计算机网络协议及体系结构

中国政法大学计算机教研室（2017）本节主要内容：通信协议与网络体系结构基本概念ISO/OSI参考模型及数据传输过程TCP/IP参考模型一种建议的参考模型各层协议及其功能第3章计算机网络协议与体系结构

3.1通信协议与网络体系结构基本概念1)网络协议2)网络协议的层次结构3)网络体系结构1)网络协议的基本概念网络体系结构提出的背景—网络的复杂性、异质性网络组成不同的通信介质—光纤、同轴电缆、双绞线、无线通信设备…不同类型的设备—主机、路由器、交换机、各种外设…不同的操作系统—Unix、Windows不同的软/硬件、接口和通信约定不同种类业务—分时、交互、实时…复杂环境中，任意两结点间要通信每一个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。实例：邮政系统信件收发示意图协议：文字、语言、书写规范；层次：复杂问题分解处理；接口：邮箱、信箱、邮局规则。体系结构几个重要的概念

协议（protocol）层次（layer）接口（interface）对等实体（PeerEntity）体系结构（architecture）协议（protocol）

协议：为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。协议具有三要素：语法、语义与时序；语法：规定用户数据与控制信息的结构与格式；语义：语义是指对构成的协议元素含义的解释，即需要发出何种控制信息，以及完成的动作与作出的响应。时序：对事件实现顺序的详细说明。简言之：语义表示要做什么，语法定义了怎么做，而时序则表示做的顺序。SOHHEADSTXTEXTETXBCC数据传输的格式---语法SOH的语义是报头的开始；ETX的语义表示正文的结束；BCC的语义是校验；层次（layer）层次是人们对复杂问题处理的基本方法。网络系统是个非常复杂的系统，为减少设计上的复杂性，亦釆用分层的设计思想，将相似的功能放在同一层，每层有相应的协议，相邻层通过接口通信，下层向上层提供服务，上层是下层的用户。优点：独立性强——耦合程度低上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务—黑箱方法。适应性强，灵活性好只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。易于实现和维护把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子单元：使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。有利促进标准接口（interface）接口是同一结点内相邻层之间交换信息的规则。同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务;只要接口条件不变、各层功能不变，各层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。对等实体

在分层结构中，如果每一层次中包括两个实体，称为对等实体（PeerEntity）。网络体系结构（networkarchitecture）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;网络协议是按层次结构来组织的；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构。网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。网络的体系结构及协议

3.2ISO/OSI参考模型（1974年发布）

OSI参考模型的提出

OSI参考模型各层的功能

OSI环境中的数据传输过程

OSI参考模型的提出

OSI参考模型的提出背景（IBM74年—SNA；DEC–DNA；美国国防部的TCP/IP）OSI（OpenSystemInterconnection

）--开放系统互连

开放系统互联参考模型（OSI/RM）中定义：一个系统只要能够遵循OSI标准，就可以与位于世界任何地方同样遵循这个标准的其他任何系统进行通信。这里提到的系统可以是计算机，也可以是这些计算机相关的软件以及其他外部设备等集合。在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（CCITT）--主要是考虑通信标准的制定；国际标准化组织（ISO）--主要是考虑信息处理与网络体系结构。

OSI参考模型结构主机A应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层主机B通信控制处理机通信控制处理机传输介质传输介质传输介质OSI参考模型各层功能应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层

为开放系统与用户应用程序的接口。

实现不同语法表示的数据格式转换、数据的加密解密、压缩与恢复等功能—被传输数据的表示问题。

实现两个会话进程之间的数据传输同步，并管理数据交换。

提供端到端的可靠、透明的数据传输服务。

主要功能是分组、为分组选择最适当的路径。

建立数据链路链接、采用差错控制、流量控制为网络层提供无差错的数据帧传输服务。

提供物理连接，通过传输介质传送比特流。OSI模型的术语--协议数据单元（PDU）协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统称。PDU由协议控制信息（协议头）和数据组成:协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息:地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息、…协议控制信息数据下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装，然后加入本层的协议头部（和尾部）形成本层的PDU。封装：就是在数据前面加上特定的协议头部。因此，数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。——类比：发送信件数据在传输时，其外面实际上要被包封多层“信封”。数据协议头数据N+1层PDUN层PDU传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：应用层——应用层PDU表示层——表示层PDU会话层——会话层PDU传输层——段（Segment）或报文网络层——分组/包（Packet）数据链路层——帧（Frame）物理层——比特（Bit）数据

段头数据

段头数据包头帧头

段头数据包头帧尾数据段数据包帧比特电脉冲011101000011000010100101111010110数据多层封装封装拆封OSI环境中的数据传输过程主机A应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层主机B通信控制处理机通信控制处理机传输介质传输介质传输介质应用进程A应用进程BOSI环境OSI环境中的数据流传输介质主机A应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层主机B应用进程A应用进程BHPDUDPDUHPDUHPDUHPDUHDHPDUHPDUHPDUHPDUPDUHPDUHHPDU0100101011010101010110100101D：数据H：报头3.3TCP/IP参考模型特点：开放性--协议标准开放，免费使用；独立性—独立于特定硬件、OS；统一的网络地址分配方案；可靠性--标准化的高层协议提供多种可靠的用户服务。TCP/IP参考模型及功能

包含所有高层协议。

负责在应用进程之间建立端-端通信。

负责将源主机的报文分组发送、接收数据报、路径选择、流量控制、拥塞控制

负责通过网络发送和接收IP数据报。

OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较1、分层结构

OSI参考模型与TCP/IP协议都采用了分层结构，都是基于独立的协议栈的概念。OSI参考模型有7层，而TCP/IP协议只有4层。2、标准的特色

OSI参考模型的标准最早是由ISO和CCIT制定，有深厚的通信系统的特色，比如对服务质量（QoS）、差错率的保证，只考虑了面向连接的服务。并且是先定义一套功能完整的构架，再根据该构架来发展相应的协议与系统。

TCP/IP协议产生于对Internet网络的研究与实践中，是应实际需求而产生的，再由IAB、IETF等组织标准化，而并不是之前定义一个严谨的框架。而且TCP/IP最早是在UNIX系统中实现的，考虑了计算机网络的特点，比较适合计算机实现和使用。3、连接服务 功能基本相似，但是寻址方式有较大的区别。OSI的地址空间为不固定的可变长，最长可160byte，可以容纳非常大的网络，因而具有较大的成长空间。TCP/IP网络的地址空间为固定的4byte（在目前常用的IPV4中是这样，在IPV6中将扩展到16byte）4、传输服务

OSI与TCP/IP的传输层都对不同的业务采取不同的传输策略5、应用范围

OSI由于体系比较复杂，而且设计先于实现，有许多设计过于理想，不太方便计算机软件实现，因而完全实现OSI参考模型的系统并不多，应用的范围有限。而TCP/IP协议最早在计算机系统中实现，在UNIX、Windows平台中都有稳定的实现，并且提供了简单方便的编程接口（API），可以在其上开发出丰富的应用程序，因此得到了广泛的应用。TCP/IP协议已成为目前网际互联事实上的国际标准和工业标准。3.4

一种建议的参考模型

五层模型小结网络体系结构：分层＋协议＋接口网络体系结构的层次模型：为何要分层？优点是什么？网络体系结构的一些基本概念对等层通信的实质：信息是如何在端到端之间传输的？网络体系结构主要层次的功能：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层TCP/IP参考模型

中国政法大学计算机教研室（2013）3.5

各层协议及其功能OSI模型各层协议应用层TELNETFTPTFTPSMTPSNMPHTTPDHCP表示层文本：ASCII，EBCDIC

图形：TIFF，JPEG，GIF，PICT声音：MIDI，MPEG，QUICKTIME会话层NFSSQLRPCX-WINDOWSASP（APPTALK会话协议）SCP传输层TCP和UDP网络层IPIPX数据链路层以太网IEEE802.3令牌环IEEE802.5HDLCPPP物理层10BASET10BASETXV.35RS-232TCP/IP各层协议应用层HTTPFTPTELNETSMTPPOP3IMAP4SNMPDHCPTFTPDNSMSN传输层TCPUDP网络互连层

IP、ICMP

、