计算机网络课件第3章 网络体系结构与网络协议

1、 第3章 网络体系结构与网络协议 3.1 计算机网络体系结构 3.2 OSI参考模型 3.3 TCP/IP参考模型 3.4 局域网协议标准 3.1 计算机网络体系结构 3.1.1 网络体系结构的相关概念 3.1.2 计算机网络体系结构 3.1.1 网络体系结构的相关概念 1. 协议 协议(Protocol)是一种通信约定。就邮政通信而言，就存在很 多通信约定。 网络协议就是为实现网络中的数据交换建立的规则标准或约 定，它主要由语法、语义和时序三部分组成，即协议的三要素。 语法：是用户数据与控制信息的结构与格式。 语义：是需要发出何种控制信息，以及要完成的动作与应 做出的响应。 时序：是对事件实

2、现顺序控制的时间。 3.1.1 网络体系结构的相关概念 2. 实体、层次、接口 实体(Entity) 在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成，这些实体 抽象地表示通信时的软件元素(如进程或子程序)或硬件元素(如智 能I/O芯片等)。 实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施。 层次(Layer) 接口(Interface) 接口是同一个节点或节点内相邻层之间交换信息的连接点。在 邮政系统中，邮箱就是发信人与邮递员之间规定的接口。 3.1.2 计算机网络体系结构 把网络层次结构模型与各层次协议的集合定义为计算机网络体 系结构。网络体系结构对计算机网络应实现的功能进行了精确的 定义，而这

3、些功能是用什么样的硬件与软件去完成的，则是具体 的实现问题。为了减少计算机网络的复杂程度，按照结构化设计 方法，计算机网络将其功能划分为若干个层次，较高层次建立在 较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能。网络 中的每一层都起到隔离作用，使得低层功能具体实现方法的变更 不会影响到高一层所执行的功能。计算机网络中采用层次结构的 好处是： 各层之间相互独立。 灵活性好。 各层都可采用最合适的技术来实现。 易于实现维护。 有利于促进标准化。 3.2 OSI参考模型 3.2.1 OSI参考模型的基本概念 3.2.2 OSI参考模型的结构 3.2.3 OSI参考模型各层的功能 3.2.4 OS

4、I环境中的数据传输过程 3.2.1 OSI参考模型的基本概念 1. OSI参考模型的提出 1974年，ISO发布了著名的ISO/IEC7498标准，它定义了网络 互联的七层框架，也就是开放系统互连OSI参考模型。在OSI框架 下，进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的 互连性、互操作性和应用的可移植性。 2. 体系结构的分层方法 体系结构 服务定义 协议规格说明 3.2.2 OSI参考模型的结构 ISO将整个通信功能划分为七个层次，划分层次的主要原则是： 网中各节点都有相同的层次。 不同节点的同等层具有相同的功能。 一个节点内相邻层之间通过接口通信。 每一层可以使用下一层提供的服

5、务，并向其上层提供服务。 不同节点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。 3.2.3 OSI参考模型各层的功能 1. 物理层 该层是网络通信的数据传输介质，由连接不同节点的电缆与设 备共同构成。 物理层的主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连 接，负责处理数据传输速率并监控数据出错率，以便能实现数据 流的透明传输。 2. 数据链路层 数据链路层的主要功能是：在物理层提供的服务基础上，数据 链路层在通信的实体间建立数据链路连接，传输以“帧”为单位 的数据包，并采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线 路变成无差错的数据链路。 3. 网络层 网络层的主要功能是：为数据在节点之间传输创

6、建逻辑链路， 通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最佳路径，以及实现 拥塞控制，网络互联等功能。 3.2.3 OSI参考模型各层的功能 4. 传输层 传输层的主要功能是：向用户提供端到端的服务，处理数据包 差错、数据包次序以及其他一些关键传输问题。传输层向高层屏 蔽了下层数据通信的细节，因此，它是计算机通信体系结构中关 键的一层。 5. 会话层 会话层的主要功能是：负责维护两个节点之间的传输链接，以 便确保点到点的传输不中断，以及管理数据交换等功能。 6. 表示层 表示层的主要功能是：用于处理在两个通信系统中交换信息的 表示方式，主要包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩 与恢复等功能。

7、 7. 应用层 应用层的主要功能是：为应用软件提供了很多服务，例如，文 件服务器，数据库服务、电子与其他网络软件服务。 3.2.4 OSI环境中的数据传输过程 1.OSI的通信模型结构 第1章目录 3.2.4 OSI环境中的数据传输过程 2. OSI中数据传输过程 3.2.5 单元实训：OSI参考模型 实训目的 了解网络标准化组织。 理解OSI参考模型体系结构，能够较清楚地理解OSI参考模型 各层的功能。 实训条件 Windows 操作系统的计算机，具备Internet环境。 实训内容和步骤 到Internet网查询ISO、ANSI组织 (2)比较写上了地址并且贴上了邮票的信件与数据帧之间的相

8、似 之处、列出OSI模型的层次结构，并概略地陈述各层的功能、将信 件通过邮政系统发送和数据包通过OSI模型各层传输进行比较 。 3.3 TCP/IP参考模型 1. TCP/IP的层次结构 2. TCP/IP协议的特点 3.3.1 TCP/IP的协议体系 1. TCP/IP的层次结构 TCP/IP协议遵守一个四层的模型概念：自上而下依次为应用层 (Application Layer)、传输层(Transport Layer)、网际层(Internet Layer)和网络接口层(Network Interface Layer)。 3.3.1 TCP/IP的协议体系 2. TCP/IP协议的特点 T

9、CP/IP协议的特点 开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算 机硬件与操作系统； 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更 适用于互连网中； 统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都 具有唯一的地址； 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。 3.3.1 TCP/IP的协议体系 2. TCP/IP协议的特点 TCP/IP与OSI的共同点 TCP/IP与OSI都采用了协议分层方法，将庞大且复杂的问 题划分为若干个较容易处理的范围较小的问题； TCP/IP与OSI的协议层次的功能大体上相似，都存在网络 层、传输层和应用层。两者都可以解决异构网的互连，实现

10、世界 上不同厂家生产的计算机之间的通信； TCP/IP与OSI都是计算机通信的国际性标准，OSI是国际通 用的，TCP/IP是工业界使用最多的； TCP/IP与OSI都能够提供面向连接和无连接两种通信服务 机制； TCP/IP与OSI都是基于一种协议集的概念，协议集是一簇 完成特定功能的相互独立的协议。 3.3.2 TCP/IP协议集 TCP/IP是一个通信协议集的缩写，它是一个完整的协议簇，由 若干个协议构成一个网络协议体系。 3.3.2 TCP/IP协议集 1. 应用层协议 远程终端协议TELNET 文件传输协议FTP 简单邮件传输协议SMTP 域名服务DNS 动态主机配置协议DHCP 路

11、由信息协议RIP 超文本传输协议HTTP 网络文件系统NFS 引导协议BOOTP 简单网络管理协议SNMP 3.3.2 TCP/IP协议集 2. 传输层协议 传输控制协议(TCP) 用户数据报协议(UDP) 3. 网际层协议 网际协议IP 网际控制报文协议ICMP 网际主机组管理协议IGMP 地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP 3.3.3 OSI和TCP/IP的差异 1. 模型设计的差别 2. 层数和层间调用关系不同 3. 最初设计差别 4. 对可靠性的强调不同 5. 标准的效率和性能上存在差别 5. 市场应用和支持上不同 3.3.4 TCP/IP协议的安装与设置 1. IP地址 2

12、. 子网掩码 3. 默认网关 4. 安装与测试TCP/IP 5. Private IP的使用 1. IP地址 在以TCP/IP为通信协议的网络上，每台主机都必须拥有惟一的 IP地址，该IP地址不但可以用来标识每一台主机，其中也隐含着网 络的信息。 为了适合不同大小规模的网络需求，IP地址被分为A、B、C、D、 E五大类，其中A、B、C类是可供Internet网络上的主机使用的IP 地址，而D、E类是供特殊用途使用的IP地址。可以根据具体的网 络规模来申请适合的Network ID类别 3.3.4 TCP/IP协议的安装与设置 2. 子网掩码 子网掩码也占用32位，它可以用来从IP地址中得到Ne

13、twork ID 和Host ID，也可以用来将网络切割为若干个子网。 利用子网掩码获得IP地址的Network ID和Host ID 利用子网掩码切割子网 3. 默认网关 在同一个网络区域（Network ID相同）内的主机，可以直接相 互通信；而不同网络区域（Network ID不同）内的主机，则无法直 接相互沟通，必须通过IP路由器进行中转。 两个使用TCP/IP协议的网络之间的连接可以依靠IP路由器来完 成。 3.3.4 TCP/IP协议的安装与设置 4. 安装与测试TCP/IP 选择“开始”“设置”“网络和拨号连接”，在打开的对话框中用 鼠标右键单击“本地连接”，从弹出的快捷菜单中选

14、择“属性”命令， 并单击“安装”“协议”“添加”“Internet协议(TCP/IP)”，在“本地 连接 属性”对话框选中“Internet协议(TCP/IP)”单击“属性”设 置IP地址、子网掩码、默认网关等。 5. Private IP的使用 前面所介绍的IP属于公用IP地址，这些地址可以直接用来连接 Internet，而专用IP是不能直接对外的IP地址，只能够在单位内部 的Intranet（企业内部网）中使用。虽然专用IP无法直接连接到 Internet，但却可以通过防火墙、NAT等设备间接连接到Internet。 从外界的Internet上只能看到使用公用IP地址的NAT设备，但是看

15、不到在单位内部使用专用IP地址的主机。 3.3.4 TCP/IP协议的安装与设置 1. 实训目的 学会网络硬件设备的连接方法； 学会设置IP地址、子网掩码、网络标识等简单配置； 学会网络连接与配置正确性的测试。 2. 实训条件 已经利用制作好的非屏蔽超五类双绞线连接客户机和服务器； 客户机已经安装了网卡和Windows 2000 Professional操作 系统； 服务器已经安装Windows Server 2003或Windows 2000 Server操作系统，且安装网卡； 3. 实训内容和步骤 3.3.5 IP地址的配置与测试 1. 实训目的 学会使用ping命令来测试网络的连通性和可

16、达性的方法； 学会使用ipconfig命令来显示本地计算机IP地址和网卡MAC 地址； 学会使用netstat命令来显示网络连接信息的命令使用； 学会使用路由跟踪命令tracert； 学会使用ARP命令来显示和修改ARP表项的命令使用。 2. 实训条件 已经使用集线器或者交换机将若干台计算机连成一个小型网 络。 每台计算机已经安装Windows 2000 Professional/Server或 Windows Server 2003操作系统。 已经为每台计算机设置确定的IP地址，其中一台计算机作为 服务器，其他计算机作为客户机。 3. 实训内容与步骤 3.3.6 常用网络命令的使用 3.4.

17、1 访问控制方式 3.4.2 IEEE 802参考模型与协议 3.4.3 局域网体系结构 3.4 局域网协议标准 以太网工作时多个站点共享一条 物理信道，但在某一时间片内只允许 一个站点发送数据、广播式通信，目 的站点接收；工作时，总线上多个站 点同时发送数据造成的冲突-称为碰 撞，就是不可避免的，以太网通信协 议-载波监听多路访问/碰撞检测方法 的内容就是如何减少碰撞？出现碰撞 后怎么解决的通信规则？ 带冲突检测的载波监听多路访问 就是先听后说，边发边听。 3.4.1 访问控制方式 1. 带有冲突检测的载波侦听多路访问方法 2. 令牌环网 令牌环网使用一个标记或称令牌沿着环循环。当各节点都没

18、 有帧(数据包)发送，令牌的形式为01111111，称空令牌。当一个 节点要发送帧时，需等待空令牌到达，然后将它改为忙令牌，即 01111110。紧跟着忙令牌，节点把数据帧发送到环上。由于令 牌是忙状态，所以其它节点不能发送帧，必需等待。发送的帧在 环上循环一周后再回到发送节点，将该帧从环上移去。同时将忙 令牌改为空令牌，传至后面的节点，使之获得发送帧的许可权。 3.4.1 访问控制方式 3. 令牌总线网 令牌总线网是将数据发送权按类似物理环路顺序形成闭合环 路，而数据信包的传仍在两节点间进行，环路中令牌的传送按 虚线逻辑环路传送。当一个节点要发送信包时，必须持有令牌。 持有令牌的节点发送完信

19、包或者发送的数据信包达到一定的个 数，必须将发送控制权移给下一个节点(称为下游节点)。这样网 上各节点都有平等的发送数据信包的权力，网上只有一个令牌， 完全消除了发送数据的竞争现象，彻底避免了冲突。 3.4.1 访问控制方式 1. IEEE 802参考模型 在1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会(简称IEEE 802委 员会)，专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE 802标准。 由于局域网中不需要中间数据交换，也即没有路由选择问题， 因此在局域网中没有网络层及以上层次，只有OSI参考模型下面的 两层，但是局域网中的数据链路层又分为逻辑链路子层 LLC(Logical Link

20、Control)和媒体访问控制子层MAC(Medium Access Control)两个子层，IEEE 802标准所描述的局域网参考模 型与OSI参考模型的关系。 3.4.2 IEEE 802参考模型与协议 2. IEEE 802标准 美国电气与电子工程师学会IEEE(Institute of Electrica1 and Electronics Engineers)802委员会；IEEE 802委员会专门制定局域 网标准。ISO把这个802规范称为ISO 802标准，因此，许多IEEE 标准也是ISO标准。如，IEEE 802.3标准就是ISO 802.3标准。 3.4.2 IEEE 802参考模型与协议 80