计算机网络的协议与体系结构

第2章计算机网络的协议与体系结构2.1计算机网络体系结构的形成2.2协议与划分层次2.3具有五层协议的计算机网络体系结构2.4TCP/IP的体系结构退出2.1计算机网络体系结构的形成相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。2.1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(SystemNetworkArchitecture)。现在它是世界上使用得相当广泛的一种网络体系结构。 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，他们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，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，简称为OSI。OSI参考模型的结构

下一页关于开放系统互连参考模

OSI/RM只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面OSI却失败了。OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

两种国际标准法律上的(dejure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。是非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。TCP/IP参考模型网际层网络接口层第2章计算机网络的协议与体系结构2.1计算机网络体系结构的形成2.2协议与划分层次2.3具有五层协议的计算机网络体系结构2.4TCP/IP的体系结构退出2.2协议与划分层次 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。一个网络协议主要由以下三个要素组成： （1）语法，即数据与控制信息的结构或格式； （2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应； （3）同步，即事件实现顺序的详细说明。 两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层(如图2-1所示)。划分层次的概念举例计算机

1

向计算机

2

通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。两个个计计算算机机交交换换文文件件文件件传传送送模模块块计算算机机1计算算机机2文件件传传送送模模块块只看看这这两两个个文文件件传传送送模模块块好像像文文件件及及文文件件传传送送命命令令是按按照照水水平平方方向向的的虚虚线线传传送送的的把文文件件交交给给下下层层模模块块进行行发发送送把收收到到的的文文件件交交给给上层层模模块块再设设计计一一个个通通信信服服务务模模块块文件件传传送送模模块块计算算机机1计算算机机2文件件传传送送模模块块只看看这这两两个个通通信信服服务务模模块块好像像可可直直接接把把文文件件可靠靠地地传传送送到到对对方方把文文件件交交给给下下层层模模块块进行行发发送送把收收到到的的文文件件交交给给上层层模模块块通信信服服务务模模块块通信信服服务务模模块块再设设计计一一个个网网络络接接入入模模块块文件件传传送送模模块块计算算机机1计算算机机2文件件传传送送模模块块通信信服服务务模模块块通信信服服务务模模块块网络络接接入入模模块块网络络接接入入模模块块通信网络网络接口网络接口网络接入模块块负责做与网网络接口细节节有关的工作作例如，规定传传输的帧格式式，帧的最大大长度等。分层的原则网络中各结点点都具相同的的层次；不同结点的相相同层具有相相同的功能；；同一结点内各各相邻层之间间通过接口通通信；每一层可以使使用下层提供供的服务，并并向其上层提提供服务；不同结点的同同等层通过协协议来实现对对等层之间的的通信。分层的好处各层之间是独独立的，可以以独立设计。。灵活性好：当当某一层内容容发生变化时时，只要上、、下层接口服服务关系不变变，对其他层层次没有影响响。每一层实现一一种相对独立立的功能，各各层可以用最最恰当的技术术实现本层的的功能。易于实现和维维护：由于每每一层都完成成一个小的功功能，所以容容易实现、整整体调试方便便。促进标准化：：由于对每一一层次的功能能都做了精确确的说明，所所以标准化程程度高。层数多少要适适当若层数太少，，就会使每一一层的协议太太复杂。层数太多又会会在描述和综综合各层功能能的系统工程程任务时遇到到较多的困难难。计算机网络的的各层及其协协议的集合称为网络的体系结构(architecture)，也也就是说，计算机网络的的体系结构就就是这个计算算机网络及其其部件所应完完成的功能的的精确定义。体系结构是抽抽象的，而实实现则是具体体的，是真正正在运行的计计算机硬件和和软件。第2章计计算机网络的的协议与体系系结构2.1计计算机网络体体系结构的形形成2.2协协议与划分层层次2.3具具有五层协议议的计算机网网络体系结构构2.4TCP/IP的体系结构构退出2.3具具有五层协议议的

计算机机网络体系结结构2.3.1从从OSI体系结构到到原理体系结结构OSI的七层层协议体系结结构既复杂又又不实用，但但其概念清楚楚，体系价格格低廉，理论论较完整。TCP/IP的协议现在在得到了全世世界的承认，，但它实际上上并没有一个个完整的体系系结构。TCP/IP是是一个四层的的体系结构，，它包含应用用层、运输层层、网际层和和网络接口层层。OSI参考模模型的结构下一页TCP/IP参考模型网际际层层网络接口层但从实质上讲讲，TCP/IP只有三三层，即应用用层、运输层层和网际层，，因为最下面面的网络接口口层并没有什什么具体内容容。因此在学学习计算机网网络的原理时时往往采取折折衷的办法，，也就是综合合OSI和TCP/IP的优点，采采用一种原理理体系结构，，它只有五层层(如图2-2所示)，，这样既简洁洁又能将概念念阐述清楚[TANE96]。五层协议的体体系结构应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层1．应用层(applicationlayer)应用层是原理理体系结构中中的最高层。。应用层确定定进程之间通通信的性质以以满足用户的的需要(这反反映在用户所所产生的服务务请求)。2．运输层(transportlayer)运输层的任务务就是负责主主机中两个进程之间间的通信，其数据传输输的单位是报文段(segment)。运运输层具有复用(multiplexing)和分用(demultiplexing)的功能。因特网的运输输层可使用两两种不同协议议。即面向连连接的传输控制协议议TCP(TransmissionControlProtocol)，，和无连接的的用户数据报协协议UDP(UserDatagramProtocol)。3．网络层(networklayer)网络层负责为为分组交换网网上的不同主机提供通信。在在网络层，数数据的传送单单位是分组或包。在TCP/IP体系中中，分组也叫叫作IP数据报，或简称为数据报。4．数据链路路层（datalinklayer）数据链路层的的任务是在两两个相邻结点点间的线路上上无差错地传传送以帧(frame)为单位的的数据。每一一帧包括数据据和必要的控控制信息。数数据链路层有有时也常简称称为链路层。数据链路层就就把一条有可可能出差错的的实际链路，，转变成为让让网络层向下下看去好像是是一条不出差差错的链路。。5．物理层（（physicallayer））物理层的任务务就是透明地地传送比特流流。“透明”是一个很重重要的术语。。它表示：某一个实际存存在的事物看看起来却好像像不存在一样样。图2-3说明明的是应用进进程的数据在在各层之间的的传递过程中中所经历的变变化。这里为为简单起见，，假定两个主主机是直接相相连的。5432154321H3物理传输输媒体体数据部部分数据部部分分数据据部部分分数据据部部分分10100110100101比比特特流流11010111010T2计算机1H5H4H2首部尾部……AP2AP1应用程序序数据计算机2比特帧IP数据报IP分组TCP报文段UDP报文段计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2应用进程数据据先传送到应应用层加上应用层首首部，成为应应用层PDU计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2应用层PDU再传送送到运输层加上运输层首首部，成为运运输层报文计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2运输层报文再再传送到网络络层加上网络层首首部，成为IP数据据报（或分组组）计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2IP数据报报再传送到数数据链路层加上链路层首首部和尾部，，成为数据链链路层帧计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2数据链路层帧帧再传送到物物理层最下面的物理理层把比特流流传送到物理理媒体计算机1向计算机2发送数据应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体体计算机1AP2AP1电信号（或光光信号）在物物理媒体中传传播从发送端物理理层传送到接接收端物理层层计算机2计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2物理层接收到到比特流，上上交给数据链链路层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2数据链路层剥剥去帧首部和和帧尾部取出数据部分分，上交给网网络层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2网络层剥去首首部，取出数数据部分上交给运输层层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2运输层剥去首首部，取出数数据部分上交给应用层层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2应用层剥去首首部，取出应应用程序数据据上交给应用进进程计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2我收到了AP1发来的应用程序数据据！计算机1向计算机2发送数据5432154321计算算机机1AP2AP1计算算机机2应用用程程序序数数据据应用层首部H510100110100101比比特特流流110101110101注意意观观察察加加入入或或剥剥去去首首部部（（尾尾部部））的的层层次次应用程程序序数据据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机1向计算机机2发送数据据5432154321计算机1AP2AP1计算机210100110100101比比特特流流110101110101计算机2的的物理层层收到比比特流后后交给数据据链路层层H2T2H3H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据计算机1向计算机机2发送数据据5432154321计算机1AP2AP1计算机2数据链路路层剥去去帧首部部和帧尾尾部后把帧的数数据部分分交给网网络层H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据计算机1向计算机机2发送数据据5432154321计算机1AP2AP1计算机2网络层剥剥去分组组首部后后把分组的的数据部部分交给给运输层层H5应用程序数据H4H5应用程序数据计算机1向计算机机2发送数据据5432154321计算机1AP2AP1计算机2运输层剥剥去报文文首部后后把报文的的数据部部分交给给应用层层应用程程序序数据据H5应用程程序序数据据计算机1向计算机机2发送数据据5432154321计算机1AP2AP1计算机2应用层剥剥去应用用层PDU首首部后后把应用程程序数据据交给应应用进程程计算机1向计算机机2发送数据据5432154321计算机1AP2AP1计算机2我收到了了AP1发来的应用程序序数据！！5432154321H3物理传传输输媒体体数据据部部分分数据据部部分分数据据部部分分数据据部部分分10100110100101比比特特流流11010111010T2计算机1H5H4H2首部尾部……AP2AP1应用程程序序数据计算机2比特帧IP数据报IP分组TCP报文段UDP报文段不要误认认为“从计算算机1向向计算机机2传送送数据时时，是先先传送数数据部分分或尾部部，而最最后传送送首部。。”在OSI参考模模型中，，在对等等层次上上传送的的数据，，其单位位都称为为该层的协议数据据单元PDU(ProtocolDataUnit)。。在文献中中也还可可以见到到术语““协议栈”(protocolstack)。这这是因为为几个层层次画在在一起很很像一个个栈(stack)。。实体、协协议、服服务和服服务访问问点实体(entity)这一一名词表表示任何可发发送或接接收信息息的硬件件或软件件进程。协议是控控制两个个对等实实体进行行通信的的规则的的集合。在协议的的控制下下，两个个对等实实体间的的通信使使得本层层能够向向上一层层提供服服务。要要实现本本层协议议，还需需要使用用下面一一层所提提供的服服务。一定要弄弄清楚，，协议和和服务在在概念上上是很不不一样的的。首先，协协议的实实现保证证了能够够向上一一层提供供服务。。本层的服服务用户户只能看看见服务务而无法法看见下下面的协协议。下下面的协协议对上上面的服服务用户户是透明明的。其次，协议是“水平的”，即协协议是控控制对等等实体之之间通信信的规则则。但服务是“垂直的”，即服服务是由由下层向向上层通通过层间间接口提提供的。。在同一系系统中相相邻两层层的实体体进行交交互(即即交换信信息)的的地方，，通常称称为服务访问问点SAP(ServiceAccessPoint)。OSI将将层与层层之间交交换的数数据的单单位称为为服务数据据单元SDU(ServiceDataUnit)在任何相相邻两层层之间的的关系可可概括为为图2-4所示示的那样样。在服服务提供供者的上上一层的的实体，，也就是是“服务用用户”，它它使用用服务务提供供者所所提供供的服服务。。实体、、协议议、服服务和和服服务访访问点点（续续）协议交换原语交换原语服务务用用户户提供服务服务提供者第n层层第n+1层层服务务用用户户SAPSAP协议很很复杂杂协议必必须将将各种不利的的条件件事先先都估估计到到，而而不能能假定定一切切情况况都是是很理理想和和很顺顺利的的。必须非非常仔仔细地地检查查所设设计协协议能能否应应付所所有的的不利利情况况。应当注注意：：事实实上难难免有有极个别别的不利情情况在在设计计协议议时并并没有有预计计到。。在出出现这这种情情况时时，协协议就就会失失败。。因此此实际际上协协议往往往只只能应应付绝大多多数的不利利情况况。著名的的协议议举例例占据两两个山山顶的的蓝军军与驻驻扎在在这山山谷的的白军军作战战。力力量对对比是是：一一个山山顶上上的蓝蓝军打打不过过白军军，但但两个个山顶顶的蓝蓝军协协同作作战就就可战战胜白白军。。一个个山顶顶上的的蓝军军拟于于次日日正午午向白白军发发起攻攻击。。于是是发送送电文文给另另一山山顶上上的友友军。。但通通信线线路很很不好好，电电文出出错的的可能能性很很大。。因此此要求求收到到电文文的友友军必必须发发送确确认电电文。。但确确认电电文也也可能能出错错。试试问能能否设设计出出一种种协议议，使使得蓝蓝军能能实现现协同同作战战因而而一定定(即即100%)取得得胜利利？明日正午进攻，如何？同意收到“同意”收到：收到“同意”………………这样的的协议议无法法实现现！结论这样无无限循循环下下去，，两边边的蓝蓝军都都始终终无法法确定定自己己最后后发出出的电电文对对方是是否已已经收收到。。没有一一种协协议能能够蓝蓝军能能100%获获胜胜。……蓝军联联合进进攻白白军———必必胜蓝军单单独进进攻白白军———必必败明日正正午进进攻?同意收到““同意意”收到：：收到到“同同意””协议无无法保保证必必胜！！第2章章计计算算机网网络的的协议议与体体系结结构2.1计计算算机网网络体体系结结构的的形成成2.2协协议议与划划分层层次2.3具具有有五层层协议议的计计算机机网络络体系系结构构2.4TCP/IP的体体系结结构退出2.4TCP/IP的体体系结结构OSI参考考模型型中采采用了了七个个层次次的体体系结结构，，将原原理体体系结结构中中的应应用层层再划划分为为应用层层、表示层层和会话层层。图2-5画画出了了TCP/IP与OSI这两两种体体系结结构的的对比比。OSI与TCP/IP体系结结构的的比较较应用层层运输层层网络层层表示层层会话层层数据链链路层层物理层层7654321OSI的的体系系结构构应用层层网络接接口层层网际层层IP(各种种应用用层协协议如如TELNET,FTP,SMTP等)运输层层(TCP或UDP)TCP/IP的的体体系结结构无连接接分组组交付付服务务运输服服务(可靠或或不可可靠)各种应用服务TCP/IP的三个个服务务层次次TCP/IP四层协协议的的表表示方方法举举例应用层层运输层层网际层层网络接口层层主机A主机B路由器器网络2网络1应用层层运输层层网际层层网络接口层层网际层层网络接口层层4321还有一一种方方法，，就是是用按按层次次高低低的一一些协协议来来表示示TCP/IP协议议族，，如图图2-7所所示。。沙漏计计时器器形状状的TCP/IP协议议族HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层层网络接接口层层运输层层应用层层………网络接接口1网络接接口2网络接接口3EverythingoverIPIP可为各各式各各样的的应用用程序序提供供服务务IPoverEverythingIP可应用用到各各式各各样的的网络络上例1：：客客户––服务务器工工作方方式在TCP/IP的进进程之之间的的通信信经常常使用用客户––服务务器方方式。。应用层协议议并不是解解决用户各各种具体应应用的协议议，而是为最终用户户提供服务务。为了解决具具体的应用用问题而彼彼此通信的的进程就称为“应用进程”。而应用用层的具体体内容就是是规定应用进进程在通信信时所遵循循的协议。客户(client)和和服务器(server)都都是指通信信中所涉及及的两个应应用进程。。客户进程和和服务器进进程

使用用TCP/IP协议进行通通信数据链路层层物理层运输层网络层数据链路层层物理层运输层网络层①

客户发起连接建立请求②

服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户服务器以后就逐级级使用下层层提供的服务务(使用TCP和和IP））功能较强的的计算机可可同时运行行多个服务务器进程(如图2-9中的计计算机3)。由于运行服服务器进程程的机器往往往有许多多特殊的要要求(不同同于普通的的PC机)，因此经经常将主要要运行服务务器进程的的机器(硬硬件)不严格地称为服务务器。功能较强的的计算机可可同时运运行多个服服务器进程程数据链路层层物理层运输层网络层应用层计算机3服务器1服务器2数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机1客户1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机2客户2因特网应当注意使用计算机机的人是““用户”(user)而不是是“客户””(client)。客户和服务务器都指的的是进程，，即计算机机软件。由于运行服服务器进程程的机器往往往有许多多特殊的要要求，因此此人们经常常将主要运运行服务器器进程的机机器（硬件件）不严格格地称为服服务器。例如，“这这台机器是是服务器。。”意思思是：“这这台机器（（硬件）主主要是用来来运行服务务器进程（（软件）。。”因此，服务务器(server)一词有有时指的是是软件，但但也有时指指的是硬件件。在一些问题题的处理上上，TCP/IP与与OSI是是很不相同同的。（1）TCP/IP一开始就就考虑到多多种异构网的互连问题题。（2）TCP/IP一开始就对对面向连接接服务和无无连接服务务并重。（3）TCP/IP有较好的网网络管理功功能。在讨论两个个主机通过过两个网络络互连在一一起时，可可以使用如如图2-6所示的层层次关系。。客户与服务务器客户是服务务请求方，，服务器是是服务提供供方。服务请求方方服务提供方方客户(client)服务器(server)客户软件和和服务器软软件通常还还具有以下下一些主要要特点。1．客户软软件（1）在进进行通信时时临时成为为客户，但但它也可在在本地进行行其他的计计算。（2）被用用户调用，，在用户的的计算机上上运行，在在打算通信信时主动向向远地服务务器发起通通信。（3）可与与多个服务务器进行通通信。（4）不需需要特殊的的硬件和很很复杂的操操作系统。。2．服务器器软件（1）是一一种专门用用来提供某某种服务的的程序，可可同时处理理多个远地地客户的请请求。（2）在共共享计算机机上运行。。当系统启启动时即自自动调用，，且不断地地运行着。。（3）被动动地等待并并接受来自自多个客户户的通信请请求。（4）一般般需要强大大的硬件和和高级的操操作系统支支持。客户与服务务器的通信信关系一旦旦建立，通通信就可是是双向的，，客户和服服务器都可可发送和接接收信息。。大多数的的应用进程程都是使用用TCP/IP协议议进行通信信。图2-8画出了了这种情况况。数据链路层层物理层运输层网络层数据链路层层物理层运输层网络层①发起连接建立请求应用层应用层客户服务器因特网②接受连接建立请求计算机A计算机B数据链路层层物理层运输层网络层数据链路层层物理层运输层网络层数据链路层层物理层运输层网络层应用层应用层应用层计算机A计算机B计算机C客户1服务器1服务器2客户2因特网2.3.3面向 从通信的角度看，各层所提供的服务可分为两大类，即面向连接的(connection-oriented)与无连接的(connectionless)。

1．面向连接服务 所谓连接，就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这三个阶段。 面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。2．无连连接服务务在无连接接服务的情况下下，两个个实体之之间的通通信不需需要先建建立好一一个连接接，因此此其下层层的有关关资源不不需要事事先进行行预定保保留。这这些资源源将在数数据传输输时动态态地进行行分配。。无连接服服务的另另一特征征就是它它不需要要通信的的两个实实体同时时是活跃跃的(即即处于激激活态)。（1）数据报(datagram)。（2）证实交付付(confirmeddelivery)。（3）请求回答答(request-reply)。。9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。21:53:5821:53:5821:5312/28/20229:53:58PM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2221:53:5821:53Dec-2228-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。21:53:5821:53:5821:53Wednesday,December28,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2221:53:5821:53:58December28,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。28十十二二月月20229:53:58下下午午21:53:5812月月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月229:53下下午午12月月-2221:53December28,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2821:53:5821:53:5828December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。9:53:58下午9:53下下午21:53:5812月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。21:53:5821:53:5821:5312/28/20229:53:58PM11、成功