第三章计算机网络体系结构-郝春雷

计算机网络第三章计算机网络体系结构第三章计算机网络体系结构掌握协议基本概念了解计算机网络体系结构理解OSI参考模型的基本结构理解TCP/IP模型的基本组成本章内容学习难点与重点网络协议基本概念OSI参考模型的基本结构及意义TCP/IP模型的基本组成网络与协议

专题研讨二网络协议计算机网络体系结构OSI参考模型分层工作模式TCP/IP模型互动问答什么是网络协议？举例说明协议三要素网络体系结构是什么？网络为什么要分层？什么是OSI参考模型？简述OSI参考模型各层功能什么是帧？什么是TCP/IP？计算机网络协议是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合。计算机网络的协议是通信双方所遵循的规定与规程。它决定数据如何通过网络进行传输，以及数据如何进行封装和寻址。在同一个网络内进行通信的两台计算机必须使用相同的协议。邮政网络中的协议处在不同地域的甲与乙均写信给丙，都需要将信装入信封，并写明收信人的地址（目的地址）与自己的地址（源地址），丙才能正确收到信件。邮筒邮箱邮局邮局甲乙丙邮筒邮局计算机网络协议要素协议有三个要素，即：

语法:数据与控制信息的格式、数据编码等。

语义:控制信息的内容,需要做出的动作及响应。

时序：事件先后顺序和速度匹配。邮政网络中的三要素邮票收信人寄信人语法定义了信封的格式语义定义了格式的含义及动作时序定义了邮信的过程协议的外部特点计算机网络软、硬件厂商在生产网络产品时，是按照协议规定的规则生产产品，使生产出的产品符合协议规定的标准，但生产厂商选择什么电子元件、使用何种语言是不受约束的。计算机网络体系结构一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集。对于结构复杂的网络协议来说，最好的组织方式是层次结构模型。计算机网络协议就是按照层次结构模型来组织的。

分层优点各层间相互独立灵活性好各层可以运用合适的技术实现易于实现与维护有利于促进标准化OSI参考模型的提出早期网络体系结构多种多样，网络产品互不兼容，缺乏统一标准，影响了计算机网络的发展。1977年国际标准化组织ISO制定了一套能在世界范围内将不同计算机互联成网的标准框架：OSI/RM(OpenSystemInterconnect/ReferenceModel)开放系统互联参考模型。用来描述网络环境，各设备厂商根据这个模型标准设计制造自己的网络产品。分层原则网络中各结点都具相同的层次；不同结点的相同层具有相同的功能；同一结点内各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；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。ISO/OSI参考模型组成应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层7654321为用户提供服务数据格式的转换进程间的通信端到端的传输控制为分组选择合适路由相邻结点间准确传输帧透明地传输比特流物理层利用传输介质为数据链路层提供物理连接，将二进制流从一个节点通过传输介质传送到另一个节点。它不关心数据内容,是面向硬件的。通过定义的接口规范与协议，将数据链路层提供的数据转换成能在物理信道上传送的电信号，并有简单的差错处理功能。数据链路层在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接，传输以“帧”为单位的数据包，并采用差错控制与流量控制方法，在不可靠的物理线路上进行无差错的数据传输。帧结构举例帧是用来在数据链路层保证准确传输的具有特殊格式的数据包。典型的帧结构如下图所示。网络层数据CRC控制信息源地址目的地址IP报文帧首部帧首部数据帧注：链路层地址习惯上称为物理地址即MAC地址网络层在网络中，计算机间的通信可能要经过许多中间节点、链路，甚至若干个子网。网络层的主要功能就是在通信的源和目的节点间选择一条最佳路径，使传送的数据分组（信息包）能正确、无误地到达目的地，同时还要负责网络中的拥塞控制等。网络层向运输层提供面向连接和无连接两种服务，网络层传送的数据单位是分组或包。网络层提供的服务H1H4H2H3ADBCGEFH4132123面向无连接服务面向连接服务面向连接服务H1H4H2H3ADBCGEFH1所有分组有序地按相同路径传送432首先建立一条逻辑连接面向无连接服务H1H4H2H3ADBCGEFH所有分组按不同路径传送，达到顺序不定1432两种服务面向连接：在H1与H3通信之前需要建立连接H1-A-E-G-H-H3。所有H1发送到H3的分组均按序地沿着这一条路由传送。在传输过程中需要维持连接，传输结束要拆除连接。面向无连接：在H2与H4通信之前不需要建立连接，所有H2发送到H4的分组由网络层按路由算法选取不同的节点转发。传输结束没有拆除连接的过程。运输层运输层提供两个端系统之间可靠、透明的数据传送。为此，它要进行差错控制、顺序控制和流量控制等。运输层传送数据的单位是报文，一个大的报文可分为若干个分组传送。会话层它在两个互相通信的应用进程之间建立会话连接，然后进行数据交换，数据交换的单位是报文，会话层还提供会话管理、令牌管理、同步管理等功能。会话层虽然不参与具体的数据传送，但它对数据传送却要进行管理。

表示层它将适合于用户的信息表示（抽象语法）转换为适合OSI内部使用的传送语法，即完成信息格式的转换。完成计算机期望的数据格式与网络需要的数据格式间的转换。主要完成协议转换、数据转换、压缩与加密、字符集转换、图形命令的解释等工作。应用层包含了用户应用计算机网络的众多协议，此外还有电子函件、目录查询等功能。OSI模型的七个层次中，应用层是最复杂的，所包含的协议也最多，某些还正在研究和开发之中。

OSI参考模型的工作模式除物理层以外，每层的功能均是建立在它的下层之上的。每层按一定的接口形式向上一层提供服务。不同设备间按同层协议进行通信。发送时总是由高层将本层协议信息封装为新数据信息提供给下层，直到变为电信号发到传输介质上。接收时总是由低层将本层协议信息拆除变为新数据提交到上层，直到变为用户信息。网络分层通信实例DATADATAH5DATAH5H4H3DATAH5H4H2H3DATAH5H4H1H3应用层传输层网络层链路层物理层应用层传输层网络层链路层物理层比特流报文报文报文帧网络分层发送数据H2H3DATAH5H4H5DATAH5H4DATAH5H4H3H3DATAH5H4H2发送报文HB应用层传输层网络层链路层物理层物理层HA应用层传输层网络层链路层DATA网络分层接收数据HB应用层传输层网络层链路层物理层物理层HA应用层传输层网络层链路层发送报文H2H3DATAH5H4H2H3DATAH5H4H3DATAH5H4DATAH5H4DATAH5用户信息用户信息接收报文网络分层通信实例发送时：由高层将本层协议信息封装为新数据信息提供给下层，直至变成电信号。接收时：由低层将本层协议信息拆除变为新数据提交到上层，直至变成用户信息。发送报文接收报文HB应用层传输层网络层链路层物理层物理层HA应用层传输层网络层链路层在以太网上浏览网页封装过程以太网TCP/IP个人用户WEB服务器个人用户H3H1请求结果请求结果在以太网上浏览网页封装过程网页网页http网页httptcpIP网页httptcp以太IP网页httptcpH1H3应用层传输层网络层链路层物理层应用层传输层网络层链路层物理层比特流应用报文TCP报文段IP数据报以太网帧原始数据服务器发送网页封装过程server应用层传输层网络层链路层物理层PC应用层传输层网络层链路层物理层网页网页httphttp应用报文网页httptcpTCP报文段网页httptcpIPIP数据报IP网页httptcp以太帧以太IP网页httptcp客户机接收网页拆封过程server应用层传输层网络层链路层物理层PC应用层传输层网络层链路层物理层网页http网页httptcpIP网页httptcp帧IP网页httptcp帧IP网页httptcp应用报文TCP报文IP报文帧用户数据TCP/IP网络模型TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是传输控制协议/网际协议的缩写，当初是为美国国防部高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，缩写为DARPA）设计的，一般称为ARPAnet，其目的在于能使各种各样的计算机都能在一个共同的网络环境中运行。TCP/IP协议TCP/IP协议成功地解决了不同网络之间难以互连的问题，实现了异构网互连通信。TCP/IP是当今网络互连的核心协议，可以说没有TCP／IP协议就没有今天的网络互连技术，就没有今天的以互连技术为核心建立起来的Internet。TCP/IP协议特点TCP/IP协议具有以下特点：

协议标准具有开放性，其独立于特定的计算机硬件及操作系统；统一分配网络地址，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的IP地址；实现了高层协议的标准化，能为用户提供多种可靠的服务。TCP/IP与OSI模型的关系TCP/IP协议是一个协议栈，可分为：应用、传输、网际与网络接口层。物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层网络接口层网际层IP传输层TCPUDP应用层TelnetFtpSMTP等TCP/IP协议簇网络接口层协议网络接口层是TCP/IP协议的最低层，是负责网络层与硬体设备间的联系，这一层的协议非常多，包括逻辑链路控制和媒体访问控制。网际层协议在网络互联层，主要定义了网络互联协议（IP）以及数据分组的格式。它的主要功能是路由选择和拥塞控制。另外，本层还定义了地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP以及ICMP协议。传输层协议传输层的主要协议有TCP协议和UDP协议。TCP协议是可靠的、面向连接的协议。它用于包交换的计算机通信网络、互连系统以及类似的网络拓扑，保证通信主机之间有可靠的字节流传输。UDP是一种不可靠的、无连接协议。它最大的优点是协议简单，额外开销小，效率较高；缺点是不保证正确传输，也不排除重复信息的发生。应用层协议超文本传输协议（HTTP）：提供WWW服务；文件传输协议（