第 5 章网络通信协议

第5章网络通信协议

本章任务 • 低层协议 • 中、高层协议

5.1 低层协议 • 低层是指物理层和数据链路层 • 数据链路层又被划分成两个子层：介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路（LLC）子层。 • 介质访问控制子层是数据链路层的一个功能子层，它构成了数据链路层的下半部，直接与物理层相邻。它的主要功能是进行合理的信道分配，解决信道竞争问题。

逻辑链路子层也是数据链路层的一个功能子层。逻辑链路子层也是数据链路层的一个功能子层。 • LLC在MAC子层的支持下向网络层提供服务。 • 它的功能包括: 数据帧的组装与拆卸、帧的收发、差错控制、数据流控制和发送顺序控制等功能并为网络层提供两种类型的服务，面向连接服务和无连接服务。

5.1.1 以太网协议 • 以太网（Ethernet）最初是由美国Xerox公司和Stanford大学联合开发于1975年推出的。 • 后来，由Xerox 、Intel和DEC公司合作于1980年9月第一次公布了Ethernet的的详细技术规范，成为世界上第一个局域网工业标准。

Ethernet采用的是争用型介质访问控制协议，即CSMA/CD。Ethernet采用的是争用型介质访问控制协议，即CSMA/CD。 • CSMA/CD，即载波监听多路访问/冲突检测，它是一种争用型的介质访问控制协议。 • IEEE802.3定义了两种类型的以太网，即基带类以太网和宽带类以太网。 • 例如： 10BASE系列以太网就是基带以太网。“10”代代表信号传输这率为10Mb/s，“BASE”代表是基带信号，主要有 10BASE-5，10BASE-2，10BASE－T和 10BASE-F。

1．10Mb/s以太网 • （1）10BASE-5 • 10BASE-5所采用的传输介质是50基带粗同轴电缆，所以10BASE-5又称为粗缆以太网。 • “5”表示每一段电缆的最大长度为500m，当网段需要超过500m时，可采用中继器来延长网段。 • （2）10BASE-2 • 10BASE-2又称为细缆以太网，是作为10BASES-5的一种替代方案而制订的。 • （3）10BASE-T • “T”代表双绞线星型网。10BASE-T与其他以太网标准有根大的不同。它采用以集线器为中心的星型拓扑结构，使用标准的RJ45插头与三类或五类非屏蔽双绞线连接网卡和集线器。

（4）10BASE-FP 、10BASE-FL与10BASE-FB • 10BASE-FP、10BASE-FL与10BASE-FB是IEEE8023物理层标准中的三种光纤介质标准，传输速率也为10Mb／s。 • 10BASE-FP标准定义了无源集线器连接光纤的以太网，其基本结构与10BASE-T类似，采用星型拓扑结构，网卡与无源集线器之间用光纤连接起来，最大距离为500m． • 10BASE-FB标准将网卡与有源集线器之间用光纤连接起来，最大距离可达2000m。 • 10BASE-FL标准将以太网中继器的数目由最多4个扩大到6个，以便增加以太网的主干网长度。

2．100 Mb／s 快速以太网 • 快速以太网是从10BASE-T发展而来的 • 保留着传统的10BASE系列Ethernet的所有特征，即相同的帧格式、相同的介质访问控制方法CSMA/CD、根同的组网方法，而把每个比特发送时间由100ns降至10ns。

100BASE－T定义了三种物理层标准： • 100BASE－T4 • 100BASE－TX • 100BASE－FX,分别支持不同的传输介质。

（1）100BASE一T4 • 100BASE－T4是4对无屏蔽双绞线（UTP）电缆系统， • 支持3类、4类和5类UTP电缆 • UTP电缆连接器采用RJ45连接器、100BASE－T4定义了一种新的信号编码和收发技术，它采用8B6T编码技术，该技术提高了以太网的速度。

（2）100BASE－TX • 100BASE－TX是2对UTP电缆系统， • 支持5类UTP和4类屏蔽双绞线（STP）电缆其中5类UTP电缆采用RJ45连接器，而4类STP电缆采用9芯D型（DB－9）连接器。

（3）100BASE－FX • 100BASE－FX是多模光纤系统，使用2芯62 .5／125μm光纤。 • 适用超长距离或易受电磁波干扰的环境。 • 100BASE－T网络采用以集线器为中心的星形拓扑结构，并规定了计算机节点与集线器之间的最大电缆长度：100BASE－T4和100BASE－TX均为100m 100BASE－FX为400 m。并且100BASE－ T4、 100BASE－ TX和 100BASE－ FX可以通过一个集线器实现混合连接，集成到同一网络中。

3．千兆以太网 • 千兆以太网是由千兆位以太网联盟开发的 1Gb／s （1000 Mb／s）以太网技术，千兆以太网标准中MAC子层仍采用CSMA／CD协议．但对MAC层规范进行了重定义，以维持适当的网络传输距离。 • 千兆以太网标准分成两个部分：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。

（1）IEEE 802.3z • 它定义的传输介质为光纤和宽带同轴电缆。 • (2) IEEE 802.3ab • 它定义的传输介质为 5类 UTP电缆，传输距离为100m。 • 千兆以太网采用以交换机为中心的星形拓扑结构，主要用于交换机与交换机之间或者交换机与企业超级服务器之间的高速网络连接。

5.1.2 令牌网协议 • 令牌网协议涉及到两个标准：IEEE802.4和IEEE802.5， • IEEE802.4适用于令牌总线网 • IEEE802.5适用于令牌环网。

5.1.3 其它协议 • 1．光纤分布式数据接口（FDDI） • 光纤分布式数据接口 FDDI（Fiber Distributed Data Interface）是一种采用令牌传递访问控制协议、环形拓扑结构和光纤介质的 100 Mb/s高速局域网。 • 因此， FDDI可以看作是一种高速令牌环网。

2．异步传输模式（ATM） • 异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）就是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组技术，它采用定长分组（信元）作为传输和交换的单位。 • ATM以信元为传输基本单位。 • 信元有信头和信息段组成。 • ATM通过信头来识别通路。

ATM的主要优点有： • （1）选择固定长度的信元作为信息传输的单位，有利于带宽高速交换。 • （2）能支持不同速率的各种业务。 • （3）所有信息在最低层是以面向连接的方式传送，保持了电路交换在实时性和服务质量方面的优点。 • （4）ATM使用光纤信道传输，明显提高信元在网络中的传送速率。

5.2 中、高层协议 • 5.2.1 NetBEUI协议 • NetBEUI协议它的全称是：NetBIOS Extend User Interface，即NetBIOS用户扩展接口。 • 由于NetBIOS和NetBEUI都不能提供OSI的所有层的服务，当与OSI模型比较时，常与其他协议群，如IPX/SPX或TCP/IP配对使用。

图5-3 NetBIOS和NetBEUI与OSI模型的比较 NetBIOS不包括网络层，因而不能进行路由选择。

5.2.2 IPX/SPX协议 • IPX/SPX最初是由X e r o x开发的一种协议，在20世纪80年代由Novell进行修改并应用于它的NetWare网络操作系统。 • IPX/SPX协议群包含了许多属于OSI模型不同层的子协议，图5-4给出了IPX/SPX子协议与OSI模型的大致对应关系。

图5-3 IPX/SPX与OSI模型比较

（1） IPX • IPX（Internet Packet Exchange Protocol）,即互联网分组交换协议，它作用于OSI模型的网络层，提供路由和网际服务。 • （2） SPX • SPX（序列包交换）协议属于OSI模型的传输层，它与I P X协议共同作用以确保数据被完整的、无错的接受。

（3） SAP • SAP（服务广告协议）作用于OSI模型的应用层、表示层、会话层，直接运行于IPX协议之上。 • 例如，一个用作打印服务器的服务器可以使用SAP协议有效地通知网络中的每个节点，“我可以帮助你打印。” • （4） NCP • NCP（NetWare核心协议）处理客户机与服务器之间的服务请求，如打印和文件访问。 • I P X地址包括两个部分：网络地址（也被称为外部网络号）以及节点地址。

5.2.3 TCP/IP协议 • TCP/IP协议产生于20世纪70年代后期，当时美国的ARPA（高级研究计划局）为实现异种网之间的互连和互通，大力资助互连网技术的研究和开发，从而导致了TCP/IP的出现和发展。

TCP/IP模型分成了四个层次的结构： • 主机－网络层、互联层、传输层、应用层。 • 主机-网络层：大致对应于OSI模型的数据链路层和物理层。该层处理数据的格式化以及将数据传输到网络电缆。 • 互连层：对应于OSI模型的网络层，包括IP（网际协议）、ICMP（网际控制报文协议）、IGMP（网际组报文协议）以及ARP（地址解析协议）。这些协议处理信息的路由以及主机地址解析。

传输层：大致对应于OSI模型的会话层和传输层，包括TCP（传输控制协议）以及UDP（用户数据报协议），这些协议负责提供流控制、错误校验和排序服务。所有的服务请求都使用这些协议。传输层：大致对应于OSI模型的会话层和传输层，包括TCP（传输控制协议）以及UDP（用户数据报协议），这些协议负责提供流控制、错误校验和排序服务。所有的服务请求都使用这些协议。 • 应用层：大致对应于OSI模型的应用层和表示层，包括FTP（文件传输协议）、HTTP（超文本传输协议），SMTP（简单邮件传输协议）、DNS（域名系统）、TELNET（远程登录）以及DHCP（动态主机配置协议）、TFTP（普通文件传输协议）等，应用程序通过该层利用网络。

（1）TCP协议 • TCP的主要功能是在一对高层协议之间提供面向连接的传输服务，连接管理可以分为三个阶段：建立连接、数据传输和终止连接。

在TCP协议中，建立连接要通过“三次握手”机制来完成。在TCP协议中，建立连接要通过“三次握手”机制来完成。 • 下面是最常见的三次握手过程： • ①TCP实体A向TCP实体B发送1个同步TCP段，请求建立连接。 • ②TCP实体B将确认TCP实体A的请求，并同时向TCP实体A发出同步请求。 • ③TCP实体A将确认TCP实体B的请求，即向TCP实体B发送确认TCP段。 • ④TCP实体A在已建立的连接上开始传输TCP数据段。

（2）UDP协议 • UDP提供一种面向进程的无连接传输服务，这种服务不确认报文是否到达，不对报文排序，也不进行流量控制，因此UDP报文可能会出现丢失、重复和失序等现象。

2．ARP、RARP、ICMP协议 • （1）ARP协议 • ARP（Address Resolution Protocol）是IP地址到物理地址映像服务的协议 • 当一个主机向另一个主机发送报文时，只有知道与对方IP地址相对应的物理地址后才能在物理网络上进行传输。 • 这种地址解析服务是由ARP协议提供的。

（2）ARAP协议 • 提供从物理地址到IP地址映射服务的协议 • 如果一个主机初始化后只有自己的物理地址而没有IP地址，则可以通过RARP协议发送广播式请求报文来请求自己的IP地址，而RARP服务器负责对该请求作出应答。

（3）ICMP协议 • 网际控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol） • 在传送过程中，如果发生差错或意外情况，如数据报目的地址不可达、数据报在网络中的滞留时问超过其生存期，中转节点或目的节点主机因缓冲区不足而无法处理数据报等，总要通过一种通信机制，向源节点报告差错情况，以便源节点对差错进行相应的处理。

3．IP协议 • IP（Internet Protocol）是TCP/IP协议集的核心协议之一。 • IP的基本任务是通过互连网传输数据报，各个IP数据报是独立传输的。 • （1）IP地址的格式 • IP地址有两种常用的表示方法：二进制记法和点分十进制记法。

在二进制记法中，IP地址用32位二进制数表示。为了使这个地址有更好的可读性，通常在每个字节（8位）之间加一个空格。在二进制记法中，IP地址用32位二进制数表示。为了使这个地址有更好的可读性，通常在每个字节（8位）之间加一个空格。 • 例如：01110101 10010101 00011101 11101010 • 为了便于记忆，通常采用4个十进制数来表示一个IP地址，十进制数之间采用句点“.”进行分隔。这种IP他址的表示方法称为点分十进制法。 • 例如：125.11.4.32。应当注意，因为每个字节仅有8位，所以在点分十进制记法中的每个数字一定在0到255之间。

（2）IP地址的分类 • 为了保证IP地址可以覆盖网上的所有结点，IP地址的地址空间应当足够的大，目前的IP地（IPv4：IP第4版本）由32个二进制位表示，每8个二进制位为一个位组（宇节），则整个IP地址空间占4个字节，分别表示主机所在的网络，以及主机在该网络中的标识即：IP地址= 网络地址(netid)＋主机地址(hostid) • 每个IP地址中的网络地址和主机地址的位数按不同的类别来划分，共分为五类。这五类IP地址以A,B,C，D，E来表示。如图5-4所示．

A类地址第一位为“0”，B类地址的前两位为“10”，C类地址的前三位为“110”，D类地址的前四位为“1110”，E类地址的前四位为“1111”其中，A类、B类和C类地址为基本的IP地址。A类地址第一位为“0”，B类地址的前两位为“10”，C类地址的前三位为“110”，D类地址的前四位为“1110”，E类地址的前四位为“1111”其中，A类、B类和C类地址为基本的IP地址。 • ①A类IP地址：网络地址长度有7位，允许有126个（2-2）不同的A类网络（0和127有特殊的用处）。 • 主机地址长度有24位，表示每个A类网络中可包含16777214（2-2）台主机。 • A类IP地址结构适用于有大量主机的大型网络。

②B类IP地址：网络地址长度为 14位，允许有 16384（2 14）个不同的B类网络． • 主机地址为16位，因此每个B类网络可以包含65534（22）台主机。 • B类IP地址适用干一些国际性大公司与政府机构等．

③C类IP地址：网络地址为21位，则允许有2097152（2 21）个不同的C类小型网络． • 主机地址长度为8位，因此每个C类网络可包括256台主机。 • C类IP地址特别适用于一些小公司与普通的研究机构．

④ D类IP地址用于多播。 • ⑤E类IP地址是保留地址。 • 它用于某些实验和将来扩展使用．如果使用点分十进制记法表示的地址，根据第一个字节就可以确定地址的类，如图5-5。

如果第一个字节的数是0～127，那么就是A类。如果第一个字节是128～191，那就是B类。以此类推。

（3）子网掩码 • 子网掩码是利用一个码字来屏蔽原有的网络地址划分，而获得一个范围较小的、实际的网络地址（称为子网地址）。 • 子网掩码是一个32位的二进制，可以采用点分十进制法进行表示。 • A类网络的默认的网络掩码是255.0.0.0； • B类网络的默认的网络掩码是255.255.0.0； • C类网络的默认的网络掩码是255.255.255.0。

网络掩码是用来找出一个给定的IP地址所在的网络地址；子网掩码则用来产生子网地址。 • 我们把二进制记法的地址和子网掩码进行与（AND）运算，就可以找到子网地址。 • 例：若目的地址是200.45.34.56而子网掩码是255.255.240.0，试求子网地址。

解：我们对目的地址和子网掩码进行与（AND）运算。解：我们对目的地址和子网掩码进行与（AND）运算。 • 地址 11001000 00101101 00100010 00111000 • 子网掩码 111111111 11111111 11110000 00000000 • 子网地址 11001000 00101101 00100010 00000000 • 子网地址是 200.45.32.0

（5）IP地址子网的划分 • 子网划分需要三个步骤： • ①决定子网数 • 进行子网划分的第一步是确定需要的子网数。通常根据场所的物理位置、部门数、每个子网所需的主机等来确定子网数。为了便于掩码的运算，子网的数目应为2的若干次方（0，2，4，8，16，32等等）。

②找出子网掩码 • 第二步就是要找出子网掩码。规则如下： • 找出默认掩码中的1的个数； • 找出定义子网的1的个数； • 把前两步中1的个数相加； • 找出0的个数，它等于32减去前一步得出1的个数。 • ③找出每个子网的地址范围 • 确定了子网掩码后，就可以找出每个子网的地址范围。

（6）下一代IP地址IPV6 • Internet工程任务组（IETF）的下一代IP工作组定义这个新版的IP协议为IPv6。 • IPv6是IPv4的改良而不是革新，它保留了IPv4中许多成功的特点，舍弃了IPV4中的一些不适合应用的部分，对协议细节作了许多修改。IPv6与IPv4相比， • 具有以下优点：地址空间扩大，Ipv6将原来的32位地址空间增大到128位；简化了数据格式；改善了对各种扩展和选项的支持；支持资源分配；支持协议扩展；支持更多的安全性。

4．应用层各协议 • （1）FTP • 文件传输协议（FTP）负责把文件通过网络从一个主机把文件复制到另一个主机。 • （2）HTTP • 超文本传协议HTTP（Hyper Text Transport Protocol）是在Internet上传输超文本或超媒体信息的协议。 • HTTP采用客户机/服务器的工作模式。 • （3）SMTP • SMTP称为简单Mail传输协议（Simple Mail Transfer Protocol）,目标是向用户提供高效、可靠的邮件传输。

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