网络体系结构与协议

bianlei

计算机网络浅析之四—— 网络体系结构与协议
　一、OSI/RM模型
　　OSI／RM是ISO在网络通信方面所定义的开放系统互连模型，1978 ISO（国际化标准组织） 定义了这样一个开放协议标准。。有了这个开放的模型，各网络设备厂商就可以遵照共同的标准来开发网络产品，最终实现彼此兼容。
　　整个OSI／RM模型共分7层，从下往上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图1所示。
　　当接受数据时，数据是自下而上传输；当发送数据时，数据是自上而下传输。下面简要介绍这几个层次。
　　（1）物理层
　　这是整个OSI参考模型的最低层，它的任务就是提供网络的物理连接。所以，物理层是建立在物理介质上（而不是逻辑上的协议和会话），它提供的是机械和电气接口。主要包括电缆、物理端口和附属设备，如双绞线、同轴电缆、接线设备（如网卡等）、RJ－45接口、串口和并口等在网络中都是工作在这个层次的。
　　物理层提供的服务包括：物理连接、物理服务数据单元顺序化（接收物理实体收到的比特顺序，与发送物理实体所发送的比特顺序相同）和数据电路标识。
　
　　（2）数据链路层
　　数据链路层是建立在物理传输能力的基础上，以帧为单位传输数据，它的主要任务就是进行数据封装和数据链接的建立。封装的数据信息中，地址段含有发送节点和接收节点的地址，控制段用来表示数格连接帧的类型，数据段包含实际要传输的数据，差错控制段用来检测传输中帧出现的错误。
　
　　数据链路层可使用的协议有SLIP、PPP、X25和帧中继等。常见的集线器和低档的交换机网络设备都是工作在这个层次上，Modem之类的拨号设备也是。工作在这个层次上的交换机俗称“第二层交换机”。
　　具体讲，数据链路层的功能包括：数据链路连接的建立与释放、构成数据链路数据单元、数据链路连接的分裂、定界与同步、顺序和流量控制和差错的检测和恢复等方面。
　　（3）网络层
　　网络层属于OSI中的较高层次了，从它的名字可以看出，它解决的是网络与网络之间，即网际的通信问题，而不是同一网段内部的事。网络层的主要功能即是提供路由，即选择到达目标主机的最佳路径，并沿该路径传送数据包。除此之外，网络层还要能够消除网络拥挤，具有流量控制和拥挤控制的能力。网络边界中的路由器就工作在这个层次上，现在较高档的交换机也可直接工作在这个层次上，因此它们也提供了路由功能，俗称“第三层交换机”。　
　　网络层的功能包括：建立和拆除网络连接、路径选择和中继、网络连接多路复用、分段和组块、服务选择和传输和流量控制。
　　（4）传输层
　　传输层解决的是数据在网络之间的传输质量问题，它属于较高层次。传输层用于提高网络层服务质量，提供可*的端到端的数据传输，如常说的QoS就是这一层的主要服务。这一层主要涉及的是网络传输协议，它提供的是一套网络数据传输标准，如TCP协议。
　　传输层的功能包括：映像传输地址到网络地址、多路复用与分割、传输连接的建立与释放、分段与重新组装、组块与分块。
　　根据传输层所提供服务的主要性质，传输层服务可分为以下三大类：
　　A类：网络连接具有可接受的差错率和可接受的故障通知率，A类服务是可*的网络服务，一般指虚电路服务。
　　C类：网络连接具有不可接受的差错率，C类的服务质量最差，提供数据报服务或无线电分组交换网均属此类。
　　B类：网络连接具有可接受的差错率和不可接受的故障通知率，B类服务介于A类与C类之间，在广域网和互联网多是提供B类服务。
　（5）会话层　
　　会话层利用传输层来提供会话服务，会话可能是一个用户通过网络登录到一个主机，或一个正在建立的用于传输文件的会话。
　　会话层的功能主要有：会话连接到传输连接的映射、数据传送、会话连接的恢复和释放、会话管理、令牌管理和活动管理。
　　（6）表示层　
　　表示层用于数据管理的表示方式，如用于文本文件的ASCII和EBCDIC，用于表示数字的1S或2S补码表示形式。如果通信双方用不同的数据表示方法，他们就不能互相理解。表示层就是用于屏蔽这种不同之处。
　　表示层的功能主要有：数据语法转换、语法表示、表示连接管理、数据加密和数据压缩。
　　（7）应用层　
　　这是OSI参考模型的最高层，它解决的也是最高层次，即程序应用过程中的问题，它直接面对用户的具体应用。应用层包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能，如电子邮件和文件传输等，在这一层中TCP／IP协议中的FTP、SMTP、POP等协议得到了充分应用。
　　以上简单地介绍了OSI参考模型的七个层次，并对各个层次的主要应用及功能作了简单的介绍，这样我们在后面的学习中就可联系到OSI的对应层次进行学习，以实践加强理论学习。
　　二、网络协议
　　目前网络协议有许多种，但是最基本的协议是TCP／IP协议，许多协议都是它的子协议。下面我们就对TCP／IP协议作一下简单介绍。
　　1. TCP／IP协议基础
　　TCP／IP协议包括两个子协议：一个是TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议），另一个是IP协议（Internet Protocol，互联网协议），它起源于20世纪60年代末。
　　在TCP／IP协议中，TCP协议和IP协议各有分工。TCP协议是IP协议的高层协议，TCP在IP之上提供了一个可*的，连接方式的协议。TCP协议能保证数据包的传输以及正确的传输顺序，并且它可以确认包头和包内数据的准确性。如果在传输期间出现丢包或错包的情况，TCP负责重新传输出错的包，这样的可*性使得TCP／IP协议在会话式传输中得到充分应用。IP协议为TCP／IP协议集中的其它所有协议提供“包传输”功能，IP协议为计算机上的数据提供一个最有效的无连接传输系统，也就是说IP包不能保证到达目的地，接收方也不能保证按顺序收到IP包，它仅能确认IP包头的完整性。最终确认包是否到达目的地，还要依*TCP协议，因为TCP协议是有连接服务。
　　【说明】在计算机服务中如果按连接方式来分的话，可分为“有连接服务”和“无连接服务”两种。“有连接服务”必须先建立连接才能提供相应服务，而“无连接服务”则不需先建立连接。TCP协议是一种典型的有连接协议，而UDP协议则是典型的无连接服务。
　　（1）TCP／IP协议所包括的协议和工具
　　TCP／IP协议是一组网络协议的集合，它主要包括以下几方面的协议和工具。
　　·TCP／IP协议核心协议
　　这些核心协议除了自身外，还包括用户数据报协议（UDP协议）、地址代理协议（ARP协议）以及网间控制协议（ICMP协议）。这组协议提供了一系列计算机互连和网络互连的标准协议。
　　·应用接口协议
　　这类协议主要包括Windows套接字（Socket，用于开发网络应用程序）、远程调用、NetBIOS协议（用于建立逻辑名和网络上的会话）和网络动态数据交换（Network，用于通过网络共享嵌入在文本中的信息）。
　　·基本的TCP／IP协议互连应用协议
　　主要包括finger、ftp、rep、rsh、telnet、tftp等协议。这些工具协议使得Windows系统用户使用非Microsoft系统计算机上（如UNIX系统计算机）的资源成为可能。
　　·TCP／IP协议诊断工具
　　这些工具包括arp、hostname、ipconfig、nbstat、netstat、ping和route，它们可用来检测并恢复TCP／IP协议网络故障。
·有关服务和管理工具
　　这些服务和管理工具包括FTP服务器服务（用于在两个远程计算机之间传输文件，这是远程控制通信中的关键功能）、网际命名服务WINS（用于在一个网际上动态记录和询问计算机的名字）、动态计算机配置协议DHCP（用于在Windows NT计算机上自动配置TCP／IP协议）以及TCP／IP协议打印（主要用于远程打印和网络打印）。
　　·简单网络管理协议代理（SNMP）
　　这个工具允许通过使用管理工具（如“Sun Net Manages” 或“HP Open View”），从远程管理Windows NT计算机。
　　（2）TCP／IP的主要协议简述
　　为了使读者能全面了解一些基本的网络通信协议和服务，本节就对TCP／IP协议所包括的几种主要协议进行简要说明。
　　·远程登录协议（Telnet）　
　　Telnet协议是用来登录到远程计算机上，并进行信息访问，通过它可以访问所有的数据库、联机游戏、对话服务以及电子公告牌，如同与被访问的计算机在同一房间中工作一样，但只能进行些字符类操作和会话。　
　　·文件传输协议（Ftp）　
　　这是文件传输的基本协议，有了FTP协议就可以把的文件进行上传，也可从网上得到许多应用程序和信息（下载），有许多软件站点就是通过FTP协议来为用户提供下载任务的，俗称“FTP服务器”。最初的FTP程序是工作在UNIX系统下的，而目前的许多FTP程序是工作在Windows系统下的。FTP程序除了完成文件的传送之外，还允许用户建立与远程计算机的连接，登录到远程计算机上，并可在远程计算机上的目录间移动。
　　·电子邮件服务（Email）　
　　电子邮件服务是目前最常见、应用最广泛的一种到联网服务。通过电子邮件，可以与Internet上的任何人交换信息。电子邮件的快速、高效、方便以及价廉，越来越得到了广泛的应用，目前只要是上过网的网民就肯定用过电子邮件这种服务。目前，全球平均每天约有几千万份电子邮件在网上传输。
　
　　·WWW服务　
　　WWW服务（3W服务）也是目前应用最广的一种基本互联网应用，我们每天上网都要用到这种服务。通过WWW服务，只要用鼠标进行本地操作，就可以到达世界上的任何地方。由于WWW服务使用的是超文本链接（HTML），所以可以很方便的从一个信息页转换到另一个信息页。它不仅能查看文字，还可以欣赏图片、音乐、动画。最流行的WWW服务的程序就是微软的IE浏览器。　
　　·简单邮件传输协议（SMTP）　
　　SMTP是TCP／IP协议族的一个成员，这种协议认为你的计算机是永久连接在Internet上的，而且认为你在网络上的计算机在任何时候是可以被访问的。它适用于永久连接在Internet的计算机，但无法使用通过SLIP／PPP协议连接的用户接收电子邮件。解决这个问题的办法是在邮件计算机上同时运行SMTP和POP协议的程序，SMTP负责邮件的发送和在邮件计算机上的分拣和存储，POP协议负责将邮件通过SLIP／PPP协议连接传送到用户计算机上。　
　　·信息服务（Gopher）　
　　Gopher最早出现在1991年，它是第一个操作简便、使用广泛的从Internet服务器上获取信息的客户应用程序。除了操作简便外，它的另一个特点是速度快。Gopher运行时，将显示一个交互式的供用户选择的菜单，菜单中的选项由简单的短句组成，每个短句通常指向另一个菜单，并最终指向有用的文件。Gopher是帮助用户在Internet信息海洋中搜索有用信息的导航器。用户只要关心浏览的内容，而不必关心具体的服务器。　
　　·文件检索服务（Archie）　
　　它是一个从整个Internet上匿名FTP服务器获取文件的服务。其完全依赖于匿名FTP系统的管理员，他们将站点在全世界的Archie服务器进行了注册，Archie仅通过文件名进行检索。
　　2. IP协议
　　目前正在使用的IP协议是第4版的，称之为“IPv4”，新版本的IP协议正在完善过程中，它就是经常可以在各大IT媒体中见到的IPv6。IPv6所要解决的主要是IPv4协议中IP地址远远不够的现象。IPv4所采用的是32位，而IPv6则是128位，是原来的4倍。IPv6所提供的IP地址数已可算是天文数字了，据专家们分析，这个数字的IP地址可以使全球的每一个人都可拥有10以上的IP地址，这么多的IP地址相信再也不会出现IPv4那样除了美国外，各国都出现IP地址短缺现象，为将来实现移动上网打下了坚实的基础。但这属于较新技术，在此就不作详细介绍，本文仍以目前主流的IPv4协议为基础进行介绍。
　　IP协议的功能是把数据报在互联的网络上传送，通过将数据报在一个个IP协议模块间传送，直到目的模块。网络中每个计算机和网关上都有IP协议模块。数据报在一个个模块间通过路由处理网络地址传送到目的地址，因此搜寻网络地址对于IP协议十分重要的功能。另外，因为各个网络上的数据报大小可能不同，所以数据报的分段也是IP协议的不可或缺的功能，不然对于一些网络带宽较窄的网络，大的数据报就无法正确传输了。下面主要介绍我们初级学者所关心的现行方面问题。
　　（1）IP地址
　　在计算机寻址中经常会遇到“名字”、“地址”和“路由”这三个术语，它们之间是有较大区别的。名字是要找的，就像的人名一样；而地址是用来指出这个名字在什么地方，就像人的住址一样；路由是解决如何到达目的地址的问题，就像已经知道了某个人住在什么地方，现在要考虑走什么路线、采用什么交通工具到达目的地方最为简便。
　　这里所介绍的IP协议主要是解决地址的问题。名字和地址进行解析的工作是由其上层协议－－TCP协议完成。IP协议模块将地址和本地网络地址加以映射（就像写信一样，IP协议只负责把收、发信人的地址写上，把信投进邮箱就可不管了），而将本地网络地址和路由进行映射则是低层协议（如路由协议）的任务，所以说IP协议是一个无连接的服务。
　　IP协议要寻找的“地址”是32位长（4个分段的16进制组成），由网络号（网络ID）和主机号（主机ID）两部分构成，如图2所示。
　　按照IP协议规定因特网上的地址共有A、B、C、D、E五类。
　　·A类IP地址：用前面8位来标识网络号，其中规定最前面一位为“0”，24位标识主机地址，即A类地址的第一段取值（也即网络号）可以是“00000001￣01111111”之间任一数字，转换为十进制后即为1～128之间。主机号没有做硬性规定，所以它的IP地址范围为“1.0.0.0－128.255.255.255”。A类地址是为大型政府网络而提供，因为A地址中有10.0.0.0-10.255.255.254和127.0.0.0-127.255.255.254这两段地址有专门用途，所以全世界总共只有126个可能的A类网络。每个A类网络最多可以连接16777214台计算机，这类地址数是最少的，但这类网络所允许连接的计算机是最多的。
　　·B类IP地址：用前面16位来标识网络号，其中最前面两位规定为“10”，16位标识主机号，也就是说B类地址的第一段“10000000￣10111111”，转换成十进制后即为128～191之间，第一段和第二段合在一起表示网络地址，它的地址范围为“128.0.0.0－191.255.255.255”。B类地址适用于中等规模的网络，全世界大约有16000个B类网络，每个B类网络最多可以连接65534台计算机。这类IP地址通常为中等规模的网络提供。其中172.16.0.0－172.31.255.254地址段有专门用途。
　　·C类IP地址：用前面24位来标识网络号，其中最前面三位规定为“110”，8位标识主机号。这样C类地址的第一段取值为“11000000￣11011111”之间，转换成十进制后即为192～223。第一段、第二段、第三段合在一起表示网络号，最后一段标识网络上的主机号，它的地址范围为“192.0.0.0－223.255.255.255”。C类地址适用于校园网等小型网络，每个C类网络最多可以有254台计算机。这类地址是所有的地址类型中地址数最多的，但这类网络所允许连接的计算机是最少的。这类IP地址可分配给任何有需要的人。其中192.168.0.0－192.168.255.255为企业局域网专用地址段。
　　·D类地址：它用于多重广播组，一个多重广播组可能包括1台或更多主机，或根本没有。D类地址的最高位为1110，第一段八位体为“11100000￣11101111”，转换成十进制即为224￣239，剩余的位设计客户机参加的特定组，它的地址范围为“224.0.1.1－239.255.255.255”。在多重广播操作中没有网络或主机位，数据包将传送到网络中选定的主机子集中，只有注册了多重广播地址的主机才能接收到数据包。Microsoft支持D类地址，用于应用程序将多重广播数据发送到网络间的主机上，包括WINS和Microsoft NetShow。
　　·E类地址：这是一个通常不用的实验性地址，保留作为以后使用。E类地址的最高位为11110，第一段八位体为“11110000￣11110111”，转换成十进制即为240￣247。
　　IPv4协议中对首段位为248￣254 的地址段暂无规定。
　　以上各类IP地址结构如图3所示。
　　其实还有一类IP地址，就是以“127”开头的IP地址，这类IP地址也是属于保留使用的，这类地址属于环路测试类IP地址。这类IP地址不能作为计算机的IP地址用，也就不能在网络上使用这样的IP地址来标识计算机的位置，更不能通过在浏览器或者其他搜索位置输入这样的IP地址，来搜索想要查找的计算机，因为它只能在本地计算机上用于测试使用。
　　（2） 子网掩码和域名
　　以上介绍的是网络IP地址，但随着网络的发展，IPv4标准中的IP地址远不够用，为了解决这一矛盾，于是又在IP地址加上子网掩码来进一步识别。在TCP／IP协议中规定，A类网络的子网掩码格式为“255.0.0.0”形式，后面的“0”可以为“0￣254”之间任一数字。B类网络的子网掩码格式为“255.255.0.0”，C类网络的子网掩码为格式为“255.255.255.0”，同样其中的“0”可以是“0￣254”之间任一数字。如果没有子网，可以为“0”，也可以不配置，如果有子网则一定要配置。
　　前面介绍的IP地址都是以数字形式表示计算机的地址，这种IP地址人们记忆起来是非常困难的。对非计算机和网络的专业人士来说，记住这种地址是很不现实的。因此，Internet还采用域名地址来表示每台计算机。通过为每台计算机建立IP地址与域名地址之间的映射关系，用户可以在网上避开难以记忆的IP地址，而用域名地址来唯一标记网上的计算机。域名地址与IP地址的关系类似于一个人的姓名与身份证号码之间的关系。　
　　要把计算机连入Internet，必须获得网上唯一的IP地址与对应的域名地址。域名地址由域名系统（DNS）管理。每个连到Internet的网络中都有至少一个DNS服务器，其中存有该网络中所有计算机的域名和对应的IP地址，通过与其他网络的DNS服务器相连就可以找到其他站点。这也是在TCP／IP协议属性中要进行DNS配置的原因。　
　　域名地址也是分段表示的，每段分别授权给不同的机构管理，各段之间用圆点（.）分隔。与IP地址相反，各段自左至右级别是越来越高。
　
　　Internet对某些通用性的域名作了规定。例如，.com是工商界域名，.edu是教育界域名，.gov是政府部门域名等等。此外，国家和地区的域名常用两个字母表示。例如，fr表示法国，jp表示日本，us表示美国，uk表示英国，cn表示中国等等。如果在一个域名的末尾没有找到地理域，就可以假定该域名是出自美国的，其他国家的右边第一个域名是代表相应的国家。如一些国外单位在中国公司的网址，通常是在“.com”后加上“.cn”或者“/cn”，还有的是加上“/china”来表示中国站点，如Cisco公司的中国站点为www.cisco.com.cn；IBM的中国站点为www.ibm.com/cn。