4.3 TCP/IP 协议 与网络互连

4.3.1 分组交换原理4.3.2 网络分层结构与 TCP/IP 协议4.3.3 IP 协议与路由器

4.3.1 分组交换原理

通信系统中“交换”的含义 “ 交换” (switching) 的含义就是转接——把一

条链路转接到另一条链路，使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照

某种方式动态地分配传输线路的资源 常用的交换方式：

电路交换 分组交换

…

交换机

什么是电路交换？

电路交换的过程： 建立连接 通信 释放连接

应用：电话通信

交换机

交换机

交换机

交换机用户线

用户线

中继线中继线

B

D

C

A

分析： 通话全过程中用户始终占用端到端的

传输信道 由于计算机数据传输具有突发性，不

适合计算机数据通信

什么是分组交换 (Packet Switching)?

分组交换的要点： 被传输的数据必须划分为若干“分组” (packet, 简称“包” ) 进行传输 每个分组中必须包含收发双方的地址 每个分组由分组交换机进行处理、存储和转发才能送达目的地

每个分组的格式如下： 有效载荷 ( 传输的数据 ) 校验

信息发送计算机

地址目的计算机

地址编号

分组交换示意：

3

2

1

（ c ）

13

2

（ b

）

不同的包在不同链路上进行传输

12

3

3 2 1

（ d

）

到接收方后，再将收到的包按顺序组合在一起

3 2 1

3 2 1

（ a ）

发送方将数据分成3 个包

表示分组交换机

分组交换与存储转发的过程 1. 发送数据的计算机将包发给它所连接的分组交换机2. 交换机每收到一个包，就检查该包的目的地地址：

若数据包目的地是直接与之相连的计算机，交换机就将包发往该计算机 若目的地不是本分组交换机上的计算机，则选择一个输出端口，通过连接该端口的高速

数字线路转发给另一台交换机（如果线路忙，则可放在对应的缓冲器中排队等候）

3. 下一台交换机收到数据包之后，重复过程 2 直到数据包到达目的计算机为止

例 1 ：计算机 C 发送数据包给计算机 H例 2 ：计算机 A 发送数据包给计算机 G

交换机1

1234

12345

交换机2

1234

12345

交换机 31 2 3 4 5

1 2 3 4

交换机 41 2 3 4 5

1 2 3 4

高速数字通信干线A

B

C D E F G

H

分组交换机中的存储转发过程

H1

A

分组交换网

B

D

E

CH5

H6

H4H2

H3

H1 向 H5 发送分组交换机

主机

在交换机 E 暂存查找转发表

找到转发的端口

最后到达目的主机 H5在交换机 C 暂存查找转发表

找到转发的端口

在交换机 A 暂存查找转发表

找到转发的端口

分组交换网中传输路径的变化

H1

A

分组交换网

B

D

E

CH5

H6

H4H2

H3

H1 向 H5 发送分组

H2 向 H6 发送分组

注意分组路径的变化！交换机

主机

实现分组交换的关键设备： ——分组交换机

分组交换机的任务是：负责包（分组）的转发 分组交换机的工作方式是：存储转发 + 路由选择 分组交换机的工作过程：

1. 从输入端口收到一个包后，放入缓冲区， 2. 检查数据包的目的计算机地址，查转发表，决定该送哪个输出端口进行转发3. 把包从输入缓冲器中取出，送到相应输出端口的缓冲区中排队4. 输出端口每发送完一个包，就从自己的缓冲区中提取下一个包进行发送

…

输

入

分

组 输

出

分

组

路由表及路由选择协议

33

33

输入端口

…

11

11 22

22

交换结构

转发表

分组处理 …

输出端口…

11

11

33

33

22

22

分组交换技术的优点和问题 优点：

高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生

存性。

分组交换带来的问题： 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

分组交换技术的应用 几乎所有数据通信网都采用分组交换技术：

交换式以太局域网、移动通信网（手机） 公用数据网（传统的广域网）

低速： X.25 公共分组交换网（传输速率仅 64kbps ） 利用公共电话网以分组交换方式进行数据传输

中速：使用光纤作为传输介质 帧中继交换网 （传输速率可达 2Mbps ）

中高速：使用光纤作为传输介质 SMDS（交换多兆位数据服务网） ATM 广域网 (155Mbps或者更高 )

因特网（ Internet ）

4.3.1 网络分层结构 与 TCP/IP 协议

（ 1 ）网络的分层结构

（ 2 ） TCP/IP 协议 ( 栈 )

4.3 因特网的组成

因特网的组成 Internet指的是通过采用 TCP/IP 协议连接其他计

算机网络发展而成的世界上最大的一个互连网络。

协议：无论想让网络上的另一台计算机做什么事情，都需要有协议。

网络采用分层结构：网络是个复杂的系统，采用“分层”的方法可以把复杂问题局部化，易处理。

4.3.1 网络分层结构 与 TCP/IP 协议

计算机网络为什么要划分层次？

文件处理模块

主机 甲 主机乙

文件处理模块

只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令

是按照水平方向的虚线传送的

把文件交给下层模块进行发送

把收到的文件交给上层模块

例：主机甲通过网络向主机乙传送文件

文件处理模块

主机 1 主机 2

文件处理模块

通信服务模块 通信服务模块

网络接入模块 网络接入模块通信网络

网络接口

网络接口

网络接入模块负责完成与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。

计算机网络为什么要划分层次？例：主机甲通过网络向主机乙传送文件

计算机网络分层的好处 优点：

各层之间是独立的 灵活性好 结构上可分割开 易于实现和维护 能促进标准化工作

(2) TCP/IP 协议 (栈 )

什么是 TCP/IP 协议？ TCP/IP 是网络互连的工业标准，它包含了 100多个协议，其

中： TCP （传输控制协议 ) 和 IP( 网际协议 ) 是两个最基本、最重要的协议

4

3

2

1 网络接口和硬件层( 以太网 , FDDI, X.25, ATM 等 )

网络互连层（ IP ）

传输层（ TCP 或 UDP ）

应用层 (SMTP, HTTP, FTP 等 )如电子邮件、 HTML 文档等应用数据应用数据转换为 1 个或多个 TCP 数 据 段 或 UDP 数据段TCP 或 UDP 数据报封装为IP 数据报IP 数据报封装为以太网信息帧或 ATM 信元后进行传输

规定怎样进行端—端的数据传输

规定了在整个互连风中所有计算机统一使用的编址方案和数据包格式

规定了怎样与各种不同的物理网络进行接口

应用程序与应用程序之间通信时使用的协议

4.3.2 IP 协议和路由器（ IPv4 ）

因特网一般是由多种不同的网络互连而成，各种网络使用不同的帧格式化和编址方案，为了屏蔽不同物理网络中的计算机地址的差异，就必须解决计算机统一编址、数据包格式转换等问题。

统一编址与统一数据包格式 --IP 协议 统一编址采用 IP 地址 统一数据包格式采用 IP 数据报

因特网上的计算机如何统一编址？ 因特网上的每台计算机使用“ IP 地址”作为其标识 IP 地址的特点：

惟一性：网络上的每台计算机都有一个与众不同的惟一的 IP 地址 简明性：所有地址的长度都是 32 个二进位

IP 地址的格式：包含网络号和主机号 2 个部分AA 类地址类地址

BB 类地址类地址

CC 类地址类地址

主机号（ 24位）网络号0

主机号 (8位 )网络号011

主机号（16位）网络号01

指明计算机所属网络的编号

指明计算机在该网络中的编号

由网络号中的最高 1 ～ 4位指明该 IP 地址的类型：分为 A, B, C, D, E 五类 IP地址

5类 IP 地址的具体格式

0 1 2 3 4 31 011 1 组播地址D 类0 1 2 3 4 3111 1 1 备用E 类

00 1 8 16 31 网络号 主机号A 类

（超大型网络 , 拥有大量主机 (≤16 777 214) ，只有不超过 126 个网络可获得 A 类地址） 0 1 2 16

3101 网络号 主机号B 类（规模适中的网络 (≤65 534 台主机 ) 使用 B 类地址，首字节大于等于 128 但小于 192 ）

0 1 2 3 24 3101 1 网络号 主机号C 类

（用于主机不超过 254 台的小型网络，其 IP 地址的首字节大于等于 192 但小于 224 ）

两个特殊的 IP 地址： 主机号为“全 0” 的 IP 地址，称为网络地址，用来表示整个一个网络 主机号为“全 1” 的 IP 地址，称为直接广播地址，指整个网络中的所有主机

IP 地址的“点分十进制”表示 IP 地址是一个 32 位的地址码，书写和记忆很不方便 “ 点分十进制”表示：用 4 个十进制数来表示一个 IP 地址，每

个十进制数对应 IP 地址中的 8位 (1 个字节 ) ，相互间用小数点 “ ．” 隔开。 例如：

26.10.35.48 00011010 00001010 00100011 00110000 A类地址130.24.35.68 10000010 00011000 00100011 01000100 B类地址202.119.23.12 11000110 01110111 00010111 00001100 C类地址

点分十进制表示 二进制表示 IP 地址类型

IP 地址 首字节取值 网络号取值 举 例 A 类 1 126 1 126 61.155.13.142

B 类 128 191 128.0 191.255 128.11.3.31

C 类 192 223 192.0.0 223.255.255 202.119.36.12

A、 B、 C三类 IP 地址的十进制表示：

关于子网掩码 子网掩码——一个 32 位的代码，其中与 IP 地址中网络号、子

网号对应位置处的二进位是“ 1” ，与主机号对应位置处的二进位是“ 0”

三类 IP 地址的默认子网掩码： A类地址 : 255.0.0.0

B类地址： 255.255.0.0

C类地址 : 255.255.255.0 子网掩码的用途：从 IP 地址中分离出网络号和子网号

例 1 ：若某主机 IP 地址为： 202.119.36.12 （ C类地址） 它的子网掩码为： 255.255.255.0

2.IP 数据报的格式 相互连接的异构网络，它们使用的数据包（或帧）格式互不兼容，因此不能

直接将一个网络送来的包传送给另一个网络 解决方法： IP 协议定义了一种独立于各种物理网的统一的数据包格式，称

为 IP 数据报（ IP datagram） IPv4 数据报格式：

头部头部

0 3 4 7 8 15 16 0 3 4 7 8 15 16 31 31

数据区

数据区

数据( 最少1B，包含头部最大64KB）

接收 IP数据报的主机 IP地址 32bit

发送 IP 数据报的主机 IP地址 32bit

数据报总长度 16bit服务类型头部长度版本号

标志 片偏移 13bit

头部检验和 16bit生成时间 8bit 协议 8bit

标识 16bit

可选字段（长度可变） 填充

源地址和目的地址

有效载荷

校验信息

3. 路由器

网络互连问题 为了把不同类型的网络互连成一个统一的网络，必须解决：

所有计算机应统一编址 传输的数据包格式应该统一 ···

解决方案：统一采用 TCP/IP 协议！ 使用的网络互连设备：路由器

Ethernet

FDDI

ATM

(a) 实际的物理网络

IP 路由器主机

主机

主机

主机主机

主机

主机

主机

(b) 用 户 所 看 到 的 网络

多个异构网络互连而成的计算机网络

主机

主机

主机主机主机

主机

主机主机

路由器的作用与连接 路由器是一种能够连接异构网络的分组交换机，其作用是：

按照路由表在网络之间转发数据包 根据需要对数据包的格式进行转换

路由器的 IP 地址设置： 当路由器某端口连接一个物理网络时，该端口应分配 IP 地址 该端口的 IP 地址，其网络号必须与所连接物理网络的网络号相同

例：

78.0.0.15

223.240.129.17223.240.129.2

223.240.129.5

131.108.99.5

131.108.99.2

网络地址 78.0.0.0 A 类网络

网络地址 131.108.0.0 B 类网络

FDDI 广域网广域网

网络地址 223.240.129.0 C 类网络

R1 R2

主机 A

主机 B

1 2 1 2

4.3.3 因特网的发展

1.因特网的发展过程 因特网 ( 互联网 ) 是将遍布世界各地的计算

机网络互连而成的一个超级计算机网络 简史：

起源于 1969 年的美国国防部ARPANET 计划 (4 个大学互连 ) 1971 ：扩展至 15个节点 1982 ：确定 TCP/IP 协议作为网络互连标准 1991： - Tim Berners Lee 推出 - World Wide Web (WWW o

r Web)

20 世纪 90年代起，美国政府机构和公司的计算机也纷纷入网，并迅速扩大到全球约 100 多个国家和地区

Tim Berners-Lee

2. 主机地址及其域名 因特网采用 TCP/IP 协议由大量网络和计算机互连而成，网络中的每一台主机都有一个 IP 地址

IP 地址用 4 个十进制数字来表示，不便记忆和使用因特网采用域名 (domain name) 作为 IP 地址的文字

表示，易用易记。例如：南京大学的 WWW服务器的 IP 地址是： 202.11

9.32.7 它对应的域名是： www.nju.edu.cn

2. 主机地址及其域名 用户可以按 IP 地址访问主机，也可按域名访问主

机 主机 IP 地址与域名的关系：

一个 IP 地址可对应多个域名，一个域名只能对应一个 IP 地址

主机从一个物理网络移到另一个网络时，其 IP

地址必须更换，但可以保留原来的域名。

因特网域名的结构域名的格式： 5级域名 .4级域名 .3级域名 .2级域名 .顶级域名

举例： 中国南京大学校园网 www 服务器的域名为 :

netra . nju . edu . cn

主机名 . 网络名 . 机构名 . 国家名域名总长度不超过 255 个字符

因特网的域名空间 为避免域名重复，因特网的域名空间划分为许多不同的域，每个域又分若干子域，从而构成因特网的域名空间

cn

edu

nju

因特网域名空间

mil gov com net org ukedu 根int

ac net

seu tsinghua pku

wwwwww bbsbbs cscs…………

顶级域名

二级域名

三级域名

四级域名

cctvcctv

wwwwww

域名系统与域名服务器域名系统（ Domain Name System ， DNS ）

将主机域名翻译为主机 IP 地址的软件，它是一个分布式数据库系统。

域名服务器（ Domain Name Server ， DNS ） 运行域名系统软件的一台服务器 每个因特网服务提供商 (ISP)或校园网都有一个域名服

务器，它用于实现入网主机域名与 IP 地址的转换域名解析：完成从 IP 到域名的转换过程

4.3.4 因特网的接入

因特网的接入方法 单位用户：用户计算机接入局域网，局域网通过路由

器并租用电信局的远程数据通信线路接入因特网 家庭用户：通过电话拨号、 ADSL、光纤等方式接入

ISP 的路由器， ISP 的路由器接入因特网。

例 1 ：电话拨号接入计算机网 通过本地公用电话网接入计算机网络 设备：电话 MODEM（调制解调器） 技术原理：数字调制 最高传输速率： 56Kbps

把计算机送出的数字信号采用频移（或相移）键控的方法调制成为适合于在用户线上传输的音频模拟信号

把从电话线接收到模拟信号恢复成数字信号送给计算机

MODEMMODEM 本地本地电话网电话网

MODEMMODEM 计算机网络计算机网络

音频模拟信号音频模拟信号

计算机计算机

数字数字信号信号

因特网服务提供商 (ISP)

计算机用户

数字数字信号信号

缺点： 传输速率低 每次都要拨号 上网时不能通电话 费用不便宜

例 2 ： ADSL 接入 不对称数字用户线 (ADSL): 也

通过本地公用电话网接入计算机网络

配置： ADSL Modem 以太网网卡

传输速率： 上传 : 64kbps～ 256kbps

下行速度 : 1～ 8Mbps

频率

25.875kHz 1.104MHz

上行通道 下行通道

语音频道

4.3125kHz 的子通道4kHz

224 个下行子通道26 个上行子通道

138kHz

(1) 上网和通话互不影响(2) 不需要缴付额外的电话费(3) 传输速率可根据线路情况调整

例 3 ： Cable Modem 接入 利用有线电视网同轴电缆接入计算机网 原理：

有线电视电缆 ( 宽带同轴电缆 )容量大，抗干扰能力强 将同轴电缆的整个频带划分为 3部分：

数字信号上传使用的频带为 5M～ 42M Hz( 传输速率： 320kb/s～ 10Mb/s)

模拟信号下传为 50M～ 550M Hz

数字信号下传则为 550M～ 750M Hz( 传输速率： 36Mb/s)

缺点： 多个用户共享一个频段的带宽使数据传输速率不够稳定。如果有 n 个用户都在上网，则单个用户的速率可能只有 36/n （ Mbps ）

例 4 ：光纤接入计算机网 使用光纤作为计算机接入网络的主要传输介质 , 分为：

光纤到小区（ FTTZ ）：将光网络单元放置在小区某处，为整个小区服务 光纤到大楼（ FTTB ）：将光网络单元放置在大楼内，以每栋楼为单位，提供高速数据通信、远程教育等宽带业务，主要为单位服务

光纤到家庭（ FTTH ）：将光网络单元放置在楼层或用户家中，由几户或 1

户家庭专用，为家庭提供宽带业务

我国目前采用“光纤到楼、以太网入户”（ FTTx+ETTH）