熟悉网络体系结构和协议-计算机应用基础案例教程

2023-11-07 理论教育版权反馈

【摘要】：为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议，并且让这些协议保持一种层次结构，子协议的集合通常称为协议簇。

小明：我已知道关于Internet的基本概念了，可是有些术语我还是不太清楚。

老师：从今天起我们进一步介绍计算机网络体系结构的相关知识。

6.2.2.1　了解计算机网络的体系结构的概念

计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。它是对一个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

6.2.2.2　熟悉计算机网络体系结构

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理了。

1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA（System Network Architecture）。现在它是世界上使用得相当广泛的一种网络体系结构。

为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。之后，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM。

OSI/RM定义了网络中设备所遵循的层次结构。分层结构的优点为：简化网络的操作，提供设备间兼容性和标准接口，促进标准化工作，结构上可以分割，易于实现和维护。

1.网络协议的概念

网络协议是通信双方共同遵守的规则和约定的集合。任何两个主机系统需要通信，必须要运行相同的网络协议，这样才能正确理解对方所传输的数据。

（1）协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。

（2）必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。

整个计算机网络的实现体现为协议的实现。

2.网络协议分层的必要性

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议，并且让这些协议保持一种层次结构，子协议的集合通常称为协议簇。

3.划分层次原则

（1）层次数目不能太少，若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。

（2）层次数目不能太多，层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

4.协议分层的好处

（1）网络协议的分层有利于将复杂的问题分解成多个简单的问题，从而分而治之。

（2）分层有利于网络的互联，进行协议转换时可能只涉及某一个或几个层次而不是所有层次。

（3）分层可以屏蔽下层的变化，新的底层技术的引入不会对上层的应用协议产生影响。

（4）有利于标准化。

（5）方便实现和维护。

5.OSI体系结构

OSI参考模型如图6-2-1所示。参考模型从逻辑上把网络的功能分为七层，最底层为物理层，最高层为应用层。

图6-2-1　OSI参考模型

6.OSI/RM各层的功能

（1）物理层：是OSI的最底层，它建立在物理通信介质的基础上，作为通信系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体间透明的比特（bit）流传输。为建立、维持和拆除物理连接，物理层规定了传输介质的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。

（2）数据链路层：从网络层接收数据，并加上有意义的比特位形成报文头部和尾部（用来携带地址和其他控制信息）。这些附加了信息的数据单元称为帧。数据链路层负责将数据帧无差错地从一个站点送达下一个相邻的站点，即通过一些数据链路层协议完成在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。数据链路层加强了物理层的传输功能，建立了一条无差错的传输线路，可查看及向数据上加入MAC地址，且可实现流量控制和差错检测。

（3）网络层：网络层关心的是通信子网的运行控制，主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源传送到目的地的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。网络层在数据上加入网络地址，确定把数据包传送到其目的地的路径，根据目的网络地址为数据选择网络路径。

（4）传输层：目的是在源端与目的端之间建立可靠的端到端的服务，将数据分段重组保证数据传输无误性。主要任务是向会话层提供服务，服务内容包括传输连接服务和数据传输服务。前者是指在两个传输层用户之间负责建立、维持和在传输结束后拆除传输连接；后者则是要求在一对用户之间提供互相交换数据的方法。传输层的服务，使高层的用户可以完全不考虑信息在物理层、数据链路层和网络层通信的详细情况，方便用户使用。

（5）会话层：是网络对话控制器，它建立、维护和同步通信设备之间的交互操作，保证每次会话都正常关闭而不会突然中断，使用户被挂在一旁。会话层建立和验证用户之间的连接，包括口令和登录确认；它也控制数据交换，决定以何种顺序将对话单元传送到传输层，以及在传输过程的哪一点需要接收端的确认。会话层为用户提供一个建立连接以及在上面按照顺序传输数据的方法，也可以结束会话。

（6）表示层：保证通信设备之间的互操作性。该层的功能使得两台内部数据表示结构不同的计算机能实现通信。它提供了一种对不同控制码、字符集和图形字符等的解释，而这种解释是使两台设备都能以相同方式理解相同的传输内容所必需的。表示层还负责为安全性引入的数据加密和解密，以及为提高传输效率提供必需的数据压缩及解压等功能；将用户信息转换成易于发送的比特流，在目的端再转换回去的方式。

（7）应用层：是OSI参考模型的最高层，它是应用进程访问网络服务的窗口。这一层直接为网络用户或应用程序提供各种各样的网络服务，它是计算机网络与最终用户之间的界面。应用层提供的网络服务包括文件服务、打印服务、报文服务、目录服务、网络管理以及数据库服务等。应用层将用户请求交给相应应用程序，从而能够使用网络服务。(www.chuimin.cn)

在上述的七层中上面的五层一般由软件实现，而下面的两层由硬件和软件实现。

6.2.2.3　了解Internet协议

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。一个网络协议主要由以下三个要素组成：

（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式，以及信号电平等；

（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；

（3）规则，即事件实现顺序的详细说明，包括时序控制、速率匹配和定序。

1974年ARPA的罗伯特·卡恩和斯坦福的温登·泽夫提出TCP/IP协议，定义了在电脑网络之间传送报文的方法。1983年1月1日，ARPA网将其网络核心协议由NCP改变为TCP/IP协议。

TCP即传输控制协议（Transmission Control Protocol），IP即网络互连协议（Internet Protocol），TCP/IP协议是一组通信协议的代名词，是一组计算机通信协议的集合。它是因特网的核心，利用TCP/IP协议可以很方便地实现多个网络的无缝连接。通常所谓的“某台机器在因特网上”，就是指该主机具有一个因特网地址，运行TCP/IP协议，并可向因特网上所有其他主机发送IP数据报。

ISP协议（Internet Service Provider，互联网服务提供商），即向广大用户综合提供互联网接入业务、信息业务和增值业务的电信运营商。ISP是经国家主管部门批准的正式运营企业，享受国家法律保护。目前，中国主要的网络运营商有中国电信、中国联通、中国移动。

6.2.2.4　IP地址与域名系统

根据TCP/IP协议，Internet上进行信息交换的每台主机必须具有唯一的IP地址，就像日常生活中朋友之间相互通信需要写明通信地址一样。

1.IP地址

Internet地址分为两种形式：用数字表示的IP地址和用字母表示的域名地址。

例如：192.168.10.58。

IP地址是一个32位的二进制数，由地址类别、网络号和主机号三个部分组成，如图6-2-2所示。

图6-2-2　IP地址组成

为了表示方便，国际上通行一种“点分十进制表示法”：即将32位地址分为4段，每段8位，组成一个字节，每个字节用一个十进制数表示。每个字节之间用点号“.”分隔。这样，IP地址就表示成了以点号隔开的四个数字，每组数字的取值范围是0～255（即一个字节表示的范围如图6-2-3所示）。

图6-2-3　点分十进制表示法

IP地址分成五类：A类、B类、C类、D类和E类，详细结构如图6-2-4所示。

图6-2-4　IP地址分类

（1）A类地址。A类地址网络号占一个字节，主机号占三个字节，并且第一个字节的最高位为0，用来表示地址是A类地址。因此，A类地址的网络数为27（128）个，每个网络包含的主机数为224（16777216）个，A类地址的范围是0.0.0.0～127.255.255.255。

由于网络号全为0和全为1保留用于特殊目的，所以A类地址有效的网络数为126个，其范围是1～126。另外，主机号全为0和全为1也有特殊作用，所以每个网络号包含的主机数应该是224－2（16777214）个。因此，一台主机能使用的A类地址的有效范围是1.0.0.1～126.255.255.254。

（2）B类地址。B类地址网络号、主机号各占两个字节，并且第一个字节的最高两位为10，用来表示地址是B类地址。因此B类地址网络数为214个（实际有效的网络数是214－2），每个网络号所包含的主机数为216个（实际有效的主机数是216－2）。B类地址的范围为128.0.0.0～191.255.255.255，与A类地址类似（网络号和主机号全0和全1有特殊作用），一台主机能使用的B类地址的有效范围是128.1.0.1～191.254.255.254

（3）C类地址。C类地址网络号占三个字节，主机号占一个字节，并且第一个字节的最高三位为110，用来表示地址是C类地址。因此C类地址网络数为221（实际有效的为221－2）个，每个网络号所包含的主机数为256（实际有效的为254）个。C类地址的范围为192.0.0.0～223.255.255.255，同样，一台主机能使用的C类地址的有效范围是192.0.1.1～223.255.254.254

（4）D类地址。D类地址用于多播，多播就是同时把数据发送给一组主机，只有那些已经登记可以接收多播地址的主机，才能接收多播数据包。D类地址的范围是224.0.0.0～239.255.255.255。

（5）E类地址。E类地址是为将来预留的，同时也可以用于实验目的，它们不能被分。

表6-2-1为IP地址的使用范围。

表6-2-1　IP地址的使用范围

2.域名系统

TCP/IP中的IP地址是由四段以“.”分开的数字组成的，记起来总是不如名字那么方便，所以，就采用了域名系统来管理名字和IP的对应关系。

虽然因特网上的节点都可以用IP地址唯一标识，并且可以通过IP地址被访问，但即使是将32位的二进制IP地址写成4个0～255的十位数形式，也依然太长、太难记。因此，人们发明了域名（Domain Name），域名可将一个IP地址关联到一组有意义的字符上去。用户访问一个网站的时候，既可以输入该网站的IP地址，也可以输入其域名，对访问而言，两者是等价的。例如，新浪的Web服务器的IP地址是202.165.102.205，其对应的域名是www.sina.com.cn，不管用户在浏览器中输入的是202.165.102.205还是www.sina.com.cn，都可以访问其Web网站。

3.域名格式

域名的格式为四级域名.三级域名.二级域名.顶级域名。例如，网址www.tju.edu.cn中，顶级域名cn表示中国，二级域名edu表示教育科研网，三级域名tju表示天津大学，四级域名www表示万维网。

表6-2-2和表6-2-3给出了部分国家或地区域名以及组织和机构域名。

表6-2-2　部分国家或地区域名

表6-2-3　部分组织和机构域名

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