第1章網絡通信模型1.1網絡參考模型1.2數據封裝與傳輸1.3數制與數制轉換1.4IP地址與子網掩碼本章小結

1.1網絡參考模型

1.1.1OSI參考模型OSI參考模型是一個開放式體系結構，它規定將網絡分為七層，從下往上依次是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，如圖1.1所示。

圖1.1OSI七層模型

OSI各層的功能如表1-1所示。

1.物理層

物理層的主要功能是完成相鄰節點之間原始比特流的傳輸。

物理層協議關心的是：使用什么樣的物理信號來表示數據1和0；數據傳輸是否可同時在兩個方向上進行；連接如何建立以及完成通信后連接如何終止；物理接口(插頭和插座)有多少針以及各針的用處；等等。

2.數據鏈路層

數據鏈路層負責將上層數據封裝成固定格式的幀，在數據幀內封裝發送和接收端的數據鏈路層地址(例如在以太網中為MAC地址)。為了防止在數據傳輸過程中產生誤碼，要在幀尾部加上校驗信息。如果發現數據錯誤，則可以重傳數據幀。

3.?網絡層

網絡層的主要功能是實現數據從源端到目的端的傳輸。在網絡層，使用邏輯地址來標識一個點，將上層數據封裝成數據包，在數據包的頭部封裝源和目的端的邏輯地址。網絡層根據數據包頭部的邏輯地址選擇最佳的路徑，將數據送達目的端。

4.?傳輸層

傳輸層的主要功能是實現網絡中不同主機上用戶進程之間的數據通信。

網絡層和數據鏈路層負責將數據送達目的端的主機，傳輸層用于確定這個數據需要什么用戶進程去處理。

5.?會話層

會話層的功能是在不同機器上的用戶之間建立會話關系。

會話層提供的服務之一是管理對話控制。會話層允許信息同時雙向傳輸，或任意一個時刻只能單向傳輸。

6.?表示層

表示層用于完成某些特定功能，如數據編碼、數據壓縮和解壓、數據加密和解密等。

7.?應用層

應用層包含人們普遍需要的協議，提供應用程序間的通信。

1.1.2TCP/IP協議族

TCP/IP是傳輸控制協議/網絡互聯協議(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)的簡稱。TCP/IP是一系列協議的集合，所以嚴格的稱呼應該是TCP/IP協議族。

如圖1.2所示。

圖1.2OSI參考模型與TCP/IP協議族

TCP/IP五層模型應用得更廣泛，該模型的一些常見協議如圖1.3所示。圖1.3TCP/IP五層模型的常見協議

需要注意的是，在物理層和數據鏈路層，TCP/IP并沒有定義任何特定的協議，網絡可以是局域網、城域網或廣域網。

網絡層IP協議又由四個支撐協議組成：ARP(地址解析協議)、RARP(逆地址解析協議)、ICMP(互聯網控制報文協議)和IGMP(互聯網組管理協議)。

1.2數據封裝與傳輸

1.2.1數據封裝與解封裝為了能夠明確地說明數據封裝與解封裝過程，我們以兩臺主機的通信為例進行講解，如圖1.4所示。

圖1.4數據封裝與解封裝

協議數據單元(ProtocolDataUnit，PDU)是指同層之間傳遞的數據單位。對于OSI參考模型而言，每一層都是通過PDU來進行通信的。而對于TCP/IP?五層結構，上層數據被封裝TCP頭部后，這個單元稱為段(Segment)；數據段向下傳到網絡層，被封裝IP頭部后，這個單元稱為包(Packet)；數據包繼續向下傳送到數據鏈路層，被封裝MAC頭部和尾部后，這個單元稱為幀(Frame)；最后幀傳送到物理層，數據幀變成比特(Bit)流。

1.?數據封裝過程

1)?應用層

2)?傳輸層

3)?網絡層

4)?數據鏈路層

5)?物理層

2.?數據解封裝過程

數據解封裝是封裝過程的逆過程。

1)?物理層

2)?數據鏈路層

3)?網絡層

4)?傳輸層

5)?應用層

3.?數據封裝實戰

使用科來網絡分析系統抓包，可以查看各層的封裝，如圖1.5所示。

圖1.5查看各層的封裝

1.2.2網絡中的數據傳輸過程

需要注意的是，發送方與接收方各層之間必須采用相同的協議才能建立連接，實現正常的通信，如圖1.6所示。例如，應用層之間必須采用相同的編碼、解碼規則，才能保證信息傳輸的正確性。

圖1.6對等層通信

在實際的網絡環境中，發送方和接收方之間有可能相隔十萬八千里，它們中間會有很多硬件設備來轉發數據。我們可以通過一種簡化的網絡通信結構來說明整個過程，如圖1.7所示。

圖1.7網絡中數據的傳輸過程

1.3數制與數制轉換1.3.1數制1.?基本概念數制：計數的方法，是指用一組固定的符號和統一的規則來表示數值的方法，如在計數過程中采用進位的方法稱為進位計數制。數位：指數字符號在一個數中所處的位置。基數：指在某種進位計數制中數位上所能使用的數字符號的個數。位權：指在某種進位計數制中數位所代表的大小，即處在某一位上的1所表示的數值的大小。

2.?數制的表示方法

對不同的數制，可以給數字加上括號并使用下標來表示該數字的數制(十進制可以不用下標)。

例如，(1110)2、113、(2A1E)16分別代表不同數制的數。

除了用下標表示外，還可以用后綴字母來表示數制。

(1)?十進制數(DecimalNumber)用后綴D表示或無后綴。

(2)?二進制數(BinaryNumber)用后綴B表示。

(3)?十六進制數(HexadecimalNumber)用后綴H表示。

例如，2A1EH等同于(2A1E)16。

3.?常用的數制

計算機中常用的數制有十進制、二進制和十六進制。

1)?十進制(Decimal)

(1)?基數是10，數值部分用十個不同的數字符號0、1、2、3、4、5、6、7、8、9來表示。

(2)?逢十進一。

2)?二進制(Binary)

(1)?基數為2，數值部分用兩個不同的數字符號0、1來表示。

(2)?逢二進一。

二進制數轉換為十進制數，例如：

3)?十六進制(Hexadecimal)

(1)?基數是16，它有16個數字符號0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，其中A～F分別代表十進制數的10～15。

(2)?逢十六進一。

計算機中網卡的物理地址通常是用十六進制表示的，如圖1.8所示。

十六進制數轉換為十進制數，例如：

圖1.8網卡的物理地址

1.3.2數制轉換

1.二、十進制的轉換

1.3.1節已經介紹了二進制數轉換為十進制數的內容，那么如何將一個十進制數轉換為二進制數呢？可以使用余數法：將要轉換的十進制整數除以2，取余數；再用商除以2，再取余數，直到商等于0為止；將每次得到的余數按照倒序的方法排列起來作為結果。

例如：

把余數倒排可得到123的二進制數為1111011B。

2.?十、十六進制的轉換

十六進制向十進制轉換，按權展開即可。

從十進制向十六進制轉換，也可以采用余數法。例如：

也就是123＝7BH。

3.二、十六進制的轉換

從左向右把二進制數中每四個分成一組，然后把每一組二進制數對應的十六進制數寫出來，就得到對應的十六進制數。例如：

01111011B＝01111011B＝7BH

不同數制之間的對應關系如表1-2所示。

1.4IP地址與子網掩碼

1.4.1IP地址的分類互聯網上連接的網絡設備和計算機都用唯一的地址來標識，即IP地址。IP地址由32位二進制數組成，通常分成四段，每段八位，中間用圓點隔開，然后將每八位二進制數轉換成十進制數，這種形式叫作點分十進制，如200.10.2.3。

IP地址由兩部分組成，網絡部分(netID)和主機部分(hostID)。網絡部分用于標識不同的網絡，主機部分用于標識在一個網絡中特定的主機。

IP地址的網絡部分由IANA(Internet?Assigned?Numbers?Authority，互聯網地址分配機構)來統一分配，為了便于分配和管理，IANA將IP地址分為A、B、C、D、E五類，如圖1.9所示。

圖1.9IP地址分類

在IP地址中，還有一些特殊的規定，如表1-3所示。

另外，為了滿足用戶在私有網絡使用的需求，從A、B、C這三類地址中分別劃出一部分地址供企業內部網絡使用。這部分地址稱為私有地址，私有地址是不能在Internet上使用的。私有地址包括以下三組。

(1)?A類：10.0.0.0～10.255.255.255

(2)?B類：172.16.0.0～172.31.255.255

(3)?C類：192.168.0.0～192.168.255.255

1.4.2子網掩碼

在網絡中，不同主機之間通信可以在同一個網段中，也可以在不同網段中。

如果是同一網段內兩臺主機通信，則主機將數據直接發送給另一臺主機；如果不在同一網段，則主機需要先將數據發送給網關，再由網關進行轉發，如圖1.10所示。圖1.10是否同一網段

為了區分這兩種情況，進行通信的計算機需要做出判斷，如圖1.11所示。圖1.11網絡地址是否相同

對A、B、C這三類地址，它們都有默認的子網掩碼。

(1)?A類地址的默認子網掩碼是255.0.0.0。

(2)?B類地址的默認子網掩碼是255.255.0.0。

(3)?C類地址的默認子網掩碼是255.255.255.0。

在計算機中查看IP地址與子網掩碼，如選中無線網絡連接，點擊詳細信息按鈕，可以看到IP地址為192.168.22.102，子網掩碼為255.255.255.0，是一個C類地址，同時也是私有地址，如圖1.12、圖1.13和圖1.14所示。

圖1.12查看IP地址與子網掩碼(1)

圖1.13查看IP地址與子網掩碼(2)

圖1.14查看IP地址與子網掩碼(3)

本章小結

(1)?OSI參考模型的七個層從下往上依次為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。(2)?TCP/IP五層模型從下往上依次是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層