计算机网络体系结构简介

1、计算机网络体系结构简介Senn, Information Technology, 3rd Edition问题的提出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为若干个层次；较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能；网络中的每一层都起到隔离作用，使得低层功能具体实现方法的变更不会影响到高一层所执行的功能。Senn, Information Technology, 3rd Edition网络的分层结构将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”以寄信为例，通过下图说明Senn, Information Technology, 3r

2、d Edition计算机网络协议网络协议协议定义了网络上的各种计算机和设备之间相互通信、数据管理、数据交换的整套规则。网络协议组成：语法、语义、时序协议的语法（如何讲）问题是用户数据与控制信息的结构与格式。（如何通信？）协议的语义（讲什么）问题。是需要发出何种控制信息，以及要完成的动作与应做出的响应。（通信什么？）协议的时序（讲话次序）问题是事件实现的速度匹配和排序等。（何时通信？）Senn, Information Technology, 3rd Edition计算机网络体系结构一个功能完备的计算机网络系统，采用了层次性结构；每层都会包含一个或多个协议。为此，我们将网络层次性结构模型与各层次

3、协议的集合定义为计算机网络的体系结构。Senn, Information Technology, 3rd Edition计算机网络体系结构世界上第一个网络体系结构由IBM公司提出（74年，SNA-系统网络体系结构 ），以后其他公司也相继提出自己的网络体系结构如：Digital公司的DNA-数字网络体系结构 ，美国国防部的TCP/IP等，多种网络体系结构并存，其结果是若采用IBM的结构，只能选用IBM的产品，只能与同种结构的网络互联。 为了促进计算机网络的发展，国际标准化组织ISO于1977年成立了一个委员会，在现有网络的基础上，提出了不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构，称为开放系统互

4、联模型（OSI参考，open system interconnection） Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI参考模型的基本知识国际标准化组织（ISO）颁布的开放系统互连参考模型（OSI/RM Open System Interconnection ），即七层网络通信模型。“开放”：表示任何两个遵守OSI标准的系统可以互连OSI/RM体系结构七层模型从上到下依次为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型OSI/RM体系结构七层模

5、型Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型OSI参考模型中的数据传输过程网络中各结点都有相同的层次 不同结点相同层次具有相同的功能 同一结点相邻层间通过接口通信 不同结点的同等层间通过协议来实现对等层间的通信 除了最低层的物理层是通过传输介质进行物理数据传输外，其他对等层之间的通信均为逻辑通信。每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务 每一层将上层传递过来的通信数据加上若干控制位后再传递给下一层，最终由物理层传递到对方物理层，再逐级上传，从而实现对等层之间的逻辑通信。Senn, Information Technology, 3rd E

6、ditionOSI模型Senn, Information Technology, 3rd Edition具体7层数据格式功能与连接方式典型设备应用层 Application网络服务与使用者应用程序间的一个接口表示层 Presentation数据表示、数据安全、数据压缩会话层 Session建立、管理和终止会话传输层 Transport数据组织成数据段Segment）用一个寻址机制来标识一个特定的应用程序(端口号)网络层 Network分割和重新组合数据包Packet基于网络层地址（IP地址）进行不同网络系统间的路径选择路由器数据链路层 Data Link将比特信息封装成数据帧Frame在物理层

7、上建立、撤销、标识逻辑链接和链路复用 以及差错校验等功能。通过使用接收系统的硬件地址或物理地址来寻址网桥、交换机物理层Physical传输比特（bit）流建立、维护和取消物理连接网卡、中继器和集线器 Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型各层的功能简介能(1) 物理层(Physical Layer)物理层的作用是通过传输介质发送和接收二进制比特流，实现比特流的透明传输。物理层接口协议实际上是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络结点与物理信道如何连接的问题。物理层协议规定了标准接口的机械、电

8、气、功能和规程特性Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型物理层的网络连接设备(1)中继器:对衰减的信号进行再生和放大。(2) 集线器（HUB）：信号再生与放大，也称为“多端口中继器”Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型各层的功能简介能(2) 数据链路层(Data Link Layer)该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层传送的协议数据单元（PDU)称为数据帧。数据帧中包含物理地址（又称MAC地址）、控制码、数据

9、及校验码等信息。功能：（1）数据链路管理；（2）帧同步；（3）差错控制；（4）流量控制Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型数据链路层的网络连接设备(1) 网卡：又称网络接口卡（NIC，Network Interface Card），是主机与网络的接口部件。功能：控制数据传送；具备串-并转换功能；缓存功能 网卡的MAC地址（12位十六进制网络地址（48位），通过命令Ipconfig /all 可得到(2) 网桥（Bridge）什么是冲突域：能够发生冲突的网络就称为冲突域。使用网桥增加了小的冲突域，而降低了整个网络的冲突域。功能：过滤和转发；

10、学习功能Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型数据链路层的网络连接设备(3) 交换机交换机也叫交换式集线器，是一个由许多高速端口组成的设备。交换机与HUB区别在于：交换机基于MAC地址向特定端口转发数据帧，而HUB是向所有端口广播发送数据帧；前者是独享带宽，后者是共享带宽。例如，有一台100Mbps的HUB，连接了N台主机，则N台主机共享100Mbps带宽，每台主机所分配到的带宽只有100Mbps/N；而对于一台100Mbps的交换机，每个端口的带宽均为100Mbps，即每台连接的主机均可获得100Mbps带宽。Senn, Informat

11、ion Technology, 3rd EditionOSI模型各层的功能简介能(3) 网络层(Network Layer)该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地网络层是为传输层提供服务的，传送的协议数据单元称为数据包或分组。功能：为传输层提供服务组包和拆包路由选择流量控制Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型网络层的网络连接设备(1) 路由器（Router）：根据数据包中的逻辑地址（网络地址）而不是MAC地址来转发数据包。Senn, Information Technology,

12、 3rd EditionOSI模型网络层的网络连接设备(2) 第三层交换机：随着技术的发展，有些交换机也具备了路由的功能。这些具有路由功能的交换机要在网络层对数据包进行操作，因此被称为第三层交换机。 Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI模型各层的功能简介能(4) 传输层(Transport Layer)传输层是OSI参考模型的中间层，负责端-端的通信，即把信息从网络的一端传输到另一端。传输层数据传输的基本单位是报文。功能：分割与重组数据；按端口号寻址；连接管理；差错控制和流量控制Senn, Information Technology, 3r

13、d EditionOSI模型各层的功能简介能(5) 会话层(Session Layer)会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。例如，一个交互的用户会话以登录到计算机开始，以注销结束。(6) 表示层(Presentation Layer)表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功

14、能之一。(7) 应用层(Application Layer)应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等。高层网络连接设备：网关Senn, Information Technology, 3rd Edition网络互联的硬件设备中继器 repeater对输入的失真信号整形放大，重新产生完整的信号在继续传送工作于物理层网桥 bridge连接多个网段的网络设备，在数据链路层上实现网络的互联接收/存储/过滤/转发路由器 router选择最佳的转发路径工作于网络层网关 gateway网间协议变换器，实现不同协议的网络之间的互联

15、Senn, Information Technology, 3rd EditionBACKSenn, Information Technology, 3rd EditionTCP/IP参考模型简介TCP/IP的名称中文名称是“传输控制协议互连网络协议”。TCP/IP模型是一个协议集。制定者 ARPA的英文全称是“Advanced Research Projects Agency”，其中文名称是“美国国防部高级研究计划局”。Internet网络体系结构以TCP/IP为核心。基于TCP/IP的参考模型将协议分成四个层次，它们分别是：网络接口层、网际互连层、传输层、和应用层。Senn, Inform

16、ation Technology, 3rd Edition应用层TelnetFTPSMTPHTTPDNSSNMPTFTP传输层TCPUDPIP网际层ARPRARP网络接口层EthernetToken RingX.25其他协议TCP/IP四层参考模型Senn, Information Technology, 3rd EditionOSI与TCP/IP标准比较Senn, Information Technology, 3rd Edition网络接口层：TCP/IP的最低层；网络接口层与OSI参考模型的数据链路层和物理层相对应，它不是TCP/IP协议的一部分，但它是TCP/IP赖以存在的与各种通信网

17、之间的接口，所以，TCP/IP对网络接口层并没有给出具体的规定。该层可以直接兼容常用的局域网和广域网协议。TCP/IP参考模型简介Senn, Information Technology, 3rd Edition网际层： 又被称为互联层、互联网络层或网间网络层。主要负责相邻结点之间，数据分组的逻辑（IP）地址寻址与路由。IP（Internet Protocol，网际协议）：为IP数据包进行寻址和路由。ICMP（Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议）：用于处理路由、协助IP层实现报文传送的控制机制，并为IP协议提供差错报告ARP（Address R

18、esolution Protocol，地址解析协议）：用于完成主机的IP（Internet）地址向物理地址的转换。RARP（Reverse Address Resolution Protocol，逆向地址解析协议）：用来完成主机的物理地址到IP地址的转换或映射功能。TCP/IP参考模型简介Senn, Information Technology, 3rd Edition传输层： 又称运输层。提供端到端的可靠或不可靠的通信服务。端到端的通信服务通常是指网络结点间应用程序之间的连接服务。TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议：是一种面向连接的、高可靠性的、

19、提供流量与拥塞控制的传输层协议。UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议：是一种面向无连接的、不可靠的、没有流量控制的传输层层协议。TCP/IP参考模型简介Senn, Information Technology, 3rd Edition传输层两个主要协议TCP（传输控制协议）UDP(用户数据报协议)面向连接的协议。连接是两个对等实体为进 行数据通信而进行的一种结合。面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接。当数据交换结束后，则应终止这个连接。面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放个阶段。在传送数据时是按序传送的。传输层上与TCP并行的一个独立协议（无连接的服务）。UDP建立在IP协议上，它除了增加多端口外，几乎没有增加其他新的功能。因此，UDP也是一个不可靠的无连接协议。2.4 TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型简介Senn, Information Technology, 3rd EditionTCP或UDP端口号（port）定义：不同的进程用进程号或进程标识惟一地标识出来。进程标识符就是“端口号”，又被称为“进程地址”。端口号的表示：端口号的长度定义为16位二进制，其值可以是065535之间的任意十进制整数。全局端口号：又称“默认端口号”或“公认端口号”，每个客户进程都知道相应服务器的全局端口号。默认端口号