第二章 网络体系结构(网络基础)

1、计算机网络计算机网络体系结构体系结构v 开放互连参考模型开放互连参考模型（OSI模型）模型）v 层次模型、层间访问、层次模型、层间访问、TCP/IP体系结构体系结构2.1 网络体系结构基本概念网络体系结构基本概念 层次模型 层间服务（服务访问点、实体） 解释两个系统如何通过O S I 模型进行通信 解释O S I 模型的分层结构 描述O S I 模型每一层提供的特定服务内容通信实体、通信协议v网络中的通信是指在不同系统中的实体之间的实体之间的通信通信。所谓实体实体，是指能发送和接收信息的任何东西，包括终端、应用软件、通信进程等。v跟在人与人之间交流一样，实体之间通信需要通信需要一些规则和约定一

2、些规则和约定，例如，传送的信息块采用何何种编码种编码和怎样的格式怎样的格式？如何识别收发者的名称如何识别收发者的名称和地址和地址？传送过程中出现错误如何处理错误如何处理？发送和接收速率不一致怎么办速率不一致怎么办？v通信双方在通信时需遵循的规则和约定就是协议。v协议主要由语义、语法和定时语义、语法和定时三部分组成，语义规定通信双方准备“讲什么讲什么”，亦即确定协确定协议元素的种类议元素的种类；语法规定通信双方“如何讲如何讲”， 确定数据的信息格式、信号电平等确定数据的信息格式、信号电平等；定时则包括速度匹配和排序速度匹配和排序等。网络实现的层次化v两个系统中实体间的通信是一个十分复杂实体间的通

3、信是一个十分复杂的过程，为了减少协议设计和调试过程的复杂减少协议设计和调试过程的复杂性性，网络的实现按层次的方式来组织；v每一层完成一定的功能，每一层又都建立在它的下层之上。v网络中，每一层都是通过层间接口层间接口向上一层提供一定的服务服务，但把这种服务是如何实现的细节对上层加以屏蔽。层次结构模型更具体地讲，如图图F-1所示，层次结构包括以下几个含义：v第第n层层的实体实体在实现自身实现自身定义的功能功能时，只使用（使用（n-1）层提供的服务）层提供的服务。vn层层向（n+1）层提供服务）层提供服务，此服务不仅包括包括n层本层本身身所执行的功能，还包括还包括由下层服务下层服务提供的功能总功能总

4、和和。v最低层只提供服务最低层只提供服务，是提供服务的基础服务的基础；最高层只最高层只是用户是用户，是使用服务的最高层服务的最高层；中间各层既是中间各层既是下一层的用户用户，又是又是上一层服务的提供者提供者。v仅在相邻层间有接口相邻层间有接口，且下层所提供服务下层所提供服务的具体实具体实现现细节对上层完全屏蔽对上层完全屏蔽。 分层的概念 对等实体、服务提供者、访问点vN层中的活动元素通常称为n层实体。不同机器上同一层的实体叫做对等实体对等实体。N层实体实现的服务为n+1层所利用。在这种情况下，n层被称为服务提供服务提供者者，n+1层是服务用户。v服务是在服务访问点服务访问点（SAP）提供给上层

5、使用的。N层SAP就是N+1层可以访问层可以访问N层服务的地方层服务的地方。每个每个SAP都有一个能够唯一地标识它的地址唯一地标识它的地址。v在同样的意义上，我们可以把电话系统中的电话插电话系统中的电话插孔看成是一种孔看成是一种SAP，而SAP地址地址就是这些插孔的电电话号码话号码。要想和他人通话，就必须知道他的SAP地址（电话号码）。类似地，在邮政系统中邮政系统中，SAP地地址是街名和信箱址是街名和信箱。发一封信，必须知道收信人的SAP地址。通过层间接口交换信息v相邻层之间要交换信息，在接口处也必须遵循一定必须遵循一定的规则的规则。v如图图F-2所示，在典型的接口上，n+1层实体通过SAP把

6、一个接口数据单元（IDU）传递给n层实体。vIDU由服务数据单元（服务数据单元（SDU）和一些控制信息控制信息组成。vSDU是将要跨越网络传递给远方对等实体，然后上交给远方n+1层的信息信息。v控制信息控制信息被下层实体用来指导其功能任务的执行，但不是发送给远方对等实体的内容。数据穿过数据穿过OSIOSI模型各层时的情况模型各层时的情况两个主机A、B间信息流动 说明信息流动过程的关键说明信息流动过程的关键（点击）（点击）说明信息流动过程的关键v整个过程中的关键：虽然数据的实际传输方向是垂直的，但每一层在进行程序设计时都好象数据是水平传输的。v例如，当发送方的传输层从会话层得到报文时，它加上一个

7、传输层报头，并把报文发送给接收方的传加上一个传输层报头，并把报文发送给接收方的传输层输层。从发送方传输层的观点来看，实际上把报文实际上把报文传给了本机内的网络层传给了本机内的网络层，但这一事实只是不重要的技术细节。如同一位说非通用语的外交官在联合国发言时，他认为自己是在向在座的其他外交官致词。事实上，他仅是在向自己的翻译讲话，也许只有翻译能够明白他在讲什么内容；然而这并不妨碍他和别的外交官交流，因为这仅仅是一个技术细节。 计算机网络的层次模型计算机网络的层次模型v用层次模型描述网络系统的优点每层实现相对独立的功能不必知道下层如何实现只需知道层间接口、层间提供的服务内容系统分成多层，易于实现和维

8、护易于更新、交流、理解、标准化只需知道层间接口vISO提出OSI模型（开放互连模型）OSIOSI模型物理层模型物理层物理层：是O S I 模型的最低层或第一层，该层包括物理连网媒介，如电缆连线、连接器、网卡等。 物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。 在你的桌面P C 上插入网络接口卡，你就建立了计算机连网的基础。换言之，你提供了一个物理层。 尽管物理层不提供纠错服务，但它能够设定数据传输速率并监测数据出错率。 I E E E 已制定了物理层协议的标准，特别IEEE 802 规定了以太网和令牌环网应如何处理数据。 术语“第一层协议”和“物理层协议”，均是指描述电信号如何被放大

9、及通过电线传输的标准。OSI模型模型数据链路层数据链路层数据链路层:是O S I 模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。 1、它的主要功能是将从网络层接收到的数据分割成特定的可被物理层传输的帧。 2、帧(FrameFrame)是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始（未加工）数据，或称“有效荷载”，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。 3 3、通常，发送方的数据链路层将等待来自接收方对数据已正确接收的应答信号。4 4、数据链路层控制信息流量，以允许网络接口卡正确处理数据。5 5、数据链路层的功能独立于网络和

10、它的节点所采用的物理层类型。NoteNote：有一些连接设备，如有一些连接设备，如网桥网桥或或交换机交换机，由于它们要，由于它们要对帧解码并使用帧信对帧解码并使用帧信息将数据发送到正确的接收方息将数据发送到正确的接收方，所以，所以它们是工作在它们是工作在数据链路层数据链路层的。的。OSI模型模型网络层网络层 网络层，O S I 模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。例如：一个计算机有一个网络地址2 （若它使用的是TCP/IP协议）和一个物理地址060973E97F3 。 1 1、网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞

11、程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点 到另一个网络中节点 的最佳路径。 2 2、在网络中，“路由”是基于编址方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。 Note Note 、路由器：路由器：由于网络层处理路由，而路由器因为连接网络各段，并智能指导数据传送，由于网络层处理路由，而路由器因为连接网络各段，并智能指导数据传送，所以所以属于网络层属于网络层。OSI模型模型传输层传输层传输层：主要负责确保数据可靠、顺序、无错地从 点到传输到 点（ 、 点可能在也可能不在相同的网络段上）。 1 1、因为如果没有传输层，数据将不能被接受方验证或解释（收到？对/错？乱序？），所以，传输层常被

12、认为是O S I 模型中最重要的一层。 2 2、传输协议同时进行流量控制（根据接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率）。 3 3、传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割并编号。例如：以太网无法接收大于1 5 0 0 字节的数据包。发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片，同时对每一数据片安排一序列号，以便数据到达接收方节点的传输层时，能以正确的顺序重组。该过程即被称为排序。 4、在网络中，传输层发送一个A C K （应答）信号以通知发送方数据已被正确接收。如果数据有错或者数据在一给定时间段未被应答，传输层将请求发送方重新发送数据。NOTENOTE：工作在传输层的一种服

13、务是TCP/IP协议栈中的T C P（Transfer Control Protocol 传输控制协议），另一项传输层服务是IPX/SPX 协议集的S P X（ Serial package Exchange 序列包交换）OSI模型模型会话层会话层会话层:负责在网络中的两节点之间建立和维持通信。 1、会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。 例如，网络上常常使用的下载工具软件，NetAnts（网络蚂蚁）支持端点续传功能，就是使用了会话层的这个功能，知道从上次中断的地方继续下载。 2、会话层通过决定节

14、点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限。OSI模型模型表示层表示层表示层：充当应用程序和网络之间的“翻译官”角色。1、在表示层，数据将按照网络能理解的方式进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。例如，IBM主机使用EBCDICEBCDIC编码，而大部分PC机使用的是ASCIIASCII码、甚至反码或补码。在这种情况下，为了让采用不同编码方法的计算机能相互理解通信交换后数据的值，便需要会话层来完成这种转换。 方法：采用抽象的标准方法来定义数据结构、标准的编码表示形式。2 2、表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理。3 3、表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。

15、GIF、JPEGOSI模型模型应用层应用层应用层：O S I 模型的顶端也即第七层是。应用层负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。 1 1、术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特别应用程序，而是提供了一组方便程序开发者在自己的应用程序中使用网络功能的服务。 2 2、应用层提供的服务包括文件传输（FTPFTP）、文件管理以及电子邮件的信息处理（SMTPSMTP）等。NOTE：一个一个A P I A P I （应用程序接口）是使一个程序与操作系统相互作用（应用程序接口）是使一个程序与操作系统相互作用的例行程序（即一组指令）。的例行程序（即一组指令）。API API 属于属于OSI OSI

16、模型的应用层模型的应用层，编程者使用，编程者使用API API 在代码与操作系统之间建立链接。网络环境中一个在代码与操作系统之间建立链接。网络环境中一个API API 的例子是的例子是MSMQMSMQ（MicrosoftMicrosoft消息队列）。消息队列）。MSMQMSMQ顺序存储节点之间发送的信息，并在到达顺序存储节点之间发送的信息，并在到达接收方的链接畅通时将数据转发到它们的目的地。程序可以独立运行，而接收方的链接畅通时将数据转发到它们的目的地。程序可以独立运行，而不管发送数据时目标节点是否被连接到网络上。不管发送数据时目标节点是否被连接到网络上。OSI模型各层功能总结模型各层功能总结

17、2.2 TCP/IP协议体系结构 说明（说明（点击点击）Speaker NotesTCP/IP体系结构 TCP/IP协议体系结构说明（网络接口层）v前述，TCP/IP的分层结构及其与OSI七层协议模型的对应关系对应关系。v网络接口层网络接口层似乎与OSI的数据链路层和物理层的数据链路层和物理层相对应，但实际上TCP/IP并没有真正描述这一部分，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便能在其上传递IP（互连网络协议）分组。v具体的物理网络物理网络可以是各种类型的局域网，如以太网、令牌环网、令牌总线网等，也可以是诸如X.25、帧中继、电话网、DDN等公共数据网络。v网络接口层网络接口层负责从主

18、机或节点接收IP分组，并把它们发送到指定的物理网络上。 TCP/IP协议体系结构说明（互连网层）v互连网络层是整个体系结构的关键部分，它的功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目的地（可能经由不同的物理网络）。这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如需要按顺序发送及接收时，高层必须对分组排序。必须注意到，我们所说的“internet”是基于一般意义的，虽然Internet（因特网）中确实存在互联网络层。 互连网络层定义了标准的分组格式和协议，即IP协议（internet protocol）。互连网络层的功能就是把IP分组发送到应该去的地方。选择分组路由和避免阻塞是这里主要

19、的设计问题。由于这些原因，我们有理由说TCP/IP互连网络层和OSI网络层在功能上非常相似。 v传输层在TCP/IP模型中位于互连网络层之上，它的功能是使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话（和OSI的传输层一样）。这里定义了两个端到端的协议。第一个是传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）。它是一个面向连接的协议，允许从一台机器发出的字节流无差错地发往互联网上的其它机器。它把输入的字节流分成报文段，并传给互连网络层。在接收端，TCP接收进程把收到的报文再组装成输出流。TCP还要处理流量控制，以避免快速发送方向低速接收方发送过多报文而使接收方无法处理。 TCP/IP协议体系结构说明1（传输层） 第二个协议是用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）。它是一个不可靠的、无连接协议，用于不需要TCP的排序和流量控制能力而是自己完成这些功能的应用程序。它也被广泛地应用于只有一次的客户服务器模式的请求应答查询，以及快速递交比准确递交更重要的应用程序，如传输语音或影