第三章计算机网络体系结构

第三章计算机网络体系结构第一节网络体系结构的基本概念教学目标

掌握网络协议的作用、构成和分层实现思想掌握计算机网络体系结构的概念了解分层体系结构中的数据传输重点/难点网络协议和网络体系结构第三章计算机网络体系结构问题的提出

为了减少计算机网络的复杂程度，按照结构化设计方法，计算机网络将其功能划分为若干个层次，较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能。网络中的每一层都起到隔离作用，使得低层功能具体实现方法的变更不会影响到高一层所执行的功能。第三章计算机网络体系结构一、网络协议网络协议是指为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。它由三部分组成：语法、语义和同步（定时）。 ①

协议的语法（如何讲）问题。 ②

协议的语义（讲什么）问题。 ③

协议的语序（讲话次序）问题第三章计算机网络体系结构二、网络的分层结构将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。对于计算机网络系统这样一个十分复杂的系统，分层是系统分解的最好方法之一。（以寄信为例，通过下图说明）第三章计算机网络体系结构通信者活动邮局服务业务邮局转送业务运输部门的邮件运输业务通信者活动邮局服务业务邮局转送业务书写信件，贴邮票，送邮箱收集信件，盖邮戳，信件分拆信件打包，送运输部门阅读信件信件投递，信件分拆邮件拆包，分发邮件接收邮包，转送邮局路由选择，运输发信者收信者第三章计算机网络体系结构1、网络层次结构的特点（1）除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。（2）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。（3）n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。第三章计算机网络体系结构2、网络层次结构中的协议(1)不同主机同一层次（对等层）实体之间进行的通信。遵守的是“同层协议”。(2)同一主机相邻层的实体之间进行的通信。遵守的是“接口协议”。第三章计算机网络体系结构3、网络层次结构的优点

(1)各层的功能明确，并且相互独立。

(2)易于实现和维护。

(3)易于实现标准化。第三章计算机网络体系结构4、络层次结构的划分原则

(1)每层具有特定的功能，相似的功能尽量集中在同一层。

(2)各层相对独立，某一层的内部变化不能影响另一层，低层对高层提供的服务与低层如何完成无关。

(3)相邻层之间的接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少，以利于标准化。

(4)层数应适中。第三章计算机网络体系结构三、网络的体系结构所谓网络体系就是为了完成主机之间的通信，把网络结构划分为有明确功能的层次，并规定了同层次虚通信的协议及相邻层之间的接口及服务。第三章计算机网络体系结构第二节OSI参考模型教学目标

理解OSI参考模型中七个层次的关系和工作原理掌握低三层的基本概念和主要功能重点/难点

低三层的基本概念和主要功能第三章计算机网络体系结构一、OSI参考模型简介１、OSI（OpenSystemInterconnection）参考模型：开放式系统互联。

“开放”：表示任何两个遵守OSI标准的系统可以互连

“系统”：指计算机、终端或外部设备等

1、OSI参考模型的结构ISO参考模型由ISO组织提出，目的是实现异种机互连。OSI参考模型是七层结构（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层），提供了从抽象的应用层到具体的物理层的层结构视图。（如下图）第三章计算机网络体系结构第三章计算机网络体系结构2、OSI参考模型中的数据传输过程在OSI参考模型中，不同主机对等层之间按相应协议进行通信，同一主机不同层之间通过接口进行通信。除了最低层的物理层是通过传输介质进行物理数据传输外，其他对等层之间的通信均为逻辑通信。在这个模型中，每一层将上层传递过来的通信数据加上若干控制位后再传递给下一层，最终由物理层传递到对方物理层，再逐级上传，从而实现对等层之间的逻辑通信。（如下图所示）完整的OSI数据传递与流动过程第三章计算机网络体系结构3、OSI参考模型各层的功能简介能

(1)物理层(PhysicalLayer)物理层的作用是通过传输介质发送和接收二进制比特流，实现比特流的透明传输。(2)数据链路层(DataLinkLayer)该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层传送的协议数据单元（PDU)称为数据帧。数据帧中包含物理地址（又称MAC地址）、控制码、数据及校验码等信息。

第三章计算机网络体系结构(3)网络层(NetworkLayer)该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地网络层是为传输层提供服务的，传送的协议数据单元称为数据包或分组。

第三章计算机网络体系结构(4)传输层(TransportLayer)传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。传输层传送的协议数据单元称为段或报文。(5)会话层(SessionLayer)会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。例如，一个交互的用户会话以登录到计算机开始，以注销结束。

第三章计算机网络体系结构(6)表示层(PresentationLayer)表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。(7)应用层(ApplicationLayer)应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等。第三章计算机网络体系结构二、物理层物理层接口协议实际上是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络结点与物理信道如何连接的问题。物理层协议规定了标准接口的机械、电气、功能和规程特性

第三章计算机网络体系结构物理层的网络连接设备(1)中继器功能：对衰减的信号进行再生和放大。特点优点：安装简单，使用方便，价格相对低廉缺点：在使用中继器连接多个网段时，可能会因为中继器不过滤任何通过的数据而遇到一些性能上的问题。第三章计算机网络体系结构(2)集线器（HUB）功能：信号再生与放大，也称为“多端口中继器”特点：物理上是星型结构，逻辑上是总线型结构第三章计算机网络体系结构三、数据链路层1、功能（1）数据链路管理（2）帧同步（3）差错控制（4）流量控制第三章计算机网络体系结构上一层的协议数据单元（数据包）传递到NIC后，NIC通过添加头部和尾部将数据包打包（封装），然后数据帧沿着链路再传送至目的结点。数据帧首部和尾部含有对等数据链路进程需要使用的协议信息。头部的信息包括发送结点和接收结点的地址（MAC地址）以及错误校验信息等。

数据帧的产生及结构第三章计算机网络体系结构节点1的物理地址为A，若节点1要给节点4发送数据，那么在数据帧的头部要包含节点1和节点4的物理地址，在帧的尾部还有差错控制信息（DT）。

数据链路层的物理地址寻址第三章计算机网络体系结构数据链路层的主要功能一数据链路的管理：和物理层相似，数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在局域网中，数据链路层又被划分为逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。

第三章计算机网络体系结构数据链路层的主要功能二帧同步要解决的问题是接收方如何能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束。一般可采用以下方法：字节记数法：采用一个特定的字符（例如：SOH）来表示一帧的开始，并以一个专门的字段（Count）来表示帧内的字节数。例如：DEC公司的DDCMP（数字数据通信报文协议）字符填充法：采用一些特定的字符来表示一帧的开始和结束。例如：IBM公司的二进制同步通信规程比特填充法：采用一串特定的比特组合来表示一帧的开始和结束。例如：ISO推荐的高级数据链路控制协议（HDLC）第三章计算机网络体系结构数据链路层的主要功能三差错控制：是指在数据通信过程中发现能检测或纠正差错，并将差错限制在尽可能小的允许范围内。差错检测可通过差错控制编码来实现的；而差错纠正则通过差错控制方法来实现。详见“差错控制技术”一节中的相关介绍。流量控制：如果发送结点的发送能力大于接受结点的接受能力，则会出现？所以要解决的就是控制发送方的速率，使其不超过接受方所能承受的能力。

注意：不是数据链路层特有的功能，高层协议中流量控制的对象和其不同而已。第三章计算机网络体系结构数据链路层协议分类及HDLC帧格式数据链路层协议分类

数据链路控制协议也可分为异步协议和同步协议两类。异步协议以字符为独立的信息传输单位，在每个字符的起始处对字符内的比特实现同步，但字符与字符之间的间隔时间是不固定的(即字符之间是异步的)。由于每个传输字符都要添加诸如起始位、校验位、停止位等冗余位，故信道利用率很低，一般用于数据速率较低的场合。

第三章计算机网络体系结构HDLC协议特点：不依赖于任何一种字符编码集；实现透明传输的“0比特插入/删除法”易于硬件实现；全双工通信，不必等待确认便可连续发送数据，有较高的数据链路传输效率；所有帧均采用CRC校验；对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重发，传输可靠性高等。

☆F标志字段01111110用以标志帧的起始和前一帧的终止。

☆A地址字段的内容取决于所采用的操作方式。命令帧中的地址字段携带的是相邻结点的地址，而响应帧中的地址字段携带的是本结点地址。

☆C控制字段通过不同编码构成各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制。该字段是HDLC协议的关键部分。

☆I信息字段用于传送有效数据，下限可以为0（无信息字段），上限未做严格限定，但实际上要受FCS字段或站点缓冲器容量的限制，一般是1000～2000比特。

☆FCS帧校验序列字段可以使用16位或32位的CRC，对两个标志字段之间的整个帧的内容进行校验。FACIFCSF011111108位8位可变长度16位01111110第三章计算机网络体系结构2、数据链路层的网络连接设备(1)网卡：又称网络接口卡（NIC，NetworkInterfaceCard），是主机与网络的接口部件。功能：☆控制数据传送。

☆具备串-并转换功能。

☆缓存功能

网卡的MAC地址（12位十六进制网络地址（48位）。

通过命令Ipconfig/all可得到。第三章计算机网络体系结构(2)网桥（Bridge）什么是冲突域：能够发生冲突的网络就称为冲突域。使用网桥增加了小的冲突域，而降低了整个网络的冲突域。第三章计算机网络体系结构功能过滤和转发。网桥会检查收到数据帧的源地址和目标地址，如果目标地址与源地址不在同一网络上，则网桥将转发该数据帧，反之，则丢弃该帧。学习功能。网桥可以将收到的数据帧的源地址自动的加入到路由表中。原理：（如下图）第三章计算机网络体系结构端口管理软件网桥协议实体站地址端口①1②1③1④2⑤2⑥2端口1缓存端口2站表网桥网段B①②③网段A④⑤⑥第三章计算机网络体系结构(3)交换机交换机也叫交换式集线器，是一个由许多高速端口组成的设备。交换机与HUB区别在于：交换机基于MAC地址向特定端口转发数据帧，而HUB是向所有端口广播发送数据帧；前者是独享带宽，后者是共享带宽。例如，有一台100Mbps的HUB，连接了N台主机，则N台主机共享100Mbps带宽，每台主机所分配到的带宽只有100Mbps/N；而对于一台100Mbps的交换机，每个端口的带宽均为100Mbps，即每台连接的主机均可获得100Mbps带宽。地址表端口地址1A2

3

4

5B6C7DDADA=CDADA=B地址表1234567节点A节点D节点C节点B转发机构缓冲器端口从A到D和从D到E的通信可以同时进行第三章计算机网络体系结构四、网络层网络层是OSI参考模型的第三层，它负责将网络中的信息包从一个节点送到另一个节点，数据传输的基本单位是分组（包）。功能：为传输层提供服务组包和拆包路由选择流量控制第三章计算机网络体系结构3.网络层的网络连接设备(1)路由器（Router）：根据数据包中的逻辑地址（网络地址）而不是MAC地址来转发数据包。第三章计算机网络体系结构(2)第三层交换机随着技术的发展，有些交换机也具备了路由的功能。这些具有路由功能的交换机要在网络层对数据包进行操作，因此被称为第三层交换机。

层次主要作用（解决问题）物理层为上一层提供一个传输数据的物理连接，即解决网络结点与物理信道如何连接的问题。数据链路层两个相邻结点之间的通信问题，即解决数据帧从物理介质的一端送到另一端。网络层源结点发出的数据包送到目的结点，即提供合适的网间路由选择和中间结点的数据交换服务。

通信子网三层功能比较第三章计算机网络体系结构五、传输层传输层是OSI参考模型的中间层，负责端-端的通信，即把信息从网络的一端传输到另一端。传输层数据传输的基本单位是报文。功能：分割与重组数据按端口号寻址连接管理差错控制和流量控制第三章计算机网络体系结构六、会话层、表示层和应用层这三层的功能是为应用程序提供服务。即组织和同步进程间的通信（进程-进程），对数据/信息的语法表示进行变换以及为网络的最终用户提供服务。高层网络连接设备：网关第三章计算机网络体系结构第三节TCP/IP参考模型教学目标掌握TCP/IP参考模型的分层结构了解TCP/IP各层的主要协议重点/难点

网际互连层和传输层的功能及主要协议第三章计算机网络体系结构一、TCP/IP参考模型简介TCP/IP是一组用于实现网络互连的通信协议。Internet网络体系结构以TCP/IP为核心。基于TCP/IP的参考模型将协议分成四个层次，它们分别是：网络接口层、网际互连层、传输层、和应用层。与OSIRM的比较如下图第三章计算机网络体系结构Application包含OSI模型的应用层、表示层、会话层的所有功能：:

数据表示数据加密会话控制ApplicationTransport

定义了两个端到端的协议，TCP和UDP为应用程序提供可供选择的逻辑信道。TCP提供可靠的字节流信道，是一个面向连接的协议，允许字节流无差错地发往其它机器，还处理流量控制，有连接，类似打电话。

UDP提供不可靠的无连接的协议，类似于发信、发电报。ApplicationTransportInternet网际协议（IP）支持多种网络技术互连为一个逻辑网络，是TCP/IP的关键部分，使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标（可能经不同的网络），分组到达的顺序和发送的顺序可能不同。确定路径分组转发.ApplicationTransportNetworkAccessInternet

有多种网络协议，这些协议由硬件（网络适配器）和软件（如网络设备驱动程序）共同实现。如：以太网或光纤分布式接口（FDDI）协议在这一层，则一层可以分为多个子层。TCP/IP协议集第三章计算机网络体系结构二、网络接口层是TCP/IP与各种LAN或WAN的接口。第三章计算机网络体系结构三、网际互联层网际互联层对应于OSI参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。1、该层有四个主要协议：（1）网际协议（IP）IP协议是网际互联层最重要的协议，它提供的是一个不可靠、无连接的数据报传递服务。

IP协议提供以下功能☆IP地址寻址☆IP数据报的分段和重组☆IP数据报的路由转发

第三章计算机网络体系结构（2）地址解析协议（ARP）将IP地址转换为MAC地址的协议命令：arp-a（3）反向地址解析协议（RARP）用于解决物理地址到IP地址的转换问题

（4）互联网控制报文协议（ICMP）对未能完成传送的数据报给出出错的原因如：Ping命令就是ICMP协议的工作过程第三章计算机网络体系结构2、IP数据报格式：网际互联层的协议处理单元数据第三章计算机网络体系结构四、传输层传输层对应于OSI参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能。端口号：逻辑意义上的端口，用于标记主机上不同的应用程序。通过“IP地址＋端口号”可区分不同的应用程序进程。第三章计算机网络体系结构该层定义的两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）TCP协议提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务；而UDP协议提供的是不可靠的、无连接的数据传输服务。TCP的执行机制：建立TCP连接，传输报文段，拆除TCP连接其中，建立和拆除是通过“三次握手”来完成的。五、应用层应用层对应于OSI参考模型的高层，为用户提供所需要的各种服务，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等。第三章计算机网络体系结构第三章计算机网络体系结构OSI参考模型和TCP/IP参考模型的比较

OSI参考模型和TCP/IP参考模型都采用了层次结构的概念，但前者是七层模型，后者是四层结构。它们的主要不同点如下：1.服务、接口和协议OSI参考模型的概念清晰，明确定义了这三个概念及它们之间的关系；而TCP/IP参考模型没有明确区分服务、接口和协议。2.模型和协议的关系OSI是先有模型，后有协议；TCP/IP是先有协议，后有模型3.面向连接和无连接的服务OSI参考模型的网络层既提供面向连接的服务，又提供无连接服务。但是传输层只提供面向连接的服务。TCP/IP参考模型的网际互连层只提供无连接服务，而传输层提供面向连接的服务（TCP）和无连接服务（UDP）。第三章计算机网络体系结构用户数据报协议UDP(UserDatagramProtocol)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。虽然UDP与TC