第3章网络体系结构和网络协议

1第3章网络体系结构与网络协议

（时间：3次课，6学时）2第3章网络体系结构与网络协议教学提示：在第2章中，我们对数据通信的基本要素进行了介绍，本章将进一步对构成网络软件基础的网络体系结构与网络协议进行介绍，主要介绍网络体系结构、OSIRM和TCP/IP协议等。学习完这些内容后，读者对构成网络软件的两大支柱将会有一个比较全面的了解。教学目标：掌握网络体系结构的组成、OSIRM、TCP/IP协议以及TCP/IP参考模型。这些知识在计算机网络中占有重要的位置，请同学们注意。3第3章网络体系结构与网络协议3.1网络体系结构3.2ISO/OSIRM3.3TCP/IP协议3.4TCP/IP参考模型3.5TCP/IP协议的特点以及与OSI参考模型的比较43.1网络体系结构3.1.1网络体系结构的基本概念3.1.2网络体系结构的分层原理3.1.3协议、接口和体系结构

53.1网络体系结构3.1.1网络体系结构的基本概念从计算机网络通信所需要的功能来描述计算机网络的结构就是计算机网络的网络体系结构。网络体系结构仅仅是人们对于网络功能的描述，这些功能的实现要通过具体的硬件和软件来完成。从这个意义上讲，网络体系结构由两方面组成。一方面是网络层次结构模型，另一方面是各层的协议。所以，也可以认为网络体系结构是网络层次结构模型和各层次协议的集合。63.1.2网络体系结构的分层原理由于完成计算机网络的通信任务是非常庞杂、牵扯面非常广的一项系统工程，参照人们处理复杂任务的工作模式，在计算机网络体系结构中也采取了分层的方法。第一，网络体系结构是有层次的，一个层次完成一项相对独立的功能。第二，在层次之间设置了通信接口，依据事先的规定完成两个层次之间的联系任务。

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这样设计的优点是：第一，由于每一个层次的功能是独立的，完成这项功能所需的软件就可以独立设计、独立调试，可以保证软件设计的质量。对每一个层次软件的维护也比较方便。第二，如果其中一个层次的功能有所变化，或者一个层次的软件要采用新技术，只要通信接口的规则不变，都不会对其他层次产生影响。所以有利于每一个层次的标准化。8

工作特点：（1）各层独立，层间以接口相联系（2）上层调用下层的功能，下层对上层的服务是“透明”的。（3）两个具有相同结构的实体发生联系，在功能上讲相当于各实体的相应层发生联系。（4）每一个层次都要完成本层次的功能，而使用一个层次的功能，都要符合一定的规则、约定和标准（即协议）。93.1.3协议、接口和体系结构

1.计算机网络协议三要素计算机网络协议由语法、语义和时序三要素组成。(1) 语法即用户数据的控制信息结构及格式。(2) 语义即需要发出何种控制信息，以及完成的动作及做出的响应。(3) 时序即对事件实现顺序的详细说明。102.接口接口是同一个节点内不同层次之间交换信息的连接界面，也可以看作一个数据结构。两个层次之间要相互传递信息，显然也必须遵守相关的协议。

提示：各层次之间有接口存在，各层次通过接口来传递信息。所谓体系结构是指一个系统结构模型和协议的集合。具体到计算机网络，则计算机网络的体系结构就是网络层次结构模型和各层次协议(及其接口)的集合。113.2ISO/OSIRM3.2.1OSI参考模型的基本概念3.2.2OSI参考模型结构123.2ISO/OSIRM3.2.1OSI参考模型的基本概念开放系统互联参考模型OSIRM(OpenSystemInterconnectionReferenceModel)于1977年由国际标准化组织(ISO，InternationalStandardsOrganization)一个专门分委员会所制定。这是一个定义连接异种计算机(也就是至少采用不同操作系统的计算机，当然其内部的硬件和软件可能都不同)的参考标准(或者是参考模型)。提出这样一个参考模型就是为了制订一个大家都能遵守和采用的网间标准以替代各个厂家自行制定的网间标准。13

此标准称为“开放”的含义：第一，这个标准是一个公开的标准，所有的内容细节都向所有希望知道的人们公开。第二，表示这是一个“外部”标准，不需要每个使用这个标准的系统改变自己内部的数据表示和处理过程，只要遵守了这个标准就可以和其他任何遵守该标准的网络进行通信。14

“参考”模型是指这不是一个强制性的标准，可以遵照执行，也可以不予理会。只要遵照同一标准的系统之间能够达到互联与互通的目的即可。参考模型称为“模型”是因为它仅仅提出了对于系统的体系结构(Architecture)、服务定义(ServiceDefinition)和协议规格说明(ProtocolSpecification)的描述，并没有提出任何具体协议，也没有给出任何具体实现方法。15

由于这个协议相当完美(不是完全完美)，所以实现这样一个协议是一个相当庞杂的任务。迄今为止，在世界上还没有任何一个厂商或者组织真正实现了这个参考模型。所以这个参考模型具有双重意义。16其一：是对人们研究相关协议提供了一个很好的参考，人们提到网络体系结构时都要说到7层模型。其二：是从另外一个意义上讲，过分关注这个模型可能使人们的研究走入困境。我国在网络的研究过程中过分地关注了这个模型，不少人花费了大量精力而没有相应的收获，皆因于此。也正因为如此，事实上人们执行的标准不是这个标准，而是实际上的工业标准TCP/IP协议簇。17OSIRM7层模型，如图所示。183.2.2OSI参考模型结构

OSI参考模型是一个建议模型，划分层次的主要原则如下：协议的主要目的是将异构系统互联与互通。为此，将完成这个任务所需的功能划分为若干层次，不同节点的相同层次具有机同的功能。网络中不同节点上的相同层次的实体称为同等层实体，具有相同的功能。在功能上认为同等层实体相互通信。19

每一层完成协议为其所定义的功能，修改某一层次的功能仅仅影响该层次对于任务完成的质量，并不影响其他层次（即层的独立性）。每一层次使用下层为它提供的服务，并向上层提供服务，且仅限于向它的上层提供服务，层次之间通过相邻层次之间的接口进行通信，除此之外没有其他的途径。201.数据信息的构成信息在信道中传输，必须符合信道传输时对信息传输控制的规定。正文控制信息服务质量要求正文信息和附加信息构成了网络传输中数据信息的结构。把附加信息和正文数据结合在一起构成一个传输单位，称为“打包”。

212.物理层物理层的主要任务是：作为系统和通信介质的接口，用来在数据链路实体中(DTE和DCE之间)传输比特流。物理层是7层参考模型的最底层。是整个网络通信的基础。物理层建立在物理通信基础上面，向上为数据链路层提供服务。22DTE(DataTerminalEquipment，数据终端设备)：处理用户数据的设备。

DCE(DataCircuitTerminatingEquipment，数据电路终接设备)

物理层的作用在于：提供用于建立、保持和断开物理连接的，以完成DET和DCE之间比特传输为目的的通信线路所具有的机械的、电气的、功能的和过程的条件。23功能上讲：①物理层要实现实体之间的按位(Bit)传输，保证按位传输的正确性，并向数据链路层提供一个透明的比特流传输。②在数据终端设备、数据通信和交换设备等之间完成对数据链路的建立、保持和拆除操作。

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这个标准中规定了如下的四个方面：以RS-232C为例机械特性：标准规定了使用的插头和插座的几何尺寸、针数(常用的有9针和25针)。电气特性：标准规定+5~+15伏电信号作为数字“0”，－5~－15伏电信号作为数字“1”；允许的数据传输率等级，如50、300、9600b/s等等；传输距离通常不超过10m，数据传输率越高距离越短。25

功能特性：标准规定了各个针脚的功能，如9针中的2针为接收信号，3针为发送信号，5针为接地。

规程特性：标准规定在一系列高电平以后出现的一个比特低电平为通信开始，作为接收端开始接收数据的信号。后面是8比特数据信号、1比特校验信号、1比特或1比特半高电平的结束信号。26

提示：物理层要提供通信线路的物理连接、比特数据传送、比特序列顺序化、数据电路标识、故障情况报告和服务质量指标等服务。物理层的功能包括线路物理连接的建立和拆除，数据传输，物理层管理等方面。物理层不是物理硬件，而是对物理硬件及其应用的协议。

273.数据链路层数据链路层的功能是：利用物理层的服务，在通信的实体间传输以“帧”为单位的数据包，并采用差错控制和流量控制方法建立可靠的数据传输链路。

帧：二进制代码按一定规则编制而成的比特信息流。在通信线路上传输的一组信息称为“帧”。28

帧是信息传输的基本单位。在系统中帧的大小和规格有严格的规定，以便于数据信息的正确传输。帧的例子:29

数据链路和链路：数据链路是从信源到达信宿所经过的整个数据管道。它包括了具体的通信线路、通信设备以及相关的规程(软件)。而链路则是通信线路中的一个部分。链路是任意两个相邻节点间点到点的、中间没有其他任何节点的物理线路段。数据链路层协议建立在物理层协议之上，目的是在不太可靠的物理层链路上实现可靠的数据传输。30

提示：从数据链路层开始都要调用下面的层次功能。

注意数据链路层的功能：利用物理层的服务，在通信的实体间传输以“帧”为单位的数据包，并采用差错控制和流量控制方法建立可靠的数据传输链路。物理层的着眼点主要放在比特上，而数据链路层的着眼点主要放在帧上。314.网络层网络层最主要的功能是在信源和信宿之间建立逻辑链路，为报文或报文分组的传递选择合适的路由以实现网络互联。为进行路由选择要选择合适的路由选择算法，还要针对网络情况实现拥塞控制等项功能。32物理层、数据链路层和网络层是七层协议的基础层次，也是目前最成熟的层次。无论是在广域网上的数据传输还是在局域网上的数据传输都以这几个层次为基础。

物理层主要是针对传输介质的，保证比特传输；数据链路层是物理层的基础上针对链路上比特组（帧）的，而网络层是依据路由选择针对网络（网状拓扑）的。335.传输层由于在网络层上可能产生整包的数据差错(无连接时的失序、丢失等等)，不能保证信源到信宿传输的可靠性。为了向用户提供可靠的端到端(End－to－End)服务，传输层的任务是处理数据包错误、数据包次序以及其他一些关键的传输问题。所以传输层处于分层结构体系高低层之间，是高低层之间的接口，是非常关键的一层。也就是底层协议有不完善的地方要由传输层的工作予以弥补。传输层使用传输控制协议，还要实现不同计算机系统之间、不同计算机网络系统之间信息的可靠传输。346.会话层

会话层、表示层和应用层统称高层服务，通常又称为高层协议。如果说下四层是面向数据传输的，可以说上三层是面向用户应用的。顾名思义，会话层的功能是保证会话顺利进行。用户之间进行数据传输可以理解为用户之间进行对话。在对话用户之间建立和释放会话连接，确保会话过程的连续性以及管理数据交换等功能都是会话层所必备的功能。会话的服务过程分为会话连接建立阶段、数据传送阶段以及会话连接释放阶段。357.表示层不同的网络之间进行通信，第一个问题就是要使不同的网络能够相互理解。也就是说它们之间的数据及控制信息的表示应该是能够相互理解的。表示层的功能就是处理OSI系统内不同类型网络(用户)信息的表示问题，包括数据的语义和语法。根据需要进行语法变换(如代码转换、字符集转换、数据格式的修改等)和传送语法的选择。数据的加密和解密、压缩和解压也在这一层中完成。368.应用层应用层是面向用户的一层，它为用户的应用进程访问OSI环境提供服务。用户的应用进程对用户的表现是应用软件，而应用层提供服务则表现为文件服务、数据库服务、电子邮件和其他网络软件服务。注意：应用层是极其关键的一层，事实上系统所要求的性能如果没有由其他层次满足则需要由应用层来完成。373.3TCP/IP协议3.3.1TCP/IP参考模型的基本概念3.3.2Internet的协议结构3.3.3IP协议3.3.4IP地址和域名3.3.5TCP协议3.3.6UDP协议383.3TCP/IP协议TCP/IP成为了实际的工业标准。无论在局域网还是互联网中TCP/IP都有重要的用途。393.3.1TCP/IP参考模型的基本概念

TCP/IP协议是一个协议簇，即是由很多协议构成。这些协议都是为了完成某一任务而提出的，任务能够完成则协议也就确定下来了。随着功能的完善，任务自然也就越来越多，相关的协议自然也越来越多。最后形成了一个协议簇。既然这个协议簇是发展而来的，自然还会继续发展下去。现在的TCP/IP模型是依照现有的协议再增加人们的希望而后做出来的。

403.3.2Internet的协议结构413.3.3IP协议

IP协议(InternetProtocol，网际互联协议)是TCP/IP协议簇的基础协议。IP协议运行于网络层，它可以为高层协议提供不可靠的数据投递服务、面向无连接的传输服务和尽最大努力投递服务等三种服务。IP协议有两个主要的版本。目前执行的是IPv4。由于形势的发展这个版本已经不能满足需要了。即将执行的版本是IPv6，目前正处于试验阶段，我国在IPv6的研究方面处于世界先进行列。

421.IPv4数据报头结构表明版本号(IPv4或IPv6)

其数值为0~15

以4个字节为一个单位，报头长度最大为15×4=60字节它确定子网主机提供什么服务(如延时、吞吐量和可靠性)16~31比特为报文总长度，包括报头和正文数据在内当数据报穿越网络时，各个路由器能处理的数据报最大尺寸不同，可能需要将一个数据报分解为更多的数据报。分解以后的数据报分段由标识表明它所属的分组，同组的标识相同。

该分段在组中的链接信息表示该段在分组中的位置

用来限制数据报在网络中的生存时间。分段每经过一个节点生命期就减少1，如其到“0”，则丢弃该分段(分组)。数据报所使用的协议43

在远程通信中数据的传输是以“数据报”为通信单元。为此，IP协议定义了数据报的格式及其解释方法。一个数据报由两部分组成：报头和数据(报文)。报文为正文，报头则是控制信息。这一点和七层协议中“帧”的格式相似。IPv4的数据报报头格式见上图。由图可见，一个数据报的报头由两部分组成。第一部分为固定部分，从“版本”到“目的IP地址”，为20个字节。第二部分为选项和扩充部分，这部分长度是可变的，最长长度为40个字节。

44提示：由IPv4数据报头可以看出IP数据报的特性，理解报头的意义即可。452.IP数据报的通信过程每个路由器在收到一个数据报以后都要对它进行“拆包”从中找出这个数据报的目的地址并进行检验。如果目的地就在本网内则发给相应的主机（经计算换成该主机的MAC地址）。如果目的地址不在本网内，则要依据目的地址的网络号经过路由计算以后选择应该向哪一个路由器发出这个数据报（选择路由），并发出这个数据报。46IP数据报可能出现的问题：同一报文的各个数据报所经过的路径不同，即次序可能颠倒、数据报可能丢失或重复。IP协议对于这些情况没有纠正功能。

结论：所以IP协议属于点到点的(信源到路由器、路由器到路由器和路由器到信宿都构成点到点)、无连接的(不指定数据通道)、不可靠的(没有纠错功能)通信协议。47

尽管IP协议有以上的缺点，但是它不对数据报进行检验却节省了时间，这对于传输对实时要求较强的数据有利。例如传输电视画面即是如此。483.IP数据报的相关概念数据报的分段：各个路由器能够处理的数据报大小不一，对于下个路由器所能处理的数据报的大小有时需要对数据报进行重新分段。数据报的重装：数据报到达目的主机时顺序可能已经混乱。要由IP协议把这些混序分段重新装配成为数据报49

路由选择：对于上层协议中发来的没有指定路由的数据报，IP协议根据数据报中的目的IP地址来搜索路由表中的路由。路由表由网络系统定时更新。在这个层次中还有其他一些协议，如地址解析协议(ARP，AddressResolutionProtocol)、控制报文协议(ICMP，InternetControlMessageProtocol)和反向地址转换协议(RARP，ReverseAddressResolutionProtocol)。504.IPv6的报头结构IPv6报头基本首部结构IPv6报头结构

51IPv6的报头中最显著的特征是数据报的IP地址是128位二进制数。

IPv6扩展首部为可以链接的，可以分配很少，甚至是零个，如果有需要则需要多少就可以链接多少。

IPv6的其他部分中优先级表明数据报的重要程度分为0~15共16个等级。流标号用来表明数据报的所属，同组的数据报享受相同的服务类型。负载长度就是净数据长度，可见净数据长度最大为64KB。下一个首部指明后面是否有扩展首部。跳数限制就是IPv4中的生命期。523.3.4IP地址和域名

1.IP地址进入Internet网（间接连入互联网的不算）上的每一台主机和通信设备都必须分配一个惟一的32位二进制数的地址作为标志，这个地址被称为IP地址。在整个网络中IP地址具有惟一性。在网络工作过程中逻辑的IP地址由地址解析协议转换成为物理地址。532.IP地址的结构为方便起见，IP地址分为四段，每段八位，各段中间用一个“.”分隔。由于二进制数不容易看，所以通常把它写成十进制数。因而这种表示方法被称为点分十进制。每一段的值都在0~255范围之内。5455A类网络可以有126个，适合于大型网络。每个网络中的主机数可达1600多万个。A类网络IP地址在

～55之间。

B类网络可以有16382个，适合于中型网络，每个网络中可以有65534台主机。B类网络IP地址在

～55之间。

56C类适合于小型网络，这样的网络可以有200多万个，每个网络中的主机数可以达到254个。C类网络IP地址在

～55之间。

D类用于Internet体系结构委员会进行组播用，E类地址保留备用。在所有的IP地址中，全为“1”和全为“0”的地址有特殊的用途。57(2)IPv6的IP地址结构

IPv6的IP地址分为八段，每段含16位二进制数。各段之间用冒号分隔，每段的数用16进制数表示。所以也称其为冒号分十六进制。如：FF05：0000：0000：0000：0D30：0000：D471：4C7F

简洁表示法：①连串的零允许使用一对冒号代替，②零压缩只能使用一次。上述的地址经过零压缩以后就变成：

FF05：：0D30：0：D471：4C7F

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为了便于由IPv4向IPv6过渡，允许冒号十六进制和点分十进制混合使用。如上述的IP地址就可以表达为：

FF05：：0D30：0：27IPv6的IP地址如何使用目前还没有公布。593.域名IP地址的表达方式很适合于计算机辨认，但是却不适合于人来辨认和记忆，所以要把IP地址用一个有一定意义的字符串来代替。这个字符串就称为域名。一般情况下，域名的格式为：主机名.机构名.网络名.最高层域名。例：

为浙江大学的某一台计算机的域名。60

所谓一般情况时说，如果不按这个格式起域名也没关系，只要能够用（即可以被解析）就行。域名的管理是由Internet的域名系统(DNS，DomainNameSystem)分域管理模式完成的。只要在自己的域中不出现重名，在整个Internet中就不会出现重名。

614.子网划分及掩码由于IP地址紧张使得网络地址缺乏，所以当一个网络中主机数不多的情况下可以把一个网络再分为几个子网供两个或更多的单位使用。但是一个网络在Internet上网络地址就是这个网络连接Internet的路由器的IP地址，这个地址不能动。所以只能在这个网络的主机地址方面想办法。62

例如：23中202.223.76.x是路由器的地址，就只能在第四段x（主机地址段）想办法。X的值为0～255,要拿出前几位作为子网的网络号。现在把这个C类网络再划分为2个子网。子网号不能为全0，也不能为全1，所以子网号为10、11，也就是要用2位二进制数来表示子网。

63这样的子网示意图如下：202.113.76.10xxxxxx202.113.76.x202.113.76.01xxxxxx子网1子网2互联网643.3.5TCP协议传输控制协议(TransferControlProtocol)是一个基于IP协议的、面向连接的、可靠的传输协议。653.3.6UDP协议用户数据报协议(UserDatagramProtocol)也是基于IP协议的，但它是无连接的不可靠的数据传输协议。提示：IP协议和UDP协议都是无连接的和不可靠的协议。那么两者有什么区别呢？IP协议管理的是数据报本身结构，这样的一个结构本身提供的就是无连接和不可靠的协议。UDP协议管理的是数据报的传输过程。TCP协议则在利用IP协议的基础上提供可靠的传输服务。

663.4TCP/IP参考模型3.4.1TCP/IP参考模型3.4.2应用协议673.4TCP/IP参考模型68网络接口层(NetworkInterfaceLayer主机网络层)

网络接口层又译做主机网络层这一层对应于OSI的物理层和数据链路层。由于在制定TCP/IP协议时如何进行物理层的通信并不成为问题(使用已有的比较成熟的远程通信技术)，对于具体的物理层并没有专门的TCP/IP协议，只要能够正确地发送和接收IP数据包就可以符合协议要求。69这层的主要任务包括：①负责对上接收网际层下传的IP数据报并通过物理网络予以发送。②对下接收物理网络传来的数据帧，去掉本层的控制信息交付网际层。③此外还要进行差错控制。从同层实体的角度来看，网络接口层之间传送的是数据帧。702.网际层（InternetLayer

）网际层也称为互联网层或者互联层。这一层对应于OSI的网络层。它的主要任务与网络层的任务也相似。都是负责互联网络中的基本通信。它的主要功能包括：（1）对上把来自传输层的分组装入IP数据包、选择发送路径后将数据报输出(交给网络接口层)。71

（2）对下检查收到的数据报的目的地址。若目的地址就是本节点的IP地址则去掉本层控制信息将分组上传到传输层处理。如果不是则需要转发就选择发送路径(路由)交网络接口层转发。（3）路径流量控制和解决拥塞问题。在这一层中传输的是分组(包)。这一层主要使用了IP协议。723.传输层（TransportLayer

）这一层也和OSI的传输层相对应。这层的任务是信息流的格式化(也就是应将应用层下传的数据转化为在网络中传输的分组)、保证可靠传输(负责信元和信宿之间端到端的传输)、处理流量控制等。对于实时性要求不高但是要求可靠性高的文件，例如电子邮件，使用了传输控制协议。对于传输实时性要求较高但可靠性不是太高的信息，例如电视画面使用了用户数据报协议。734.应用层（ApplicationLayer

）应用层的目的在于为用户提供尽可能多的高质量服务。为此发展了大量的应用层协议。所以应用层包括了所有的高层协议并且不断在发展。提示：虽然TCP/IP参考模型和ISO参考模型的划分方法不一致，但是它们要完成同样的网络通信任务，所以核心实质还是一样的。74

网络接口层的目的在于提出在网络链路中传输的“帧格式”，用于主机与网络或网络与网络的连接上。其中包括SLIP协议和PPP协议。这两个协议有广泛的用途，希望能够参考教材予以注意。

SLIP(SerialLineInternetProtocol，串行线路因特网协议)SLIP帧格式的特点是简单，易于实现。75缺点：其一，必须事先知道对方的IP地址，而且没有动态分配IP地址的功能。这对于家庭上网没有固定IP地址的情况就极为不利了。再有，帧中没有校验字段，在传输过程中发生错误无从发现。第三，只能支持IP协议，对于其他协议没有协议类型信息提供接收方判别。这些大大地限制了它的应用，所以其正在迅速地被PPP协议来代替。76PPP(Point-to-PointProtocol，点对点协议)PPP协议的帧格式见图。标识字段(Flag)，表明帧的开始与结束地址字段(Adrr)的值总是0xff。所有的站点都要接收这个帧。77

控制字段(Ctrl)的默认值为0x03，表明这个帧没有编号。也就是在一般情况下接收方无法依据编号要求发送方重发某一编号的帧，自然也就不能提供基于应答的可靠传输机制。如果需要的话，可以在这个字段中填入编号。协议字段表明帧所应用的协议类型。这些协议可以支持广泛的功能。783.4.2应用协议应用层中最主要的协议有以下几种：网络终端协议(Telnet)实现远程