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第5章 初识网络-2 5.3 Internet基础 1. Internet的发展 简单介绍一下就好。 2. Internet的接入 (1) 通过ISP接入 用户向ISP申请账号，通过电话拨号、ISDN、ADSL或光线接入等方式连接到ISP，从而建立到Internet的连接。通过ISP接入需要使用数据通信线路进行点到点的连接，一般采用串行线IP协议(Serial Line Internet Protocol, SLIP)和点对点协议(Point-to-Point Protocol, PPP)。 (2) 通过LAN接入Internet 政府机构、科研院校或者公司，都拥有自己的局域网，局域网一般通过租用电信部门的专线（DDN、X.25、帧中继FR等）或者自己建设的高速数字通信线路连接到Internet，成为Internet上的一个子网。局域网中的计算机根据网络管理员提供的网络配置信息，可以用静态IP地址或动态IP地址的方式接入到Internet。 3. 网络通信与网络协议 所有通信方式都有三个要素：消息源（发送方）、消息目的地（接收方）、通道。通道是提供消息传送途径的介质。 在日常生活中，人与人之间的通信要正确完成，需要通信双方遵守一定的约定或规则，例如采用什么语言进行交流、消息的格式等。在计算机网络中，通信的双方也需要遵守一组相关的规则进行互动和协同工作，以成功完成网络通信，这组规则就称为网络协议簇。 (1) OSI/RM 1984年国际标准化组织ISO制定了开放系统互连参考模型(OSI/RM)国际标准，目的是实现开放系统环境中的互连性、互操作性与应用的可移植性。OSI/RM的体系结构如下图所示。 ·应用层是七层协议的最高层，是与用户应用程序的接口，负责处理用户数据及信息的处理，提供给用户所需的网络服务。 ·表示层对传输数据的格式进行定义，包括数据信息的语法和语义描述，即对数据进行编码、解码、类型转换、压缩、解压、加密、解密等操作。 ·会话层在两个节点之间建立端到端的连接，为端系统的应用程序进行会话的管理以及数据传输的同步。在数据流之间插入同步点，当传输出现故障，可以从最近的同步点开始重传数据，减少重传的数据量。 ·传输层提供可靠的端到端的数据传输，它能够提供透明的数据传输方式。即使底层各协议在传输过程中都提供相应的纠错、检错机制，传输层为了完成可靠的端到端数据传输，仍然会进行校验检错以确保整个传输过程的可靠性。传输层还需要实现流量控制和拥塞控制。 ·网络层负责让数据包到达目的地，完成数据包的路由选择、网络寻址，此外还需要进行流量控制、拥塞控制以及网络互连等工作。 ·数据链路层在物理层提供的链路上进行可靠的数据传输。数据以帧(frame)为单位传输，每一帧中都包含由高层传下来的数据与传输时所需的控制信息。在需要进行数据传输时，数据链路层负责数据通信链路的建立、维护与释放。数据链路层的数据校验机制、数据同步信息、流量控制机制保证了可靠的数据传输。 ·物理层是OSI的最底层，它建立在物理通信介质的基础上，是系统和通信介质的接口，为数据链路层提供一个透明的比特流传输通道。物理层定义了接口的机械特性，如插头与插座的尺寸、管脚的数量与排列等；电气特性，如数据“0”和“1”的电压值；功能特性，如每根信号线的作用；以及时间特性，完成一个操作时信号线起作用的先后次序。 (2) TCP/IP TCP/IP协议族是Internet采用的标准协议，它是一个四层结构的协议体系，包括网络访问层、Internet层、传输层和应用层。TCP/IP体系结构如下图所示。 file:///C:/Users/enovo/AppData/Local/Temp/ksohtml11208/wps1.jpg、 ·网络访问层控制组成网络的硬件设备和介质。TCP/IP协议支持所有的底层网络结构和网络协议，这些底层网络实现通信子网的数据传输和数据交换功能。TCP/IP协议的IP分组可以在这些不同的底层网络中传输。 ·Internet层的主要功能是解决异构网络的互连和网络寻址，使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地通过不同路径向目标传输。这些分组到达目的主机的顺序与发送的顺序可能不同，因此高层协议必须对这些打散的分组进行排序。 Internet层主要包括五种协议：IP协议、ICMP协议、IGMP协议、ARP协议和RARP协议。IP协议是一种不可靠、无连接数据报协议，利用IP地址标识Internet中的网络和主机，通过IP地址实现寻址。ICMP协议是Internet控制报文协议，用于在网络中传输控制信息。IGMP协议为Internet组管理协议，用于Internet多播通信的控制和管理。ARP协议实现IP地址到物理地址（MAC地址）的转换。RARP协议实现物理地址到IP地址的转换。 ·传输层负责建立端到端的连接和可靠通信。 传输层包括两个协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP协议属于可靠的、面向连接的全双工协议，可以提供可靠的数据传输。还可以实现连接管理、差错控制、流量控制以及拥塞控制等功能。UDP协议提供无连接的服务，它将数据报从一台主机发送到另一台主机，但是与TCP协议不同的是，它并不保证该数据报一定能够到达另一端的主机，不能提供可靠的数据传输通道。UDP协议由于忽略了数据传输的可靠性、采用尽快传输的原则，因而传输效率要高于TCP协议。 ·应用层为Internet中的各种网络应用提供服务，它直接与用户应用进行交互，负责处理用户数据及信息的处理。 应用层的协议有很多，比较常用的协议有以下几种：Telnet（远程登录协议，用于提供网络的远程登录服务）、FTP（文件传输协议，用于文件的上传和下载）、SNMP（简单网络管理协议，网络管理员通过SNMP可以管理网络节点，并发现网络节点存在的问题）、SMTP（简单邮件传输协议，能够提供电子邮件的发送功能）、POP（邮局协议，能够提供电子邮件的接收功能）、DNS（域名服务协议，用于将域名解析为IP地址）、HTTP（超文本传输协议，是用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议）。 4. 网络访问 要实现网络访问，网络中的设备需要具有身份信息（IP地址和MAC地址），发送的消息需要进行封装和分组，当分组通过网络达到另一个网络中的主机，分组需要经过路由器的处理，路由器负责为分组选择前往目的地主机的路径（路由），分组到达目的地后，需要重新进行组装并拆封，至此，目的主机才能收到源主机发送的消息。而提供网络服务的主机还需要具有域名，以代替难以记忆的IP地址，因此需要域名服务器提供域名的解析服务。 (1) IP及MAC地址 访问Internet资源，必须使用正确的目的地址对数据进行封装，还必须提供正确的源地址信息，让目的设备能够应答。 设备的地址信息包括IP地址和MAC地址。IP地址是网络层逻辑地址，它包含将IP分组从源设备传输到目的设备所需要的信息。MAC地址是数据链路层物理地址，它将数据链路帧从一个网络接口传输到同一网络中的另一个网络接口。 可以通过ARP协议(Address Resolution Protocol)，将IP地址映射为MAC地址。 IPv4（IP协议第4版）规定，每个IP地址使用4个字节（32位）表示。 MAC(Medium Access Control)地址是设备的物理地址，或称硬件地址，每张网卡都具有唯一的MAC地址。MAC地址如同身份证号码，具有全球唯一性。MAC地址由六个字节（48位）构成，采用十六进制表示，每个字节之间一般用“-”分隔。 在Windows中，可以在命令行窗口输入“ipconfig /all”命令来查看设备的网络配置信息。 (2) 域名及DNS 由于数字形式的IP地址难以记忆，因此，Internet采用域名来表示Internet中的每台主机。域名与主机的IP地址相对应，它是一串以“.”分隔的字符串。DNS（Domain Name System，域名系统）是Internet的一项核心系统，将域名和IP地址进行相互映射。DNS的功能相当于电话簿，可以根据姓名查找电话，也可以根据电话查找其对应的姓名。 用来执行域名解析的服务器称为域名服务器。DNS由一整套分布式的数据库系统构成，DNS允许域名服务器将部分域名解析的服务委托给子服务器。全球一共有13台根服务器，包括一台主根服务器和12台辅根服务器。除了三台辅根服务器位于欧洲和日本，其余的服务器都位于美国。 (3) 路由 当网络中的主机之间进行通信时，网络层协议需要负责建立端到端的逻辑链接，对传输层的数据进行封装和分组，并为分组选择前往目的主机的路径，这个过程就称为路由。当分组达到目的主机的网络层后，主机检查报头中的目的IP地址是否与自己的IP地址一致，如果相同，则对分组进行解封，并传递到传输层进行下一步的处理。 路由的方式分为主机路由和路由器路由。主机路由是指主机如何与远程网络中的主机进行通信，以及如何转发数据包。路由器路由是指当数据包到达路由器接口时，路由器如何对数据包进行转发。 5.4 IP地址常识 IP地址是Internet主机的唯一编码，ICANN负责全球IP地址的分配与管理。 IPv4的地址为32位，理论上可以有2^32（约43亿）个IP地址，在2011年IPv4的地址已经分配完毕。 为解决IP地址资源耗尽的问题，IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）设计出替代IPv4的下一代IP协议——IPv6。IPv6地址采用128位表示，几乎可以不受限制地使用。 1. IPv4 IP地址根据网络规模以及主机数量的大小分为A、B、C、D、E五种类型。每一类具有不同长度的网络地址和主机地址。 (1) A类地址 A类第一个字节为网络地址，且第一字节的第一个比特位为0，它的网络地址范围为0000000~01111111，即十进制的0~127。但网络地址中全0（即00000000）的特殊地址被保留用来指定本网络。而127开头的地址被保留下来进行环回测试。因此，A类地址实际可用的网络地址范围为1.0.0.0~126.0.0.0。 A类地址后面三个字节为主机地址。每个网络中支持主机地址数为2n-2个，其中n为主机部分的剩余比特数。因此每一个A类地址网络支持的主机地址数为224-2=16777214个。 (2) B类地址 B类地址的前两个字节为网络地址，且第一字节的前两个比特位为10（即10××××××），第一个字节的范围为10000000~10111111，即十进制的128~191，B类地址的网络地址范围128.0.0.0~191.255.0.0。 B类地址的网络数为214=16384个，每一个网络中的主机地址数为216-2=65534个。因此B类地址的网络数量要多于A类地址，每个网络中的主机数要比A类网络要少，它适用于一些中型规模的网络结构中。 (3) C类地址 C类地址的前三个字节都表示网络地址，且第一字节的前三个比特位为110（即110×××××），第一个字节的范围为11000000~11011111，即十进制192~223，C类地址的网络地址范围为192.0.0.0~223.255.255.0。 C类地址的网络数为221=2097152个，每一个网络中的主机地址数为28-2=254个。C类地址所支持的网络数目要远远多于A类与B类地址，因此它适用于主机数量较少的小规模网络结构。 (4) D类地址 D类地址的第一个字节的前四个比特位为1110，其地址范围为224.0.0.0~239.255.255.255。D类地址为多播地址，用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。 (5) E类地址 E类地址的第一个字节的前五个比特位为11110，其地址范围为240.0.0.0~247.255.255.255。E类地址用于科学研究以及保留作为将来使用。 2. IPv4子网掩码 为避免IP地址的浪费，同时便于网络的管理与维护，提高网络应用的效率，可以将一个较大的网络划分成多个子网。此时，就需要用子网掩码来指示出一个IP地址的网络地址部分以及主机地址部分。 子网掩码的格式和表示方式与IPv4地址的完全相同，都采用32位二进制，也采用点分十进制法表示。 假设某主机的IP地址为192.168.10.130，其子网掩码为255.255.255.128，可以把子网掩码与IP地址从左到右逐位比较。将子网掩码与该IP地址进行逻辑与运算，得到的结果即为网络地址。因此该主机所在的网络地址为192.168.10.128。 (1) IPv6地址表示 IPv6地址长度为128位，划分为8个长度为16bit的整数，每个整数用4个十六进制值表示，整数之间用冒号“:”分开。 例如，某主机的IPv6地址为： FE70:32CB:012A:0000:FF22:7834:5431:2394 双冒号规则：可以用符号“::”代替一个或多个相连的全为零的整数段。但需要注意的是，双冒号只能在地址中出现一次。 (2) IPv6前缀长度 IPv6用前缀长度来表示网络地址空间。IPv6地址前缀表示为：“IPv6地址 / 前缀长度”。其中，“IPv6地址”可以采用任意一种正确表示的方法，“前缀长度”是一个十进制值，范围为0~128，它表示地址最左侧多少位为网络地址部分。例如：FE80::89AB:1010/32表示前面32位为网络地址，后面的96位为接口ID（主机地址）。 (3) IPv6地址类型 按照寻址方式和功能的不同，IPv6地址可分为以下三种类型： A、单播地址(Unicast)：单播地址用于唯一标识支持IPv6的设备的接口。发送给单播地址的数据包由该地址标识的接口接收。源IPv6地址必须是单播地址，目的IPv6地址可以是单播或多播地址。 IPv6的环回地址也属于单播地址，其地址为::1/128。与IPv4的私有地址类似，IPv6唯一本地地址也只能用于一个场点内或有限场点之间，这些地址在全局IPv6中不具有路由性。唯一本地地址的范围是FC00::/7~FDFF::/7。 B、多播地址(Multicast)：用于将数据包发送到一个或多个目的地。多播地址以11111111开头，即前缀为FF00::/8。 多播地址分为分配的多播地址以及请求节点多播地址。分配的多播地址是为预先定义的设备组保留的多播地址，用于特定的协议下，如DHCPv6。请求节点多播地址是仅与设备IPv6全局单播地址的最后24位匹配的地址。 C、任意播地址(Anycast)：一般分配给属于不同节点的多个接口，发送给一个任意播地址的数据包会路由到拥有该地址的最近设备。任意播地址不能用作源地址，只能作为目的地址。且任意播地址不能指定给IPv6主机，只能指定给路由器。
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发表于 2022-9-19 11:59:01
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