计算机网的的体系结构

1、第三章 计算机网络的体系结构 教学要求 1掌握：网络体系结构的概念，协掌握：网络体系结构的概念，协议的概念，开放系统互连（议的概念，开放系统互连（OSI）模型模型的概念。的概念。 2理解：开放系统互连（理解：开放系统互连（OSI）模模型各层的功能。型各层的功能。TCP/IP协议的体系结构。协议的体系结构。 3了解：了解：OSI模型与模型与TCP/IP模型模型的比较。的比较。 3.1 网络体系结构和协议的概念 3.1.1 网络分层体系结构网络分层体系结构 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成若干个层次（Layer），较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高

2、层次提供必要的服务功能。 这种分层结构的优点是： 1独立性强 2适应性强 3易于实现和维护 3.1.2 协议协议（Protocol） 共享计算机网络的资源，以及在网中交换信息，就需要实现不同系统中的实体的通信。实体包括用户应用程序、文件传输信息包、数据库管理系统、电子邮件设备以及终端等。两个实体要想成功地通信，它们必须具有同样的语言。交流什么，怎样交流以及何时交流，都必须遵从有关实体间某种相互都能接受的一些规则，这些规则的集合称为协议。 协议的关键成分是： 1语法（Syntax） 语法确定协议元素的格式，即规定了数据与控制信息的结构和格式。 2语义（Semantics） 语义确定协议元素的类型

3、，即规定通信双方要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答。 3定时（Timing） 定时确定通信速度的匹配和排序，即有关事件实现顺序的详细说明。 3.2 开放系统互连参考模型 3.2.1 ISO/OSI参考模型参考模型 为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，国际标准化组织ISO对当时的各类计算机网络体系结构进行了研究，并于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，称为开放系统互连参考模型，即ISO/OSI模型。这里的“开放”表示任何两个遵守ISO/OSI的系统都可以进行互连，当一个系统能按ISO/OSI与另一个系统进行通信时，就称该系统为开放系统。

4、 ISO/OSI采用分层的结构化技术，它将整个网络功能划分为7层，由底向上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，其分层模型如图所示。 OSI参考模型的主要特性为： n是一种异构系统互连的分层结构；n它提供了控制互连系统交互规则的标注框架；n是一种抽象结构，而不是具体实现的描述；n不同系统上的相同层的实体称为同等层实体，同等层实体之间的通信由该层协议管理，即必须遵循相应的协议；n相邻层间的接口，定义了低层向上层提供的服务；n所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务；n直接的数据传送仅在最底层实现； 下面对OSI各层的功能作一简单介绍。 第1层：物理层（Physi

5、cal Layer），在物理信道上传输原始的数据比特（bit）流，提供为建立、维护和拆除物理链路所需的各种传输介质、通信接口特性等。 第2层：数据链路层（Data Link Layer），在网络节点间的线路上通过检测、流量控制和重发等手段，无差错地传送以帧为单位的数据。 第3层：网络层（Network Layer），为传输层的数据传输提供建立、维护和终止网络连接的手段，把上层来的数据组织成数据包在节点之间进行交换传送，并且负责路由选择和拥塞控制。 第4层：传输层（Transport Layer），将其以下各层的技术和工作屏蔽起来，使高层看来数据是直接从端到端的，即应用程序间的。 第5层：会话层

6、（Session Layer），在两个不同系统的互相通信的应用进程之间建立、组织和协调交互。 第6层：表示层（Presentation Layer），把所传送的数据的抽象语法变为传送语法，即把不同计算机内部的不同表示形式转换成网络通信中的标准表示形式。此外，对传送的数据加密（或解密）、正文的压缩（或还原）也是表示层的任务。 第7层：应用层（Application Layer），为用户提供应用的接口，即提供不同计算机之间的文件传送、访问与管理、电子邮件的内容处理、不同计算机通过网络交互访问的虚拟终端功能等等。 3.2.2 物理层物理层 物理层是OSI模型的最低层，向下直接与物理信道相连接。物理层

7、协议是各种网络设备进行互连时必须遵守的低层协议。设立物理层的目的是实现两个物理设备之间的二进制比特流的透明传输，而对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有最大的透明性。 ISO对OSI模型中的物理层做了如下定义：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。物理连接可以通过中继系统，允许进行全双工或半双工的二进制比特流的传输。物理层的数据服务单元是比特，它可以通过同步或异步的方式进行传输。 也就是说，物理层设计的内容包括以下几个方面： 1通信接口与传输媒体的物理特性 除了不同的传输介质自身的物理特性外，物理层还对通信设备和

8、传输媒体之间使用的接口做了详细的规定，主要体现在4个方面： （1）机械特性 （2）电气特性 （3）功能特性 （4）规程特性 2物理层的数据交换单位为二进制比特 为了传输比特流，可能需要对数据链路层的数据进行调制或编码，使之成为模拟信号、数字信号或光信号，以实现在不同的传输介质上传输。 3比特的同步 物理层规定了通信的双方必须在时钟上保持同步的方法，比如异步传输和同步传输等。 4线路的连接 物理层还考虑了通信设备之间的连接方式，比如，在点对点的连接中，两个设备之间采用了专用链路连接，而在多点连接中，所有的设备共享一个链路。 5传输方式 物理层也定义了两个通信设备之间的传输方式，如单工、半双工和全

9、双工。 3.2.3 数据链路层数据链路层 数据链路层的主要功能是实现相邻节点间数据帧的正确传送，即通过校验、确认、反馈、重发等手段将原始的物理连接改造为无差错的理想的数据链路。为实现这些功能，数据链路层涉及到的内容包括以下几点: 1成帧 2物理地址寻址 3流量控制 4差错控制 5接入控制 3.2.4 网络层网络层 网络层的作用是实现分别位于不同网络的源节点与目的节点之间的数据包传输，它和数据链路层的作用不同，数据链路层只是负责同一个网络中的相邻节点之间的链路管理及帧的传输等问题。因此，当两个节点连接在同一个网络中时，并不需要网络层，只有当两个节点分布在不同的网络中时，通常才会涉及到网络层的功能

10、，从而保证了数据包从源节点到目的节点的正确传输。而且，网络层要负责确定在网络中采用何种技术，从源节点出发选择一条通路通过中间的节点将数据包最终送达目的节点。 为实现这些功能，网络层涉及的概念有以下几个。 1逻辑地址寻址 2路由功能 3流量控制 4拥塞控制 3.2.5 其他各层简介其他各层简介 1传输层 传输层是资源子网和通信子网的接口和桥梁，它完成了资源子网中两节点间的直接逻辑通信，实现了通信子网端到端的可靠传输。传输层下面的物理层、数据链路层和网络层均属于通信子网，可完成有关的通信处理，向传输层提供网络服务；传输层上面的会话层、表示层和应用层完成面向数据处理的功能，并为用户提供与网络之间的接

11、口。因此，传输层在OSI模型起到承上启下的作用，是整个网络结构的关键部分。 2会话层 会话层建立在传输层之上，它利用传输层提供的服务，使得两个会话实体之间不用考虑它们之间相隔多远、使用了什么样的通信子网等网络通信细节，而进行透明的、可靠的数据传输。 3表示层 表示层处理的是OSI系统之间用户信息的表示问题。表示层不像OSI模型的低5层那样只关心将信息可靠的从一端传输到另外一端，它主要涉及被传输信息的内容和表示形式，如文字、图形、声音的表示。另外，数据压缩、数据加密等工作都是由表示层负责处理的。 4应用层 应用层是OSI模型的最高层，它是计算机网络与最终用户间的接口，它包含了系统管理员管理网络服

12、务所涉及的所有问题和基本功能。它在下面6层提供的数据传输和数据表示等各种服务的基础上，为网络用户或应用程序提供完成特定网络服务功能所需的各种应用协议。 3.3 TCP/IP的体系结构 3.3.1 TCP/IPTCP/IP概述概述 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是指传输控制协议/网络互连协议，是针对Internet开发的一种体系结构和协议标准，其目的在于解决异种计算机网络的通信问题，使得网络在互连时把技术细节隐藏起来，为用户提供一种通用、一致的通信服务。TCP/IP起源于美国ARPANET，由它的两个主要协议TCP协

13、议和IP协议而得名。通常所说的TCP/IP协议实际上包含了大量的协议和应用，且由多个独立定义的协议组合在一起，因此，更确切地说，应该称其为TCP/IP协议族。TCP/IP协议具有以下几个特点： n 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。n 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于互联网中。n 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。n标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。 3.3.2 TCP/IP的层次结构的层次结构 TCP/IP模型由4个层次组成，它们分别是网络接口层、网际网层、传输层和应用层。TCP/I

14、P的层次结构与OSI层次结构的对照关系如图所示。 OSI模型和TCP/IP模型的对照 1网络接口层网络接口层 TCP/IP模型的最低层是网络接口层，它包括了能使用TCP/IP与物理网络进行通信的协议，且对应着OSI的物理层和数据链路层。它的功能是接收IP数据报并通过特定的网络进行传输，或从网络上接收物理帧，抽取出IP数据报并转交给上一层。TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议，目的是能够适应各种类型的网络，如LAN、MAN和WAN。这也说明了TCP/IP协议可以运行在任何网络之上。 2网际网层网际网层 网际网层又称网络层、IP层，负责相邻计算机之间的通信。它包括三方面的功能：第一，处理来

15、自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往目标网络的路径，然后将数据报发往适当的网络接口；第二，处理输入的数据报，首先检查其合法性，然后进行路由选择。假如该数据报已经到达信宿本地机，则去掉报头，将剩下部分（TCP分组）交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，即转发该数据报；第三，处理路径、流量控制、拥塞等问题。另外，网际网层还提供差错报告功能。 3传输层传输层 TCP/IP的传输层与OSI的传输层类似，它的根本任务是提供端到端的通信。传输层对信息流具有调节作用，提供可靠性传输，确保数据到达无误，也不错乱顺序。 4应用层 在TCP/IP模型中，应用层是最高

16、层，它对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层。它向用户提供一组常用的应用程序，例如文件传送、电子邮件等。 3.3.3 TCP/IP协议族协议族 在TCP/IP的层次结构中包括了4个层次，但实际上只有3个层次包含了协议。TCP/IP中的各层的协议如图所示。 TCP/IP协议族 1网际网层协议（1）网络互连协议（Internet Protocol，IP） （2）网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP） （3）网际主机组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP） （4）地址解析协议（Addr

17、ess Resolution Protocol，ARP）和反向地址解析协议RARP 2传输层协议（1）传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP） （2）用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP） 3应用层协议 在TCP/IP模型中，应用层包括了所有的高层协议，而且总是不断有新的协议加入，应用层协议主要有以下几种： 远程终端协议TELNET：本地主机作为仿真终端登录到远程主机上运行应用程序。 文件传输协议FTP：实现主机之间的文件传输。 简单邮件传输协议SMTP：实现主机之间电子邮件的传送。 域名服务DNS：实现主机名与IP地址

18、之间的映射。 动态主机配置协议DHCP：实现对主机的地址分配和配置工作。 路由信息协议RIP：用于网络设备之间交换路由信息。 超文本传输协议HTTP：用于Internet中的客户机与WWW服务器之间的数据传输 网络文件系统NFS：实现主机之间的文件系统的共享。 简单网络管理协议SNMP：实现网络的管理。3.4 OSI模型与TCP/IP模型的比较 OSI和TCP/IP有着许多的共同点： n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。n各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。网络层实现点到点通信，并完成路由选择、流量控制和拥塞控制功能；传输层实现端到端通信，将高层的用户应用与低层的通信子网隔离开来，并保证数据传输的最终可靠性。传输层的以上各层都是面向用户应用的，而以下各层都是面向通信的。 n两者都可以解决异构网的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信。n都是计算