第二章网络体系结构与协议

第2章

网络体系结构与协议

本章主要内容

网络体系结构的基本概念开放系统互连参考模型

TCP/IP的体系结构

OSI与TCP/IP参考模型的比较2.1网络体系结构的基本概念

协议（protocol）:是通信双方为了进行网络数据交换而建立的规则、约定和标准。网络协议的优劣直接影响网络的性能网络协议的组成

语义：做什么（whattodo）语法：怎么做（howtodo）定时关系：何时做（whentodo）2.1.1网络协议的概念

计算机网络中存在有多种协议协议之间的相互作用:为避免重复工作，每个协议应该处理没有被其他协议处理过的通信问题;协议之间可以共享数据和信息。协议(Protocol)

：它是一种通信规约。在邮政通信系统中，就存在着很多的通信规约。层次(Layer)：它是人们对复杂问题处理的基本方法。接口(Interface)：它是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点。

体系结构(Architecture)：计算机网络协议就是按照层次结构模型来组织的。我们将网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。

2.1.2几个重要的概念计算机网络中采用层次结构，它有以下一些好处：

各层之间相互独立。

灵活性好。

各层实现技术的改变不影响其他层。易于实现和维护。有利于促进标准化。

2.2开放系统互连参考模型(OSI/RM)OSI/RM中的“开放”是表示任何两个遵守OSI/RM的系统都可以进行互连，当一个系统能按OSI/RM与另一个系统进行通信时，就称为该系统为开放系统。OSI/RM只给出了一些原则性的说明，它并不是一个具体的网络。它将整个网络的功能划分成7个层次，而且在两个通信实体之间的通信必须遵循这7层结构，

2.2.1概述

1.OSI参考模型的提出

2.OSI参考模型的概念OSI/RM的最高层为应用层，面向用户提供应用服务；最低层为物理层，连接通信媒体实现数据传输。层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。

OSI参考模型以及两个通信实体之间的通信分层结构ISO/OSI的7层参考模型OSI参考模型的基本思想（划分层次原则）网络中各节点具有相同的层次；不同节点的同等层具有相同的功能；同一节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；不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。两个通信实体之间的层次结构OSI各层的主要功能层号层的名称层的英文名称功能简述

7应用层ApplicationLayer在用户进程之间交互用户信息，直接为用户提供服务

上层6表示层PresentationLayer处理两个通信系统中交换信息的表示方式，对用户数据进行格式转换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等5会话层SessionLayer组织两个会话进程之间的通信，管理数据的交换4传输层TransportLayer从端到端经网络透明地传送数据，建立、维护并终止两台计算机之间的通信3网络层NetworkLayer实现路由选择、拥塞控制和网络互联等功能下层2数据链路层DataLinkLayer建立数据链路连接，进行信息帧传送，采用差错和数据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1物理层PhysicalLayer利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明地传输比特流完整的OSI数据传递与流动过程2.3TCP/IP体系结构2.3.1.TCP/IP概述

TCP/IP是Internet上所有网络和主机之间进行交流所使用得共同“语言”，是Internet上使用得一组完整的标准网络连接协议。通常所说的TCP/IP协议实际上包含了大量的协议和应用，且由多个独力定义的协议组合在一起，因此，更确切地说，应该称其为TCP/IP协议集。

TCP/IP协议的主要特点：开放的协议标准，可以免费使用，并且独力于特定的计算机硬件于操作系统。独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于互联网中。统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址。标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

2.3.2TCP/IP的分层结构

OSI模型与TCP/IP模型的对照TCP/IP体系结构与OSI参考模型的对应关系TCP/IP体系结构中各层的功能

层的名称

功能简述

应用层向用户提供一组常用的应用程序，如文件传输、电子邮件等

传输层(TCP)提供端到端的数据传输服务

网际层(IP)定义数据报，处理路由

网络访问层接收网际层数据报，通过网络发送；从网络上接收数据送交IP层2.3.3TCP/IP协议集网际层的协议

(1)网际协议(InternetProtocol，IP)IP协议的任务是对数据包进行相应的寻址和路由，并从一个网络转发到另一个网络。

(2)网际控制报文协议(InternetControlMessageProtocol，ICMP)

网际控制报文协议ICMP为IP协议提供差错报告。

(3)网际主机组管理协议(InternetGroupManagementProtocol，IGMP)IP协议只是负责网络中点到点的数据包传输，而点到多点的数据包传输则要依靠网际主机组管理协议IGMP来完成。

(4)地址解析协议(AddressResolutionProtocol，ARP)和反向地址解析协议RARP

计算机网络中各主机之间要进行通信时，必须要知道彼此的物理地址(OSI模型中数据链路层的地址)。2.传输层协议(1)传输控制协议(TransmissionControlProtocol，TCP)

TCP协议是传输层的一种面向连接的通信协议，它可提供可靠的数据传送。对于大量数据的传输，通常都要求有可靠的传送。(2)用户数据报协议(UserDatagramProtocol，UDP)

UDP协议是一种面向无连接的协议，因此，它不能提供可靠的数据传输，而且UDP不进行差错检验，必须由应用层的应用程序来实现可靠性机制和差错控制，以保证端到端数据传输的正确性。3.应用层协议

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。FTP：实现主机之间文件的传送。SMTP：实现主机之间电子邮件的传送。DNS：用于实现主机名与IP地址之间的映射。DHCP：实现对主机的地址分配和配置工作。RIP：用于网络设备之间交换路由信息。HTTP：用于Internet中的客户机与WWW服务器之间的数据传输。BOOTP：用于无盘主机或工作站的启动。SNMP：实现网络的管理。2.4OSI与TCP/IP参考模型的比较2.4.1共同点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。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。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。两者都是计算机通信的国际性标准，虽然这种标准一个(OSI)原则上是国际通用的，一个(TCP/IP)是当前工业界使用最多的。两者都能够提供面向连接和无连接的两种通信服务机制。两者都是基于一种协议集的概念，协议集是一簇完成特定功能的相互独力的协议。2.4.2OSI和TCP/IP的主要差别模型设计的差别

层数和层间调用关系不同

最初设计的差别

对可靠性的强调不同

标准的效率和性能上存在差别

市场应用和支持上不同

TCP/IP的主要问题：网络接口层并不是实际的一层；各层的功能定义与实现方法没能区分开来等。2.4.3一种建议的参考模型

五层协议的体系结构应用层(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应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层

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再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机

1

向计算机

2

发送数据应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体计算机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机

2计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机

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！计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据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

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层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

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应用程序数据H4H5应用程序数据计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应用程序数据H5应用程序数据计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到