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4.3 因特网的组成

4.3 因特网的组成. 4.3.1 网络分层结构与 TCP/IP 协议 4.3.2 IP 协议与路由器 4.3.3 因特网的发展及其结构 4.3.4 因特网的接入. 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 ). （ 1 ）网络的分层结构. 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一个文件，甲乙双方均划分为三层，其分工为：. 从指定位置处读出文件，然后交给下层模块进行发送. 把文件保存到指定的文件夹中. 主机 甲. 主机 乙. 文件处理模块.

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4.3 因特网的组成

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  1. 4.3 因特网的组成 4.3.1 网络分层结构与TCP/IP协议 4.3.2 IP协议与路由器 4.3.3 因特网的发展及其结构 4.3.4 因特网的接入

  2. 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)

  3. （1）网络的分层结构

  4. 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一个文件，甲乙双方均划分为三层，其分工为： 从指定位置处读出文件，然后交给下层模块进行发送 把文件保存到指定的文件夹中 主机甲 主机乙 文件处理模块 文件处理模块 将文件分成一个个包，交给下层模块传输 将一个个包组装成文件 通信服务模块 通信服务模块 网络 接口 网络 接口 物理通信网络 网络接入模块 网络接入模块 负责完成与具体物理网络的接口，将数据包转换成帧，按帧在物理网上传输 从物理网上接收帧，将数据帧转换成数据包

  5. 因特网标准 （4层） 国际标准 （7层） 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 • 划分为多少层？ • 若层数太少，就会使每一层太复杂。 • 若层数太多，描述和综合各层功能时太繁琐

  6. (2) TCP/IP协议(栈) • 计算机网络的分层结构中，不同计算机的同一层必须共同遵循相同的规则和约定，才能正确地进行数据通信，这些规则和约定就是网络协议 • 现在的大多数局域网和因特网，采用的是发源于美国国防部的TCP/IP协议系列

  7. 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 • 负责把数据封装为TCP或UDP数据报，在两个应用程序之间传送数据 应用程序与应用程序之间通信时使用的协议 • 负责把数据封装为IP数据报，并负责把IP数据报从发送方计算机通过物理网络传送到接受方计算机 • 负责将IP数据报封装成能在物理网络（局域网、广域网）中传输的帧，并进行传输

  8. 4 3 2 1 HTML文档（网页） HTML文档转换为多个 TCP数据报 TCP数据报封装为IP数据报 IP数据报封装为以太网信息帧 进行传输 应用层(HTTP协议) 传输层（TCP协议） 网络互连层（IP） 网络接口和硬件层 (以太网) 例: 浏览网页时使用的TCP/IP协议 • 网页所对应的HTML文档拆分并封装为若干个TCP数据报，由Web服务器一个一个地进行发送 • 浏览器使用HTTP协议向Web服务器请求网页 • 负责把每个TCP报封装为IP数据报，在路由器之间进行传送，直到目的计算机所在局域网连接的路由器为止 • 路由器负责将IP数据报封装成以太网帧，在局域网中传输给浏览器

  9. 4.3.2 IP协议和路由器 （IPv4）

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 红色表示 网络号 B类网络 B类网络 191.211.0.0 128.10.0.0 路由器 128.211.6.115 128.211.28.4 128.10.0.1 128.10.0.2 路由器 A类网络 C类网络 10.0.0.0 192.5.48.0 路由器 10.0.0.37 10.0.0.49 主机IP地址 192.5.48.3 192.5.48.85 网络类型、网络号和IP地址举例

  14. 网络号 主机号 （标准IP地址） 网络号 主机号 子网号 （子网IP地址） 选讲：什么是子网？ • 考虑：小型网络越来越多（只有几十台主机，有的甚至只有2、3台计算机），如果这些小网络也占用一个网络号，地址空间浪费太大。为此引入了“子网”的概念 • 子网：把标准IP地址中的主机号划分成“子网号”和“主机号”两部分, 也就是把一个大网划分成若干小一些的“子网” • 例如： 对于C类地址中的8位主机号： • 划出2位作为子网号，那么2个子网的每一个均可容纳62台主机 • 划出3位作为子网号，那么6个子网中每个可容纳的主机减少为30台 (注：全0和全1通常不能作为子网号)

  15. 选讲：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 • 方法：使用子网掩码与IP地址进行逻辑乘 • 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 两者逻辑乘结果＝网络号＝202.119.36.0 （前24位） • 例2：若某主机IP地址为：212. 16.2.120（C类地址） 它的子网掩码为： 255.255.255.240 逻辑乘结果＝网络号＝11010100 00010000 0000001001110000 (前28位)

  16. 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） 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：

  17. 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 应用进程把需要传送的文件交给应用层 5 5 文 件 数 据 4 4 3 3 2 2 1 1

  18. H5 文 件 数 据 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 5 5 应用层把文件数据加上应用层首部，成为应用层 PDU，交给传输层 4 4 3 3 2 2 1 1

  19. H4 H5 文 件 数 据 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 5 5 4 4 传输层加上首部，成为传输层报文(TCP报文或UDP报文)，交给网络层 3 3 2 2 1 1

  20. H3 H4 H5 文 件 数 据 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 5 5 4 4 3 3 网络层加上首部成为 IP 数据报(IP分组)，然后交给数据链路层 2 2 1 1

  21. H2 H3 H4 H5 文 件 数 据 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 5 5 4 4 3 3 2 2 链路层再加上链路层的首部，成为数据链路层的帧，交给物理层进行传送 1 1

  22. 5 应用层 应用层 4 传输层 传输层 3 网络层 网络层 2 链路层 链路层 1 物理层 物理层 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 5 4 3 2 1 物理传输媒体 电信号(或光信号)在物理媒体中传播,从发送端物理层传送到接收端物理层

  23. H2 H3 H4 H5 文 件 数 据 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 5 5 4 4 3 3 2 2 物理层接收到比特流，上交给数据链路层 1 1

  24. H3 H4 H5 文 件 数 据 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机乙 主机甲 AP2 AP1 5 5 4 4 3 3 数据链路层剥去帧的首部，取出数据部分，上交给网络层 2 2 1 1

  25. H4 H5 文 件 数 据 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 5 5 4 4 网络层剥去首部，取出数据部分 上交给传输层 3 3 2 2 1 1

  26. H5 文 件 数 据 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 5 5 传输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层 4 4 3 3 2 2 1 1

  27. 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机乙 AP2 AP1 应用层剥去首部，取出文件数据 上交给应用进程 5 5 文 件 数 据 4 4 3 3 2 2 1 1

  28. 选讲： 采用TCP/IP协议时 主机甲向主机乙传送文件的过程 主机甲 主机 乙 我收到了AP1发来的 文件！ AP2 AP1 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1

  29. 网络互连与路由器

  30. TCP / IP 统一的应用层、传输层和网络层 X.25 ATM Ethernet FDDI 不同的 链路层 主机 主机 令牌 面向连接 虚电路 CSMA/CD 主机 主机 不同的 物理层 （光纤、微波、卫星、同轴、电话、双绞线） 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 异构网络的互连问题 • 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

  31. 主机A 主机B 4 3 2 1 路由器 应用层 4 3 2 1 应用层 传输层 传输层 网络互连层 网络互连层 网络互连层 网络接口层 网络接口层 网络接口层 网络1 网络2 路由器的功能 • 在两个物理网络之间转发IP数据报（主机A→主机B）： • 若B与A在同一个网络中，IP数据报就直接经网络1交给B而不需要经过路由器 • 若B与A不在同一网络中，则主机A应将IP数据报发送给所在网络中的路由器，由路由器按转发表将IP数据报进行转发

  32. 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IP地址的网络号，必须与所连接物理网络的网络号相同 • 例：

  33. 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 131.108.99.5 223.240.129.2 223.240.129.17 路由器的工作过程 • 工作过程： • 发送端计算机将数据封装成IP数据报的形式，发送给路由器 • 路由器接收到IP数据报之后，根据IP数据报中目的地主机的IP地址，查找路由表，选择转发路径 • 根据下个网络所使用的协议，将IP数据报封装成相应的数据包（帧）格式，送入缓冲器中排队 • 在数据链路空闲时将数据包转发到另一网络 • 若目的地计算机就在该网络上，则送达计算机，否则再传送给下一个路由器进行处理 • 例：主机A => 主机B

  34. 4.3.3 因特网的发展及结构

  35. Tim Berners-Lee 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 • 因特网发展的3个阶段： • 第1阶段：起源于1969年的美国国防部ARPANET网(4个大学互连)，1983年确定TCP/IP协议作为ARPANET的标准协议 • 第2阶段：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，建成了由主干网、地区网和校园网（或企业网）三级结构组成的因特网 • 第3阶段：迅速扩大到全球约100多个国家和地区，逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网，出现了因特网服务提供商 ISP

  36. 本地ISP 第三层 本地ISP 本地ISP 第二层 本地ISP 第二层ISP 大公司 第一层 本地ISP 本地ISP 大公司 第一层ISP 第一层ISP 第二层ISP 本地ISP 本地ISP 第二层ISP 一级 ISP NAP NAP 一级 ISP 第一层ISP 第二层ISP 本地ISP 本地ISP 第二层ISP 第二层ISP 大公司 本地ISP 本地ISP 本地ISP 本地ISP 校园网 校园网 校园网 校园网 公司 A B 基于ISP的多层结构的因特网

  37. 因特网的边缘部分 主机 路由器 网络 因特网的核心部分 因特网的2大组成部分 边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成，他们是为边缘部分服务的（提供连通性和交换）

  38. 因特网服务提供商ISP • ISP： • 拥有自己的通信线路 • 拥有从因特网管理机构申请得到的许多IP地址 • 用户计算机若要接入因特网，必须获得ISP分配的IP地址： • 对于单位用户，ISP通常分配一批地址（如一个或若干个C类网络号），单位的网络中心再对网络中的每一台主机指定其子网号和主机号，使每台计算机都有固定的IP地址 • 对于家庭用户，ISP一般不分配固定的IP地址，而采用动态分配的方法。即上网时由ISP的DHCP服务器临时分配一个IP地址，下网时立即收回给其他用户使用。

  39. Internet用户数目的增长 (Source：联合国 www.iresearch.com.cn ) 2009年因特网的用户数目已超过18亿，连接了数百万个网络，4亿多台计算机

  40. 因特网主机的IP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 • 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。

  41. 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: www . nju . edu . cn 主机名.网络名.机构名.国家名 美国哈佛大学校园网www服务器的域名为: www . harvard. edu 主机名. 网络名. 机构名

  42. 因特网域名命名规则 • 只许使用字母、数字和连字符，以字母或数字开头并结尾，域名总长度不超过255个字符 • 顶级域名规定： • 国际顶级域名， int（国际组织） • 国家顶级域名， 例：cn（中国），uk（英国） • 通用顶级域名<机构名>： • com（营利性组织），net（网络服务机构）， • 美国专用：org，edu，gov，mil等 • 我国对二级域名的规定： • 机构类别域名：ac科研机构， com企业，net网络服务机构， org非营利性组织，edu教育机构，gov政府部门 • 行政区域域名： 例：bj北京，sh上海，js江苏

  43. 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

  44. 选讲：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 • 为实现域名的查找，需要在本地网域名服务器与上级网的域名服务器之间建立链接

  45. 4.3.4 因特网的接入

  46. 宽带 主干网 国家网主干 POP POP 用户 用户 接入网 接入网 用户 用户 用户 用户 用户 城域网在因特网接入中起重要作用 • 什么是城域网？ • 以高速光纤传输网为平台，与国家主干网连接，提供宽带IP出口 • 采用多种宽带和窄带接入技术，构成不同的接入网，实现因特网接入服务，满足人们访问因特网的需求 • 汇聚点(POP)汇接接入网的流量，进行数据的转发与交换 • 接入网的作用： • 使用各种不同接入技术，解决“最后一公里”问题： ● 电话拨号接入 ● ADSL接入 ● 有线电视接入 ● 光纤接入 ● 无线接入

  47. 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) 接入技术1：电话拨号接入 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 把从电话线接收到载波信号恢复成数字信号送给计算机

  48. 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 计算机网 (ISP) 滤 波 器 上行通道 下行通道 分离器 (滤波器) 以太网卡 电话机 电话交换机 电话机 （住户） （电话局） PC机 ADSL MODEM ADSL MODEM (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 接入技术2：ADSL • 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 • 原理：频分多路复用 + 数字调制 • 传输速率： • 上传: 64kbps～256kbps • 下行速度: 1～8Mbps

  49. 分频器 有线电视网络 （HFC） 接入技术3：有线电视网接入 • 有线电视已经广泛采用光纤同轴电缆混合网（Hybrid Fiber Coaxial，简称HFC）进行信息传输。HFC主干线部分采用光纤连接到小区，然后在 “最后1公里”时使用同轴电缆以树枝型总线方式接入用户居所。 • HFC网络接入因特网时大部分采用传统的高速局域网技术，但最重要的组成部分也就是同轴电缆到用户电脑这一段使用的是电缆调制解调器（Cable MODEM）技术 • Cable MODEM的基本原理与ADSL相似

  50. 小区 核心交换机 城域网 骨干交换机 光网络单元 光纤 城域网 光纤 双绞线 ONU 双绞线 楼道 交换机 接入技术4：光纤接入 • 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，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 • “光纤到楼、以太网入户”（FTTx+ETTH）的原理：

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