分配存在的问题地址分配存在的问题A类、类、B类已经很难得到类已经很难得到大单位：一个大单位：一个C类地址不够类地址不够小单位：一个小单位：一个C类地址浪费类地址浪费9/3/202442HiNEC互联网体系结构4.3.4.2.3.1 一个例子i某某单单位位有有4个个部部门门，每每个个部部门门都都建建立立了了局局域域网网，但但每每个个部部门门的的计计算算机机数数量量均均不不超超过过60台台，且且各各部部门门之之间间不不能能随随便便访访问问。现现各各部部门门均均要要接接入入Internet。i解决办法：解决办法：各部门均申请一个各部门均申请一个C类地址

21、类地址单单位位申申请请一一个个C类类地地址址，在在内内部部实实行行分分组组，从从而而解决地址分配问题解决地址分配问题9/3/202443HiNEC互联网体系结构4.3.4.2.3.2 子网划分i将主机号再分成两部分：子网络号及子网内主机号将主机号再分成两部分：子网络号及子网内主机号60台主机需要台主机需要6位位(26=64)，占用，占用 b5b0最高最高2位位(b7、b6)用来表示子网号用来表示子网号b7b7 b6b6 b5b5 b4b4 b3b3 b2b2 b1b1 b0b0子网络号子网络号子网络主机号子网络主机号 子网子网0000：162 子网子网0101：65126 子网子网1010：1

22、29190 子网子网1111：1932549/3/202444HiNEC互联网体系结构4.3.4.2.3.3 C类子网子子网网数数主主机机数数025416 142126462830128 032 664 2子网掩码子网掩码00000000255.255.255.11110000255.255.255.10000000255.255.255.11000000255.255.255.11100000255.255.255.11111110255.255.255.11111000255.255.255.11111100255.255.255.-.-.-.0-.-.-.240-.-.-.128-.-.

23、-.192-.-.-.224-.-.-.254-.-.-.248-.-.-.2529/3/202445HiNEC互联网体系结构4.3.4.2.4 IP数据报格式 Version(4)Total Length(16)Time to Live(8)Source IP Address(32)Data(Varies if any)Header Length(4)Priority&Type of Service(8)Identification(16)Flags(3)Fragment Offset(13)Protocol(8)Header Checksum(16 bits)Destination IP

24、Address(32)Options(0 or 32 if any)Priority(3)D T RDFMF9/3/202446HiNEC互联网体系结构4.3.4.3 IP路由选择i最重要的一个功能最重要的一个功能i路由路由局域网之内局域网之内局域网之间局域网之间i路由方式路由方式点到点方式点到点方式共享方式共享方式9/3/202447HiNEC互联网体系结构4.3.4.4 无类域内路由(CIDR)iCIDR=Classless Inter-Domain Routingi问题的提出标准地址分类存在的问题标准地址分类存在的问题主机数量较少的单位主机数量较少的单位(254)i解决方法主机数量较少，

25、分配一个主机数量较少，分配一个C类地址足矣类地址足矣主主机机数数量量较较多多时时，分分配配一一个个B类类地地址址，或或分分配配多多个个C类类地地址址(但存在路由选择问题但存在路由选择问题)9/3/202448HiNEC互联网体系结构4.3.4.4.1 解决方案i在一个单位分配几个在一个单位分配几个C类地址的情况下：类地址的情况下：按按照照实实际际需需要要的的主主机机数数量量，确确定定主主机机号号部部分分所所占占的的位位数数。例例如如，某某单单位位需需要要4000台台主主机机的的容容量量，主机号部分应有主机号部分应有12位，可以分配位，可以分配16个个C类地址类地址剩余部分剩余部分(32-12=

26、20)作为网络号作为网络号此种分配方法称为：此种分配方法称为：/20系统系统9/3/202449HiNEC互联网体系结构4.3.4.4.2 CIDR实例i假假设设：剑剑桥桥大大学学需需要要 2,048 个个地地址址，因因此此，主主机机号号部部分分占占11位位，现现分分配配从从 194.24.0.0 194.24.7.255 连连续续的的8个个C类地址类地址11010010 00011000 00000000 00000000194.24.0.011010010 00011000 00000111 11111111194.24.7.25511111111 11111111 11111000 00

27、000000255.255.248.09/3/202450HiNEC互联网体系结构4.3.4.4.2 CIDR实例(续)i牛牛津津大大学学申申请请了了 4,096 个个地地址址，因因此此主主机机号号部部分分应应占占12位位，现现分分配配从从 194.24.16.0 194.24.31.255 连连续续的的16个个C类地址类地址11010010 00011000 00010000 00000000194.24.16.011010010 00011000 00011111 11111111194.24.31.25511111111 11111111 11110000 00000000255.255

28、.240.09/3/202451HiNEC互联网体系结构4.3.4.4.2 CIDR实例(续1)i爱爱丁丁堡堡大大学学又又申申请请了了 1,024 个个地地址址，因因此此主主机机号号部部分分应应占占10位位，现现分分配配从从 194.24.8.0 194.24.11.255 的的4个个C类地址类地址11010010 00011000 00001000 00000000194.24.8.011010010 00011000 00001011 11111111194.24.11.25511111111 11111111 11111100 00000000255.255.252.09/3/20245

29、2HiNEC互联网体系结构4.3.4.4.2 CIDR实例(续2)i当一个目的地址为当一个目的地址为 194.24.17.4 的分组到达时的分组到达时11010010 00011000 00010001 00000100194.24.17.411111111 11111111 11110000 00000000牛牛津津的的屏屏蔽蔽码码11111111 11111111 11111100 00000000爱爱丁丁堡堡屏屏蔽蔽码码11111111 11111111 11111000 00000000剑剑桥桥的的屏屏蔽蔽码码11010010 00011000 00010000 00000000结结果

30、果194 24 16 0牛牛 津津 基基 地地 址址9/3/202453HiNEC互联网体系结构4.3.5 网络层其他协议i网络层包含的其他协议：网络层包含的其他协议：ARP(Address Resolution Protocol)RARP(Reverse Address Resolution Protocol)ICMP(Internet Connect Messages Protocol)9/3/202454HiNEC互联网体系结构4.3.5.1 ARP协议(地址解析)iMap IP Ethernet172.16.3.1IP:172.16.3.2 Ethernet:08.00.00.20.1

31、1.11 172.16.3.2IP:172.16.3.2=?我我收到了这个广播信息，收到了这个广播信息，我的我的MAC地址是地址是08.00.00.20.11.11 我想知道我想知道IP地址地址为为 176.16.3.2的的MAC地址是什么地址是什么？9/3/202455HiNEC互联网体系结构4.3.5.2 RARP协议(反向地址解析)Ethernet:0800.0020.1111IP:172.16.3.25Ethernet:0800.0020.1111 IP=?我的我的 IP地地址是什么址是什么?我我收到了你的收到了你的广播，你的广播，你的IP地址是地址是 172.16.3.25.iMap

32、 Ethernet IP9/3/202456HiNEC互联网体系结构4.3.5.3 ICMP协议(网际控制消息)iICMP消息包含在消息包含在I P数据报中数据报中回送应答回送应答(Ping)ICMP重定向重定向ICMP源抑制源抑制9/3/202457HiNEC互联网体系结构4.3.6 传输层协议i提供端到端的连接提供端到端的连接i包括的协议包括的协议9/3/202458HiNEC互联网体系结构4.3.6.0 端口的概念TCP 端口号端口号FTP传输层传输层TELNETDNSSNMPTFTPSMTPUDP应用层应用层21232553691619/3/202459HiNEC互联网体系结构4.3.

33、6.0 端口的概念(续)9/3/202460HiNEC互联网体系结构4.3.6.1 TCP协议 i在在主主机机间间实实现现高高可可靠靠性性的的包包交交换换传传输输协协议议i面向连接的端到端的可靠协议面向连接的端到端的可靠协议9/3/202461HiNEC互联网体系结构4.3.6.1.1 TCP协议数据格式Source Port(16 bits)Destination Port(16 bits)Sequence Number(32 bits)Acknowledgment Number(32 bits)Data Offset(4 bits)Reserved(6 bits)URGACKPSHRSTS

34、YNFINWindowing(16 bits)Checksum(16 bits)Urgent Pointer(16 bits)Option(0 or 32 bits if any)Data(if any)源IP地址目的IP地址06TCP长度9/3/202462HiNEC互联网体系结构4.3.6.1.2 TCP协议的工作机制9/3/202463HiNEC互联网体系结构4.3.6.2 UDP协议 iUDP提提供供了了无无连连接接、“不不可可靠靠”的的数数据据报服务。报服务。Source Port(16)Source Port(16)Length(16)Checksum(16)Data(if any

35、)源IP地址目的IP地址017UDP长度9/3/202464HiNEC互联网体系结构4.3.6.3 TCP/UDP数据的封装 9/3/202465HiNEC互联网体系结构4.3.6.4 传输层的功能及特点 i分割上层应用程序分割上层应用程序i建立连接建立连接i用流量控制来发送数据用流量控制来发送数据i使用窗口技术来保证流量使用窗口技术来保证流量i使用确认技术来保证可靠性使用确认技术来保证可靠性i传输到网络层传输到网络层9/3/202466HiNEC互联网体系结构4.3.6.4.1 分割上层应用程序9/3/202467HiNEC互联网体系结构4.3.6.4.2 建立连接9/3/202468HiN

36、EC互联网体系结构4.3.6.4.3 用流量控制来发送数据9/3/202469HiNEC互联网体系结构4.3.6.4.4 滑动窗口发送方接收方发送1接收1发送ACK2接收ACK2发送2接收2发送ACK3接收ACK3发送3接收3发送ACK4接收ACK4发送方接收方Window size=3发送1发送2发送3发送ACK4接收ACK4发送4发送5发送6接收1接收2接收3接收4接收5接收6发送ACK7接收ACK7Window size=19/3/202470HiNEC互联网体系结构4.3.6.4.5 确认技术9/3/202471HiNEC互联网体系结构4.3.6.4.6 传输到网络层9/3/20247

37、2HiNEC互联网体系结构4.3.7 应用层协议i对应于对应于OSI的的 最高三层最高三层9/3/202473HiNEC互联网体系结构4.3.7.1 FTP协议客户服务器操作系统操作系统Internet客户数据连接服务器数据连接客户控制连接服务器控制连接9/3/202474HiNEC互联网体系结构4.3.7.2 Telnet协议操作系统操作系统Telnet服务器I/O客户机发送到服务器服务器从客户机接收服务器发送给伪终端客户机从终端读TCP/IP互联网9/3/202475HiNEC互联网体系结构4.3.7.3 SMTP协议9/3/202476HiNEC互联网体系结构4.3.7.4 HTTP协议

38、i是是WWW浏浏览览器器和和WWW服服务务器器之之间间的的应应用用层层通通讯讯协议协议iHTTP会话过程会话过程连接连接(Connection)请求请求(Request)应答应答(Response)关闭关闭(Close)i保证正确传输超文本文档保证正确传输超文本文档i客户机客户机/服务器模式服务器模式9/3/202477HiNEC互联网体系结构4.3.7.5 TFTP协议i是是一一个个简简单单的的协协议议，适适合合于于只只读读存存储储器器，仅用于无盘系统进行系统引导。仅用于无盘系统进行系统引导。9/3/202478HiNEC互联网体系结构4.4 TCP/IP与OSI的比较应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层SMTPFTPTELNETDNSSNMPNFSTFTPRPCTCPUDPIPICMPIGMPRARPARP由底层网络定义的协议应用程序9/3/202479HiNEC互联网体系结构本章总结iISO/OSI参考模型参考模型 应用层应用层 表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层iTCP/IP模型模型iTCP/IP模型与模型与ISO/OSI参考模型的对应关系参考模型的对应关系 9/3/202480HiNEC