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IP网的体系结构和协议地址

一、互联网的概念
       在现实世界中的计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连而成。如果几个计算机网络只是在物理上连接在一起,它们之间并不能进行通信。通常在谈到“互连"时,应从功能上和逻辑上看,这些计算机网络已经组成了一个大型的计算机网络.称为互联网(互连网)。
互联网
       互连在一起的网络要进行通信,会遇到许多问题需要解决。如不同的寻址方案,不同的分组长度,不同的网络接入机制,不同的差错恢复方法,不同的路由选择技术,不同的用户接入控制,不同的服务,不同的管理等。将网络互相连接起来要使用一些中间设备,称为中继系统。根据中继系统所在的层次,可以分为以下4种中继系统:
       • 物理层中继系统,即转发器;
       • 数据链路层中继系统,即网桥或桥接器;
       • 网络层中继系统,即路由器;
       • 网桥和路由器的混合物,即桥路器;
       一般讨论互联网时都是指用路由器进行互连的互联网络。路由器其实就是一台专用计算机,用来在互联网中进行路由选择,并采用标准化的IP协议。图1(a)表示有许多计算机网络通过一些路由器进行互连。由于参加互连的计算机网络都使用相同的网际协议IP,因此互连以后的计算机网络,在进行通信时就像在一个网络上通信一样。可以将互连以后的计算机网络看成如图1(b)所示的一个虚拟网络。
互联网络概念
图1     互联网络概念
二、  体系结构
     国际上都采用TCP/IP体系的参考模型,如图7.2所示。下面概述每一层的功能。
 TCP/IP参考模型
图2    TCP/IP参考模型
     (1)物理层:对应于低层网络的硬件和协议。如局域网的Ethernet,X.25的分组交换网,ATM网等。
     (2)网络接口层(网络访问层):它是TCP/IP的最低层,该层的协议提供了一种数据传送的方法,将数据分成帧来传送,它必须知道低层网络的细节,以便准确地格式化传送的数据。该层执行的功能还包括将IP地址映射为网络使用的物理地址。
     (3)互联网层(IP):主要功能是负责将数据报送到目的主机。包括:
         •   处理来自传输层的分组发送请求,将分组装入IP数据报,选择路径,然后将数据报发送到相应数据线上;
         •   处理接收的数据报,检査目的地址,若需要转发,则选择发送路径转发,若目的地址为本结点IP地址,则除去报头,将分组交送传输层处理;
         •   处理互连网路径、流控与拥塞问题。
      (4)传输层:主要功能是负责应用进程之间的端到端通信。该层中的两个最主要的协议是传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。
tcp协议
       TCP协议是一种可靠的面向连接的协议,它允许将一台主机的字节流无差错地传送到目的主机。TCP同时要完成流量控制功能,协调收发双方的发送与接收速度,达到正确传输的目的。
       UDP是不可靠的无连接协议,它主要用于不要求分组顺序到达的传输中,分组传输顺序检査与排序由应用层实现。
       (5)应用层:是TCP/IP协议簇的最高层,它规定了应用程序怎样使用互联网。它包括远程登录协议(TELNET).文件传输协议(FTP)、电子邮件协议(SMTP)、域名服务协议(DNS)以及HTTP协议等。
三、协议地址
1.IP地址及其表示方法
        把整个互联网看成一个单一、抽象的网络。所谓IP地址,就是给每个连接在互联网上的主机分配一个在全世界范围内唯一的32bit地址。IP地址的结构使我们可以在Internet上很方便地进行寻址,这就是:先按IP地址的网络号Net-id把网络找到,再按主机号Host-id把主机找到。所以IP地址并不仅表示一个计算机的地址,而且指出了连接到某个网络上的某个计算机。
       1P地址分为5类,即A类到E类。地址的最前端是地址类别标识,下面接着是网络号字段和主机号字段,如图3所示。
IP地址类型
图3     IP地址的5种类型
        常将32bit地址中每8bit用其等效十进制数字表示,并且在这些数字之间加上一个点,这就是点分十进制记法。例如,有下面的1P地址
         10000000      00001011      00000011       00011111
这就是一个B类IP地址。若记为128.11.3.31,显然就方便得多。
2.IP地址与物理地址
       图4表示IP地址与物理地址(也可称为硬件地址)的区别,可以看出,IP地址放在IP数据报的首部,而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层及以上使用的是IP地址,而链路层及以下使用的是硬件地址。在IP层抽象的互联网上,看到的只是IP数据报,而在具体的物理网络的链路层,看到的只是MAC帧。 
IP地址与物理地址区别
图4  IP地址与物理地址区别
3. 子网的划分
       现在看来,IPv4中IP地址的设计确实有不够合理的地方。例如,IP地址在使用时有很大的浪费,若某个单位申请到了一个B类地址,该单位只有1万台主机,于是其余五万五千多个主机号就白白地浪费了,因为其他单位的主机无法使用这些号。因此在IP地址中又增加了一个“子网号字段”,子网号字段究竟选多长,由本单位根据情况确定。用子网掩码来区分子网号与主机号的分界线。子网掩码由一连串的“1”和一连串的“0”组成。“1”对应于网络号和子网络号字段;“0”对应于主机号字段。图5表示子网掩码的意义。
子网掩码的意义
图5   子网掩码的意义
      若一个单位不进行子网划分,则其子网掩码即为默认值,此时子网掩码“1”的长度就是网络号的长度。因此A,B,C类IP地址,其对应的子网掩码默认值分别为255.0.0.0,255.255.0.0,255.255.255.0。
4. 地址转换
     上面讲的IP地址是不能直接用来进行通信的。这是因为:
       (1) IP地址只是主机在网络层中的地址,若要将网络层中传送的数据报交给目的主机,还要传到链路层转变成MAC帧后才能发送到网络,而MAC帧使用的是源主机和目的主机的硬件地址。因此必须在IP地址和主机的硬件地址之间进行转换。
       (2) 用户平时不愿意使用难以记忆的主机号,而愿意使用易于记忆的主机名字。因此也需在主机名字和IP地址之间进行转换。
       由IP地址到物理地址的转换由地址解析协议(ARP)完成。而由物理地址转换到IP地址使用RARP协议。由主机名字到IP地址的转换用域名系统(DNS)。 
       互联网迅速发展暴露出目前使用的IP协议(IPv4)不适用了。主要的问题是32bitIP地址不够用;另一个原因是它还不适于传递语音和视频等实时性的业务,所以现在已提出下一代的IPv6。它的主要变化是,IPv6使用了128bit的地址空间,并使用了全新的数据报格式,简化了协议,加快了分组的转发,允许对网络资源的预分配和允许协议继续演变,并增加了新的功能等。