第3章计算机网络体系结构

1、现代计算机网络技术第第3 3章章 计算机网络体系结构计算机网络体系结构摘摘 要要本章阐述OSI参考模型网络互连的七层框架，详细介绍物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层的功能及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。介绍了TCP/IP参考模型及其层次结构，比较说明OSI参考模型与TCP/IP参考模型的异同。学习目标网络体系结构及协议的概念 理解理解掌握掌握掌握掌握了解了解 网络的体系结构的特点OSI与TCP/IP参考模型各层的功能OSI层次结构模型中数据的实际传送过程3.1 计算机网络的体系结构3.1.1 计算机网络体系结构的形成 相互通信的两个计算机系统必须

2、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。 关于开放系统互连参考模型OSI/RM 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、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。 在市场化方面 OSI 却失败了。 OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场； OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。 两种国际标准 法律上的(

3、de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。 TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。3.1 .2 协议与划分层次 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。 网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。 网络协议的组成要素 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 同步 事件实现顺序的详细说明。 划分层

4、次的概念举例 主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。 可以将要做的工作进行如下的划分。 第一类工作与传送文件直接有关。 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 双方协调好一致的文件格式。 两个主机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。两个主机交换文件 文件传送模块主机 1主机 2文件传送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再设计一个通信服务模块 文件传送模块主机 1主机 2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模

5、块通信服务模块通信服务模块 文件传送模块主机 1主机 2文件传送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做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。再设计一个网络接入模块再设计一个网络接入模块 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。 分层的好处分层的好处 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。 层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。 层数多少要适当层数多少要适当 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 体

6、系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。 计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构 3.2 ISO/OSI3.2 ISO/OSI参考模型参考模型OSI它定义了网络互联的它定义了网络互联的7层框架，也就是开放式系统互连参考层框架，也就是开放式系统互连参考模型。模型从低到高分别为：物理层、数据链路层、网络层、模型。模型从低到高分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。如表格传输层、会话层

7、、表示层、应用层。如表格3-1所示。所示。 七层模型7 应用层 Application Layer 6 表示层 Presentation Layer5 会话层 Session Layer 4 传输层 Transport Layer 3 网络层 Network Layer 2 数据链路层 Data Link Layer 1 物理层 Physical Layer表3-1 七层模型 3.2.1物理层物理层 物理层是物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，可以为它的上一层的第一层，它虽然处于最底层，可以为它的上一层提供一个物理连接，是整个开放系统的基础。提供一个物理连接，是整个开放系统的基础。 物理

8、层功能物理层功能1 媒体和互连设备媒体和互连设备 2 物理接口的物理接口的4个特性个特性 （1）机械特性（2）电气特性 （3）功能特性 物理层的几种重要标准物理层的几种重要标准 （1）ISO2110 （2）ISO2593 （3）ISO4092 （4）CCITT V.243.2.2数据链路层数据链路层数据链路层是数据链路层是OSI模型的第二层，负责通过物理层从一台计算机模型的第二层，负责通过物理层从一台计算机到另一台计算机无差错地传输数据帧，允许网络层通过网络连接进行到另一台计算机无差错地传输数据帧，允许网络层通过网络连接进行虚拟无差错地传输虚拟无差错地传输。 IEEE802.3LAN体系结构图

9、3-5 IEEE802.3LAN体系结构1数据链路层的主要功能数据链路层的主要功能帧定界和帧同步。帧定界和帧同步。链路连接的建立链路连接的建立,拆除拆除,分离。分离。差错检测和恢复。差错检测和恢复。流量控制流量控制（1） 帧帧 帧的基本格式帧的基本格式 成帧与拆帧成帧与拆帧 帧的定界帧的定界帧开始地址长度/类型/控制数据 FCS帧结束表 3-2 帧的基本格式（2）链路连接的建立）链路连接的建立,拆除拆除,分离分离（3）差错检测和恢复。）差错检测和恢复。 奇偶校验码奇偶校验码 水平垂直奇偶校验水平垂直奇偶校验 循环冗余校验码循环冗余校验码CRC （4） 流量控制 滑动窗口协议是指一种采用滑动窗口

10、机制进行流量控制的方滑动窗口协议是指一种采用滑动窗口机制进行流量控制的方法。通过限制已经发送但还未得到确认的数据帧的数量，滑动窗法。通过限制已经发送但还未得到确认的数据帧的数量，滑动窗口协议可以调整发送方的发送速度口协议可以调整发送方的发送速度 图 3-6 滑动窗口协议工作原理滑动窗口协议，是TCP使用的一种流量控制方法。该协议允许发送方在停止并等待确认前可以连续发送多个分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认，因此该协议可以加速数据的传输。只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。收发两端的窗口按照以上规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协

11、议。当发送窗口和接收窗口的大小都等于 1时，就是停止等待协议。当发送窗口大于1，接收窗口等于1时，就是回退N步协议。当发送窗口和接收窗口的大小均大于1时，就是选择重发协议。协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。这种分组的数量最多可以等于发送窗口的大小，即滑动窗口的大小n减去1（因为发送窗口不可能大于（n-1），起码接收窗口要大于等于1）。2数据链路层的主要协议数据链路层的主要协议 （1）ISO1745-1975: （2）ISO3309-1984: （3）ISO7776: 3.2.3网络层网络层 网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻网络层的目的是实现两个端系统之

12、间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使运输层不需址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使运输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术要了解网络中的数据传输和交换技术。图3-7 处理端到端传输的网络层 1网络层的两种实现方式网络层的两种实现方式网络层的两种实现方式数据报和虚电路网络层的两种实现方式数据报和虚电路2网络层主要功能网络层主要功能 网络层为建立网络连接和为上层提供服务网络层为建立网络连接和为上层提供服务, ,应具备以下主要服务功能应具备以下主要服务功能：（1） 路由选择路由选择（2）路由算法）路由算法（3）阻塞控制）阻塞控制（

13、4）死锁及其防止）死锁及其防止（5）地址解析协议）地址解析协议 3网络层的主要标准如下：网络层的主要标准如下： （1）ISO.DIS8208 （2）ISO.DIS8348 （3）ISO.DIS8349 （4）ISO.DIS8473 （5）ISO.DIS83483.2.4传输层传输层传输层提供端到端的交换数据的机制传输层提供端到端的交换数据的机制. .传输层对会话层等高三层提供传输层对会话层等高三层提供可靠的传输服务可靠的传输服务, ,对网络层提供可靠的目的地站点信息。对网络层提供可靠的目的地站点信息。1传输层的基本功能传输层的基本功能 (1) 分割与重组数据分割与重组数据 (2) 按端口号寻址

14、按端口号寻址 (3) 连接管理连接管理 (4) 差错控制和流量控制差错控制和流量控制 2传输层的服务类型传输层的服务类型传输层既是传输层既是OSI层模型中负责数据通信的最高层，又是面向网络通层模型中负责数据通信的最高层，又是面向网络通信的低三层和面向信息处理的高三层之间的中间层。信的低三层和面向信息处理的高三层之间的中间层。 (1) 传输连接服务传输连接服务 (2) 数据传输服务数据传输服务3传输层的主要主要标准如下：传输层的主要主要标准如下：ISO8072ISO8073传输层定义了两个主要的协议：传输层定义了两个主要的协议： 传输控制协议（传输控制协议（TCP） 用户数据报协议（用户数据报协

15、议（UDP）3.2.5会话层会话层 会话层会话层, ,表示层表示层, ,应用层构成开放系统的高应用层构成开放系统的高3 3层，面对应用进程提供分布层，面对应用进程提供分布处理，对话管理处理，对话管理, ,信息表示信息表示, ,恢复最后的差错等恢复最后的差错等. . 1会话层主要的功能会话层主要的功能 (1) 为会话实体间建立连接为会话实体间建立连接 (2)数据传输阶段数据传输阶段 (3)连接释放连接释放 2会话层的主要标准有会话层的主要标准有(1) “ DIS8236：会话服务定义：会话服务定义”(2) “DIS8237：会话协议规范：会话协议规范”3.2.6表示层表示层 表示层是处理所有与数

16、据表示及运输有关的问题，包括转换、加密表示层是处理所有与数据表示及运输有关的问题，包括转换、加密和压缩。每台计算机可能有它自己的表示数据的内部方法。和压缩。每台计算机可能有它自己的表示数据的内部方法。 表示层的主要功能为：表示层的主要功能为： ( 1 ) 语法转换。语法转换。 ( 2 ) 语法协商。语法协商。 ( 3 ) 连接管理。连接管理。 3.2.7应用层应用层 应用层是应用层是OSIOSI参考模型中最靠近用户的一层，是参考模型中最靠近用户的一层，是OSIOSI体系结构中的最体系结构中的最高层，一个重要特点就是自身的可扩展性。它直接与用户和应用程序打高层，一个重要特点就是自身的可扩展性。它

17、直接与用户和应用程序打交道，负责对软件提供接口以使程序能使用网络。交道，负责对软件提供接口以使程序能使用网络。 1应用层主要功能应用层主要功能应用层的一个功能是文件运输、访问和管理。不同的文件系统有不应用层的一个功能是文件运输、访问和管理。不同的文件系统有不同的文件命名原则，文本行有不同的表示方法等。不同的系统之间同的文件命名原则，文本行有不同的表示方法等。不同的系统之间传输文件所需处理的各种不兼容问题，也同样属于应用层的工作。传输文件所需处理的各种不兼容问题，也同样属于应用层的工作。此外还有电子邮件、远程作业输入、虚拟终端功能、名录查询和其此外还有电子邮件、远程作业输入、虚拟终端功能、名录查

18、询和其它各种通用和专用的功能。它各种通用和专用的功能。 3.2.8 OSI层次结构模型中数据的实际传送过程层次结构模型中数据的实际传送过程图3-9 OSI层次结构模型中数据的实际传送过程图3-10 OSI参考模型相邻层之间的通信 3.3 TCP/IP3.3 TCP/IP参考模型参考模型 3.3.1 TCP/IP的概述的概述 TCP/IP协议栈是美国国防部高级研究计划局计算机网（协议栈是美国国防部高级研究计划局计算机网（Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET）和其后继因特网使用的参考模型。）和其后继因特网使用的参考模型。 3.3.2 T

19、CP/IP的层次结构的层次结构图3-13 TCP/IP的层次结构 3.3.3 TCP/IP协议簇协议簇1应用层应用层 应用层对应于应用层对应于OSI参考模型的高层，为用户提供所需要的各种服务参考模型的高层，为用户提供所需要的各种服务2传输层传输层 传输层对应于传输层对应于OSI参考模型的传输层参考模型的传输层TCP协议提供的是一种可靠的协议提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务；而、面向连接的数据传输服务；而UDP协议供的是不可靠的、无连接协议供的是不可靠的、无连接的数据传输服务的数据传输服务. 3网际互联层网际互联层 网际互联层对应于网际互联层对应于OSI参考模型的网络层，主要解决主机到

20、主机的参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。通信问题。4网络访问层网络访问层 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。 但最下面的网络接口层并没有具体内容。 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 。 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer) 数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层五层协议的体系结构五层协议

21、的体系结构 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主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运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）主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 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

22、据链路层帧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 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 25432154321主机 1AP2AP1主机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层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5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层5432154321主机 1AP

23、2AP1主机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层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5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！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运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部54321

24、54321主机 1AP2AP1主机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！协议很复杂 协议必须把所