计算机网络技术第3章

第3章网络体系结构与通信协议1/11/20231第3章网络体系结构与通信协议教学目标(1)了解网络体系结构的概念；(2)掌握OSI七层参考模型，熟悉TCP/IP体系结构；(3)了解物理层的概念、功能、主要解决的问题和四个基本特性；(4)了解数据链路层的概念、功能，了解帧与报文的概念；(5)了解网络层的概念、功能，了解路由选择的概念；(6)了解传输层的概念、功能，了解无连接服务、连接服务的概念；(7)了解会话层、表示层和应用层的特点与功能。1/11/20232第3章数据通信基础教学内容

3.1网络体系结构概念与网络协议

3.2TCP/IP体系结构

3.3物理层

3.4数据链路层

3.5网络层

3.6传输层

3.7会话层、表示层和应用层

3.8TCP/IP协议数据包分析实例1/11/202333.1网络体系结构概念与网络协议

网络层次性结构模型与各层次协议的集合定义为计算机网络体系结构（networkarchitecture）。3.1.1计算机网络体系结构1．OSI/RM体系结构国际标准化组织ISO于1983年正式推出开放系统互连7层参考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），简称为OSI。“开放”是指只要遵循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—标准的其他任何系统进行通信。“系统”则是指在现实的网络系统中与互连相关的各部分。1/11/202343.1.1计算机网络体系结构2．OSI环境1/11/202353.1.1计算机网络体系结构3．OSI环境中的数据传输过程（1）当主机A的应用进程1的数据传送到应用层时，应用层为数据加上本层控制报头后，组织成应用层的服务数据单元，然后再传输到表示层。（2）表示层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头，组成表示层的服务数据单元，再传送到会活层。（3）传输层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头，就构成了传输层的服务数据单元，它被称为报文（Message）。（4）传输层的报文传送到网络层时，加上网络层的控制报头，就构成了网络层的服务数据单元，它被称为分组（Packet）。（5）网络层的分组传送到数据链路层时，加上数据链路层的控制信息，就构成了数据链路层的服务数据单元，它被称为帧（Frame）。（6）数据链路层的帧传送到物理层后，物理层将以比特流的方式通过传输介质传输出去。1/11/202363.1.1计算机网络体系结构3．OSI环境中的数据传输过程1/11/202373.1.2

OSI参考模型相关的基本概念1．层次“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部总是比较易于研究和处理。五大好处。2．实体实体（Entity）表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。1/11/202383.1.2

OSI参考模型相关的基本概念3．协议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（NetworkProtocol）。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：解析每一部分数据的含义，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。1/11/202393.1.2

OSI参考模型相关的基本概念服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。OSI的服务原语有四类，分别是：Request（请求）、Indication（指示）、Response（响应）、Confirm（证实）。服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）：在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方。

1/11/2023103.1.2

OSI参考模型相关的基本概念4．服务种类(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。面向连接服务是一种可靠的服务。(2)无连接服务在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，有关资源不需要事先进行预定保留。无连接服务是一种不可靠的服务。1/11/2023115．OSI/RM七层协议图1/11/2023123.2TCP/IP体系结构3.2.1OSI与TCP/IP体系结构的比较

TCP/IP协议成功的原因之一是以IP层为核心，协议虽然简单，但实用。

1/11/2023133.2.2TCP/IP应用举例

主机A与主机B通信的流程是，主机A通过应用层、传输层、网络层、网络接口层把数据打包发送到网络1；连接在网络1的路由器接收到数据包，通过网络接口、网络层解包获得源数据的目标网络地址（IP地址），网络依目标地址根据路由算法找到合适的下一个要发送到的网络2，并把数据发送到该网络。主机B接收到发送的数据按相反的次序拆包。1/11/2023143.3物理层

物理层位于OSI/RM参考模型的最低层，规范网络的电气及机械接口，实现物理链路相连的互联系统间的数据通信和信息传输。3.3.1OSI物理层的基本概念物理层规定了传输原始数据的物理链路上通信设备的机械的、电器的、功能的和规程的特性。机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。1/11/2023153.3.2物理层实例

EIA-232-E接口DTE（DataTerminalEquipment）是数据终端设备。DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）是数据电路端接设备。1/11/2023163.4数据链路层3.4.1数据链路层的基本概念数据链路层（Datalink）主要任务是把数据组合成帧格式进行发送并处理接收到的帧。数据链路层还具有流量控制和差错控制方面的功能。数据链路层具体可分为两层：

(1)介质访问MAC：解决信道竞争。

(2)逻辑链路控制LLC：解决传送数据的维护。1/11/2023173.4.2数据链路层实例1．HDLC协议

HDLC（HighLevelDataLinkControl）以位为基本单位，实现通信链路上的一个主站与多个次站之间的数据传输。

HDLC已广泛应用，如LAN总线、X.25等很多协议都是以HDLC为基础定义的。1/11/2023183.4.2数据链路层实例2．点对点协议PPPPPP（Point-to-PointProtocol）协议是因特网的正式标准[RFC1661]。PPP协议有三个组成部分：将IP数据报封装到串行链路的方法；

链路控制协议

LCP（LinkControlProtocol）；

网络控制协议

NCP（NetworkControlProtocol）。1/11/2023193.5网络层3.5.1网络层路由的概念网络层也称通信子网层，是OSI参考模型的第三层。它的主要任务是通过路由选择算法，为报文或分组通过通信子网选择最适合的路径，即提供逻辑寻址以便进行路由选择。网络层负责设备的寻址，跟踪网络中设备的位置，并决定传送数据的最佳路径。1/11/2023203.5.2网络路由实例三个网络（网络1、网络2、网络3）的路由1/11/2023213.5.2网络路由实例图中有三个网络（网络1、网络2、网络3）；两个路由器（R1、R2）；路由器R1有两个接口，分别为E0（对应网络标识号为“1.3”），S0（对应网络标识号为“2.1”）,路由表为RT1。路由器的路由表中包含的表项有网络地址（Networkaddresses，表项名NET），接口（Interface，表项名INT），度量（Metric，表项名“度量值”）。地址为“1.1”的机器发送目的地址为“3.2”的数据包的路由分析。1/11/2023223.5.3IP数据包分析IP数据包是Internet的基本传送单元，版本4即IPv4的数据格式如图所示。IP头的长度单位为4字节，即字长为32位二进制数。IP头中可选字段通常不使用，因此IP头通常为5×4=20字节。1/11/2023233.5.3IP数据包分析（1）版本：4位字段标识本数据包IP版本号。若此4位对应为十进制数“4”，则表明此数据包对应版本为4（习称为IPv4）的描述。（2）首部长度：该4位字段表示IP数据包中IP分组头的长度，取值的范围是5～15。（3）服务类型：该8位字段说明分组所希望得到的服务质量。（4）总长度：该16位字段给出本IP数据包的字节总数，包括分组头和数据的长度。（5）标识：16位，源端每一个IP数据包相应一个唯一值。（6）标志段：3位，包含有说明数据包能否分片的控制位，以及当IP包被分片传送时是否还有后续分片数据的标志。（7）片偏移：13位，用于重组被分片的IP数据包。1/11/2023243.5.3IP数据包分析（8）生存时间：8位，生存时间是指IP分组能在Internet互联网中停留的最长时间，记为TTL（TimeToLive）。（9）协议：8位，表示上一层（传输层）采用的协议。“1”-ICMP；“6”-TCP；“8”-EGP；“17”-UDP。（10）首部校验和：16位，IP数据包首部的循环冗余校验码（CRC）。（11）源地址：32位的发送端IP地址。（12）目的地址：32位的数据包目的端IP地址。（13）可选字段：用于网络检测、调试、安全等等。1/11/2023253.5.3IP数据包分析分析:0000450000390004080e0000

000880112645000Cc0a801020010ca6080561/11/2023263.6传输层传输层主要负责连接应用层与完成网络间数据通信的其它层。3.6.1传输层的基本概念(1)建立、维护、拆除应用程序之间的连接。(2)提供端口到端口的错误恢复和流程控制。(3)为上一层提供独立的透明的数据传送。1/11/2023273.5.2传输层实例1．TCP协议传输控制协议TCP（TransmissionControlProtocol）提供面向连接的服务。1/11/2023283.5.2传输层实例2．TCP协议的特点（1）面向连接TCP传送包括三个阶段，即连接建立、数据传送、连接释放。TCP的连接采用客户服务器方式，主动发起连接的应用进程叫做客户（Client），而被动等待的应用进程叫做服务器（Server）。（2）流量控制TCP传送时，接收端可以根据自己的资源情况，随时动态地调整对方发送字节长度（称为发送窗口）。1/11/2023293.5.2传输层实例（3）拥塞控制可传送数据的速率除了要求接收端来得及接收，还要求网络层来得及传送。为了避免在网络上传送时发生堵塞，TCP协议采用了拥塞控制。标准RFC2581中定义了四种算法，即慢开始（Slow-Start）、拥塞避免（CongestionAvoidance）、快重传（FastRetransmit）和快恢复（FastRecovery）。（4）TCP的重传机制TCP每发送一个报分段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到了但还没有收到对方的确认报文，就将这一报文重新传送。1/11/2023303.5.2传输层实例3．UDP协议用户数据报协议UDP（UserDatagramProtocol）在传送数据之前不需要先建立连接。对方的传输层在收到UDP报文后，不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但在某些情况下UDP是一种最有效的工作方式。如果将用户数据报协议（UDP）与TCP做一个比较，UDP数据首部小了很多，在网络上UDP不会消耗太多的网络带宽。1/11/2023313.7会话层、表示层和应用层3.7.1会话层会话层维持不同应用程序的会话连接和数据分隔，负责建立、管理和终止表示层实体之间的会话连接，是系统之间协调通信的过程。3.7.2表示层表示层为应用层服务，负责转换和数据加密、压缩。通常为了使计算机都能顺利接收，在发送之前需将数据转换为标准的格式。1/11/2023323.7会话层、表示层和应用层3.7.3应用层

应用层是用户与计算机进行交互的层次。应用层作为实际应用程序和下一层（在OSI模型下为表示层）之间的接口，把应用程序的有关信息送到协议栈的下面各层。1/11/2023333.8TCP/IP协议数据包分析实例

在局域网与Internet相连的环境下，通过nslookup命令查询域名“”的IP地址。DNS服务器的IP地址为“6”，解析“”的IP地址是“9”

利用Ethereal分析软件及捕捉数据程序，获得的数据包1.安装Ethereal；2．运行Ethereal；3．分析数据包；1/11/2023343.8TCP/IP协议数据包分析实例捕捉到的数据是在以太网上传输的原始数据，共71字节。0000000f3d14030d0014854082570800

4500

00100039080e000080112645c0a80102ca60

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0040636e00000100011/11/2023353.8TCP/IP协议数据包分析实例(1)应用层数据应用层按DNS的数据格式发给DNS服务器，其主要内容就要查询“”（对应的ACSII码十六进制数为：7777

77046764647802636e）的IP的地址。(2)传输层数据传输层接到应用层的数据包传送任务，加上一个数据首部，共8字节，具体数据如下：0020045d003500252c83(3)网