计算机网络课件：第二章 网络体系结构与网络协议

1、第二章网络体系结构与网络协议本章学习要求：掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念掌握：网络体系结构的层次化研究方法掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务功能与主要协议了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较了解：网络协议标准组织，RFC文档、Internet草案与Internet协议标准的制定过程本章知识点：计算机网络体系结构的形成1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)。现在它是世界上使用得相当广泛的一种网络体系结构。1975年DEC公司（

2、1997年被Compaq兼并， 2002年Compaq并入HP）发布了数字网络体系结构(Digital Network Architecture，DNA）；还有Borough公司发布了BNA；王安公司（现已不再生产计算机和网络产品）发布了WANGNET；XNS（Xerox公司）、VINES（Banyan 公司）、AppleTalk（Apple公司）等等。上述体系结构互不兼容，因此各产品之间不能互联。计算机网络体系结构的形成为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放

3、系统互连基本参考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为OSI。计算机网络的标准分为既成事实标准和法定标准。凡是事先没有计划，只是由于市场的普及和用户面的扩大而逐步形成的标准就是既成事实标准，例UNIX和TCPIP是相应领域的事实上的标准。而由某些权威标准化机构或组织制定的正式、合法的标准是法定标准，例如ISO OSI/RM、IEEE 802等。2.1 网络体系结构的基本概念2.1.1 网络协议的概念2.1.2 协议、层次、接口和体系结构的概念2.1.3 网络体系结构的研究方法2.1.1 网络协议的概念网络协议是为网

4、络数据交换而制定的规则、约定与标准；网络协议的三要素：语义、语法与时序； 语义：用于解释比特流的每一部分的意义；（控制信息） 语法：用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义； 时序：事件实现顺序的详细说明。现实社会存在的邮政系统2.1.1 网络协议的概念网络上的计算机之间又是如何交换信息的呢？就像我们说话用某种语言一样，在网络上的各台计算机之间也有一种语言，这就是网络协议，不同的计算机之间必须使用相同的网络协议才能进行通信。网络协议是网络上所有设备（网络服务器、计算机及交换机、路由器、防火墙等）之间通信规则的集合，它规定了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义。 2.1.2

5、协议、层次、接口与体系结构的概念计算机网络的四个重要的概念协议（protocol）层次（layer）接口（interface）体系结构（architecture）协议是有关计算机网络通信的一整套规则，或者说是为完成计算机网络通信而制订的规则、约定和标准。 由于网络节点之间联系的复杂性，在制定协议时，通常把复杂成分分解成一些简单成分，然后再将它们复合起来。 层次（layer）层次是人们对复杂问题处理的基本方法；将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；不同的系统分成相同的层次；不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”

6、通信；对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。层次（layer）分层可以带来如下好处：（1）各层之间是独立的。（2）灵活性好。（3）结构上可分割开。（4）易于实现和维护。（5）能促进标准化工作。接口（interface）接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点;同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务;只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。2.1.2 协议、层次、接口与体系结构的概念网络体系结构（network architecture）一个功

7、能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集;网络协议是按层次结构来组织的；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。网络体系结构（network architecture）计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(architecture)，也就是说，计算机网络的体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。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。网络体系结构：是指用分层研究方法定义的网络各层的功能,各层协议和接口的集合。计算

8、机网络体系结构：是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合 。2.1.3 网络体系结构的研究方法 层次结构是指将一个复杂的系统设计问题分成层次分明的一组容易处理的子问题，各层执行自己所承担的任务。层次结构研究方法的优点：各层之间相互独立;灵活性好;各层都可以采用最合适的技术来实现;易于实现和维护;有利于促进标准化；2.2 OSI参考模型2.2.1 OSI参考模型的基本概念 在计算机网络产生之初，每个计算机厂商都有一套自己的网络体系结构的概念，它们之间互不相容。 在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会(CCITT)国际标准化组织(ISO) CCITT与I

9、SO的工作领域是不同的： CCITT 主要是考虑通信标准的制定 ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构2.2.1 OSI参考模型的基本概念OSI是一个描述性的模型。它超越了具体的物理实体或软件，从理论上讲解决了不同计算机及外设，不同的计算机网络中间的相互通信的问题，成为计算机网络通信标准。在OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信；OSI标准中，采用的是三级抽象：体系结构（architecture）服务定义（service definition）协议规范（protocol specification）2.2.1 OSI

10、参考模型的基本概念体系结构计算机网络结构采用结构化层次模型 各层之间相互独立，即不需要知道低层的结构，只要知道是通过层间接口所提供的服务。 开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务；作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；对网络内部结构最精炼地概括与描述。2.2.1 OSI参考模型的基本概念服务定义详细地说明了各层所提供的服务；某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；低层的服务是通过接口向上一层提供的;各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口的具体实现。协议规范网络中计算机的硬件和软件存在各种差异，为了保证相互通

11、信及双方能够正确地接收信息，必须事先形成一种约定，即网络协议。 协议:是为实现网络中的数据交换而建立的规则标准或约定。 OSI标准中的各种协议精确地定义了： 应该发送什么样的控制信息； 如何解释这个控制信息。协议的规程规范具有最严格的约束。OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定；在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。2.2.1 OSI参考模型的基本概念（续）2.2.2 OSI参考模型的结构ISO划分七层结构的基本原则：网中各结点都具有相同的层次

12、；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层之间通过接口通信；每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。OSI参考模型的结构2.2.3 OSI参考模型各层的功能物理层的主要功能：利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；物理层的数据传输单元是比特。物理层的设备主要有：T型连接器；收发器；双绞线连接器RJ-45；RS232接口（DB-25）；DB-15接口；VB35同步接口；网络接口单元；调制解调器；中继器；集线器2.2.3 OSI参考模型各层的功能（续）物理层的设备

13、中继器（Repeater）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络结点之间物理信号的双向转发。在一定的传输媒体距离中使用中继器来对传输的数据信号整形放大后再传递。中继器是工作在物理层的设备，负责在两个结点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、整形和放大功能，从而延长网络的长度。集线器又称为Hub 它的主要功能与中继器类似，区别在于集线器能够提供多端口服务，故也称为多口中继器。 数据链路层：数据链路层最基本的服务是将源计算机网络层传来的数据可靠地传输到相邻节点的目标计算机的网络层。必须具备一系列相应的功能如何将数据组合成数据块（也称为帧，是数据链路层的传送单位）；如何控制帧在物理信道上的传输，

14、包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使之与接收方相匹配；在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放管理。2.2.3 OSI参考模型各层的功能（续）2.2.3 OSI参考模型各层的功能（续）数据链路层的主要功能：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；它让物理层建立和控制必要的物理连接；传输以“帧”为单位的数据包；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。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，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。 网络层的主要功能：提供面向连接和无连接的网络服务；通过路由选择算

15、法为分组通过通信子网选择最适当的路径；为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。2.2.3 OSI参考模型各层的功能（续）传输层主要目的：第一，提供可靠的端对端的通信；第二，向会话层提供独立于网络的传输服务。传输层的主要功能：向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务确保来自会话层的数据单元能无错、无丢失、无重复的通过；处理数据包错误、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，是计算机通信体系结构中关键的一层。2.2.3 OSI参考模型各层的功能（续）会话层 会话层面对应用进程提供分布处理，对话管理，信息表示，恢复最后的差错等。 会

16、话层的主要功能：主要是解决面向用户的功能(如通信方式的选择、用户间对话的建立、拆除)。 负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到点传输不中断；管理数据交换。为客户端的应用程序提供了打开、关闭和管理会话的机制 。2.2.3 OSI参考模型各层的功能（续）表示层 表示层的作用是为异种机通信提供一种公用语言，以便能进行互操作。 向用户提供了信息交互的控制和管理的手段，使用户能够控制信息交互的过程。由于不同的计算机系统可能采用了不同的信息编码，（如PC机采用的ASCII码等），以及不同的信息描述和表示，将导致通信的计算机系统之间无法正确地识别信息。表示层的目的是屏蔽不同计算机在信息表示方面的差异。

17、2.2.3 OSI参考模型各层的功能（续）表示层表示层的主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式语法表示：将抽象语法转换成传送语法连接管理：建立连接，管理数据传输和同步控制除数据描述和数据表示方法，数据的压缩和数据加密也是数据的重要表示，也属于表示层的范畴。数据处理 数据格式变换；数据加密与解密；数据压缩与恢复。应用层 应用层向应用程序提供服务，这些服务按其向应用程序提供的特性分成组，并称为服务元素。 应用层的主要功能:主要是提供网络任意端上应用程序之间的接口，即为应用程序提供了网络服务;需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠正与保证数据完

18、整性的控制机制。2.2.3 OSI参考模型各层的功能（续）2.2.4 OSI环境中的数据传输过程1.OSI环境（OSI environment）2.OSI环境中的数据传输过程物理层、数据链路层和网路层可有硬件实现，高层是由软件实现使用OSI模型的传输过程2.2.5 面向连接服务与无连接服务 在网络体系结构中讨论的服务可以分为通信子网对网络中数据传输所提供的服务；整个网络系统为用户提供的服务。通信子网的服务是指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性所提供的保证机制； 通信服务可以分为两大类：面向连接服务（connect-oriented service）无连接服务（connectlessserv

19、ice）2.2.5 面向连接服务与无连接服务理解网络服务需要注意的问题面向连接服务与无连接服务对实现服务的传输可靠性与协议复杂性有很大的影响；根据主机间数据传输的可靠性要求和效率的不同，设计者可以选择面向连接服务与无连接服务的类型；在网络数据传输的各层，如物理层、数据链路层、网络层与传输层都会涉及面向连接服务与无连接服务的问题。2.2.5 面向连接服务与无连接服务面向连接服务的特点面向连接服务的数据传输过程必须经过建立连接、连接维护与释放连接的三个过程；面向连接服务的在数据传输过程中，各分组可以不携带目的结点的地址；面向连接服务的传输类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数

20、据；面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。2.2.5 面向连接服务与无连接服务无连接服务的特点无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。确认和重传机制的特点网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证；确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；在规定的时间内，如果发送结点

21、没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。2.2.5 面向连接服务与无连接服务服务类型与服务质量通信协议四种类型面向连接与确认服务；面向连接与不确认服务；无连接与确认服务；无连接与不确认服务； 设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。2.3 TCP/IP参考模型OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概念清楚，体系价格低廉，理论较完整。TCP/IP模型不像OSI/RM模型那样严谨，实际上并没有一个完整的体系结构

22、模型。特别是要使用新技术、解决新问题、满足新的用户要求时，TCP/IP模型只有通过临时“打补丁”来解决。TCP/IP体系结构简单，容易实现， 现在得到了全世界的承认。TCP/IP是一个四层的体系结构，它包含应用层、运输层、网际层和网络接口层。2.3.1 TCP/IP参考模型的发展在TCP/IP协议研究初期，并没有提出参考模型；1974年，罗伯特卡恩（Robert E. Kahn）定义了最早的TCP/IP参考模型；1972年，卡恩在自己研究的基础上，认识到只有深入理解各种操作系统的细节才能建立一种对各种操作系统普适的协议，1973年卡恩请Vinton Cerf一起考虑这个协议的各个细节，他们合作

23、产生了 “传输控制协议”（TCP，Transsmission-Control Protocol）和“因特网协议”（IP，Internet Protocol）即TCP/IP协议。 2.3.1 TCP/IP参考模型的发展80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP参考模型进一步的研究；TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本4、版本5与版本6；目前我们使用的是版本4，它的网络层IP协议一般记作IPv4 ；版本6的网络层IP协议一般记作IPv6（或IPng, IP next generation）；就是说IPv6被称为下一代的IP协议。TCP/IP协议的特点开放的协议标准;独立于特

24、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。2.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。 应用层（application layer）传输层（transport layer）互联层（internet layer）主机-网络层（host-to-network layer）或网络接口层TCP/

25、IP 参考模型与OSI 参考模型的对应关系2.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能主机-网络层(网络接口层)参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报;允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等;当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时，就可以认为是这一层的内容;充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性，它也为TCP/IP的成功奠定了基础。2.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能互联层（互联网络层）TCP/IP参考模型的第2层；处理互联的路由选择、流控与拥塞问题；处理接收的数据报。（ packet目

26、的地址是否为本结点IP地址）处理来自传输层的分组发送请求。网络层协议是IP协议。IP协议是无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。（协议数据单元PDU为IP分组）2.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能传输层主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；有两种协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。两种协议各有特点，适用于不同的网络应用。传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。2.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能应用层应用层协议主要有：远程登录协议Telnet文件传输协议FTP简单邮件传输

27、协议SMTP域名系统DNS简单网络管理协议SNMP超文本传输协议HTTP建议模型：五层协议的体系结构（实际网络）OSI/RM把网络的功能分为7层，TCP/IP分为4层。 7层结构概念清楚，比较完善；4层结构的网络接口层没有具体的规定。因此从方便学习计算机网络的角度，人们构造出了一个五层结构。物理层数据链路层网络层应用层运输层表示层会话层网络接口层网络层（IP)应用层运输层(TCP/IP)物理层数据链路层网络层应用层运输层五层协议的体系结构应用层：直接为用户提供服务。如实现两台计算机间的文件传输等。运输层：负责为两个主机中进程间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程，因此运输层需要具有复

28、用和分用的功能。 网络层：当相距很远的计算机需要跨越多个通信结点进行通信时，网络层可为发送的数据分组选择一个合适的路径，使得其能准确快速的到达目的计算机。数据链路层：负责把网络层交下来的数据报打包在一个数据帧中，发送给相邻的通信结点。物理层：把数据链路层的数据帧的比特位，变换成可以在通信线路上发送的信号，发送给下一个相邻的通信结点。主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主

29、机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据主机1向主机2发送数据计算机之间数据传输过程中网络各层的协作关系5432154321H3物 理 传 输 媒 体数 据 部 分数 据 部 分数 据 部 分数 据 部 分10100110100101 比 特 流 11 010111010T2计算机1H5H4H2首部尾部AP2AP1应 用 程序数据计算机2比特帧IP数据报IP分组TCP报文段UDP报文段TCP/IP体系结构的运行 路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用传输层和应用层。沙漏计时器形状的TCP/IP协议族

30、客户进程和服务器进程使用TCP/IP协议进行通信【例】功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程2.4 OSI参考模型与 TCP/IP参考模型的比较2.4.1 对OSI参考模型的评价OSI/RM模型有3个主要的概念：服务、接口和协议。明确地区分这3个概念是OSI/RM模型的最大贡献。模型将服务与协议的定义相结合，使参考模型变复杂，难实现层次数量不是最佳选择，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；2.4.1 对OSI参考模型的评价寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；参考模型的设计更多是被通信

31、的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；严格按照层次模型编程的软件效率很低。2.4.2 对TCP/IP参考模型评价TCP/IP体系结构简单，容易实现TCP/IP模型不像OSI/RM模型那样严谨，在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其它非TCP/IP协议族；TCP/IP参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而TCP/IP参考模型却没有做到这点。2.5 网络与Internet协议标准组织 及管理机构网络协议标准组织RFC文档Internet草案Internet协议标准Internet管理机构2.5.1 网络协议标准组织国际电话电报咨询委员会CCIT