1計算機網絡基礎教程

2網絡體系結構與協議本章要點計算機網絡體系結構的基本概念OSI參考模型TCP/IP參考模型IP地址與子網掩碼常用網絡測試命令33.1計算機網絡體系結構

在網絡設計時，將會用到眾多的、各種各樣的協議，而這些協議和協議群十分龐大、復雜。所以一般都要使用結構化的技術，從層次結構的角度來組織網絡。這樣使得每個協議的設計、分析、編碼和測試都比較容易。計算機網絡體系結構43.1.1網絡體系結構的基本概念網絡體系結構包括四個要素：實體、系統、層和協議。

1．實體指軟件元素或硬件元素的抽象。能完成特定功能的進程的抽象稱為邏輯實體，能完成發送和接收信息的物理實體稱為通信實體。不管是邏輯實體還是通信實體，描述的都是功能特性。3.1計算機網絡體系結構52．系統包含一個或多個實體，具有信息處理和通信功能的整體。通常一個系統總是硬件、軟件兩部分的有機結合。3．層是處理復雜問題的一種結構化技術。分層的基本思想是，每一層都在它的下層提供的服務基礎上提供更高級的增值服務，而最高層提供能運行網絡應用程序的服務。這樣，分層的方法就把復雜的問題分解開來。

3.1計算機網絡體系結構64．協議協議是在系統中兩實體間完成通信或服務所必須遵循的規則和約定的集合。這些規則和約定明確規定了所交換數據的格式和有關的同步等問題。3.1計算機網絡體系結構73.1.2常見的網絡層次模型

不同的網絡組織機構進行網絡研究時，往往劃分有不同的層次模型。主要有OSI/RM參考模型、TCP/IP參考模型、LAN參考模型。3.1計算機網絡體系結構81．OSI參考模型它是ISO開發的，是一個完全開放的模型，其目的在于實現不同廠家、研究機構的各種網絡產品的互聯。符合OSI標準的產品可以與位于任何地方、遵循同一標準的任何其他系統進行通信。

3.1計算機網絡體系結構92．TCP/IP參考模型它是一種建立在既成事實上的標準，是描述Internet體系結構的最好方法。

TCP/IP參考模型將網絡分成：網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層。由于它是在TCP/IP協議出現以后才制定的，所以這個參考模型既詳細又實用。讀者將來會在實踐中大量用到與此有關的知識。3.1計算機網絡體系結構103．LAN參考模型

LAN參考模型是IEEE制定的標準。它將網絡分成：邏輯鏈路控制層、介質訪問控制層和物理層。3.1計算機網絡體系結構11OSI參考模型的層次劃分原則：（1）層數應足夠多，以避免不同的功能混合在同一層中；（2）層次的劃分應該有助于制定網絡協議的國際標準；（3）各層的功能要盡可能相對獨立；（4）各層的劃分要便于層與層之間的銜接；（5）網絡中各結點都有相同的層次，相同的層次具有相同的功能；（6）擴充某一層功能或協議時，不能影響整體模型的主體結構；（7）每一層都可以使用下層提供的服務，并向其上層提供服務；（8）不同結點的同等層按照協議實現對等層之間的通信。按照以上的分層原則，OSI／RM模型將整個網絡分成七層結構，由高層到低層依次是：應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。3.20SI參考模型12133.2.1應用層應用層是OSI參考模型的最高層，是用戶應用程序和網絡之間的接口。其主要功能是直接向用戶提供服務，完成用戶希望在網絡上完成的各種工作。應用層負責網絡中應用程序與網絡操作系統之間的聯系，包括建立與結束使用者之間的聯系，監督、管理相互連接起來的應用系統和所使用的應用資源。還為用戶提供各種服務，包括目錄服務、文件傳送、遠程登錄、電子郵件、虛擬終端、作業傳送和操作以及網絡管理等。然而，這一層并不包含應用程序本身。3.20SI參考模型143.2.2表示層表示層如同應用程序和網絡之間的“翻譯官”，在表示層，通過一些編碼規則定義通信中傳送這些信息所需要的傳送語法，它把要交換的數據從適合于某一用戶的抽象語法，轉換為適合OSI內部使用的傳送語法，即完成信息格式的轉換。這種格式化因所使用網絡的類型不同而不同。表示層提供的主要功能包括：（1）傳送語法的協商；（2）抽象語法和傳送語法之間的轉換；（3）數據的壓縮與解壓；（4）數據的加密與解密。3.20SI參考模型153.2.3會話層會話層是OSI模型的第五層，是用戶應用程序和網絡之間的接口，其主要功能是向兩個表示層提供建立和使用連接的方法。這種表示層之間的連接稱為會話。因此，會話層的任務就是組織兩個會話進程之間的通信，并對數據交換進行管理。3.20SI參考模型163.2.4傳輸層傳輸層是OSI模型的第四層，其主要功能是向用戶提供可靠的端到端的差錯和流量控制，保證報文的正確傳輸。傳輸層的目的是向高層屏蔽下層數據通信的細節，即向用戶透明地傳送報文。傳輸層是整個網絡體系結構中的關鍵部分。它利用通信子網提供的服務，實現數據可靠、順序、無差錯地從源端傳輸到目的端。傳輸層提供的服務比較簡單，但其協議卻很復雜，這是因為底層的通信子網之間通常有較大的差異。3.20SI參考模型173.2.5網絡層網絡層是OSI模型的第三層，其主要功能是將網絡地址翻譯成對應的物理地址，并決定如何將數據從發送方路由到接收方。它不同于數據鏈路層，數據鏈路層只涉及網絡中相鄰節點之間數據幀的傳輸，而網絡層的源端到目的端可能要經過若干個網絡節點，這些中間節點暫時接收數據分組，然后根據網絡中的通信情況選擇下一個節點把分組轉發出去。網絡層提供兩種服務：面向連接的服務和無連接的服務。3.20SI參考模型183.2.6數據鏈路層數據鏈路層是0SI模型的第二層，它控制網絡層與物理層之間的通信，并對網絡層提供服務。數據鏈路層應具有以下基本功能：（1）把數據組織成幀，并以幀為單位進行發送、接收、檢驗和應答；（2）流量控制功能，協調發送方與接收方的速度；（3）差錯控制功能，對幀進行校驗，發現錯誤時要求重發；（4）具有數據鏈路管理功能，即會話的建立、維護和拆除功能。

3.20SI參考模型193.2.7物理層物理層是OSI模型的第一層，在數據鏈路層實體之間提供激活、維持和釋放用于傳輸比特的物理連接的方法，這些方法有機械的、電氣的、功能的和過程的特征。

3.20SI參考模型203.3

TCP/IP參考模型TCP/IP的核心思想是將使用不同低層協議的異構網絡，在傳輸層、網絡層建立一個統一的虛擬邏輯網絡，以此來屏蔽、隔離所有物理網絡的硬件差異，從而實現網絡的互聯。TCP/IP參考模型將網絡體系結構分成四個層次分別是：鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。3.3.1TCP/IP概述213.3

TCP/IP參考模型223.3

TCP/IP參考模型

應用層是TCP/IP參考模型的最高層，它向用戶提供一些常用應用程序，如電子郵件等。應用層包括了所有的高層協議，并且總是不斷有新的協議加入。3.3.2應用層233.3

TCP/IP參考模型

1．TCP協議

TCP協議是一種可靠的面向連接的協議，主要功能是保證信息無差錯地傳輸到目的主機，它將某結點的數據以字節流形式無差錯投遞到互聯網的任何一臺機器上，發送方的TCP將用戶交來的字節流劃分成獨立的報文并交給網絡層進行發送，而接收方的TCP將接收的報文重新裝配交給接收用戶，TCP同時處理有關流量控制的問題，以防止快速的發送方淹沒慢速的接收方。3.3.3傳輸層243.3

TCP/IP參考模型2．UDP協議

UDP協議是一種不可靠的無連接協議，它與TCP協議不同的是它不進行分組順序的檢查和差錯控制，UDP協議將可靠性問題交給應用層解決，UDP協議主要面向請求/應答式的交互式應用。如果對每一次交互都要進行兩次報文交換，并為此建立連接和撤銷連接，開銷是相當大的。這種情況下使用UDP就非常有效。另外，UDP協議也應用于那些對可靠性要求不高，但要求網絡的延遲較小的場合，如話音和視頻數據的傳送。3.3.3傳輸層253.3

TCP/IP參考模型網絡層的主要功能是負責相鄰結點之間的數據傳送。主要包括三個方面：（1）處理來自傳輸層的分組發送請求。將分組裝入IP數據報，填充報頭，選擇去往目的結點的路徑，然后將數據報發往適當的網絡接口。（2）處理輸入數據報。首先檢查數據報的合法性，然后進行路由選擇，假如該數據報已到達目的結點（本機），則去掉報頭，將IP報文的數據部分交給相應的傳輸層協議；假如該數據報尚未到達目的結點，則轉發該數據報。（3）處理ICMP（InternetControlMessagesProtocol）報文。3.3.4網絡層263.3

TCP/IP參考模型物理鏈路層主要功能是接收IP層的IP數據包，并將IP數據報通過底層物理網絡發送出去，或者從底層物理網絡上接收物理幀，抽出IP數據報，交給IP層。該層是主機與網絡的實際連接層。網絡接口有兩種類型：第一種是設備驅動程序，如局域網網卡的驅動程序；第二種是含自身數據鏈路協議的復雜子系統。3.3.4物理鏈路層273.4IP地址與子網劃分IP協議要求所有參加Internet的網絡節點要有一個統一規定格式的地址，簡稱IP地址。在Internet網上，每個網絡和每一臺計算機都分配有一個IP地址，這個IP地址在整個Internet網絡中是唯一的。IP地址是供全球識別的通信地址。InternetIP地址由InterNIC（Internet網絡信息中心）統一負責全球地址的規劃、管理，同時由InterNIC、APNIC、RIPE三大網絡信息中心具體負責美國及其他地區的IP地址分配。通常每個國家需成立一個組織，統一向有關國際組織申請IP地址，然后再分配給客戶。283.4IP地址管理與子網劃分3.4.1IP地址為適應大型、中型、小型的網絡IP地址分配的需要，根據網絡號和主機號的數量可將IP地址分為五類：A類地址、B類地址、C類地址、D類地址和E類地址。1．A類地址用7位（bit）來標識網絡號，24位標識主機號（如表3-1所示），最前面一位為“0”，即A類地址的第一段取值介于1～126之間，因此A類網絡地址的范圍從1.O.0.0到126.0.0.0。全世界總共只有126個可能的A類網絡，每個A類網絡最多可以連接16777214臺主機。293.4IP地址管理與子網劃分2．B類地址用14位來標識網絡號，16位標識主機號，前面兩位是“10”（如表3-2所示）。B類地址的第一段取值介于128～191之間，第一段和第二段合在一起表示網絡號，因此B類網絡地址的范圍從128.1.0.0到191.254.0.0。全世界大約有16000個B類網絡，每個B類網絡最多可以連接65534臺主機。

303.4IP地址管理與子網劃分3．C類地址用21位來標識網絡號，8位標識主機號，前面三位是“110”（如表3-3所示）。C類地址的第一段取值介于192～223之間,第一段、第二段、第三段合在一起表示網絡號。最后一段標識網絡上的主機號。因此，C類網絡地址范圍從192.0.1.0至223.255.254.0。每一個C類地址理論上可支持最大256個主機地址（0～255），但是僅有254個可用，因為0和255不是有效的主機地址。在IP地址中，0和255是保留地址。IP地址中所有的主機地址為0用于標識網絡，而全為1表示在此網段中的廣播地址。313.4IP地址管理與子網劃分4．D類地址

D類地址用于在IP網絡中的組播，一個組播地址是一個唯一的網絡地址。它指導報文到達預定義的IP地址組。D類地址用于在一個私有網中傳輸組播報文至IP地址定義的端系統組中。因此沒有必要把地址中的8位位組或地址位分開表示網絡和主機。相反，每個D類IP地址用于識別一個IP地址組。323.4IP地址管理與子網劃分5．E類地址

E類地址的前4位恒為1，因此有效的地址范圍從240.0.0.0至255.255.255.255。E類地址雖被定義，但卻被保留作研究之用。333.4.2子網掩碼1.子網掩碼

IP協議標準規定：每一個使用子網的網點都選擇一個32位的位模式，若位模式中的某位置1，則對應IP地址中的某位為網絡地址中的一位；某位模式中的某位置0，則對應IP地址中的某位為主機地址中的一位。子網掩碼與IP地址結合使用，可以區分出一個網絡地址的網絡號和主機號。343.4.2子網掩碼

為了使用方便，常常使用“點分整數表示法”來表示一個子網掩碼。由此可以得到A、B、C三大類IP地址的標準子網掩碼。

A類地址：255.0.0.0B類地址：255.255.0.0C類地址：255.255.255.0353.4.2子網掩碼2.變長子網掩碼既然子網掩碼中為1的部分可以定義為網絡號，那么，就可以通過加長子網掩碼，即將掩碼中原本為0的最高位部分修改為1，來使本來應當屬于主機號的部分改變成為網絡號，進而達到劃分子網的目的。一般情況下，變長子網掩碼在局域網中很少使用，而在Internet中使用較多。36廣播地址：主機號全為1，代表廣播地址全0地址：主機號全為0，代表本主機地址回送地址：A類地址中網絡號為127是一個保留地址，稱為回送地址。37子網劃分的簡單應用題有一個企業，他有50臺計算機，如何合理的分配IP及子網掩碼能夠使其IP浪費最少？求子網掩碼？求總IP數,范圍？求可用IP數,范圍？浪費了多少個IP？192.168.1.038有一個企業,它有1000臺計算機,由于企業資金有限,無法購買三層設備,要使得這1000臺計算機能夠相互通信,如何分配它們的IP地址及子網掩碼?192.168.0.0393.4.3IP地址分配方式

在網絡中為計算機分配IP地址，可以使用三種方式，即DHCP自動分配、手工配置和自動專用IP尋址方式。其中，DHCP方式配置的IP地址稱為動態IP地址，手工配置的IP地址稱為靜態IP地址。這三種方式適合于所有的Windows系統，但各自適合于不同的網絡。因此，網絡管理員需要根據網絡規模和應用的實際情況，來決定使用哪種方式。401.自動分配IP地址為了便于管理IP地址，網絡中通常都會提供DHCP服務，可以自動為網絡中的計算機提供IP地址、子網掩碼和默認網關等信息，并由計算機自動配置，無需管理員參與。這種方式適合于網絡中計算機數量較多，或者管理員無暇經常管理客戶端，或者普通用戶不熟悉IP地址的設置等情況。同時，DHCP也是Windows默認采用的地址分配方式。

412.手工設置IP地址手工設置IP地址也是經常使用的一種分配方式。使用手工方式進行設置時，通常需要為網絡中的每一臺計算機分別設置四項IP地址信息（IP地址、子網掩碼、默認網關和DNS服務器）。采用手工設置的方式不僅工作量大，而且容易輸入錯誤，并可能出現鍵入重復。所以，一般只在設置網絡服務器時，或者計算機數量較少的小型網絡中使用。手工設置的IP地址為靜態IP地址，在沒有重新配置之前，計算機將一直擁有該IP地址。因此，既可以據此訪問網絡內的某臺計算機，也可以據此判斷計算機是否已經開機并接入網絡。不過，默認網關和DNS必須是計算機所在的網段中的IP地址，而不能填寫其他網段中的IP地址。423.自動專用IP尋址方式自動專用IP尋址方式（APIPA）是Windows系統提供的專用功能。當網絡中沒有配置DHCP服務器，并且沒有為計算機手工設置IP地址時，Windows系統就會自動為當前計算機分配一個隨機的IP地址，范圍為169.254.0.1～169.254.255.254，子網掩碼為255.255.O.O，并使用此IP地址建立網絡連接，與其他計算機進行通信。當計算機使用APIPA方式分配了IP地址以后，仍然會有規律地嘗試連接DHCP服務器，當成功連接到DHCP服務器并申請到IP地址以后，使用APIPA方式配置的IP地址就會失效，轉而使用申請到的IP地址與網絡通信。433.4.4IP地址的設置

1.IP地址信息（1）IP地址合法的IP地址一般由提供Internet接入的當地服務商(ISP)分配，私有IP地址則可以由網絡管理員自由分配。需要注意的是，在同一個網絡中，所有計算機的IP地址都不能相同，否則，會發生IP地址沖突，導致網絡通信失敗。（2）子網掩碼子網掩碼是與IP地址結合使用的一種技術。它的主要作用有兩個，一是用于確定IP地址中的網絡號和主機號，二是用于將一個大的IP網絡劃分為若干小的子網絡。44（3）默認網關默認網關的意思是一臺主