《网络技术基础》课程讲义第四章网络互连与TCP/IP协议 第1页共33页 第四章网络互连与TCPP协议 【计划课时】16课时(要求预习教材第二章24~2.6节与第四章) 4.1网络互连( internetworking) 411网络互连概 上一章讨论的局域网是单个的同种协议网,即网络中每台机器对应层所用协议相同,通信 是在同一个网络内不同主机之间进行的。而所谓“网络互连”,就是采用各种网络互连设备将 同一类型的网络或不同类型的网络相互连接起来,形成所谓“ internet“(互连网络),使一个 网络上的主机能与另一网络上的主机相互通信。因特网( Internet)是世界上最大的 internet 此外,为了保证网络的传输性能、可靠性及安全性,一般要求一个网络所管理的范围不要 太大,这就要求把一个大的网络分解成若干个较小的子网,通过网络互连技术,形成所谓的 Intranet(内部互连网),以便隔离故障,提高安全保密性,方便网络管理。校园网是典型的 与局域网相比,通过互连网络进行通信的主机必须具有在不同网络间进行网间寻址(路由 选择)的能力。从通信子网的角度看,不同网络之间的主机可以采用不同的物理层和数据链路 层协议,但必须具有相同的网络层协议,采用统一的互连网络地址。从资源子网的角度看,由 于网络通信的复杂性和多变性,网络层协议主要用来实现网间寻址,通常不能保证可靠的数据 传输,所以各主机还必须具有相同的传输层协议,以保证通过网络互连进行通信的应用程序之 间具有稳定可靠的数据传输 目前网络互连技术中最常用协议是在因特网上得到广泛应用的TCP/IP协议族。对部门级 和负责系统集成的网络工程师而言,技术的重点则是各个单位 Intranet的组网及管理技术 41.2 Intranet技术特点 【复习】本课程中叙述的 Intranet可以包括以下网络类型: ①企业内部网( Intranet) ②园区网/校园网/小区网( Campus networks) ③城域网(MAN, Metropolitan Area Network) 其基本特点一 服务基于 Internet技术:通常提供WwW、E-mail、FTP、BBS、虚拟网(ⅥAN)等服 务或功能,良好安全性 组网基于LAN技术:主机/服务器为中心,核心交换机为主要通信设备,独立的网络 资源和管理系统,部分或全部使用专门敷设的线路 ·使用代理服务器并通过路由器实现 Internet接入(小系统可使用ISDN等其他接入方 本身可由若干个LAN组成 使用TCP/IP协议实现内部及与外部的网络互联 ·高的网络通信带宽(10M/100M/1000M…) 配置有各种网络数据库系统 413 Internet与 Intranet比较 莆田学院计算机教研室2002年4月
《网络技术基础》课程讲义 第四章 网络互连与 TCP/IP 协议 第 1 页 共 33页 莆田学院计算机教研室 2002 年 4 月 第四章 网络互连与 TCP/IP 协议 【计划课时】16 课时（要求预习教材第二章 2.4～2.6 节与第四章） 4.1 网络互连（internetworking） 4.1.1 网络互连概述 上一章讨论的局域网是单个的同种协议网，即网络中每台机器对应层所用协议相同，通信 是在同一个网络内不同主机之间进行的。而所谓“网络互连”，就是采用各种网络互连设备将 同一类型的网络或不同类型的网络相互连接起来，形成所谓“internet“（互连网络），使一个 网络上的主机能与另一网络上的主机相互通信。因特网(Internet)是世界上最大的 internet。 此外，为了保证网络的传输性能、可靠性及安全性，一般要求一个网络所管理的范围不要 太大，这就要求把一个大的网络分解成若干个较小的子网，通过网络互连技术，形成所谓的 Intranet（内部互连网），以便隔离故障，提高安全保密性，方便网络管理。校园网是典型的 Intranet。 与局域网相比，通过互连网络进行通信的主机必须具有在不同网络间进行网间寻址（路由 选择）的能力。从通信子网的角度看，不同网络之间的主机可以采用不同的物理层和数据链路 层协议，但必须具有相同的网络层协议，采用统一的互连网络地址。从资源子网的角度看，由 于网络通信的复杂性和多变性，网络层协议主要用来实现网间寻址，通常不能保证可靠的数据 传输，所以各主机还必须具有相同的传输层协议，以保证通过网络互连进行通信的应用程序之 间具有稳定可靠的数据传输。 目前网络互连技术中最常用协议是在因特网上得到广泛应用的 TCP/IP 协议族。对部门级 和负责系统集成的网络工程师而言，技术的重点则是各个单位 Intranet 的组网及管理技术。 4.1.2 Intranet 技术特点 【复习】本课程中叙述的 Intranet 可以包括以下网络类型： ① 企业内部网（Intranet） ② 园区网/校园网/小区网（Campus networks） ③ 城域网（MAN，Metropolitan Area Network） 其基本特点—— ·服务基于 Internet 技术：通常提供 WWW、E-mail、FTP、BBS、虚拟网（VLAN）等服 务或功能，良好安全性 ·组网基于 LAN 技术：主机/服务器为中心，核心交换机为主要通信设备，独立的网络 资源和管理系统，部分或全部使用专门敷设的线路 ·使用代理服务器并通过路由器实现 Internet 接入（小系统可使用 ISDN 等其他接入方 式） ·本身可由若干个 LAN 组成 ·使用 TCP/IP 协议实现内部及与外部的网络互联 ·高的网络通信带宽（10M/100M/1000M……） ·配置有各种网络数据库系统 4.1.3 Internet 与 Intranet 比较
《网络技术基础》课程讲义第四章网络互连与TCP/IP协议 第2页共33页 Internet与 Intranet相比,主要差别在于前者强调其开放性,因为其服务对象是所有 Internet 用户,整个网络在管理上不隶属于任何组织或个人,用户使用简单的设备(如 MODEM)就可 以自由接入:后者注重网络资源的安全性,因为其服务对象是某一单位或组织内部的所有或部 分人员,所以要有独立的网络软硬系统、严格的管理制度和专门的管理技术人员,并且为了达 到安全保密的目的,要采取加密、认证、防火墙等安全管理措施。此外, Intranet组网投资高, 需要进行认真规划和方案优化 注:与 Intranet相对的通常还有 Extranet(外部网),即连接到另一组织的内部网的内部网。 Extranet一般采用vPN(虚拟专用网络)技术。所谓VPN,简言之,即使用 Internet而不是使 用专线来动态地而非永久性地进行网络连接,降低了线路使用费用,同时通过独特的鉴别、加 密和遂道操作,使电子邮件、数据传输和远程通话安全性得到极大提高。 4.2TCP/P协议族(TCP/ P protocol suite)P4 传输控制协议/互连网络协议( Transmission Control protocol/Internet protocol,TCPP)是 由许多协议组成的一套网络通信标准协议,是TCP/P是 Internet的标准协议,所以实际上已成 为几乎所有现代网络计算机必备的的协议 4.2.1TCP/IP模型 TCPP本身为一种四层模型,与OSI参考模型的对应关系见P145图5.14 应用层 SMTPI FTP FTPSNMP.... TELNET 传输屡 TCP UDP 网除层 P ARP RARP 链路层 下层的LAN或WAN技术 物理层 TCP/IP模型与协议族 作为通信协议组,TCPP包括如下重要功能:比较一下以太网的相应功能: 编址(使用网间统一地址—IP地址)|编址(使用固化的物理地址MAC地址) 信息分割(网间传送带IP地址的 packet)信息分割(网内传送带MAC地址的fame) 流量控制(网间) 流量控制(帧类型和滑动窗口法,网内) 差错控制(网间) 差错控制(FCS,网内) 路由(网间寻址) 广播(网内寻址) 从实用的角度看,TCPP提供了 莆田学院计算机教研室2002年4月
《网络技术基础》课程讲义 第四章 网络互连与 TCP/IP 协议 第 2 页 共 33页 莆田学院计算机教研室 2002 年 4 月 Internet 与 Intranet 相比，主要差别在于前者强调其开放性，因为其服务对象是所有 Internet 用户，整个网络在管理上不隶属于任何组织或个人，用户使用简单的设备（如 MODEM）就可 以自由接入；后者注重网络资源的安全性，因为其服务对象是某一单位或组织内部的所有或部 分人员，所以要有独立的网络软硬系统、严格的管理制度和专门的管理技术人员，并且为了达 到安全保密的目的，要采取加密、认证、防火墙等安全管理措施。此外，Intranet 组网投资高， 需要进行认真规划和方案优化。 注：与 Intranet 相对的通常还有 Extranet（外部网），即连接到另一组织的内部网的内部网。 Extranet 一般采用 VPN（虚拟专用网络）技术。所谓 VPN，简言之，即使用 Internet 而不是使 用专线来动态地而非永久性地进行网络连接，降低了线路使用费用，同时通过独特的鉴别、加 密和遂道操作，使电子邮件、数据传输和远程通话安全性得到极大提高。 4.2 TCP/IP 协议族（TCP/IP protocol suite） P144 传输控制协议/互连网络协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）是 由许多协议组成的一套网络通信标准协议，是 TCP/IP 是 Internet 的标准协议，所以实际上已成 为几乎所有现代网络计算机必备的的协议。 4.2.1 TCP/IP 模型 TCP/IP 本身为一种四层模型，与 OSI 参考模型的对应关系见 P145 图 5.14。 TCP/IP 模型与协议族 作为通信协议组，TCP/IP 包括如下重要功能： ·编址（使用网间统一地址——IP 地址） ·信息分割（网间传送带 IP 地址的 packet） ·流量控制（网间） ·差错控制（网间） ·路由（网间寻址） 比较一下以太网的相应功能： ·编址（使用固化的物理地址——MAC 地址） ·信息分割（网内传送带 MAC 地址的 frame） ·流量控制（帧类型和滑动窗口法，网内） ·差错控制（FCS，网内） ·广播（网内寻址） 从实用的角度看，TCP/IP 提供了——
《网络技术基础》课程讲义第四章网络互连与TCP/IP协议 第3页共33页 ·网络应用程序:smtp、ftp、 telnet等(用户角度) 两种网络通信服务:无连接和面向连接(TCPP驱动程序,供程序员开发软件使用) 网络传送技术方法:寻址、路由选择、协议的具体实现(网络操作系统与硬件设计指南) 4.2.2无连接和面向连接的通信服务 a.面向连接( connection- oriented)的通信 发送数据包( packets)前,发送方的网络层协议应首先与接收方的网络层协议建立连接(握 手)。连接建立后,从同一个源地址到同一个源目标地址的数据包串即开始一个接一个地沿 同一条路径被逐个传送。连接建立后具有同样源地址和目标地址的数据包串的路由选择只 在建立连接时进行一次。路由器不必为每个数据包重复计算路由 b.无连接( connectionless)的通信 网络协议对每个数据包都单独处理,各数据包间不存在任何联系。一个报文中的各个数据 包可能通过不同的路径到达目标地址 这两种服务的区别类似于电话系统和普通邮政系统所提供服务的区别。面向连接的服务过 程:建立连接——数据传送——断开连接。这个过程类似于电话通话:拨号等待对方摘机建立 通路——相互交谈——挂机断开通话。而对于无连接服务来说,发送方发送的每一条信息或 报文( message)必须带有完整的目标地址,并且每一个报文都独立于其他报文经由系统选定 的路径传递到目的地。这个过程类似于普通邮政系统,每一封信上都必须写上完整的收信方地 址(打电话时只要一开始拔号电话接通,就不需要毎讲一句话都重复拨一次对方的电话号码), 并且每一封信都独立于其他信件经由邮政部门选定的路径传递到收信方。当使用无连接服务的 两个报文发向同一目标时,可能先发的报文在途中丢失或延误了,而后发的报文反而先收到 如同信件可能在途中遗失或先发的后收到一样。换言之,无连接的服务不能保证报文不丟失和 定按序到达,而这在面向连接的服务中是绝对不可能发生的 在OSI的传输层、网络层和TCPP的传输层中,都允许提供面向连接的服务或无连接的 服务。但在TCPP的网络层中只提供无连接的服务。之所以如此,是考虑它所互连的通信子 网是五花八门的,只要由源到目标途中任何一个通信子网是无连接的,互连在一起就是无连接 莆田学院计算机教研室2002年4月
《网络技术基础》课程讲义 第四章 网络互连与 TCP/IP 协议 第 3 页 共 33页 莆田学院计算机教研室 2002 年 4 月 ·网络应用程序：smtp、ftp、telnet 等 （用户角度） ·两种网络通信服务：无连接和面向连接 （TCP/IP 驱动程序，供程序员开发软件使用） ·网络传送技术方法：寻址、路由选择、协议的具体实现(网络操作系统与硬件设计指南) 4.2.2 无连接和面向连接的通信服务 a．面向连接(connection-oriented)的通信 发送数据包（packets）前，发送方的网络层协议应首先与接收方的网络层协议建立连接（握 手）。连接建立后，从同一个源地址到同一个源目标地址的数据包串即开始一个接一个地沿 同一条路径被逐个传送。连接建立后具有同样源地址和目标地址的数据包串的路由选择只 在建立连接时进行一次。路由器不必为每个数据包重复计算路由。 b．无连接(connectionless)的通信 网络协议对每个数据包都单独处理，各数据包间不存在任何联系。一个报文中的各个数据 包可能通过不同的路径到达目标地址。 这两种服务的区别类似于电话系统和普通邮政系统所提供服务的区别。面向连接的服务过 程：建立连接——数据传送——断开连接。这个过程类似于电话通话：拨号等待对方摘机建立 通路——相互交谈——挂机断开通话。而对于无连接服务来说，发送方发送的每一条信息或 报文（message ）必须带有完整的目标地址，并且每一个报文都独立于其他报文经由系统选定 的路径传递到目的地。这个过程类似于普通邮政系统，每一封信上都必须写上完整的收信方地 址（打电话时只要一开始拨号电话接通，就不需要每讲一句话都重复拨一次对方的电话号码）， 并且每一封信都独立于其他信件经由邮政部门选定的路径传递到收信方。当使用无连接服务的 两个报文发向同一目标时，可能先发的报文在途中丢失或延误了，而后发的报文反而先收到， 如同信件可能在途中遗失或先发的后收到一样。换言之，无连接的服务不能保证报文不丢失和 一定按序到达，而这在面向连接的服务中是绝对不可能发生的。 在 OSI 的传输层、网络层和 TCP/IP 的传输层中，都允许提供面向连接的服务或无连接的 服务。但在 TCP/IP 的网络层中只提供无连接的服务。之所以如此，是考虑它所互连的通信子 网是五花八门的，只要由源到目标途中任何一个通信子网是无连接的，互连在一起就是无连接 的
《网络技术基础》课程讲义第四章网络互连与TCP/P协议 第4页共33页 4.3网络接口层( Host to network)P145 TCPP模型中,网络接口层相当于OSI的物理层(物理信号/编码)+数据链路层(帧传送)。 该层在TCP/P模型中不作规定,使用不同协议的各种通信网和各种LAN中各种主机只要支持 并安装TCPP协议,即可与TCPP模型的上层(网络层)进行通信。 其功能:①将网际层送来的PP数据报封装为网络帧,然后通过传输媒介发送到网络上: ②接收并校验传输媒介送来的网络帧,然后还原为IP数据报送到网际层 该部分的功能实际上是由各通信网络本身提供的。 44网际层(P层,互连网层,网间网络层)p145 相当于OSI的网络层。该层运行的协议有: ·IP协议(用于数据传送) ARP、RARP、ICMP和lGMP协议(用于网络互连控制一一差错报告与连接状态查询) 路由协议(用于选择路由) 441IP协议(互连网络协议, Internet protocol) IP协议是网际层最重要的协议,负责在通信子网范围内实现跨越互连网络的主机间的相互通 信(数据报的分类和交付)。其主要功能可以归纳为三点 ①携带所谓“IP地址”的数据报的生成与接收 ②在互连网络的不同主机间实现无连接的传输服务 ③在互连网络之间实现数据报传送的路由选择 【数据报 datagram】 Packets in the IP layer are called dat agrams.(P层中的数据包称为 数据报”)。《简明英汉词典》:“自带寻址信息的独立地从数据源行走到终点的数据包。” The Internet Protocol (IP) is an unreliable and connectionless protocol for host-to-host ommunication.—IP协议是一种不可靠的无连接协议,用于“主机主机”间的通信。 它提供的是一种所谓“尽力传送”的服务。所谓“尽力”是指IP不提供差错校验或跟踪 服务。它只是“尽力”进行到目标地址的传送,但并不做任何保证。如果确实要求可靠传 输,IP必须和某个高可靠性的协议(如TCP)配套使用。日常生活中提供“尽力传送” 服务的实例是邮政局,它尽力传送邮件但并不保证全部成功。如果一封信由于这种“不可 靠”的传递丟失了,只有让发送者或接收者自己来发现这种丢失,并解决问题。邮政局并 不跟踪每封信的传递,也不通知发信人信件已经丟失或损毁了。 442IP数据报P152 莆田学院计算机教研室2002年4月
《网络技术基础》课程讲义 第四章 网络互连与 TCP/IP 协议 第 4 页 共 33页 莆田学院计算机教研室 2002 年 4 月 4.3 网络接口层（Host to network） P145 TCP/IP 模型中，网络接口层相当于 OSI 的物理层（物理信号/编码）+数据链路层（帧传送）。 该层在 TCP/IP 模型中不作规定，使用不同协议的各种通信网和各种 LAN 中各种主机只要支持 并安装 TCP/IP 协议，即可与 TCP/IP 模型的上层（网络层）进行通信。 其功能：①将网际层送来的 IP 数据报封装为网络帧，然后通过传输媒介发送到网络上； ②接收并校验传输媒介送来的网络帧，然后还原为 IP 数据报送到网际层 该部分的功能实际上是由各通信网络本身提供的。 4.4 网际层（IP 层，互连网层，网间网络层） P145 相当于 OSI 的网络层。该层运行的协议有： ·IP 协议（用于数据传送） ·ARP、RARP、ICMP 和 IGMP 协议（用于网络互连控制——差错报告与连接状态查询） ·路由协议（用于选择路由） 4.4.1 IP 协议（互连网络协议，Internet Protocol） IP 协议是网际层最重要的协议，负责在通信子网范围内实现跨越互连网络的主机间的相互通 信（数据报的分类和交付）。其主要功能可以归纳为三点： ①携带所谓“IP 地址”的数据报的生成与接收 ②在互连网络的不同主机间实现无连接的传输服务 ③在互连网络之间实现数据报传送的路由选择 【数据报,datagram】 Packets in the IP layer are called datagrams. (IP 层中的数据包称为 “数据报”)。《简明英汉词典》：“自带寻址信息的独立地从数据源行走到终点的数据包。” The Internet Protocol (IP) is an unreliable and connectionless protocol for host-to-host communication.——IP 协议是一种不可靠的无连接协议，用于“主机-主机”间的通信。 它提供的是一种所谓“尽力传送”的服务。所谓“尽力”是指 IP 不提供差错校验或跟踪 服务。它只是“尽力”进行到目标地址的传送，但并不做任何保证。如果确实要求可靠传 输，IP 必须和某个高可靠性的协议（如 TCP）配套使用。日常生活中提供“尽力传送” 服务的实例是邮政局，它尽力传送邮件但并不保证全部成功。如果一封信由于这种“不可 靠”的传递丢失了，只有让发送者或接收者自己来发现这种丢失，并解决问题。邮政局并 不跟踪每封信的传递，也不通知发信人信件已经丢失或损毁了。 4.4.2 IP 数据报 P152
《网络技术基础》课程讲义第四章网络互连与TCP/IP协议 第5页共33页 IP数据报由两部分组成:报头和数据。报头部分20(基本)~60(加上选项)字节,数 据报总长20~65536字节。 IP数据报的格式如下:P152图418 协议版本报头长度服务类型TS 总长度 标识 identifier 标志fag 片偏移 fragment offset 生存时间TIL 用户协议 protocol 报头检验和 header checksum 字报 源站点IP地址 source ip address 节头 目的站点IP地址 destination IP address 选项咖ios填充pag40 数据daa 协议版本(4位):目前流行版本号为4,即IPV4。它向主机上运行的IP软件表明该数据报为 IP√4格式。所有字段均应按IP协议第四版的规定翻译,如果机器正在运行其他版本 的IP,该数据报被丢弃。 报头长度(4位):该字段以四个字节为单位规定了报头部分的长(默认为5,即5×4=20字节) 服务类型(8位):规定优先级(0~7,7最高)、可靠度和延迟参量等。其中优先级Iv4不用 优先级 低延迟D高吞吐量T高可靠性R最小成本C未用 DIRC四位称“TOS”( Type of Service)位,置“1”时表示启用该服务,但四者中一 项较高其余三项必较差,四位都置“1”没有意义。各应用程序可以请求特定的服务 类型,常用应用程序默认的服务类型如下表所示: 协议 TOS 说明 位 ICMP 0000 普通 BOOTP 0000 普通 NNTP 0001 最小成本 IGP 0010 最大可靠性 SNMP 0010 最大可靠性 TELNET 1000 最小延迟 FTP(数据) 0100 最大吞吐量( throughput) 莆田学院计算机教研室2002年4月
《网络技术基础》课程讲义 第四章 网络互连与 TCP/IP 协议 第 5 页 共 33页 莆田学院计算机教研室 2002 年 4 月 IP 数据报由两部分组成：报头和数据。报头部分 20（基本）～60（加上选项）字节，数 据报总长 20～65536 字节。 IP 数据报的格式如下： P152 图 4.18 协议版本 报头长度 服务类型 TOS 总长度 total length 20 字 节 报 头 标识 identifier 标志 flag 片偏移 fragment offset 生存时间 TTL 用户协议 protocol 报头检验和 header checksum 源站点 IP 地址 source IP address 目的站点 IP 地址 destination IP address 选项 otions 填充 padding 40 数据 data 协议版本（4 位）：目前流行版本号为 4，即 IPv4。它向主机上运行的 IP 软件表明该数据报为 IPv4 格式。所有字段均应按 IP 协议第四版的规定翻译，如果机器正在运行其他版本 的 IP，该数据报被丢弃。 报头长度（4 位）：该字段以四个字节为单位规定了报头部分的长（默认为 5，即 5×4=20 字节）。 服务类型（8 位）：规定优先级（0～7，7 最高）、可靠度和延迟参量等。其中优先级 IPv4 不用。 优先级 低延迟 D 高吞吐量 T 高可靠性 R 最小成本 C 未用 0 1 2 3 4 5 6 7 DTRC 四位称“TOS”（Type of Service）位，置“1”时表示启用该服务，但四者中一 项较高其余三项必较差，四位都置“1”没有意义。各应用程序可以请求特定的服务 类型，常用应用程序默认的服务类型如下表所示： 协议 TOS 位 说明 ICMP 0000 普通 BOOTP 0000 普通 NNTP 0001 最小成本 IGP 0010 最大可靠性 SNMP 0010 最大可靠性 TELNET 1000 最小延迟 FTP（数据） 0100 最大吞吐量（throughput）