第2章 因特网
内容目录
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因特网的网络结构与管理
因特网接入技术
网络层
传输层
因特网应用
因特网的网络结构与管理
因特网的网络结构
因特网的网络结构与管理
因特网的管理
目前，因特网的管理由ISP、Internet协会(Internet Society，ISOC)和Internet上各个域的组织分别负责Internet上不同层次的管理。
ISP负责因特网的日常维护和运行，为最终用户提供因特网服务。
各层的网络信息中心(Network Information Center，NIC)主要负责IP地址的分配、域名注册、信息分布、协调和信息统计等。
因特网的网络结构与管理
. ISP
ISP的主要作用是提供以因特网接入为主的各种因特网服务，不同规模的ISP覆盖的地域范围差别很大，有的跨越大洲，有的仅限于一个很小区域。
大型的ISP拥有上千台分布在不同位置的路由器，路由器间通过光纤连接形成主干网。
国内大型的ISP包括中国电信、中国联通、中国移动、中国铁通、当地的广电部门等。
因特网接入技术
大多数因特网用户都是通过当地ISP接入网连入因特网。
从使用角度，接入网是直接为用户提供接入的网络，由运营商建设和管理，对用户进行接入控制；
从位置关系看，接入网是将用户接入到核心网的网络。
因特网接入技术
按网络传输介质，可将因特网接入技术分为有线接入和无线接入两大类型。
因特网接入技术
xDSL接入技术
利用现有电话铜缆进行数据传输的宽带接入技术，是数字用户线路（DSL）的总称。
属于物理层，主要实现信号调制。
图2-2 xDSL的网络接入结构
因特网接入技术
xDSL接入技术
非对称用户数字线路（ADSL）上行下行数率非对称，采用FDM和DMT调制技术。
ADSL的频谱划分0~4KHz，用于传统电话业务；~138KHz用于上行数据传输；140~1104KHz用于下行数据传输。
因特网接入技术
以太网接入技术
主要设备由局端设备和用户设备组成。
局端设备主要是光纤以太网设备，即第二、第三层交换机、同步光纤网络设备和DWDM设备为基础组成，具有汇聚用户设备网管信息的功能。
用户设备提供与用户终端计算机连接的10/100BASE-T接口。
图2-3 以太网接入网络结构
因特网接入技术
混合光纤同轴电缆接入技术
混合光纤和同轴电缆HFC(hybrid fiber and coaxial)接入技术利用有线电视网络CATV(Cable Television)提供网络接入。
HFC技术采用光缆将信号从局端传输到服务小区，用光接收机将光信号转换为电信号后，再用同轴电缆传输到用户家中。
HFC系统框架分为管理中心（前端接入中心）、光纤网络和到用户驻地的同轴分配网络。
图2-5 HFC接入网系统框架
因特网接入技术
用户端系统。
图2-6 用户端系统结构
因特网接入技术
移动无线接入技术
1. GPRS接入技术
通用无线分组业务GPRS（General Packet Radio Service）被称为技术。
与GSM技术相比，GPRS具有明显的技术优势：
（1）较高的传输速率。
（2）较快的连接速度。
（3）相对低廉的通信费用。
因特网接入技术
2. 3G技术
3G（3rd-Generation）是第三代移动通信技术的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。
目前，国际电信联盟已经确定四个3G接口标准，分别是WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX。
因特网接入技术
表2-2列出了当前四种3G标准的部分主要参数。
网络层
网络层协议主要有IP协议(包括IPv4和Pv6)、ICMP协议、ARP协议和RARP协议。
IPv4协议
IPv4协议数据单元(PDU)，简称IP数据包，包括IP数据包报头和数据域两部分。IP数据包报头的长度是4字节(32位)的整数倍。
网络层
IPv6协议
1. IPv6的数据包格式
IPv6协议数据单元(PDU)，即IPv6数据包格式所示。
图2-9 IPv6数据包格式
网络层
2. IPv6基本头部
基本头部的字段数只有8个，比IPv4报文头简单，可以加快路由器处理数据包的速度。IPv6头部格式。
图2-10 Pv6基本首部格式
网络层
3. IPv6的地址结构
IPv6有3种地址表现形式：
① 基本形式，将128位地址划分为8组16位的十六进制数值。
例如：FEDC:BA98:7654:4210:FEDC:BA98:7654:3210。
每一组数值前面的0可以省略，例如“0008”记为“8”。
② 简略形式，为了简化包含0位地址的书写，使用“::”符号简化全0位的地址段。但“::”符号在一个地址中只能出现一次。
例如: “FF01:0:0:0:0:0:0:101”可表示为“FF01::101”，“0:0:0:0:0:0:0:1”可表示为“::1”。
③ 混合形式，用在混合使用IPv4和IPv6节点，即“X:X:X:X:X:X:”。其中X是地址中6组高阶16位段的十六进制值，D是地址中4个低阶8位字段的十进制值(按照IPv4标准表示)。例如“0:0:0:0:0:0:” 。
网络层
因特网地址
1. IPv4地址
(1) IP地址的结构
图2-11 IP地址的结构和组成
网络层
(2) IP地址的分类
按照网络规模的大小，IP地址可以分为A、B、C、D、E五类。
图2-12 IP地址分类
网络层
A、B、C三类IP地址有效范围如表2-3所示。
网络层
(3) 特殊的IP地址
① 网络地址 ：主机地址全为0的IP地址表示一个网络。
② 直接广播地址(Directed Broadcast Address)：主机地址全为1的IP地址表示一个网络的所有主机。
③ 有限广播地址(Limited Broadcast)：全为1的IP地址，只允许在本地网络中进行广播，不能被路由器转发。
④ 本机地址：主机刚启动时使用的IP地址，表示当前所在网络。
⑤ 回送地址(Loopback Address) ：
⑥ 私有地址
网络层
(4) IP地址的管理
IP地址中的网络地址是由因特网网络信息中心InterNIC(Internet Network Information Center)统一分配，它负责分配最高级的IP地址，并授权给下一级的申请者成为Internet网点的网络管理中心。
每个网点组成一个自治系统,即自治域系统。
自治域系统负责自已内部网络的拓扑结构、IP地址分配和管理。
这种分层管理方法能够有效防止IP地址的冲突。
网络层
(5) MAC与IP地址比较
连接在因特网上的计算机都有MAC地址和IP地址两类，它们的区别主要有：
① MAC地址是硬件地址，被编到网卡芯片里；IP地址是逻辑(软件)地址，由IP协议所操纵。
② MAC地址是数据链路层地址，由数据帧携带，所有工作在数据链路层的网络设备使用该地址；IP地址是网络层地址，由数据包携带，所有工作在网络层的网络设备使用该地址。
③ MAC地址是平面寻址，寻址方式是逐个查找，寻址效率低，用于物理网；IP地址是分层寻址，分为网络地址、子网地址和主机地址，寻址方式是分级寻址，寻址效率高，用于因特网。
④ MAC地址是静态的，当主机从一个网络移至另外一个网络时，MAC地址不变；IP地址是动态的，当主机从一个网络移至另外一个网络时，IP地址改变。
网络层
（6） 子网划分
子网划分需要用唯一的子网号标识子网。和主机号一样，子网号对网络外部是透明的，在本地由网络管理员分配。
从主机域借位来创建子网号，并指定为子网域。
网络层
（7）子网掩码
与IP地址相同的格式，即32位的二进制，分4个字节，和IP地址网络域和子网域对应的位设为1，主机位对应的位设为0。
图2-13 子网掩码结构图
网络层
A、B、C三类网络的默认子网掩码。
网络层
A、B、C三类网络有3位子网号情况下的子网掩码如表2-6所示。
网络层
子网掩码的主要作用是显现出IP地址的结构，即32位IP地址中多少位作为网络地址、子网地址、主机地址，从而路由器设备能够判定某个IP地址位于哪个子网，能否与其他子网通信。
图2-14 网络地址运算
网络层
（8）子网规划
某企业分配到一个C类IP地址。假设需要6个子网，每个子网有20台主机，给出网络规划。
从主机域借3位作为子网域。
网络层
其次，确定子网掩码。
第三 ，确定主机地址。
网络层
网络层
其他协议
1. ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）：一种差错和控制报文协议，用于传输错误报告和控制信息。
ICMP协议的主要功能如下：
(1) 通告目的主机不可达；
(2) 数据包流量控制；
(3) 检测环路；
(4) 确保最短路径；
(5) 通告错误的IP报头。
网络层
2. ARP协议
地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)用来完成IP地址到MAC地址映射的协议。
网络层
3. RARP协议
逆向地址解析协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)用于MAC地址到IP地址的转换。
在DHCP环境下，主机启动时只知道自己的MAC地址，而不知道IP地址或者没有分配到IP地址，则主机广播其MAC地址来请求一个IP地址。
4 .组播协议
组播是指数据在一组主机间进行的广播。
传输层
协议端口
网络上两台主机上的进程之间的通信需要经过两个阶段，
首先是主机之间的识别与通信，该阶段属于网络层通信，由网络层的IP协议和路由协议完成；
其次是主机上应用进程间的通信，该阶段属于传输层通信，由传输层的TCP协议和UDP协议实现，该阶段使用端口号识别不同应用进程。
由于通信的两个进程在端到端的传输层只能使用相同协议。
一个完整的主机间通信，可以用一个五元组标识通信的两个进程：协议，本地IP地址，本地端口号，远程IP地址，远程端口号。
端口号是系统进程在使用传输层协议前向操作系统申请一个16位的无符号整数。
传输层
TCP协议
传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）：提供可靠的、端到端的面向连接的报文段传输协议，支持全双工通信。
TCP协议还有以下特点：
(1) 支持流(stream)式服务，所谓流式服务是指用户的数据发送和接收都是字符流。
(2) 三次握手机制保证可靠的建立与释放传输连接。
(3) 滑动窗口机制提供流量控制与拥塞控制。
传输层
UDP协议
用户数据包协议（User Datagram Protocol，UDP）:是一个面向无连接、不可靠的数据包传输协议，只负责把数据传输出去，不保证数据一定到达。
传输层
2. TCP与UDP的比较：
TCP和UDP均是传输层协议，都使用IP协议作为网络层协议。
TCP和UDP之间的主要差别在于可靠性。
TCP是高度可靠的，而UDP是一个简单的、尽力而为的报文段转发协议。
TCP协议更复杂，需要大量功能开销；而UDP则更加简单和高效。
UDP协议适合于实时业务，例如语音和视频业务。UDP还适用于其它的网络功能，如在路由器之间传输路由表更新或传输网络管理/监控数据。
因特网应用
HTTP协议
超文本传输协议HTTP(Hyper Text Transport Protocol)是Web客户机和服务器通信时使用的传输协议，用于从WWW服务器传输超文本到本地客户机浏览器。
因特网应用
使用HTTP协议的客户/服务器传输过程可分为四个步骤：
1. 客户机与服务器建立连接。
2. 客户机向服务器递交请求，在请求中指明所要求的特定文件。
3. 请求被接纳，服务器以超文本标识语言(HTML)格式返回一个应答。
4. 客户机与服务器断开连接。
因特网应用
FTP协议
文件传输协议FTP(File Transfer Protocal)是基于TCP协议的Ineternet文件传输协议。
FTP是一个客户/服务器系统。
FTP的服务进程由两大部分组成：一个主进程，负责接受新的请求；若干从属进程负责处理单个请求。
进行文件传输时，客户机与服务器之间需要建立两个连接：控制链接和数据连接。
因特网应用
Email协议
电子邮件E-mail (Electronic Mail)是一种最多的因特网应用。
1. SMTP: 用来发送电子邮件的协议，用户提交和传输邮件，规定了主机之间传输电子邮件的标准交换格式和邮件在链路层上的传输机制。
2. MIME: 传输可供浏览器识别的信息。
3. POP: 是关于接收电子邮件 的客户/服务器协议。
4. Internet邮件访问协议(IMAP): 用于从服务器上访问电子邮件的标准协议。
习 题
一、填空题
1. _____协议主要功能是完成IP地址到物理MAC地址的映射。
2. TCP/IP协议的传输层有________ 和_______协议，其中______是面向连接的协议，_____是面向无连接的协议 。
3. 有一主机IP地址为173·224·13·226，已知其主机地址的前7位用于子网号，则它的子网掩码是___________________。
4. IPV6将IP地址空间从____________位扩展到____________位。
5. 组播协议使用 类IP地址。
6. 端口号长度为 位。
7. 网络通信中的五元组具体包含了 、 、 、 和 。
习 题
二、单项选择题
地址每段的取值范围是( )。
A. 1至254 B. 0至255 C. 1至126 D. 0至15
2. 如果子网掩码是，下面主机( )必须通过路由器才能与主机通信。
A. B. C.
D.
3.下列IPv6地址的表示错误的是( )。
A. FEDC:BA98:7654:4210:FEDC:BA98:7654:3210
B. FF01::101 C. 0:0:0:0:0:0: D. FF01::101::25
4.下列有关TCP协议的选项，正确的是( )。
A. TCP是网络层协议，提供了面向非连接的报文段传输协议。
B. TCP报头的前20个字节格式是固定的，数据部分的最大长度为65495字节。
C. TCP的连接是通过四次握手机制建立。
D. TCP通过三次握手关闭TCP连接。
5. 下列选项不属于应用层协议的是( )。
A. SMTP协议 B. BOOTP协议 C. SNMP协议 D. ICMP协议
习 题
三、应用题
某单位分配到一个B类IP地址，其网络地址为.。该单位有4000台机器，分布在16个不同在地点。请分析(1)如选用子网掩码为是否合适,(2)如果给每一个地点分配一个子网地址，计算每个主机号码的最小值和最大值。
