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第03章网络体系结构与网络协议 计算机网络课件制作人谢希仁计算机与网络技术基础教师王长全邮箱教师王长全邮箱abc7010126.计算机网络课件制作人谢希仁第3章网络体系结构与网络协议3第3章网络体系结构与网络协议?相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 ?“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。 43.1网络体系结构的基本概念?网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；?网络协议的三要素语法、语义与时序语法用户数据与控制信息的结构与格式语义控制信息每一部分的意义；时序事件实现顺序的详细说明。 网络协议的三要素语法、语义与时序语法用户数据与控制信息的结构与格式语义控制信息每一部分的意义；时序事件实现顺序的详细说明。 5邮政系统通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信者收信者运输部门的邮件运输业务书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门路由选择运输转送邮局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件通信者活动邮局服务业务邮局转送业务6几个重要的概念?协议（protocol）?层次（layer）?接口（interface）?体系结构（architecture）7层次（layer）?层次是人们对复杂问题处理的基本方法；?将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；?对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；?不同的系统分成相同的层次；?对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；8?分层可以带来的好处1.各层之间是独立的2.灵活性好3.结构上可分开4.易于实现和维护5.能促进标准化工作9接口（interface）?接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点;?同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务。 同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务。 10网络体系结构?一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集;一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集;?网络协议是按层次结构来组织的；?网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；?体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。 体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。 113.2开放系统互连参考模型OSI?OSI(Open SystemInterconnect）开放式系统互连参考模型是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的。 ?“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的也遵循同一标准的其他系统进行通信。 ?它从低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层（传输层）、会话层、表示层和应用层。 12OSI参考模型的结构应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层传输介质传输介质传输介质主机CCP主机CCP网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机CCP网络层数据链路层物理层13例邮政系统的分层结构通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信者收信者运输部门的邮件运输业务书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门路由选择运输转送邮局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件通信者活动邮局服务业务邮局转送业务14 （1）物理层物理层传送数据的单位比特物理层的作用是尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层（数据链路层）提供统一的服务。 物理层具体考虑的问题如下?如何表达“1”或“0”。 ?确定连接介质，确定连接器引线的数目及定义、接头的几何尺寸和锁紧装置。 ?指出一比特信息占用多长时间。 ?初始连接如何建立。 ?结束通信时如何拆除连接。 15 （2）数据链路层数据链路层传送数据的单位帧数据链路层的作用是实现在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。 数据链路层具体考虑的问题如下?差错控制问题?流量控制问题16 （3）网络层网络层传送数据的单位分组网络层的作用是利用地址信息将源端发出的分组经过各种途径（结点和链路）送到目的端。 网络层具体考虑的问题如下?路由选择问题最佳路径?流量控制问题解决拥塞问题?网络寻址问题?网络互连问题17 （4）传输层传输层传送数据的单位报文传输层的作用是承上启下，在源端和目的端提供可靠的端到端的服务，实现通信子网的透明传输。 传输层具体考虑的问题如下?分割和重组数据。 ?提供可靠的端到端服务。 ?流量控制问题。 18 （5）会话层会话层传送数据的单位报文会话层的功能是维护通信中两个结点之间会话连接的建立、维护和断开，以及数据的交换。 会话层具体考虑的问题如下?会话控制问题?会话管理问题19 （6）表示层表示层传送数据的单位报文表示层定义用户或应用程序之间交换数据的格式，提供数据表示之间的切换服务，保证传输的信息到达目的端后意义不变。 ?表示层具体考虑的问题如下?编码（解码）?加密（解密）?压缩（解压缩）20 （7）应用层应用层传送数据的单位报文应用层直接面向用户应用，为用户提供对网络资源方便的访问服务。 应用层具体协议如下?TELNET?FTP?电子邮件收发协议?21OSI环境中的数据传输过程数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层传输介质传输介质传输介质CCP网络层应用进程AOSI环境应用进程B主机A主机BA A数据链路层物理层CCP网络层A A22在0SI/RM中，系统A的用户向系统B的用户传送数据时，实际的物理通信过程是经过发送端的各层从上到下传递到物理信道，然后再传输到接收端的最低层，经过从下到上各层传递，最后到达系统B的应用进程。 在0SI/RM中，系统A的用户向系统B的用户传送数据时，实际的物理通信过程是经过发送端的各层从上到下传递到物理信道，然后再传输到接收端的最低层，经过从下到上各层传递，最后到达系统B的应用进程。 物理通信23applicationtransportworklinkphysicalapplicationtransportworklinkphysicalapplicationtransportworklinkphysicalapplicationtransportworklinkphysicalapplicationtransportworklinkphysicalapplicationtransportworklinkphysicalapplicationtransportworklinkphysicalapplicationtransportworklinkphysicalworklinkphysicalworklinkphysicaldatadata物理通信24OSI环境中的数据流应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用进程A应用进程B比特序列帧分组报文数据单元数据单元数据数据传输介质主机A主机B25?各层数据之间的关系封装与拆封一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程称为封装。 封装就是在数据前面加上特一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程称为封装。 封装就是在数据前面加上特定的协议头部信息。 反之则为拆封。 数据协议头发送信件的例子信-装入信封-装入邮包数据26数据段头数据段头数据网络头帧头段头数据网络头帧尾数据报文分组帧比特信号数据报文分组帧比特信号011111100110000000111100000011001100011011111111010001110数据多层封装封装拆封27层次协议?开放系统的构成非常复杂，计算机系统、操作系统、应用软件、网络设备等不同厂商、存在着不同的语种、不同的型号、不同的功能等；开放系统的构成非常复杂，计算机系统、操作系统、应用软件、网络设备等不同厂商、存在着不同的语种、不同的型号、不同的功能等；?为保证发送方数据能够被接收方正确地识别和接收，在发送方与接受方之间必须约定每一层次的共同的标准，这种标准即为各层的协议。 为保证发送方数据能够被接收方正确地识别和接收，在发送方与接受方之间必须约定每一层次的共同的标准，这种标准即为各层的协议。 ?因此网络数据传输实际上是跨越各层的物理传输，但理论上为了便于标准的制定和协议的分析，通常更为注重同等层之间的逻辑传输。 因此网络数据传输实际上是跨越各层的物理传输，但理论上为了便于标准的制定和协议的分析，通常更为注重同等层之间的逻辑传输。 ?协议头部信息的内容、长度、格式等就是各层协议的具体体现。 协议头部信息的内容、长度、格式等就是各层协议的具体体现。 28物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层第第7层第层第6层第层第5层第层第4层第层第3层第层第2层第层第1层层应用层协议会话层协议传输层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议表示层协议应用层协议会话层协议传输层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议表示层协议物理传输信道对等层逻辑通信29信件内容邮件地址货物地址发信人邮政局运输系统发信人邮政局运输系统信件内容邮件地址货物地址收信人对信件内容的共识对信件如何传递的共识对货物如何运输的共识对信件如何传递的共识对货物如何运输的共识P3P2P1公路，铁路，航空对等层逻辑通信示例邮局问题 1、收信人与发信人之间、邮政局之间，他们是在直接通信吗？ 2、邮政局、运输系统各向谁提供什么样的服务？ 3、邮政局、收发信人各使用谁提供的什么服务？邮政局运输系统、邮政局、收发信人各使用谁提供的什么服务？邮政局运输系统30层次数据功能设备应用层报文确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。 计算机网关表示层报文用于处理交换信息的表示方式。 它包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。 会话层报文组织两个远程系统建立通信会话，并管理数据的交换。 传输层报文负责主机中两个进程之间的通信。 它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是通信体系结构中最关键的一层。 网络层分组或包通过路由算法，为分组选择最适当的路径。 网络层要实现路由选择、拥塞控制与网络互连等功能。 路由器数据链路层帧在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，采用差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。 交换机网桥物理层比特利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明地传送比特流。 介质集线器OSI参考模型中各层的功能31?TCP/IP是四层的体系结构应用层、传输层、互连层和主机-网络层。 OSI/RM TCP/IP应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层互连层主机网络层3.3TCP/IP的体系结构32TCP/IP协议体系结构应用层传输层互联层主机-网络层应用层传输层互联层主机-网络层Ether TokenRing其他协议ARP RARPIPTCPUDPTel FTPSMTP DNS其他协议33主机网络层?TCP/IP参考模型的最低层，负责把TCP/IP数据包发送到网络传输介质上，并从网络传输介质上接收数据包发送到网络传输介质上，并从网络传输介质上接收IP数据报。 ?TCP/IP协议集没有对本层的内容作出具体的规定，允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，例如局域网的协议集没有对本层的内容作出具体的规定，允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，例如局域网的Ether、令牌网、分组交换网的、令牌网、分组交换网的X. 25、帧中继、ATM协议等;34互连层?解决从一个网络到其他网络的通信问题。 ?协议IP、ICMP、ARP、RARP等，其中最常用的协议是网际协议等，其中最常用的协议是网际协议IP。 ?IP协议的任务是对数据包进行寻址和路由，并从一个网络转发到另一个网络；协议的任务是对数据包进行寻址和路由，并从一个网络转发到另一个网络；?议互联网控制报文协议ICMP则专门用来处理差错报告和控制；则专门用来处理差错报告和控制；?地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP的作用是将源主机和目的主机的的作用是将源主机和目的主机的IP地址与物理地址相匹配。 35?也称主机到主机层，解决从一台计算机到另一台计算机的通信问题也称主机到主机层，解决从一台计算机到另一台计算机的通信问题?协议TCP、UDP?TCP协议是传输层的一种面向连接的通信协议，能进行流量控制和差错控制。 协议是传输层的一种面向连接的通信协议，能进行流量控制和差错控制。 ?UDP（用户数据报协议）是对IP协议的扩充，它采用无连接的方式向高层提供服务，它不保证数据的可靠投递。 协议的扩充，它采用无连接的方式向高层提供服务，它不保证数据的可靠投递。 传输层36应用层?网络终端协议Tel?文件传输协议FTP?简单邮件传输协议SMTP?域名系统DNS?简单网络管理协议SNMP?超文本传输协议37TCP/IP协议应用层传输层互联层主机-网络层应用层传输层互联层主机-网络层Ether TokenRing其他协议ARP RARPIPTCPUDPTel FTPSMTP DNS其他协议用户程序应用层协议、SMTP、FTP等等TCP协议端口号IP协议IP地址ARP/RARP协议MAC物理地址38应用层传输层互连层主机网络层主机A主机B路由器网络2网络1应用层传输层互连层主机网络层网际层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到互连层而没有使用传输层和应用层。 393.4OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较3.4.1对OSI参考模型的评价?层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；?OSI参考模型将“服务”与“协议”的定义结合起来，使得参考模型变得格外复杂，实现困难；?寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；?数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；?参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；?严格按照层次模型编程的软件效率很低。 403.4.2对TCP/IP参考模型评价?在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其它非TCP/IP协议族；?TCP/IP参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；?物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，但是TCP/IP参考模型却没有做到这点。 41?TCP/IP体系结构最下面的主机网络层并没有具体内容。 ?因此往往采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。 五层协议的体系结构42五层协议的体系结构?应用层(application layer)?传输层(transport layer)?网络层(work layer)?数据链路层(data linklayer)?物理层(physical layer)数据链路层5应用层4传输层3网络层2数据链路层1物理层43?应用层直接为用户的应用进程提供服务。 ?传输层负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。 ?网络层负责为分组交换网上的不同主机提供服务。 ?数据链路层将网络层交下来的IP数据包组装成帧，在两个相邻结点间的链路上“透明”地传送帧中的数据。 ?物理层透明地传输比特流。 44主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层PDU（协议数据单元）45主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2应用层PDU再传送到传输层加上传输层首部，成为传输层数据46主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2传输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）47主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧48主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体49主机1向主机2发送数据?应用层(application layer)5432154321物理传输媒体主机1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机250主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2物理层接收到比特流，上交给数据链路层51主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层52主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2网络层剥去首部，取出数据部分上交给传输层53主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2传输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层54主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程55主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2我收到了AP1发来的应用程序数据！56主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4传输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部57主机1向主机2发送数据5432154321主机1AP2AP1主机21