第2章-网络体系结构

1、n主要内容主要内容 网络体系结构概述网络体系结构概述 物理层物理层 数据链路层数据链路层n重点与难点重点与难点 了解网络体系结构概念及了解网络体系结构概念及TCP/IP体系结构体系结构 了解物理层的主要功能了解物理层的主要功能 掌握数据链路层的功能及主要协议掌握数据链路层的功能及主要协议n在计算机网络中，不同系统的实体间应该在计算机网络中，不同系统的实体间应该能够进行通信，实体是指各种应用程序、能够进行通信，实体是指各种应用程序、文件传输软件、数据库管理系统及终端等。文件传输软件、数据库管理系统及终端等。n两个实体要想实现通信，首先要有一条传两个实体要想实现通信，首先要有一条传送数据的通路，其

2、次还要有一些互相遵守送数据的通路，其次还要有一些互相遵守的规则的规则协议协议。n“分层分层”可将庞大而复杂的问题转化为比可将庞大而复杂的问题转化为比较容易处理和研究的若干较小的局部问题。较容易处理和研究的若干较小的局部问题。 n每一个层次的内部结构，对于上下层都是每一个层次的内部结构，对于上下层都是不可见的，每一层都建立在它的下层之上，不可见的，每一层都建立在它的下层之上，每一层的目的都是向它的上一层提供一定每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而这种服务的实现细节对上层是的服务，而这种服务的实现细节对上层是屏蔽的。屏蔽的。 n为网络数据交换而制定的规则、标准或约定称为为网络数据交换而制

3、定的规则、标准或约定称为网络协议网络协议。 n网络协议主要有三部分组成：网络协议主要有三部分组成：语义：对协议元素的含义进行解释，规定通信双方彼语义：对协议元素的含义进行解释，规定通信双方彼此此“讲什么讲什么” 。语法：将若干个协议元素和数据组合在一起，用来表语法：将若干个协议元素和数据组合在一起，用来表达一个完整的内容所应遵循的格式，也就是对信息的达一个完整的内容所应遵循的格式，也就是对信息的数据结构做一种规定，规定通信双方数据结构做一种规定，规定通信双方“如何讲如何讲”。时序：对事件实现顺序的详细说明。时序：对事件实现顺序的详细说明。协议：协议： 定义了网络实体间发送定义了网络实体间发送和

4、接收报文的格式、顺和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消序以及当传送和接收消息时应采取得行动息时应采取得行动HiHiGot thetime?2:00TCP connection req.TCP connectionreply.Get http:/timen服务是各层向其上层提供的一组原语（操服务是各层向其上层提供的一组原语（操作）。作）。n服务定义了该层能够代表它的上层完成的服务定义了该层能够代表它的上层完成的操作，但丝毫未涉及这些操作是如何完成操作，但丝毫未涉及这些操作是如何完成的。的。n服务定义了两层之间的接口，上层是服务服务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。用户，

5、下层是服务提供者。n在制定计算机网络标准方面，起着重大作在制定计算机网络标准方面，起着重大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（询委员会（CCITT），与国际标准化组织），与国际标准化组织（ISO）。虽然它们工作领域不同，但随着）。虽然它们工作领域不同，但随着科学技术的发展，通信与信息处理之间的科学技术的发展，通信与信息处理之间的界限开始变得比较模糊，这也成了界限开始变得比较模糊，这也成了CCITT和和ISO共同关心的领域。共同关心的领域。1983年，年，ISO发布发布了著名的了著名的ISO/IEC 7498标准，它定义了网标准，它定义了网络互联的

6、络互联的7层框架，也就是开放式系统互连层框架，也就是开放式系统互连参考模型。参考模型。n“OSI模型，即开放式通信系统互联参考模模型，即开放式通信系统互联参考模型（型（Open System Interconnection Reference Model），是国际标准化组织），是国际标准化组织（ISO）提出的一个试图使各种计算机在）提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架，简称世界范围内互连为网络的标准框架，简称OSI。nOSI将计算机网络体系结构将计算机网络体系结构（architecture）划分为以下七层：）划分为以下七层：n7 应用层应用层 Application La

7、yer n6 表示层表示层 Presentation Layer n5 会话层会话层 Session Layer n4 传输层传输层 Transport Layer n3 网络层网络层 Network Layer n2 数据链路层数据链路层 Data Link Layer n1 物理层物理层 Physical Layer n第第1层层 物理层（物理层（Physical Layer） 物理层定义了所有电子及物理设备的规范。其中特物理层定义了所有电子及物理设备的规范。其中特别定义了设备与物理媒介之间的关系，这包括了针脚、别定义了设备与物理媒介之间的关系，这包括了针脚、电压、线缆规范、集线器、中继器

8、、网卡、主机适配电压、线缆规范、集线器、中继器、网卡、主机适配器（在器（在SAN中使用的主机适配器）以及其他的设备的中使用的主机适配器）以及其他的设备的设计定义。因为物理层传送的是原始的比特数据流，设计定义。因为物理层传送的是原始的比特数据流，即设计的目的是为了保证当发送时的信号为二进制即设计的目的是为了保证当发送时的信号为二进制“1”时，对方接收到的也是二进制时，对方接收到的也是二进制“1”而不是二进制而不是二进制“0”。因而就需要定义哪个设备有几个针脚，其中哪个针脚因而就需要定义哪个设备有几个针脚，其中哪个针脚发送的多少电压代表二进制发送的多少电压代表二进制“1”或二进制或二进制“0”，还

9、有，还有例如一个例如一个bit需要持续几微秒，传输信号是否在双向上需要持续几微秒，传输信号是否在双向上同时进行，最初的连接如何创建和最终如何终止等问同时进行，最初的连接如何创建和最终如何终止等问题。题。n第第2层层 数据链路层（数据链路层（Data Link Layer）首先数据链路层的功能在于管理第一层的比特数据，首先数据链路层的功能在于管理第一层的比特数据，并且将正确的数据传送到没有传输错误的路线中。创并且将正确的数据传送到没有传输错误的路线中。创建还有辨认数据开始以及退出的位置同时予以标记。建还有辨认数据开始以及退出的位置同时予以标记。另外，就是处理由数据受损、丢失甚至重复传输错误另外，

10、就是处理由数据受损、丢失甚至重复传输错误的问题，使后续的层级不会受到影响，所以它运行数的问题，使后续的层级不会受到影响，所以它运行数据的调试、重传或修正，还有决定设备何时进行传输。据的调试、重传或修正，还有决定设备何时进行传输。 设备有：设备有：Bridge桥接器和桥接器和switch交换器交换器n第第3层层 网络层（网络层（Network Layer）网络层为数据传送的目的地寻址，再选择出传送数网络层为数据传送的目的地寻址，再选择出传送数据的最佳路线。据的最佳路线。n第第4层层 传输层（传输层（Transport Layer）传输层用于控制数据流量，并且进行调试及错误传输层用于控制数据流量，

11、并且进行调试及错误处理，以确保通信顺利。而传送端的传输层会为分组处理，以确保通信顺利。而传送端的传输层会为分组加上序号，方便接收端把分组重组为有用的数据或文加上序号，方便接收端把分组重组为有用的数据或文件。件。n第第5层层 会话层（会话层（Session Layer）会话层用于为通信双方制定通信方式，并创建、会话层用于为通信双方制定通信方式，并创建、注销会话（双方通信）。注销会话（双方通信）。n第第6层层 表示层（表示层（Presentation Layer）表示层能为不同的客户端提供数据和信息的语法表示层能为不同的客户端提供数据和信息的语法转换内码，使系统能解读成正确的数据。同时，也能转换内

12、码，使系统能解读成正确的数据。同时，也能提供压缩解压、加密解密。提供压缩解压、加密解密。n第第7层层 应用层（应用层（Application Layer）应用层能与应用程序接口沟通，以达到展示给用应用层能与应用程序接口沟通，以达到展示给用户的目的。户的目的。7 7 应用层：老板应用层：老板 6 6 表示层：相当于公司中演表示层：相当于公司中演示稿老板、替老板写信的助示稿老板、替老板写信的助理。理。5 5 会话层：相当于公司中收会话层：相当于公司中收寄信、写信封与拆信封的秘寄信、写信封与拆信封的秘书。书。4 4 传输层：相当于公司中跑传输层：相当于公司中跑邮局的送信职员。邮局的送信职员。3 3

13、网络层：相当于邮局中的网络层：相当于邮局中的排序工人。排序工人。2 2 数据链路层：相当于邮局数据链路层：相当于邮局中的装拆箱工人。中的装拆箱工人。1 1 物理层：相当于邮局中的物理层：相当于邮局中的搬运工人。搬运工人。n参考参考“OSI一览图一览图”电子文档。电子文档。n网络接口层网络接口层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。的物理接口细节。n网际层（网络互联层）网际层（网络互联层）对应于对应于OSI参考模型的网络

14、层。参考模型的网络层。处理数据报文在网络中的活动，如报文的路由处理数据报文在网络中的活动，如报文的路由选择。选择。在在TCP/IP协议组件中，网际层协议包括协议组件中，网际层协议包括IP协议协议（网际协议）、（网际协议）、ICMP协议（协议（Internet控制报文控制报文协议）、协议）、ARP协议（地址解析协议）、协议（地址解析协议）、RARP协议（逆向地址解析协议）以及协议（逆向地址解析协议）以及IGMP协议协议（Internet组管理协议）。组管理协议）。n传输层传输层对应对应OSI参考模型的传输层，主要为两台主机参考模型的传输层，主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。上的应用程序

15、提供端到端的通信。在在TCP/IP协议组件中，有两个互不相同的传输协议组件中，有两个互不相同的传输协议：协议：TCP（传输控制协议）和（传输控制协议）和UDP（用户数（用户数据报协议），这两种传输层协议在不同的应用据报协议），这两种传输层协议在不同的应用程序中有不同的用途。程序中有不同的用途。n应用层应用层对应对应OSI参考模型的应用层、表示层和会话层。参考模型的应用层、表示层和会话层。负责处理特定的应用程序细节。负责处理特定的应用程序细节。应用层协议包括超文本传输协议应用层协议包括超文本传输协议(HTTP)、文件、文件传输协议传输协议(FTP)、远程登录协议、远程登录协议(Telnet)、简

16、单、简单网络管理协议（网络管理协议（SNMP)、域名系统、域名系统(DNS)等。等。nOSI的七层协议体系结构复杂但不实用，不的七层协议体系结构复杂但不实用，不过其概念清楚，体系结构理论较完整。过其概念清楚，体系结构理论较完整。nTCP/IP的协议在的协议在Internet中得到广泛应用，中得到广泛应用，成为事实标准。成为事实标准。nTCP/IP只定义了三层具体内容，即应用层、只定义了三层具体内容，即应用层、传输层、网际层，而最下面的网络接口层传输层、网际层，而最下面的网络接口层并没有定义具体内容。并没有定义具体内容。 n物理层负责在相互通信的计算机之间传递数据比物理层负责在相互通信的计算机之

17、间传递数据比特位，建立物理媒体上传输比特位流的规则，定特位，建立物理媒体上传输比特位流的规则，定义线缆如何连接到网络适配器上，以及需要用何义线缆如何连接到网络适配器上，以及需要用何种传输技术在线缆上传输数据。种传输技术在线缆上传输数据。数据终端设备数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）通）通常是指具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据常是指具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据能力的设备，它既是信源，又是信宿。能力的设备，它既是信源，又是信宿。数据电路端接设备数据电路端接设备DCE（Data Circuit-terminating Equipment），介于）

18、，介于DTE与传输介质之间，其作用是与传输介质之间，其作用是完成数据信号的变换。完成数据信号的变换。 n物理层的功能包括：物理层的功能包括：提供建立、维护和拆除物理链路所需的机械、提供建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性。电气、功能和规程特性。实现实体间的按位传输。保证按位传输的正确实现实体间的按位传输。保证按位传输的正确性，实现数据链路实体之间比特流的透明传输。性，实现数据链路实体之间比特流的透明传输。物理层管理，如功能的激活及差错控制。物理层管理，如功能的激活及差错控制。n物理接口标准定义了物理层与物理传输介物理接口标准定义了物理层与物理传输介质之间的边界与接口，包括四

19、个特性：质之间的边界与接口，包括四个特性：机械特性：规定了物理连接时接口所用连接器机械特性：规定了物理连接时接口所用连接器的形状和尺寸，引脚的数量、功能、规格、引的形状和尺寸，引脚的数量、功能、规格、引脚的分布，电缆的长度及所含导线的数目等。脚的分布，电缆的长度及所含导线的数目等。电气特性：规定了在接口电缆的哪条线上出现电气特性：规定了在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么范围，即什么样的电压，表示的电压应为什么范围，即什么样的电压，表示为为1或或0。功能特性：规定了物理接口上各条信号线的功功能特性：规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为：能分配和确切定义。物理

20、接口信号线一般分为：数据线、控制线、定时线和地线。数据线、控制线、定时线和地线。规程特性规程特性 ：定义了信号线进行二进制比特流传：定义了信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，包括各信号线的工作规则输的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。和时序。n数据链路层是数据链路层是OSI模型中下数第二层，数据模型中下数第二层，数据链路层传输数据的单位是数据帧。链路层传输数据的单位是数据帧。n数据链路层通过一些数据链路层协议，在数据链路层通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。输。n采用的方法是接收方对收到的帧进行校验、采用的方法是

21、接收方对收到的帧进行校验、发回应答帧，发送方对错误帧进行重发。发回应答帧，发送方对错误帧进行重发。 n链路管理链路管理负责数据链路层连接的建立、维持和释放。负责数据链路层连接的建立、维持和释放。n帧同步帧同步指接收方应当能从收到的比特流中准确地区分指接收方应当能从收到的比特流中准确地区分帧的开始和结束。帧的开始和结束。n流量控制流量控制发送方发送数据的速率必须使接收方来得及接发送方发送数据的速率必须使接收方来得及接收。收。n检测和校正差错检测和校正差错差错的出现一般都是突发性的，系统必须对差差错的出现一般都是突发性的，系统必须对差错进行及时的控制及恢复。错进行及时的控制及恢复。n区分数据和控制

22、信息区分数据和控制信息由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，而且通常数据和控制信息处于同一帧中，因此而且通常数据和控制信息处于同一帧中，因此要有相应的措施使收方能够将它们区分开来。要有相应的措施使收方能够将它们区分开来。n透明传输透明传输不管所传数据是什么比特组合，都应当能够在不管所传数据是什么比特组合，都应当能够在链路上传输。链路上传输。n寻址寻址进行数据传输时，要保证每一帧被送到正确的进行数据传输时，要保证每一帧被送到正确的地方，接收方也要知道发送方是谁。地方，接收方也要知道发送方是谁。n数据链路层协议分为两类：面向字符型的数据链路层协议分为两类：

23、面向字符型的通信规程与面向比特型的通信规程。通信规程与面向比特型的通信规程。面向字符型的通信规程是指在链路上传送由规面向字符型的通信规程是指在链路上传送由规定字符集中的字符所组成的数据，而且在链路定字符集中的字符所组成的数据，而且在链路上传送的控制信息也必须由同一字符集中的若上传送的控制信息也必须由同一字符集中的若干指定的控制字符构成。干指定的控制字符构成。n数据链路层协议分为两类：面向字符型的数据链路层协议分为两类：面向字符型的通信规程与面向比特型的通信规程。通信规程与面向比特型的通信规程。面向比特的通信规程要求以帧为单位传输数据。面向比特的通信规程要求以帧为单位传输数据。帧分为控制帧和信息

24、帧。将信息帧的数据字段帧分为控制帧和信息帧。将信息帧的数据字段（即正文）看作比特流，所以称为面向比特的（即正文）看作比特流，所以称为面向比特的通信规程，高级数据链路控制通信规程，高级数据链路控制HDLC就是一个就是一个面向比特的协议。面向比特的协议。n在在20世纪世纪80年代初期，美国电气和电子工年代初期，美国电气和电子工程师协会程师协会IEEE 802委员会首先制订出局域委员会首先制订出局域网的体系结构，即著名的网的体系结构，即著名的IEEE 802参考模参考模型。之后随着网络技术的不断进步，扩充型。之后随着网络技术的不断进步，扩充和制订了不少新的标准。和制订了不少新的标准。nIEEE 802标准中只涉及标准中只涉及OSI模型最低的两模型最低的两个层次，即个层次，即物理层物理层和和数据链路层数据链路层。 n为了使局域网中的数据链路层不致于太过为了使局域网中的数据链路层不致于太过复杂，复杂，IEEE 802参考模型将其数据链路层参考模型将其数据链路层划分为两个子层：划分为两个子层：逻辑链路控制子层（简称逻辑链路控制子层（简称LLC子层）子层）媒体访问控制子层（简称媒体访问控制子层（简称MAC子层）子层）nMAC子层：定义了局域网中与接入各种传子层：定义了局域网