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计算机网络基本原理_电信维护岗位认证参考教材_
维护岗位认证教材(IP 专业) 计算机网络基本原理 中国电信维护岗位认证教材编写小组编制 计算机网络基本原理 1 目 录 第一章 计算机网络基础 ..............................................3 1.1 计算机网络的定义 ...................................................................................................... 3 1.2 计算机网络的特点 .......................................................................................................... 4 1.3 计算机通信功能 .............................................................................................................. 4 1.4 网络的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化组织 .......................................................................................................... 5 第二章 ISO/OSI 网络体系结构 .........................................5 2.1 ISO/OSI 网络体系的由来................................................................................................ 5 2.2 OSI 七层模型 ................................................................................................................... 6 2.3 各层介绍 .......................................................................................................................... 7 2.3.1 物理层 .................................................................................................................. 8 2.3.2 数据链路层 .......................................................................................................... 8 2.3.3 网络层 ................................................................................................................ 10 2.3.4 传输层 ................................................................................................................ 12 2.3.5 会话层、表示层和应用层................................................................................. 15 2.4 对等通信 ........................................................................................................................ 15 2.5 数据封装与解封装 ........................................................................................................ 16 第三章 TCP/IP 协议族 ...............................................17 3.1 TCP/IP 协议结构 ........................................................................................................... 17 3.2 TCP/IP 协议栈 ............................................................................................................... 18 3.2.1 网间互联协议 IP................................................................................................ 18 3.2.2 地址解析协议 ARP/RARP..................................................................................... 19 3.2.3 传输控制协议 TCP.............................................................................................. 19 3.2.4 用户数据报协议 UDP........................................................................................... 21 3.2.5 应用层协议 ........................................................................................................ 21 3.3 TCP/IP 协议栈的封装过程............................................................................................ 22 3.3 TCP/IP 协议数据封装方式............................................................................................ 23 3.4 INTERNET 的地址系统.................................................................................................... 23 3.4.1 IP 地址结构与表示............................................................................................ 23 3.4.2 子网掩码 ............................................................................................................ 25 3.4.3 几种特殊的 IP 地址........................................................................................... 26 3.4.4 子网规划 ............................................................................................................ 26 第四章 计算机网络拓扑和类型 .......................................32 4.1 局域网(LAN) .............................................................................................................. 32 4.1.1 局域网的定义 .................................................................................................... 32 4.1.2 局域网类型 ........................................................................................................ 33 4.1.3 局域网设备 ........................................................................................................ 33 4.2 广域网(WAN) .............................................................................................................. 34 4.2.1 广域网的定义 .................................................................................................... 34 4.2.2 广域网类型 ........................................................................................................ 34 4.2.3 广域网的交换模式............................................................................................. 34 4.2.4 广域网的常用设备............................................................................................. 35 计算机网络基本原理 2 4.2.5 广域网协议原理................................................................................................. 35 4.3 城域网(MAN) .............................................................................................................. 40 4.3.1 城域网的定义 .................................................................................................... 40 4.3.2 城域网组网 ........................................................................................................ 40 4.3.3 城域网的关键技术............................................................................................. 41 4.4 常见的网络拓扑结构 .................................................................................................... 42 参考资料 ..........................................................45 计算机网络基本原理 3 第一章 计算机网络基础 1.1 计算机网络的定义 在计算机网络出现的前期,计算机都是独立的设备,每台计算机独立工作, 互不联系。计算机与通信技术的结合,对计算机系统的组织方式产生了深远的影 响,使计算机之间的相互访问成为可能。不同种类的计算机通过同种类型的通信 协议(protocol)相互通信,产生了计算机网络(computer network)。 计算机网络,就是把分布在不同地理区域的计算机以及专门的外部设备利用 通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的计算机可以方便 地互相传递信息,共享信息资源。(注:我们给出一个如此广泛的定义是因为 IT 业迅速发展,各种网络互连终端设备层出不穷,像计算机、打印机、WAP (Wireless Application Protocol)手机、PDA(Personnal Digital Assistate)、 网络电话等等各种支持网络互连的设备。 图 1-1 计算机网络发展情况 计算机网络起始于六十年代,当时网络的概念主要是基于主机(host)架构 的低速串行(serial)联接,提供应用程序执行、远程打印和数据服务功能。IBM 的 SNA(System Network Architecture,系统网络架构)架构与非 IBM 公司的 X.25 公用数据网络是这种网络的典型例子。 这时候,由美国国防部资助,建立 了一个名为 ARPANET(即为阿帕网)的基于分组交换(packet switching)的网 络,这个阿帕网就是今天的 Internet 最早的雏形。 Host 主机网络 低速连接 Host WAN 简单连接 1960’s – 1970’s 基于网络的连接 1970’s – 1980’s 网络互联 1980’s – 计算机网络基本原理 4 七十年代,出现了以个人电脑为主的商业计算模式。最初,个人电脑是独 立的设备,由于认识到商业计算的复杂性,要求大量终端设备的协同操作,局域 网(LAN,Local Area Network)产生了。局域网的出现,大大降低了商业用户 打印机和磁盘昂贵的费用。 八十年代至九十年代,远程计算的需求不断地增加,迫使计算机界开发出 多种广域网络协议(包括 TCP/IP 协议、IPX/SPX 协议),满足不同计算方式下 远程联接的需求,互联网快速发展起来,TCP/IP 协议得到了广泛应用,成为互 联网的事实协议。如图 1-1所示。 1.2 计算机网络的特点 计算机网络的主要特点是:用通信信道把拥有信息、硬件资源的计算机相 互连接起来,共享网上的各种资源。 1.3 计算机通信功能 随着社会及科学技术的发展,对计算机网络的发展提出了更高的要求,同 时也为其发展提供了更加有利的条件。计算机网络与通信网的结合,可以使众多 的个人计算机不仅能够同时处理文字、数据、图像、声音等信息,而且还可以使 这些信息四通八达,及时地与全国乃至全世界的信息进行交换。 一般来说,计算机网络可以提供以下一些主要功能: (1)资源共享 (2)信息传输与集中处理 (3)均衡负荷与分布处理 (4)综合信息服务 通过计算机网络可以向全社会提供各种经济信息、科研情报和咨询服务。 其中国际互联网 Internet 上的环球信息网(WWW – World Wide Web)服务就是一 个最典型也是最成功的例子。还例如,综合业务数字网络(ISDN)就是将电话、传 真机、电视机和复印机等办公设备纳入 计算机网络中,提供了数字、语音、图形图像等多种信息的传输。 计算机网络目前正处于迅速发展的阶段,网络技术的不断更新,进一步扩 大了计算机网络的应用范围。除了前面提到的资源共享和信息传输等基本功能 外,计算机网络还具有以下几个主要方面的应用。 (1)远程登录 远程登录是指允许一个地点的用户与另一个地点的计算机上运行的应用程 序进行交互对话。 (2)传送电子邮件 计算机网络可以作为通信媒介,用户可以在自己的计算机上把电子邮件(E -mail)发送到世界各地,这些邮件中可以包括文字、声音、图形图像等信息。 (3)电子数据交换 电子数据交换(EDI)是计算机网络在商业中的一种重要的应用形式。它以共 同认可的数据格式,在贸易伙伴的计算机之间传输数据,代替了传统的贸易单据, 从而节省了大量的人力和财力,提高了效率。 (4)联机会议 计算机网络基本原理 5 利用计算机网络,人们可以通过个人计算机参加会议讨论。联机会议除了 可以使用文字外,还可以传送声音和图像。 总之,计算机网络的应用范围非常广泛,它已经渗透到国民经济以及人们 日常生活的各个方面。 计算机网络的主要特点是:用通信信道把拥有信息、硬件资源的计算机相 互连接起来,共享网上的各种资源 1.4 网络的标准化组织 在计算机网络的发展过程中有许多国际标准化组织做出了重大的贡献,他 们统一了网络的标准,使各个网络产品厂家生产的产品的可以相互连通。目前为 网络的发展做出贡献的标准化组织主要有: 国际标准化组织(ISO,International Orgnization for Standardization): 该组织负责制定大型网络的标准,包括与 Internet 相关的标准。ISO 提出 了 OSI 参考模型。OSI 参考模型描述了网络的工作机理,为计算机网络构建了一 个易于理解的、清晰的层次模型。 电子电器 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师协会(IEEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers): 提供了网络硬件上的标准使各种不同网络硬件厂商生产的硬件设备相互连 通。IEEE LAN 标准是当今居于主导地位的 LAN 标准。它主要定义了 802.X 协议 族,其中 802.3 为以太网标准协议簇、802.4 为令牌总线网(Toking Bus)标准、 802.5 为令牌环网(Toking Ring)标准、802.11 为无线局域网(WLAN)标准。 美国国家标准局(ANSI,American National Standards Institute): ANSI 是由公司、政府和其他组织成员组成的自愿组织,主要定义了光纤分 布式数据接口(FDDI)的标准。 电子工业协会(EIA/TIA,Electronic Industries Association/Telecomm Industries Association): 定义了网络连接线缆的标准,如 RS232、CAT5、HSSI、V.24 等。同时定义 了这些线缆的布放标准如 EIA/TIA 568B。 国际电信联盟(ITU,International Telecomm Union): 定义了作为广域连接的电信网络的标准,如 X.25、Frame Relay 等。 INTERNET 架构委员会(IAB:Internet Architectrue Board): 下设工程任务委员会(IETF)、研究任务委员会(IRTF)、号码分配委员 会(IANA)负责各种 INTERNET 标准的定义,是目前最具影响力的国际标准化组 织。 第二章 ISO/OSI 网络体系结构 2.1 ISO/OSI 网络体系的由来 自从 20 世纪 60 年代计算机网络问世以来,得到了飞速增长。国际上各大 厂商为了在数据通信网络领域占据主导地位,顺应信息化潮流,纷纷推出了各自 的网络架构体系和标准,例如 IBM 公司的 SNA,Novell IPX/SPX 协议,Apple 公 司的 AppleTalk 协议,DEC 公司的 DECnet,以及广泛流行的 TCP/IP 协议。同时, 各大厂商针对自己的协议生产出了不同的硬件和软件。各个厂商的共同努力无疑 计算机网络基本原理 6 促进了网络技术的快速发展和网络设备种类的迅速增长。 但由于多种协议的并存,同时也使网络变得越来越复杂;而且,厂商之间 的网络设备大部分不能兼容,很难进行通信。为了解决网络之间的兼容性问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 帮助各个厂商生产出可兼容的网络设备,国际标准化组织 ISO 于 1984 年提出了 OSI RM(Open System Interconnection Reference Model,开放系统互连参考 模型)。OSI 参考模型很快成为计算机网络通信的基础模型。在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 OSI 参考模 型时,遵循了以下原则: 1. 各个层之间有清晰的边界,便于理解; 2. 每个层实现特定的功能; 3. 层次的划分有利于国际标准协议的制定; 4. 层的数目应该足够多,以避免各个层功能重复。 2.2 OSI 七层模型 OSI 参考模型依层次结构来划分:第一层,物理层(Physical layer);第 二层,数据链路层(data link layer);第三层,网络层(network layer);第 四层,传输层(transport layer) ;第五层,会话层(session layer);第六 层,表示层(presentation layer);第七层,应用层(application layer)。 通常,我们把 OSI 参考模型第一层到第三层称为底层(lower layer),又 叫介质层(Media Layer)。这些层负责数据在网络中的传送,网络互连设备往往 位于下三层。底层通常以硬件和软件相结合的方式来实现。OSI 参考模型的第五 层到第七层称为高层(upper layer),又叫主机层(host layer)。高层用于保 障数据的正确传输,通常以软件方式来实现。如图 2-1所示。 图 2-1 OSI 参考模型 七层 OSI 参考模型具有以下优点: 1. 简化了相关的网络操作; 2. 提供即插即用的兼容性和不同厂商之间的标准接口; 3. 使各个厂商能够设计出互操作的网络设备,加快数据通信网络发展; 4. 防止一个区域网络的变化影响另一个区域的网络,因此,每一个区 域的网络都能单独快速升级; 5. 把复杂的网络问题分解为小的简单问题,易于学习和操作。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 1 2 3 4 5 6 7 底层:负责网络数据传输 高层:负责主机之间的数据传输 计算机网络基本原理 7 需要注意的是,由于种种原因,现在还没有一个完全遵循 OSI 七层模型的 网络体系,但 OSI 参考模型的设计蓝图为我们更好的理解网络体系,学习计算机 通信网络奠定了基础。 2.3 各层介绍 图 2-2 OSI 参考模型各层功能 如图 2-2 所示,物理层涉及到在通信信道(channel)上传输的原始比特 流,它实现传输数据所需要的机械、电气、功能特性及过程等手段。物理层涉及 电压、电缆线、数据传输速率、接口等的定义。物理层的主要网络设备为中继器、 集线器等。 数据链路层的主要任务是提供对物理层的控制, 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 并纠正可能出现的错 误,使之对网络层显现一条无错线路,并且进行流量调控(可选)。流量调控可 以在数据链路层实现,也可以由传输层实现。数据链路层与物理地址、网络拓扑、 线缆规划、错误校验、流量控制等有关。数据链路层主要设备为以太网交换机。 网络层检查网络拓扑,以决定传输报文的最佳路由,其关键问题是确定数 据包从源端到目的端如何选择路由。网络层通过路由选择协议来计算路由。存在 于网络层的设备主要有路由器、三层交换机等。 后面您将学习到更多关于网络 层的知识。 传输层的基本功能是从会话层接受数据,并且在必要的时候把它分成较小 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。传输层建立、维 护虚电路,进行差错校验和流量控制。 会话层允许不同机器上的用户建立、管理和终止应用程序间的会话关系, 在协调不同应用程序之间的通信时要涉及会话层,该层使每个应用程序知道其它 应用程序的状态。同时,会话层也提供双工(duplex)协商、会话同步等等。 表示层关注于所传输的信息的语法和意义,它把来自应用层与计算机有关 的数据格式处理成与计算机无关的格式,以保障对端设备能够准确无误地理解发 送端数据。同时,表示层也负责数据加密等。 应用层是 OSI 参考模型最靠近用户的一层,为应用程序提供网络服务。应 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 1 2 3 4 5 6 处理数据格式、数据加密等 建立、维护和管理会话 建立主机端到端连接 寻址和路由选择 提供介质访问、链路管理等 比特流传输 7 提供应用程序间通信 计算机网络基本原理 8 用层识别并验证目的通信方的可用性,使协同工作的应用程序之间同步。 2.3.1 物理层 物理层的功能是在终端设备间传输比特流,是 OSI 参考模型的基础。为了 达到数据传输的目的,物理层定义了电压、接口、电缆标准、传输距离等。 目前,大家常用的数据信号传输介质主要有同轴电缆(coaxical cable)、 双绞线(twisted pair)、光纤(fibre)、无线电波(wireless radio)等。本 部分重点介绍双绞线和光纤。 双绞线是一种最为常用的电缆线,由一对直径约 1mm 的绝缘铜线缠绕而成, 这样可以有效抗干扰。双绞线分为两类:屏蔽双绞线(shielded twisted pair, STP)和未屏蔽双绞线(unshielded twisted pair,UTP)。屏蔽双绞线(STP) 具有很强的抗电磁干扰和无线电干扰能力。STP 易于安装,很好地隔离外部各种 干扰。但是,STP 价格相对昂贵。未屏蔽双绞线(UTP)同样易于安装,价格便 宜,但是抗干扰能力相对 STP 较弱,相应地,传输距离较短。 光纤是另外一种网络连接介质,不受电磁信号的干扰。光纤由玻璃纤维和 屏蔽层组成,传输速率很高,传输距离很长。但是光纤比其他网络连接电缆更贵。 光纤连接器是光的连接接口,非常光滑,不能有划痕,安装比较困难。 在线缆选择上,您应该综合考虑传输距离、价格、带宽需求、网络设备支 持的线缆标准等选择恰当的线缆。 Xerox 公司制定的以太网和 IEEE 802.3 标准定义了以太网物理层常用的线 缆标准。其中常用的接口线缆标准有:10Base-T、100Base-T、100Base-TX/FX、 1000Base-T、1000Base-SX/LX。 局域网物理层常见的网络设备有:中继器、集线器等。 广域网物理层协议描述了数据终端设备(DTE,Data Terminal Equipment) 和数据电路终端设备(DCE,Data Circuit Equipment)之间的接口。DTE 指位 于用户网络接口用户端设备;DCE 提供到网络的物理连接口,提供了用于同步 DTE 和 DCE 设备之间数据传输的时钟信号。总之,DTE 设备接近用户侧,DCE 设备接 近网络侧。常用于 DTE 设备的有:终端主机、路由器;常用于 DCE 设备的有:广 域网交换机、Modem、CSU/DSU(Channel Service Unit/Data Service Unit)。 广域网物理层规定了以下常用接口: EIA/TIA-232,又称 RS-232,是一个公共物理层标准,用来支持信号速率高 达 64kbps 的非平衡电路。 V.24 标准:由 ITU-T 定义的 DTE 和 DCE 设备间的接口。 电缆可以工作在同 步和异步两种方式下。异步工作方式下,封装链路层协议 PPP ,支持网络层协 议 IP 和 IPX ,最高传输速率是 115200bps。同步方式下,可以封装 X.25、帧 中继、PPP、HDLC、SLIP 和 LAPB 等链路层协议,支持 IP 和 IPX ,而最高传 输速率为 64000bps 。 V.35 标准:为描述网络接入设备和分组网间通信的同步物理层协议而制定 的标准。 V.35 普遍用在美国和欧洲。 V.35 电缆传输(同步方式下)的公认最 高速率是 2048000bps(2Mbps)。 2.3.2 数据链路层 OSI 参考模型的每一层为上一层提供服务。数据链路层的主要功能就是保证 将源端主机网络层的数据包准确无误地传送到目的主机的网络层。数据链路层的 帧使用物理层提供的比特流传输服务来到达目的主机数据链路层。为了保证数据 计算机网络基本原理 9 传输的准确无误,数据链路层还负责网络拓扑、差错校验、流量控制等。 数据链路层分为两个子层:逻辑链路控制子层(LLC,Logic Link Control sublayer),介质访问控制子层(MAC,Media Access Control sublayer)。 逻辑链路控制子层提供了面向连接与面向无连接的网络服务环境的需要。 该层用于管理通过单一链路连接的两个系统间的通讯,它允许多个高层网络协议 共享一条链路。 LLC 子层位于网络层和 MAC 子层之间,是上层和下一层的管理层,负责流量 控制、同步等。LLC 子层通过 SSAP(源服务访问点,Source Service Access Point) 和 DSAP(目的服务访问点,Destination Service Access Point)负责底层协 议与网络层协议的通信。 MAC 子层负责把物理层的“0”,“1”比特流组建成帧,并且通过帧尾部的 CRC(Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验)子段进行错误检测。总之,MAC 子层定义了网络对共享介质的访问。 像每一个人都有一个名字一样,每一台网络设备都用物理地址来标识自己, 这个地址就是 MAC 地址。网络设备的 MAC 地址是全球唯一的。MAC 地址由 48 个 二进制位组成,通常我们用十六进制数字来表示。其中前 6 位十六进制数字由 IEEE 统一分配给设备制造商,后 6 位十六进制数由各个厂商自行分配。例如, 华为的网络产品的 MAC 地址前六位十六进制数是 0x00e0fc。 网络接口卡(NIC,Network Interface Card),又称网卡,有一个固定的 MAC 地址。大多数网卡厂商把 MAC 地址烧入 ROM 中。当网卡初始化时,ROM 中的 MAC 物理地址读入 RAM 中。如果把新的网卡插入计算机中,计算机的物理地址就 变成了新的网卡的物理地址。 值得注意的是,如果您的计算机插了两个网卡,那么就有两个 MAC 地址。 所以有些网络设备可能有多个 MAC 地址。 IEEE 的数据链路层标准是当今最为流行的 LAN 标准。这些标准统称为 IEEE802 标准。 802.1 描述了基本的局域网需要解决的问题,例如 802.1d 描述了生成树协 议。 802.2 小组负责逻辑链路子层(LLC)标准的制定。 802.3 小组负责基于 CSMA/CD 访问方式的局域网络标准的制定,基于这种 访问方式的网络的一个典型是 Xerox 公司发布的以太网标准。 802.4 小组负责令牌总线标准的制定。 802.5 小组负责令牌环网络标准的制定,IBM 的令牌环小组 IEEE802.5 小组 建立的标准是基本相同的。 目前,我国应用最为广泛的 LAN 标准是基于 IEEE802.3 的以太网标准。在 数据链路层常见的局域网设备有以太网交换机等。 广域网常见的数据链路层标准有:HDLC(High-level Data Link Control, 高级数据链路控制)、PPP(Point-to-Point Protocol,点到点协议)、ISDN (Intergated Service Data Network,综合业务数据网络)、X.25、帧中继(Frame Relay,FR)协议等。 HDLC 是 ISO 开发的一种面向位同步的数据链路层协议,它规定了使用帧字 符和校验和的同步串行链路的数据封装方法。PPP 由 RFC(Request For Comment) 1661 描述。PPP 协议由 LCP(Link Control Protocol)、NCP(Network Control Protocol)以及 PPP 扩展协议簇组成。LCP 规定了链路建立、维护以及拆除。PPP 计算机网络基本原理 10 协议支持同步和异步连接,支持多种网络层协议。PPP 协议是华为路由器串口默 认数据链路层封装协议。 ISDN 为一系列在现有电话线上传送语音和数据的数字业务。ISDN 是一种通 信协议,由电信运营商提供。 帧中继是一种工业标准的、交换式的数据链路协议。相对于 X.25 来说,帧 中继通过使用无差错校验机制,加快了数据转发速度,因此比 X.25 更有效。通 常,X.25 网络逐渐被帧中继替代。 广域网常见的数据链路层设备有 Modem(调制解调器)、CSU/DSU、ISDN 终 端适配器、广域网交换机等。 2.3.3 网络层 网络层位于 OSI 参考模型第三层,利用下两层提供的服务来实现传输层的 通信,将数据包从源网络发送到目的网络。 我们常见的位于网络层的设备有路 由器和三层交换机。 网络层检查网络拓扑,以决定传输报文的最佳路由,转发数据包。其关键 问题是确定数据包从源端到目的端如何选择路由。网络层设备通过运行路由协议 (routing protocol)来计算到目的地的最佳路由,找到数据包应该转发的下一 个网络设备,然后利用网络层协议封装数据包,利用下层提供的服务把数据发送 到下一个网络设备。 一般说来,网络层设备的每一个接口都有一个唯一的网络层地址,又称逻 辑地址。在 Internet 中,网络设备的网络层地址必须是全球唯一的。 首先让我们了解一下协议栈(protocol stack)的概念。 图 2-3 网络地址 协议栈指在 OSI 参考模型的所有层里,相互协作或作为一个组来通信的相 关通信协议的集合。前面已经提到,许多厂商都提出了自己的协议栈,例如Novell 的 IPX/SPX 协议、Apple 公司的 AppleTalk 协议、以及著名的 TCP/IP 协议等。 值得注意的是,这些协议栈并没有覆盖 OSI 参考模型的所有层。例如,TCP/IP 协议栈没有明确的表示层和会话层,应用层协议同时承担上三层的工作。 因为存在这么多协议栈,相应地网络层协议也有很多种。目前最为常见的 网络层协议主要有 TCP/IP 协议栈的 IP 协议、Novell IPX/SPX 协议栈的 IPX 协 IP 地址 IPX 地址 网络地址 主机地址 10. 8.2.48 网络地址 主机地址 1aceb0b1. 0000.0c00.6e25 计算机网络基本原理 11 议。其中 IP 协议的应用最为广泛,是目前的网络层协议的事实上的标准。IPX 主要应用于 Novell 公司的 Netware 操作系统上。 网络层地址存在于 OSI 参考模型的第三层。不像链路层地址那样固定的是, 网络层地址比较具有层次化。网络层地址由网络部分和主机部分组成,不同的网 络层协议具有不同的地址格式。IP 地址由四个字节组成,通常用点分十进制数 字表示;IPX 地址由十个字节组成,其中前四个字节代表网络地址,后六个字节 代表主机地址,通常用十六进制数字表示。 下面我们比较一下可路由协议(routed protocol)和路由协议(routing protocol)的概念。 可路由协议是定义数据包内各个字段的格式和用途的网络层封装协议,该 网络层协议允许将数据包从一个网络设备转发到另外一个网络设备。常见的可路 由协议有 TCP/IP 协议栈中的 IP 协议、Novell IPX/SPX 协议栈的 IPX 协议。 路由协议通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议。路由信息在 相邻路由器之间传递,确保所有路由器知道到其他路由器的路径。总之,路由协 议创建了路由表,描述了网络拓扑结构;可路由协议与路由协议协同工作,执行 路由选择和数据包转发功能。 在每一个协议栈中都制定了一些路由协议创建路由表。例如,OSI 参考模型 的 IS-IS(Intermediate System to Intermediate System)协议;TCP/IP 协议 栈的 RIP(Routing Information Protocol,路由信息协议)协议、OSPF(Open Shortest Path First,开放式最短路径优先)协议;IPX/SPX 协议栈的 IPX RIP 协议等。 OSI 参考模型以及其他协议栈提供的服务可以分为两种方式,即面向连接的 服务和无连接的服务。 n 面向连接的服务(Connect-oriented Service): 面向连接的服务含义指在使用该服务之前用户首先要建立连接,而在使用 完服务之后,用户应该释放连接,当被叫用户拒绝连接时,连接宣告失败。 在建立连接阶段,在有关的服务原语以及协议数据单元中,必须给出源主 机和目的主机的地址,建立虚链路连接;在数据传输阶段,可以使用一个连接标 示符来表示上述这种连接关系。 通常面向连接的服务是可靠的报文序列服务,从来不丢失数据(可靠的服 务是由接收方确认收到的每一份报文,使发送方确信它发送的报文已经到达目的 地这一方法来实现的,确认过程增加了额外的开销和延迟。通常这也是值得的, 但有时也不尽然)。在建立连接之后,每个用户可以发送可变长度(在某一限度 之内)的报文,这些报文按顺序发送给远端的用户,用户对这些报文的接收也是 有顺序的。面向连接的服务比较适用于在一定期间内向同一个目的地发送很多报 文的情况,对于发送很短的零星报文,面向连接的服务显得开销过大。 n 无连接的服务(Connectionless Service): 在无连接服务(Connectionless Service)的情况下,两个实体之间的通 信不需要先建立好一个连接,因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留, 这些资源是在数据传输时动态的进行分配的。无连接服务是以邮政系统为模型 的,每个报文(信件)带有完整的目的地址,并且每一个报文都独立于其他报文, 经由系统选定的路线传递。在正常情况下,当两个报文发往同一目的地时,先发 的先收到。但是,也有可能先发的报文在途中延误了,后发的报文反而先收到。 而这种情况在面向连接的服务中是绝不可能发生的,面向连接的服务保证数据包 计算机网络基本原理 12 的有序可靠传输。 无连接服务的特征是它不需要通信的两个实体同时处于激活状态,而只需 要正在工作的实体处于激活状态。它的优点是灵活方便和比较迅速,但无连接服 务不能防止报文的丢失,重复或失序。因此它比较适合传送少量的零星的报文。 并不是所有的应用程序都需要连接。例如,电子邮件越来越普及,电子邮 件发送者可能不希望仅为了发一条消息而去经历建立和拆除连接的麻烦。百分之 百的可靠性也没有必要;特别是如果要多花钱时更没必要。这里所需要的仅是发 送一个报文,只要到达的可能性很大就行了,不需要保证一定收到。对于一些允 许延迟的应用程序,例如文字处理等,往往也使用无连接的服务。 网络层协议通常提供无连接的服务,不保证数据包的有序可靠传输(数据 可靠传输功能通常在传输层或数据链路层实现)。如图 2-4所示。 图 2-4 网络层协议操作 2.3.4 传输层 传输层位于 OSI 参考模型第四层,最终目标是向用户-----一般指应用层的 进程,提供有效、可靠的服务。传输层主要定义了主机应用程序间端到端的连通 性,它一般包含四项基本功能。 1.将应用层发往网络层的数据分段或将网络层发往应用层的数据段合并。 2.建立端到端的连接,主要是建立逻辑连接以传送数据流。 3.将数据段从一台主机发往另一台主机。在传送过程中通过计算校验和以 及通过流控制的方式保证数据的正确性,流控制可以避免缓冲区溢出。 4.部分传输层协议保证数据传送正确性。主要是在数据传送过程中确保同 一数据既不多次传送也不丢失。同时还要保证数据包的接收顺序与发送顺序一 致。 传输层协议主要有 TCP/IP 协议栈的 TCP 协议和 UDP 协议,IPX/SPX 协议栈 的 SPX 协议等。其中,TCP 协议和 SPX 协议为应用程序提供可靠的、面向连接的 服务;UDP 协议提供不可靠的、无连接的服务。 网络层 数据链路层 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 网络层 数据链路层 物理层 表示层 会话层 传输层 应用层 A B C D E Router A Router B Router C 计算机网络基本原理 13 图 2-5:端到端通信 如图 2-5,在 OSI 参考模型中,多个应用程序可以共享同一个传输连接, 称为多路复用(mulitiplex)。 多路复用是指多个应用程序共享同一个传输层建 立的连接进行数据的传送。传输层把上层发来的不同应用程序数据分成段,按照 先到先发(FIFO)的原则(或者其他原则)发送数据段。这些数据段可以去往同 一目的地,也可以去往不同目的地。 我们假定 www.huawei.com 和 ftp.huawei.com 服务器同时向目的主机发送 数据,了解一下传输层端到端通信过程。 当您开始调用服务器的 www 和 ftp 应用程序时,服务器软件为每一个应用 程序设置一个端口号(port number,注意,此端口号和网络设备端口不同,是 一个应用程序与传输层协议的虚拟接口),生成数据段。端口号包括一些信息类 型、起始程序、所用协议等附加信息编码位。接下来,服务器的传输层必须和终 端主机建立一条端到端的会话连接(注意,是虚连接,而不是物理连接)。为了 能够开始数据传输,服务器和终端主机的两个应用程序通知各自的操作系统,开 始初始化连接。两个操作系统上的协议模块在网络上互相发送报文通信,以保证 双方虚链路建立。当双方所有同步工作完成之后,端到端虚连接便已建立,数据 传输开始。在传输过程中,服务器和终端主机继续以它们的协议软件进行通信, 以验证数据是否正确接收。当终端设备收到数据流时,它对这些数据流进行分离 和排序,以使传输层能够正确地将数据流送到终端主机。当数据传输结束后,双 方协商断开虚链路。 在数据传输过程中,由于诸多因素的影响,例如带宽、各种各样网络设备 的速率不匹配导致的发送设备和接收设备间速率差异带来的延迟等等,网络有可 能在源主机和终端主机之间的任何一点产生拥塞。网络拥塞现象有可能导致更大 的网络延迟以及数据包的丢弃,所以必须实施流量控制。 目前有三种常用的流量控制技术:缓存(buffering)技术、源抑制报文 (source quench messages)、窗口机制(windowing)等。 网络设备使用缓存技术把内存中暂时不能处理的突发性数据存放在缓冲区 Data 传输虚电路 Host WWW. CNDATA.COM FTP.CNDATA.COM 应用数据 FTP WWW 传输数据包 Data 21 1028 80 1027 计算机网络基本原理 14 内,待网络设备空闲时,再发送。缓存技术可以初步解决数据拥塞问题。然而, 当网络中数据流量持续增多时,缓冲区有可能也会过载,从而使得缓冲区数据溢 出,导致数据丢失。 这时我们可以使用源抑制技术来降低网络流量。数据接收端设备通过向源 端发送源抑制报文,请求源端降低数据发送速率,防止网络过载。
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