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理解网络体系结构与IP地址
02
子任务一 了解网络的层次结构
任务一 理解网络的分层设计体系结构
子任务一 了解网络的层次结构
计算机网络是一个涉及通信系统和计算机系统的复杂系统。为了降低系统的设计和实现难度，把计算机网络要实现的功能进行结构化和模块化的设计，将整体功能分为几个相对独立的子功能层次，对各个功能层次进行有机的连接，下层为其上层提供必要的功能服务。这种层次结构的设计称为网络层次结构模型。
任务一 理解网络的分层设计体系结构
网络体系结构中采用层次结构的优点如下：
各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，只要知道低层所提供的服务，以及本层向上层所提供的服务即可，能真正做到各司其职。
有利于实现和维护，某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。
易于实现标准化。
子任务一 了解网络的层次结构
网络体系结构中采用层次结构的优点如下：
各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，只要知道低层所提供的服务，以及本层向上层所提供的服务即可，能真正做到各司其职。
有利于实现和维护，某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。
易于实现标准化。
任务一 理解网络的分层设计体系结构
子任务二 了解网络协议
在计算机网络中有多种计算机系统，它们的硬件和软件系统有着很大的差异，要使它们之间相互通信，进行数据交换，就必须有一套通信管理机制使通信双方能正确地接收信息和理解对方的信息含义，因此必须事先约定一个规则，这个规则就称为协议。
任务一 理解网络的分层设计体系结构
1．通信协议
协议是一组规则的集合，是进行交互的双方必须遵守的约定。
网络的通信协议主要由3个要素组成：语法、语义和交换规则。语法是以二进制形式表示的命令和相应的结构，用来确定协议元素的格式（规定数据与控制信息的结构和格式）；语义是由发出的请求、完成的动作和返回的响应组成的集合，用于确定协议元素的类型，即规定通信双方应发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答；交换规则规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变化和通信过程，如通信双方的应答关系。
子任务二 了解网络协议
任务一 理解网络的分层设计体系结构
2．通信协议的特点
（1）具有层次性。由于网络体系结构是有层次的，通信协议被分为多个层，每个层又可以被分成若干子层，协议各层有高低之分。
在计算机网络术语中，层就是一个或一系列的程序，能为相邻的更高层提供服务，同时使用相邻低层提供的服务。位于高层的程序为用户提供高级的服务，它要依靠低层为其提供信息和传送消息。
（2）通信协议具有可靠性和有效性。如果通信协议不可靠，就会造成通信混乱和中断，只有通信协议有效，才能实现系统内的各种资源共享。
子任务一 认识OSI参考模型
任务二 了解开放系统互连参考模型
OSI参考模型从下向上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。最高层为应用层，面向用户提供服务；最低层为物理层，连接通信媒体实现数据传输。层与层之间的联系是通过各层之间的接口进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。
子任务一 认识OSI参考模型
任务二 了解开放系统互连参考模型
每一层的对应实体之间都通过各自的协议进行通信。
各个计算机系统都有相同的层次结构。
不同系统的相应层次具有相同的功能。
同一系统的各层次之间通过接口联系。
相邻的两层之间，下层为上层提供服务，上层使用下层提供的服务。
开放系统互联参考模型的特点
子任务二 了解各层的基本功能
任务二 了解开放系统互连参考模型
每一层的对应实体之间都通过各自的协议进行通信。
各个计算机系统都有相同的层次结构。
不同系统的相应层次具有相同的功能。
同一系统的各层次之间通过接口联系。
相邻的两层之间，下层为上层提供服务，上层使用下层提供的服务。
开放系统互联参考模型的特点
子任务二 了解各层的基本功能
任务二 了解开放系统互连参考模型
物理层（Physical Layer）处于OSI参考模型的最低层，该层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接。它会按照传输介质的电气机械特性的不同而有不同的传输方式，主要以bit为单位传送，并将信息按位逐一从一个系统经物理通道送往另一个系统。
1．物理层
数据链路层（Data Link Layer）位于OSI参考模型的第二层，该层的主要功能是将数据从物理层传输到网络层，检测和校正在物理层上传输可能发生的错误，其网络产品最多的是网卡。
2．数据链路层
子任务二 了解各层的基本功能
任务二 了解开放系统互连参考模型
网络层（Network Layer）位于OSI参考模型的第三层，该层的主要功能是负责网络内任意两个通信子网间的数据交换，为信息所走的路径提供选择方案。
3．网络层
传输层（Transport Layer）位于OSI参考模型的第四层，该层的主要功能是负责接收高层的数据，并将数据分成较小的信息单位传送到网络层，实现两传输层间无差错地传送。
4．传输层
子任务二 了解各层的基本功能
任务二 了解开放系统互连参考模型
会话层（Session Layer）位于OSI参考模型的第五层，该层的主要功能是负责不同机器上用户的会话关系。会话层主要解决的问题是，把要求建立会话的用户所提供对话的用户地址，转换成相应的传送开始地址，以实现正确的传送连接。
5．会话层
表示层（Presentation Layer）位于OSI参考模型的第六层，该层的主要功能是负责为用户提供各种转换服务，处理通过网络传输的信息的表示形式，而不改变它们的内容。
6．表示层
子任务二 了解各层的基本功能
任务二 了解开放系统互连参考模型
应用层（Application Layer）位于OSI参考模型的第七层，是OSI参考模型的最高层，该层的主要功能是提供各用户访问网络的接口，为用户提供在OSI环境下的服务。
7．应用层
处理应用程序之间的通信
确定数据的表示形式
负责为两个节点的应用程序建立连接
负责逻辑寻址和路径选择
负责物理寻址和对网卡的控制
为两个应用程序间提供通信
以二进制位流（bit）形式传输数据
子任务二 了解各层的基本功能
任务二 了解开放系统互连参考模型
OSI参考模型的低三层主要实现通信子网的功能，负责数据传输；高三层主要实现资源子网的功能，负责进程之间信息的处理。用于上下两层实体交互的对象，称为协议数据单元（PDU）。每层PDU的名称和构成都不一致，物理层的PDU是位，数据链路层的PDU是帧（Frame），网络层的PDU是包或分组（Packet），传输层的PDU是段（Segment），其他更高层次的PDU是报文（Message）。
子任务一 认识TCP/IP模型的层次结构
任务三 认识TCP/IP模型
TCP/IP是一组协议，其中TCP和IP是两个重要的协议。TCP是传输控制协议，提供面向连接的服务，IP是互联网协议，提供无连接数据报服务和网际路由服务。TCP/IP模型把整个网络协议分为四层：它们分别是网络接口层、网络互联层、传输层和应用层，它们都建立在硬件基础上。
1．网络接口层
任务三 认识TCP/IP模型
TCP/IP模型的最低层是网络接口层，也称为网络访问层。在TCP/IP模型中没有详细定义这一层的功能，只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并且能够传输网络数据分组。具体是哪种协议，在本层里没有规定，它包括了能使用TCP/IP与物理网络通信的协议。
2．网络互联层
网络互联层是在Internet标准中正式定义的第一层。网络互联层的主要功能是负责在互联网上传输数据分组。网络互联层与OSI参考模型的网络层相对应。相当于OSI参考模型中网络层的数据报服务。
网络互联层主要定义了网络互联协议，即IP及数据分组的格式。本层还定义了地址解析协议（ARP）、反向地址解析协议（RARP）及网际控制报文协议（ICMP）。
3．传输层
任务三 认识TCP/IP模型
TCP/IP模型的传输层也被称为主机层，它主要负责端到端的对等实体之间的通信。它与OSI参考模型的传输层功能类似，也对高层屏蔽了底层网络的实现细节，同时它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信。该层使用了两种协议来支持数据的传送，它们是TCP和UDP。
TCP是可靠的、面向连接的协议。它用于包交换的计算机通信网络、互联网络及类似的网络，保证通信主机之间有可靠的字节流传输。
UDP是一种不可靠的、无连接协议。它最大的优点是协议简单、效率较高、额外开销小，缺点是不保证正确的传输，也不排除重复信息的发生。
4．应用层
任务三 认识TCP/IP模型
在TCP/IP模型中，应用程序接口是最高层，它与OSI参考模型中的高三层的任务相同，都用于提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。目前，互联网上常用的应用层协议主要有以下几种：
（1）简单邮件传输协议（SMTP）：负责互联网中电子邮件的传递。
（2）超文本传输协议（HTTP）：提供Web服务。
（3）远程登录（Telnet）协议：实现对主机的远程登录，常用的电子公告牌系统（BBS）使用的就是这个协议。
（4）文件传输协议（FTP）：用于交互式文件传输。
（5）域名解析协议：实现逻辑地址到域名地址的转换。
子任务二 了解TCP/IP簇
任务三 认识TCP/IP模型
TCP/IP簇使用协议栈来工作，栈是所有用来在两台机器间完成传输的所有协议的集合。数据通过栈从一台机器到另一台机器，在这个过程中，一个复杂的查错系统会在起始机器和目的机器中运行。栈分成五层，每一层都能从相邻的层中接收或发送数据，每一层都与许多协议相联系。
层次 主要协议
应用层 HTTP、FTP、Telnet协议、SMTP、域名解析协议、DSP
传输层 TCP、UDP、DVP
网络互联层 IP、ICMP、ARP、RARP、UUCP
网络接口层 以太网协议、ARPANET协议、PDN协议
1．IP
任务三 认识TCP/IP模型
IP属于TCP/IP模型的网络互联层，其基本任务是通过互联网传输数据报，提供关于数据应如何传输以及传输到何处的信息，各个数据报之间是互相独立的。IP是一种使TCP/IP簇可用于网络连接的子协议，可以跨越多个局域网段或通过路由器跨越多种类型的网络。在一个网际环境中，连接在一起的单个网络称为子网，使用子网是TCP/IP簇联网的一个重要部分。
IP所在的网络互联层通过网络接口层与物理网络连接。在局域网中网络接口层通常为网络接口设备驱动程序。IP主要负责在网际进行数据报无连接的传送、数据报寻址和差错控制，向上层提供IP数据报和IP地址，并以此统一各种网络的差异性（不同的网络其帧结构不同）。
2．TCP
任务三 认识TCP/IP模型
传输控制协议（TCP）属于TCP/IP模型中的传输层，是一种面向连接的子协议，在该协议上准备发送数据时，通信节点之间必须建立一个连接，才能提供可靠的数据传输服务。TCP位于IP的上层，通过提供校验和、流控制及序列信息弥补IP可靠性上的缺陷。
TCP是一种面向连接的协议，在面向连接的环境中，开始传输数据之前，在两个终端之间必须先建立一个连接。建立连接的过程可以确保通信双方在发送数据包之前是准备好传送和接收数据的，TCP的三次握手。通过三个步骤（三次握手），TCP连接建立，开始传送数据。
3．UDP
任务三 认识TCP/IP模型
UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）与TCP位于同一层，但它不处理数据包的顺序错误或重发。因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询-应答的服务，如NFS。相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。使用UDP的服务包括NTP（网络时间协议）和DNS（DNS也使用TCP）。
欺骗UDP包比欺骗TCP包更容易，因为UDP没有建立初始化连接（也可以称为握手）（因为在两个系统间没有虚电路），也就是说，与UDP相关的服务面临着更大的危险。
4．ICMP
ICMP（Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议）与IP位于同一层，它被用来传送IP的控制信息。它主要用来提供有关通向目的地址的路径信息。ICMP的Redirect信息通知主机通向其他系统的更准确的路径，而Unreachable信息则指出路径有问题。另外，如果路径不可用，ICMP可以使TCP连接终止。
5．ARP和RARP
任务三 认识TCP/IP模型
ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）的作用是将IP地址映射成物理地址。
RARP（Reverse Address Resolution Protocol，反向地址转换协议）就是将局域网中某个主机的物理地址转换为IP地址
6．HTTP
HTTP（Hyper Text Transport Protocol，超文本传输协议）是一个通用的，面向对象的协议，在Internet上进行信息传输时广泛使用；通过扩展请求命令，可以用来实现许多任务。
7．FTP
FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）可以实现从一个系统向另一个系统传输文件。通过FTP，用户可以方便地连接到远程服务器上，查看远程服务器上的文件内容，还可以把所需要的内容复制到自己的计算机上
8．Telnet协议
任务三 认识TCP/IP模型
Telnet（远程登录）协议提供了一个相当通用的、双向的、面向字节的通信机制，使用基于文本界面的命令连接并控制远程计算机，允许用户把自己的计算机当作远程主机上的一个终端，通过该协议，用户可以登录到远程服务器上。Telnet协议不仅允许用户登录到一个远程主机上，还允许用户在那台计算机上执行命令。用户用Telnet协议登录到远程计算机上后，便可以通过自己本地的计算机来控制和管理远程服务器上的文件及其他资源。
9．SMTP
SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）可以实现邮件可靠和高效传输。当用户给SMTP服务器发送请求时，一个双向的连接便建立起来，客户发一个MAIL指令，指示它想给Internet上某处的一个收件人发邮件。如果SMTP允许这个操作，就会将一个肯定的确认消息发回客户机，随后，会话开始。客户可以告知SMTP服务器收件人的名称和IP地址，以及要发送的消息。
10．TCP/IP的工作过程
任务三 认识TCP/IP模型
TCP/IP的工作过程是一个“自上而下，自下而上”的过程，数据传递是按“应用层—传输层—网络互联层—网络接口层”传递的，具体的传递过程如下：
（1）在发送端主机上，应用层将数据流传递给传输层。（2）传输层将接收到的数据流分解成以若干字节为一组的TCP段，并在每一段上增加一个带序号的TCP报头，传递给网络互联层。（3）在网络互联层将TCP段作为数据部分，再增加一个含有发送端和接收端IP地址的报头组成分组或包，还要明确接收端的物理地址及到达目的主机的路径，将此数据包和物理地址传递给网络接口层。（4）网络接口层将IP分组作为数据部分并加上帧报头组成一个帧，交由物理层接收主机或IP网间路由器。（5）在目的主机处，网络接口层将帧去掉帧头，把IP分组交给网络互联层。（6）网络互联层检查IP报头，如果报头中校验和与计算出来的不一致，则丢弃此报文分组，如果校验和与计算出来的一致，则去掉IP报头，将TCP段传送到传输层。（7）传输层检查序号，确认是否为正确的TCP段。（8）传输层计算TCP报头和数据校验和，如果计算出来的校验和与报头的校验和不一致，则丢弃此TCP段，如果一致，则去掉TCP报头，并将真正的数据传递给应用层，同时发出“确认收到”的信息。（9）在接收端主机上的应用层收到一个数据流正好与发送端所发送的数据流完全一样。
子任务一 掌握IP地址的相关知识
任务四 掌握IP地址
1．什么是IP地址
IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。
IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为网络上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
IP地址由网络ID和主机ID两部分组成。其中，网络ID用来标识一个物理网络，主机ID用来标识这个网络中的一台主机。目前IP地址采用的是32位的IPv4地址，它是32位的无符号二进制数，分为4字节，以×.×.×.×表示，每个×为8位二进制数，对应的十进制取值为0～255。
子任务一 掌握IP地址的相关知识
任务四 掌握IP地址
2．IP地址的分类
子任务一 掌握IP地址的相关知识
任务四 掌握IP地址
2．IP地址的分类
子任务一 掌握IP地址的相关知识
任务四 掌握IP地址
2．IP地址的分类
子任务一 掌握IP地址的相关知识
任务四 掌握IP地址
3．特殊的IP地址
1）网络地址
IP地址方案中规定网络地址由一个有效的网络ID和一个全“0”的主机ID构成。
2）广播地址
广播地址通常以全“1”结尾。
广播地址有两种形式：直接广播地址和有限广播地址。
（1）直接广播地址。
如果广播地址包含一个有效的网络ID和一个全“1”的主机ID，则称为直接广播地址。
（2）有限广播地址。
IP地址的32位全为“1”（255.255.255.255）用于本地广播，该地址称为有限广播地址。
3）回送地址
A类网络地址127.0.0.0是一个保留地址，用于网络软件测试及本地计算机进程间通信。这个IP地址称为回送地址。
子任务一 掌握IP地址的相关知识
任务四 掌握IP地址
4）私有IP地址
私有IP地址是在所有IP地址中专门保留的三个区域的IP地址，这些地址不在公网上分配，专门留给用户组建内部网络使用，也称为专用IP地址。这三个区域分别属于A、B和C类地址空间的3个地址段，这些地址可以满足任何规模的企业和机构的应用需求。
地址段 主机位数 IP地址个数
10.0.0.0～10.255.255.255 24位 224个，约1700万个
172.16.0.0～172.31.255.255 20位 220个，约100万个
192.168.0.0～192.168.255.255 16位 216个，约6.5万个
子任务一 掌握IP地址的相关知识
任务四 掌握IP地址
4．IP地址分配原则
只有A、B、C三类地址可以分配给计算机和网络设备。
IP地址的第一段不能为127，留作测试使用。
网络ID不能全为0，也不能全为1。全为1用作网络掩码。
主机ID不能全为0，也不能全为1。全为0代表网络，全为1代表主机。
IP地址在网络中必须唯一。
子任务二 掌握子网与子网掩码的相关知识
任务四 掌握IP地址
1．子网
实际工作中，我们可以采用将网络切割成多个小网络的方法来解决这个问题，也就是人们常说的子网。将网络内部分成多个部分，对外像任何一个单独网络一样动作，在Internet文献中，这些部分称为子网。
2．子网掩码
子网掩码（Subnet Mask）又叫网络掩码、地址掩码，它是一种用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网以及哪些位标识的是主机的掩码。
子任务二 掌握子网与子网掩码的相关知识
任务四 掌握IP地址
3．子网设计
设从主机ID部分借用n位给子网ID，剩下m位作为主机ID，那么生成的子网数量为2n-2，每个子网具有的主机数量为2m-2台。设计的基本过程如下：
（1）根据所要求的子网数和主机数公式2n-2推算出n。n应是一个最小的接近要求的正整数。
（2）求出相应的子网掩码，即用默认掩码加上从主机ID部分借出的n位组成新的掩码。
（3）子网的部分写成二进制数，列出所有子网ID和主机ID，去除全“0”和全“1”地址。
子任务二 掌握子网与子网掩码的相关知识
任务四 掌握IP地址
例1一个网络的地址为192.168.2.0/26，请问该网络可以划分为几个子网？每个子网可容纳多少台主机？
子任务二 掌握子网与子网掩码的相关知识
任务四 掌握IP地址
例2一个网络的地址为192.168.132.0，网内有252台主机。为了便于管理，要将该网络分成6个子网，每个子网能容纳30台主机。请给出子网掩码和对应的地址空间。
子任务二 掌握子网与子网掩码的相关知识
任务四 掌握IP地址
例3某网络地址为172.30.0.0，每个子网需要容纳700台主机，请问子网掩码应如何设置？
子任务二 掌握子网与子网掩码的相关知识
任务四 掌握IP地址
例4某网络地址为172.19.0.0，子网掩码为255.255.248.0，请问该网络可以划分为几个子网？每个子网有多少个有效IP地址？
子任务一 了解模拟通信与数字通信
拓展任务 了解数据通信的知识
1．模拟信号和模拟通信
模拟信号是在一定范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号（如语言信号），它可以不同频率在介质上传输。
模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿及噪声源组成。信源所产生的原始模拟信号一般先经过调制器再通过信道传输，解调器则将信道上的信号实施逆变换后送达信宿。
子任务一 了解模拟通信与数字通信
拓展任务 了解数据通信的知识
2．数字信号和数字通信
数字信号是离散的脉冲序列，它的取值是有限个数的，它以恒定的正电压/负电压或正电压/0电压，表示“1”“0”，可以用不同的位速率在介质上传输。
数字通信系统由信源、信源编码器、加密器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、解密器、信源译码器及信宿组成。
子任务二 了解数据通信方式
拓展任务 了解数据通信的知识
一、并行传输与串行传输
1．并行传输
并行传输是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上传输，数据由多条数据线同时传送与接收，每个比特使用单独的一条线路。通常将构成一个字符代码的所有位在同一个时钟节拍发送出去。
子任务二 了解数据通信方式
拓展任务 了解数据通信的知识
一、并行传输与串行传输
2．串行传输
串行传输就是将比特流逐位在一个信道上传送，由于数据流是串行的，必须解决收发双方如何保持码组或字符同步的问题，否则，在接收端将无法正确区分每一个码字，这样会使传输过来的信息变为一串毫无意义的比特流。
子任务二 了解数据通信方式
拓展任务 了解数据通信的知识
二、异步传输与同步传输
1．异步传输
异步传输方式又称为起止式同步方式，是串行传输的一种方式。它是以字符为单位进行同步的，且每一字符的起始时刻可以任意。为了给接收端提供一个字符开始和结束的信息，在每个字符前设置起信号（起位），在结尾处设置止信号（止位）。一般起信号（起位）的长度规定为1个码元宽度（1bit），极性为“0”，即用空号（Space）代表，止信号（止位）可以为1～2个码元的宽度（1～2bit），其长度的选取与所采用的传输代码类型有关。
子任务二 了解数据通信方式
拓展任务 了解数据通信的知识
二、异步传输与同步传输
2．同步传输
同步传输是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方法，也是串行传输的一种形式。在数字信号流中，各码元的宽度相同且字符间无间隙，为了能使接收端从连续不断的数据流中正确区分出每个比特，收发端必须采用相同的同步时钟。在同步传输中，数据的发送一般以帧为单位。传送时在每个帧的帧首加两个或两个以上同步字符Sync，帧内每个字符前后不附加起止位。
子任务三 了解数据交换技术
拓展任务 了解数据通信的知识
一、电路交换
电路交换过程主要有三个阶段：电路建立、数据传输和电路拆除。
子任务三 了解数据交换技术
拓展任务 了解数据通信的知识
三、分组交换
分组交换采用了“存储—转发”的方式，同时把报文分割成若干长度较短的按一定格式组成的分组进行交换和传输。由于具有统一格式并且长度较短，便于在交换机中存储及处理，分组只在交换机的主存中停留很短的时间，一旦确定了新的路由，就很快转发到下一个交换机或用户终端。分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。
虚电路分组交换和电路交换类似，在传送数据前必须在发送端和接收端之间建立连接，但和电路交换不同的是，虚电路分组交换建立的连接是逻辑连接，而非物理连接，信道不是专用的，而是与其他用户共享的。
数据报分组交换和报文交换类似，每个分组的传送是被单独处理的，每个分组称为一个数据报。数据报分组中对每个数据报的大小有严格的限制，每个数据报自身携带足够的地址信息。

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