物聯網

技術導論數字經濟系列教材第

9

章

計算機網絡技術物聯網

技術導論019.1計算機網絡概述029.2互聯網與TCP/IP協議簇目錄CONTENTS039.3互聯網與物聯網的關系9.1計算機網絡概述計算機網絡概念簡單的計算機網絡節點鏈路圖例計算機集線器網絡計算機網絡由若干節點(node)和連接這些節點的鏈路(link)組成的集合。節點可以是計算機、集線器、交換機或路由器等。9.1計算機網絡概述計算機網絡概念由網絡構成的互連網網絡網絡網絡網絡網絡網絡網絡圖例計算機集線器路由器網絡互連網(internetwork或internet)多個網絡通過一些路由器相互連接起來，構成了一個覆蓋范圍更大的計算機網絡?！熬W絡的網絡”(networkofnetworks)?；ヂ摼W/因特網(Internet)指基于ARPANet發展起來的，以TCP/IP協議族為主要技術特征的，當今世界覆蓋范圍最大的公用計算機互連網。9.1計算機網絡概述最早的Internet，是由美國國防部高級研究計劃局（ARPA）建立的。現代計算機網絡的許多概念和方法，如分組交換技術都來自ARPAnet。ARPAnet不僅進行了租用線互聯的分組交換技術研究，而且做了無線、衛星網的分組交換技術研究-其結果導致了TCP/IP問世。1977-1979年，ARPAnet推出了目前形式的TCP/IP體系結構和協議。1980年前后ARPAnet上的所有計算機開始了TCP/IP協議的轉換工作，并以ARPAnet為主干網建立了初期的Internet。1983年，ARPAnet的全部計算機完成了向TCP/IP的轉換，并在UNIX（BSD4.1）上實現了TCP/IP。ARPAnet在技術上最大的貢獻就是TCP/IP協議的開發和應用。2個著名的科學教育網CSNET和BITNET先后建立。1984年，美國國家科學基金會NSF規劃建立了13個國家超級計算中心及國家教育科技網。隨后替代了ARPAnet的骨干地位。1988年Internet開始對外開放。1991年6月，在連通Internet的計算機中，商業用戶首次超過了學術界用戶，這是Internet發展史上的一個里程碑，從此Internet成長速度一發不可收拾。計算機網絡發展概要9.1計算機網絡概述1.

以數據通信為主的第一代計算機網絡1954年，美國軍方的半自動地面防空系統將遠距離的雷達和測控儀器所探測到的信號，通過通信線路匯集到某個基地的一臺IBM計算機上進行集中的信息處理，再將處理好的數據通過通信線路送回到各自的終端設備。這種以單個計算機為中心、面向終端設備的網絡結構，嚴格來講，是一種聯機系統，只是計算機網絡的雛形，我們一般稱之為第一代計算機網絡。2.

以資源共享為主的第二代計算機網絡美國國防部高級研究計劃局(ARPA)于1968年主持研制，次年將分散在不同地區的4臺計算機連接起來，建成了ARPA網。ARPA網的建成標志著計算機網絡的發展進入了第二代，它也是Internet的前身第二代計算機網絡是以分組交換網為中心的計算機網絡，它與第一代計算機網絡的區別在于：網絡中通信雙方都是具有自主處理能力的計算機，而不是終端機；計算機網絡功能以資源共享為主，而不是以數據通信為主。計算機網絡發展歷程9.1計算機網絡概述3.體系標準化的第三代計算機網絡隨著社會的發展,需要各種不同體系結構的網絡進行互聯，但是由于不同體系的網絡很難互聯，因此，國際標準化組織(ISO)在1977年設立了一個分委員會，專門研究網絡通信的體系結構。1983年，該委員會提出的開放系統互連參考模型(OSI)各層的協議被批準為國際標準，給網絡的發展提供了一個可共同遵守的規則，從此計算機網絡的發展走上了標準化的道路，因此我們把體系結構標準化的計算機網絡稱為第三代計算機網絡。1983年TCP/IP協議成為ARPAnet上的標準協議，使得所有使用TCP/IP協議的計算機都能利用互連網相互通信，因而人們就把1983年作為互聯網的誕生時間。1990年ARPAnet正式宣布關閉，因為它的實驗任務已經完成。4.以Internet為核心的第四代計算機網絡進入20世紀90年代,Internet的建立將分散在世界各地的計算機和各種網絡連接起來，形成了覆蓋世界的大網絡。隨著信息高速公路計劃的提出和實施，Internet迅猛發展起來,它將當今世界帶入了以網絡為核心的信息時代。目前這階段計算機網絡發展特點呈現為:高速互連、智能與更廣泛的應用。計算機網絡發展歷程9.2互聯網與TCP/IP協議族計算機網絡發展歷程從1993年開始至今，Internet逐漸形成了多層互聯網服務提供者（ISP）的結構。在許多情況下，互聯網服務提供者ISP（InternetServiceProvider）就是一個進行商業活動的公司，因此ISP又常譯為互聯網服務提供商。例如，中國電信、中國聯通和中國移動等公司都是我國最有名的ISP。通信舉例：主機A→本地ISP→地區ISP→主干ISP→地區ISP→本地ISP→主機B

大公司公司本地

ISPAB本地

ISP主干ISP本地

ISP本地

ISP主干ISP主干ISP

本地

ISP本地

ISP

本地

ISP

內容提供者IXP校園網校園網地區

ISP地區

ISP地區

ISP地區

ISPIXP9.1計算機網絡概述我們把計算機網絡的各層及協議集合，成為網絡的體系結構。換種說法，計算機網絡的體系結構就是這個計算機網絡及其構件所應完成的功能的精確定義。國際標準化組織ISO于1981年正式推薦了一個網絡系統結構七層參考模型，叫做開放系統互連模型(OpenSystemInterconnection，OSI)，該模型包括物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、會話層、表示層和應用層7個層次。計算機網絡的體系結構應用層運輸層網絡層表示層會話層數據鏈路層物理層7654321OSI的七層協議體系結構TCP/IP的四層協議體系結構(a)(b)(c)五層協議的體系結構4應用層1網絡接口層2網際層IP(各種應用層協議，如DNS,HTTP,SMTP等)3運輸層(TCP或UDP)（這一層并沒有具體內容）運輸層網絡層應用層數據鏈路層物理層543219.1計算機網絡概述計算機網絡的體系結構應用層運輸層網絡層表示層會話層數據鏈路層物理層7654321OSI的七層協議體系結構TCP/IP的四層協議體系結構(a)(b)(c)五層協議的體系結構4應用層1網絡接口層2網際層IP(各種應用層協議，如DNS,HTTP,SMTP等)3運輸層(TCP或UDP)（這一層并沒有具體內容）運輸層網絡層應用層數據鏈路層物理層54321由于OSI體系結構過于復雜，一般使用包含物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層和應用層的五層協議體系結構來描述計算機網絡。在實際應用中，TCP/IP的四層體系結構得到廣泛應用。每一層都是為了完成一種功能，為了完成這些功能，需要遵循一些規則，這些規則就是協議，每一層都定義了一些協議。9.1計算機網絡概述名稱功能應用層應用層是體系機構的最高層，應用層直接為用戶提供進程服務。這里的進程值得就是正在運行的程序。應用程序收到“傳輸層”的數據，接下來就要進行解讀。運輸層運輸層的任務就是負責兩個主機進程之間的通信提供服務。由于一個主機可同時運行多個進程，因此運輸層有復用和分用的功能。復用就是多個應用進程可同時使用運輸層的服務，分用是運輸層把收到的信息分別交付給上面的應用層的相應進程。網絡層網絡層負責為分組交換網上的不同主機提供服務。在發送數據時，網絡層把運輸層產生的報文段或用戶數據報封裝成分組或包進行傳送。網絡層的另一個任務就是選擇合適的路由，是源主機運輸層所傳下來的分組，能夠通過網絡中的路由器找到目標主機。數據鏈路層兩個主機之間的數據傳輸，總是在一段一段的鏈路上傳送的，兩個相鄰節點（主機和路由器之間或兩個路由器之間）傳送數據是直接傳送的（點對點）。連個相鄰節點之間傳送數據時，數據鏈路層將網絡層傳下來的IP數據報組轉成幀（framing），在連個相鄰節點透明的傳送幀（frame）中的數據。每幀中包含必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差錯控制等）。物理層在物理層上傳輸的數據單位是比特，物理層的任務就是透明的傳輸比特流。物理層要考慮的是多大的電流代表“1”或“0”，以及接收方如何識別發送方所發送的比特。傳遞信息的物理媒體，并不在物理層協議之內。計算機網絡的體系結構9.1計算機網絡概述數據在各層之間的傳遞過程計算機網絡的體系結構主機154321AP1主機2路由器3212154321AP2物理傳輸媒體物理傳輸媒體物理傳輸媒體數據H5數據H5數據H4H4H5數據H3H3H4H5數據H2T210100比特流110100H2T2H3H4H5數據10101比特流110111H4H5數據H3H5數據H4H5數據數據9.2互聯網與TCP/IP協議族IP是互聯網的核心協議。現在使用的IP（即IPv4）是在20世紀70年代末期設計的?；ヂ摼W經過幾十年的飛速發展，到2011年2月，IPv4的地址已經耗盡，ISP已經不能再申請到新的IP地址塊了。我國在2014年至2015年也逐步停止了向新用戶和應用分配IPv4地址，同時全面開始商用部署IPv6。IPv4協議地址IPv4使用32位（4字節）地址，因此地址空間中只有4,294,967,296個地址。且有特殊用途的專用地址存在。隨著地址不斷被分配給最終用戶，IPv4地址枯竭問題也在隨之產生。基于分類網絡、無類別域間路由和網絡地址轉換的地址結構重構顯著地減少了地址枯竭的速度。地址格式IPv4地址可被寫作任何表示一個32位整數值的形式，但為了方便人類閱讀和分析，它通常被寫作點分十進制的形式，即四個字節被分開用十進制寫出，中間用點分隔。分配這個系統定義了五個類別：A、B、C、D和E。A、B和C類有不同的網絡類別長度，剩余的部分被用來識別網絡內的主機，這就意味著每個網絡類別有著不同的給主機編址的能力。D類被用于多播地址，E類被留作將來使用。1993年，無類別域間路由（CIDR）正式地取代了分類網絡，后者也因此被稱為“有類別”的。CIDR被設計為可以重新劃分地址空間，因此小的或大的地址塊均可以分配給用戶。CIDR創建的分層架構由互聯網號碼分配局（IANA）和區域互聯網注冊管理機構（RIR）進行管理，每個RIR均維護著一個公共的WHOIS數據庫，以此提供IP地址分配的詳情。IPv4與IPv6協議9.2互聯網與TCP/IP協議族IPv4與IPv6協議10000000000010110000001100011111IPv4地址：32位二進制代碼10000000000010110000001100011111

分為每8位為一組采用點分十進制記法112811331將每8位的二進制數轉換為十進制數網絡類別最大可指派的網絡數第一個可指派的網絡號最后一個可指派的網絡號每個網絡中最大主機數A126(27–2)112616777214（224-2）B16383(214–1)128.1191.25565534（216-2）C2097151(221

–1)192.0.1223.255.255254（28-2）分類的IPv4地址中的A、B、C類地址分布9.2互聯網與TCP/IP協議族IPv4與IPv6協議私有IPv4地址絕大多數的IP地址都是公有地址，需要向國際互聯網信息中心申請注冊。但是在IPv4地址協議中預留了3個IP地址段，作為私有地址，供組織機構內部使用。這三個地址段分別位于A、B、C三類IP地址內：A類地址：--55，以為例B類地址：--55，以為例C類地址：--55，以為例。9.2互聯網與TCP/IP協議族由于IPv4最大的問題在于網絡地址資源不足，嚴重制約了互聯網的應用和發展。IPv6的使用，不僅能解決網絡地址資源數量的問題，而且也解決了多種接入設備連入互聯網的障礙。IPv4與IPv6協議各國IPv4地址總數9.2互聯網與TCP/IP協議族IPv4與IPv6協議IPv6地址表示方法IPv6的地址長度為128位，是IPv4地址長度的4倍。于是IPv4點分十進制格式不再適用，采用十六進制表示。IPv6地址分為8組，每組為4個十六進制數的形式，每組十六進制數間用冒號分隔。例如：FC00:0000:130F:0000:0000:09C0:876A:130B。地址類型一般來講，一個IPv6數據報的目的地址可以是以下三種基本類型地址之一：單播（unicast）：單播就是傳統的點對點通信。多播（multicast）：多播是一點對多點的通信，數據報發送到一組計算機中的每一個。IPv6沒有采用廣播的術語，而是將廣播看作多播的一個特例。任播（anycast）：這是IPv6增加的一種類型。任播的終點是一組計算機，但數據報只交付其中的一個，通常是距離最近的一個。9.2互聯網與TCP/IP協議族TCP與UDP協議TCP協議傳輸控制協議（TCP，TransmissionControlProtocol）是為了在不可靠的互聯網絡上提供可靠的端到端字節流而專門設計的一個傳輸協議。應用層向TCP層發送用于網間傳輸的、用8位字節表示的數據流，然后TCP把數據流分區成適當長度的報文段（通常受該計算機連接的網絡的數據鏈路層的最大傳輸單元（MTU）的限制）。之后TCP把結果包傳給IP層，由它來通過網絡將包傳送給接收端實體的TCP層。TCP為了保證不發生丟包，就給每個包一個序號，同時序號也保證了傳送到接收端實體的包的按序接收。然后接收端實體對已成功收到的包發回一個相應的確認（ACK）；如果發送端實體在合理的往返時延（RTT）內未收到確認，那么對應的數據包就被假設為已丟失將會被進行重傳。TCP用一個校驗和函數來檢驗數據是否有錯誤；在發送和接收時都要計算校驗和。9.2互聯網與TCP/IP協議族TCP與UDP協議TCP協議的3次握手在建立一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送3個包以確認連接的建立，就是建立TCP連接的三次握手（Three-WayHandshake）。在socket編程中，這一過程由客戶端執行connect來觸發。9.2互聯網與TCP/IP協議族TCP與UDP協議UDP協議UDP是UserDatagramProtocol的簡稱，中文名是用戶數據報協議，是一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務，IETFRFC768是UDP的正式規范。UDP在IP報文的協議號是17。UDP協議與TCP協議一樣用于處理數據包，但UDP有不提供數據包分組、組裝和不能對數據包進行排序的缺點；也就是說，當報文發送之后，是無法得知其是否安全完整到達的。UDP用來支持那些需要在計算機之間傳輸數據的網絡應用。包括網絡視頻會議系統在內的眾多的客戶/服務器模式的網絡應用都需要使用UDP協議。許多應用只支持UDP，如：多媒體數據流，不產生任何額外的數據，即使知道有破壞的包也不進行重發。當強調傳輸性能而不是傳輸的完整性時，如：音頻和多媒體應用，UDP是最好的選擇。在數據傳輸時間很短，以至于此前的連接過程成為整個流量主體的情況下，UDP也是一個好的選擇。9.2互聯網與TCP/IP協議族TCP與UDP協議TCP與UDP的區別TCP和UDP是負責提供端到端通信的傳輸層協議，它們的主要區別是：1.TCP是面向連接的協議，而UDP是無連接協議。2.TCP要求系統資源較多，UDP較少；3.UDP程序結構較簡單4.流模式（TCP）與數據報模式(UDP);5.TCP保證數據正確性，UDP可能丟包6.TCP保證數據順序，UDP不保證9.2互聯網與TCP/IP協議族路由器與交換機路由器路由器又可