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4.3 TCP/IP 协议 与网络互连

4.3 TCP/IP 协议 与网络互连. 4.3. 1 分组交换原理 4.3. 2 网络分层结构与 TCP/IP 协议 4.3.3 IP 协议与路由器. 4.3.1 分组交换原理. …. 交换机. 通信系统中 “ 交换 ” 的含义. “ 交换 ” (switching) 的含义就是 转接 —— 把一条链路转接到另一条链路，使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式 动态地分配传输线路的资源 常用的交换方式： 电路交换 分组交换. 交换机. 中继线. 交换机. 用户线. 中继线. A. B.

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4.3 TCP/IP 协议 与网络互连

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  1. 4.3 TCP/IP协议 与网络互连 4.3.1分组交换原理 4.3.2 网络分层结构与TCP/IP协议 4.3.3 IP协议与路由器

  2. 4.3.1 分组交换原理

  3. … 交换机 通信系统中“交换”的含义 • “交换”(switching)的含义就是转接——把一条链路转接到另一条链路，使它们连通起来 • 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 • 常用的交换方式： • 电路交换 • 分组交换

  4. 交换机 中继线 交换机 用户线 中继线 A B 交换机 ( ( 交换机 ( C 用户线 ( D 什么是电路交换？ • 电路交换的过程： • 建立连接 • 通信 • 释放连接 • 应用：电话通信 • 分析： • 通话全过程中用户始终占用端到端的传输信道 • 由于计算机数据传输具有突发性，不适合计算机数据通信

  5. 发送方将数据分成3个包 到接收方后，再将收到的包按顺序组合在一起 （a） （b） 1 1 1 1 3 3 3 3 2 2 2 2 不同的包在不同链路上进行传输 （d） （c） 表示分组交换机 编号 有效载荷(传输的数据) 校验 信息 发送计算机地址 目的计算机地址 3 2 1 3 2 1 什么是分组交换(Packet Switching)? • 分组交换的要点： • 被传输的数据必须划分为若干“分组”(packet, 简称“包”)进行传输 • 每个分组中必须包含收发双方的地址 • 每个分组由分组交换机进行处理、存储和转发才能送达目的地 • 每个分组的格式如下： • 分组交换示意：

  6. 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 交 换 机 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交 换 机 1 高速数字通信干线 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机3 交换机4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 分组交换与存储转发的过程 • 发送数据的计算机将包发给它所连接的分组交换机 • 交换机每收到一个包，就检查该包的目的地地址： • 若数据包目的地是直接与之相连的计算机，交换机就将包发往该计算机 • 若目的地不是本分组交换机上的计算机，则选择一个输出端口，通过连接该端口的高速数字线路转发给另一台交换机（如果线路忙，则可放在对应的缓冲器中排队等候） • 下一台交换机收到数据包之后，重复过程2直到数据包到达目的计算机为止 A H B 例1：计算机C发送数据包给计算机H 例2：计算机A发送数据包给计算机G C D E F G

  7. 分组交换机中的存储转发过程 H4 H2 在交换机E暂存 查找转发表 找到转发的端口 在交换机A暂存 查找转发表 找到转发的端口 在交换机C暂存 查找转发表 找到转发的端口 最后到达目的主机H5 D 交换机 H1向H5发送分组 B H6 主机 H1 E A H5 C 分组交换网 H3

  8. 分组交换网中传输路径的变化 H4 H2 注意分组路径的变化！ D 交换机 B H6 主机 H1 E H2 向 H6发送分组 A H1 向 H5发送分组 H5 C 分组交换网 H3

  9. 3 2 1 输 入 分 组 输 出 分 组 … 输入端口 … 交换结构 3 2 1 分组处理 3 2 1 … … 输出端口 转发表 路由表及 路由选择协议 3 2 1 实现分组交换的关键设备：——分组交换机 • 分组交换机的任务是：负责包（分组）的转发 • 分组交换机的工作方式是：存储转发 + 路由选择 • 分组交换机的工作过程： • 从输入端口收到一个包后，放入缓冲区， • 检查数据包的目的计算机地址，查转发表，决定该送哪个输出端口进行转发 • 把包从输入缓冲器中取出，送到相应输出端口的缓冲区中排队 • 输出端口每发送完一个包，就从自己的缓冲区中提取下一个包进行发送

  10. 分组交换技术的优点和问题 • 优点： • 高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 • 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 • 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。 • 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。 • 分组交换带来的问题： • 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 • 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

  11. 分组交换技术的应用 • 几乎所有数据通信网都采用分组交换技术： • 交换式以太局域网、移动通信网（手机） • 公用数据网（传统的广域网） • 低速：X.25公共分组交换网（传输速率仅64kbps） • 利用公共电话网以分组交换方式进行数据传输 • 中速：使用光纤作为传输介质 • 帧中继交换网 （传输速率可达2Mbps） • 中高速：使用光纤作为传输介质 • SMDS（交换多兆位数据服务网） • ATM 广域网 (155Mbps或者更高) • 因特网（Internet）

  12. 4.3.1 网络分层结构 与TCP/IP协议 （1）网络的分层结构 （2） TCP/IP协议(栈)

  13. 4.3 因特网的组成

  14. 因特网的组成 • Internet指的是通过采用TCP/IP协议连接其他计算机网络发展而成的世界上最大的一个互连网络。 • 协议：无论想让网络上的另一台计算机做什么事情，都需要有协议。 • 网络采用分层结构：网络是个复杂的系统，采用“分层”的方法可以把复杂问题局部化，易处理。

  15. 4.3.1 网络分层结构 与TCP/IP协议

  16. 计算机网络为什么要划分层次？ 例：主机甲通过网络向主机乙传送文件 只看这两个文件传送模块 好像文件及文件传送命令 是按照水平方向的虚线传送的 主机甲 主机乙 文件处理模块 文件处理模块 把文件交给下层模块 进行发送 把收到的文件交给 上层模块

  17. 计算机网络为什么要划分层次？ 例：主机甲通过网络向主机乙传送文件 主机1 主机2 文件处理模块 文件处理模块 通信服务模块 通信服务模块 网络 接口 网络 接口 通信网络 网络接入模块 网络接入模块 网络接入模块负责完成与网络接口细节有关的工作 例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。

  18. 计算机网络分层的好处 • 优点： • 各层之间是独立的 • 灵活性好 • 结构上可分割开 • 易于实现和维护 • 能促进标准化工作

  19. (2) TCP/IP协议(栈)

  20. 4 3 2 1 如电子邮件、HTML文档等应用数据 应用数据转换为1个或多个TCP数据段或UDP数据段 TCP或UDP数据报封装为IP数据报 IP数据报封装为以太网信息帧或ATM信元后进行传输 应用层(SMTP, HTTP, FTP等) 传输层（TCP或UDP） 网络互连层（IP） 网络接口和硬件层 (以太网, FDDI, X.25, ATM等) 什么是TCP/IP协议？ • TCP/IP是网络互连的工业标准，它包含了100多个协议，其中：TCP（传输控制协议)和IP(网际协议)是两个最基本、最重要的协议 • 规定怎样进行端—端的数据传输 应用程序与应用程序之间通信时使用的协议 • 规定了在整个互连风中所有计算机统一使用的编址方案和数据包格式 • 规定了怎样与各种不同的物理网络进行接口

  21. 4.3.2 IP协议和路由器 （IPv4）

  22. 因特网一般是由多种不同的网络互连而成，各种网络使用不同的帧格式化和编址方案，为了屏蔽不同物理网络中的计算机地址的差异，就必须解决计算机统一编址、数据包格式转换等问题。因特网一般是由多种不同的网络互连而成，各种网络使用不同的帧格式化和编址方案，为了屏蔽不同物理网络中的计算机地址的差异，就必须解决计算机统一编址、数据包格式转换等问题。 • 统一编址与统一数据包格式--IP协议 统一编址采用IP地址 统一数据包格式采用IP数据报

  23. A类地址 B类地址 C类地址 0 网络号 主机号（24位） 1 0 网络号 主机号（16位） 1 1 0 网络号 主机号(8位) 因特网上的计算机如何统一编址？ • 因特网上的每台计算机使用“IP地址”作为其标识 • IP地址的特点： • 惟一性：网络上的每台计算机都有一个与众不同的惟一的IP地址 • 简明性：所有地址的长度都是32个二进位 • IP地址的格式：包含网络号和主机号2个部分 由网络号中的最高1～4位指明该IP地址的类型：分为A, B, C, D, E五类IP地址 指明计算机所属网络的编号 指明计算机在该网络中的编号

  24. 0 1 8 16 31 主机号 网络号 A类 0 0 1 2 16 31 （超大型网络, 拥有大量主机(≤16 777 214)，只有不超过126个网络可获得A类地址） 1 0 主机号 网络号 B类 0 1 2 3 24 31 1 1 0 网络号 主机号 C类 （规模适中的网络(≤65 534台主机)使用B类地址，首字节大于等于128但小于192） 0 1 2 3 4 31 组播地址 1 1 1 0 D类 0 1 2 3 4 31 1 1 1 1 E类 备用 （用于主机不超过254台的小型网络，其IP地址的首字节大于等于192但小于224） 5类IP地址的具体格式 • 两个特殊的IP地址： • 主机号为“全0”的IP地址，称为网络地址，用来表示整个一个网络 • 主机号为“全1”的IP地址，称为直接广播地址，指整个网络中的所有主机

  25. A、B、C三类IP地址的十进制表示： IP地址 首字节取值 网络号取值 举 例 A类 1  126 1  126 61.155.13.142 B类 128  191 128.0  191.255 128.11.3.31 C类 192  223 192.0.0  223.255.255 202.119.36.12 IP地址的“点分十进制”表示 • IP地址是一个32位的地址码，书写和记忆很不方便 • “点分十进制”表示：用4个十进制数来表示一个IP地址，每个十进制数对应 IP地址中的8位(1个字节)，相互间用小数点 “ ．” 隔开。 例如： 点分十进制表示 二进制表示 IP地址类型

  26. 关于子网掩码 • 子网掩码——一个32位的代码，其中与IP地址中网络号、子网号对应位置处的二进位是“1”，与主机号对应位置处的二进位是“0” • 三类IP地址的默认子网掩码： A类地址: 255.0.0.0 B类地址： 255.255.0.0 C类地址: 255.255.255.0 • 子网掩码的用途：从IP地址中分离出网络号和子网号 • 例1：若某主机IP地址为：202.119.36.12（C类地址） 它的子网掩码为： 255.255.255.0

  27. 头部 0 3 4 7 8 15 16 31 版本号 头部长度 服务类型 数据报总长度16bit 标识16bit 校验信息 标志 片偏移13bit 源地址和目的地址 生成时间8bit 协议8bit 头部检验和 16bit 发送IP数据报的主机IP地址32bit 有效载荷 接收IP数据报的主机IP地址32bit 可选字段（长度可变） 填充 数据区 数据( 最少1B，包含头部最大64KB） 2.IP数据报的格式 • 相互连接的异构网络，它们使用的数据包（或帧）格式互不兼容，因此不能直接将一个网络送来的包传送给另一个网络 • 解决方法：IP协议定义了一种独立于各种物理网的统一的数据包格式，称为IP数据报（IP datagram） • IPv4数据报格式：

  28. 3. 路由器

  29. 主机 主机 主机 主机 主机 多个异构网络互连而成的计算机网络 主机 主机 主机 IP路由器 主机 FDDI 主机 主机 Ethernet 主机 ATM 主机 主机 主机 主机 (a) 实际的物理网络 (b)用户所看到的网络 网络互连问题 • 为了把不同类型的网络互连成一个统一的网络，必须解决： • 所有计算机应统一编址 • 传输的数据包格式应该统一 • ··· • 解决方案：统一采用TCP/IP协议！ • 使用的网络互连设备：路由器

  30. 主机B 223.240.129.5 131.108.99.2 78.0.0.15 R2 R1 FDDI 广域网 1 2 1 2 主机A 223.240.129.2 223.240.129.17 131.108.99.5 网络地址131.108.0.0 B类网络 网络地址223.240.129.0 C类网络 网络地址78.0.0.0 A类网络 路由器的作用与连接 • 路由器是一种能够连接异构网络的分组交换机，其作用是： • 按照路由表在网络之间转发数据包 • 根据需要对数据包的格式进行转换 • 路由器的IP地址设置： • 当路由器某端口连接一个物理网络时，该端口应分配IP地址 • 该端口的IP地址，其网络号必须与所连接物理网络的网络号相同 • 例：

  31. 4.3.3 因特网的发展

  32. Tim Berners-Lee 1.因特网的发展过程 • 因特网(互联网)是将遍布世界各地的计算 机网络互连而成的一个超级计算机网络 • 简史： • 起源于1969年的美国国防部ARPANET计划(4个大学互连) • 1971：扩展至15个节点 • 1982：确定TCP/IP协议作为网络互连标准 • 1991：Tim Berners-Lee 推出World-Wide Web (WWW or Web) • 20世纪90年代起，美国政府机构和公司的计算机也纷纷入网，并迅速扩大到全球约100多个国家和地区

  33. 2. 主机地址及其域名 • 因特网采用TCP/IP协议由大量网络和计算机互连而成，网络中的每一台主机都有一个IP地址 • IP地址用4个十进制数字来表示，不便记忆和使用 • 因特网采用域名(domain name)作为IP地址的文字表示，易用易记。例如： • 南京大学的 WWW服务器的IP地址是：202.119.32.7 • 它对应的域名是： www.nju.edu.cn

  34. 2. 主机地址及其域名 • 用户可以按IP地址访问主机，也可按域名访问主机 • 主机IP地址与域名的关系： • 一个IP地址可对应多个域名，一个域名只能对应一个IP地址 • 主机从一个物理网络移到另一个网络时，其IP地址必须更换，但可以保留原来的域名。

  35. 因特网域名的结构 • 域名的格式： 5级域名.4级域名.3级域名.2级域名.顶级域名 • 举例： 中国南京大学校园网www服务器的域名为: netra . nju . edu . cn 主机名.网络名.机构名.国家名 域名总长度不超过255个字符

  36. 因特网 域名空间 顶级域名 com cn edu 二级域名 cctv nju 三级域名 www 四级域名 …… www bbs cs pku tsinghua int net ac 根 edu uk org net gov mil seu 因特网的域名空间 • 为避免域名重复，因特网的域名空间划分为许多不同的域，每个域又分若干子域，从而构成因特网的域名空间

  37. 域名系统与域名服务器 • 域名系统（ Domain Name System，DNS） • 将主机域名翻译为主机IP地址的软件，它是一个分布式数据库系统。 • 域名服务器（ Domain Name Server，DNS） • 运行域名系统软件的一台服务器 • 每个因特网服务提供商(ISP)或校园网都有一个域名服务器，它用于实现入网主机域名与IP地址的转换 • 域名解析：完成从IP到域名的转换过程

  38. 4.3.4 因特网的接入

  39. 因特网的接入方法 • 单位用户：用户计算机接入局域网，局域网通过路由器并租用电信局的远程数据通信线路接入因特网 • 家庭用户：通过电话拨号、ADSL、光纤等方式接入ISP的路由器，ISP的路由器接入因特网。

  40. 音频模拟信号 数字信号 数字信号 本地 电话网 计算机网络 计算机 MODEM MODEM 计算机用户 因特网服务提供商(ISP) 例1：电话拨号接入计算机网 缺点： 传输速率低 每次都要拨号 上网时不能通电话 费用不便宜 • 通过本地公用电话网接入计算机网络 • 设备：电话MODEM（调制解调器） • 技术原理：数字调制 • 最高传输速率： 56Kbps 把计算机送出的数字信号采用频移（或相移）键控的方法调制成为适合于在用户线上传输的音频模拟信号 把从电话线接收到模拟信号恢复成数字信号送给计算机

  41. 26个上行子通道 224个下行子通道 语音频道 频率 4kHz 1.104MHz 138kHz 25.875kHz 4.3125kHz的子通道 上行通道 下行通道 (1)上网和通话互不影响 (2) 不需要缴付额外的电话费 (3) 传输速率可根据线路情况调整 例2：ADSL接入 • 不对称数字用户线(ADSL):也通过本地公用电话网接入计算机网络 • 配置： • ADSL Modem • 以太网网卡 • 传输速率： • 上传: 64kbps～256kbps • 下行速度: 1～8Mbps

  42. 例3：Cable Modem接入 • 利用有线电视网同轴电缆接入计算机网 • 原理： • 有线电视电缆(宽带同轴电缆)容量大，抗干扰能力强 • 将同轴电缆的整个频带划分为3部分： • 数字信号上传使用的频带为5M～42M Hz(传输速率：320kb/s～10Mb/s) • 模拟信号下传为50M～550M Hz • 数字信号下传则为550M～750M Hz(传输速率：36Mb/s) • 缺点： • 多个用户共享一个频段的带宽使数据传输速率不够稳定。如果有n个用户都在上网，则单个用户的速率可能只有36/n（Mbps）

  43. 例4：光纤接入计算机网 • 使用光纤作为计算机接入网络的主要传输介质,分为： • 光纤到小区（FTTZ）：将光网络单元放置在小区某处，为整个小区服务 • 光纤到大楼（FTTB）：将光网络单元放置在大楼内，以每栋楼为单位，提供高速数据通信、远程教育等宽带业务，主要为单位服务 • 光纤到家庭（FTTH）：将光网络单元放置在楼层或用户家中，由几户或1户家庭专用，为家庭提供宽带业务 • 我国目前采用“光纤到楼、以太网入户”（FTTx+ETTH）

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