第2章：网络体系结构与网络协议

第2章

网络体系结构与网络协议1本章学习要求：掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念。掌握：网络体系结构的层次化研究方法。掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能。掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务功能与主要协议。了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较。了解：网络协议标准组织，RFC文档、Internet草案与Internet协议标准的制定过程。22.1计算机网络体系结构的形成在计算机网络的基本概念中，分层次的体系结构是最基本的。2.1计算机网络体系结构的形成计算机网络是一个很复杂的系统。为了说明这一点，用一个简单的实例来说明，连接在网络上的两台计算机要互相传送文件。首先，在两台计算机之间必修有一条传送数据的通路，但是有了这个还不够，至少还要完成下面的工作:见教材p20。由该实例，我们知道，互相通信的两台计算机的系统必须是高度协调工作的。为了实现这种高度协调的工作，提出了采用“分层”的方法，“分层”可以将一个庞大而复杂的问题转化成为很多较小的局部问题，这些较小的问题比较容易研究和处理。32.1计算机网络体系结构的形成计算机网络体系结构的形成的过程：1974年，IBM宣布了它研制的系统网络体系结构SNA，该网络标准就是按照层次的方法制定的，它是世界上使用得相当广泛的一种网络体系结构。早期的问题：各个生产厂家各种产品的相互兼容的问题，以及大厂家的垄断问题。随后，国际标准化组织ISO于1974年成立专门的机构研究这个问题，并提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架。这一个标准就是著名的开放系统互连基本参考模型OSI。“开放”指的是：“系统”指的是：OSI参考模型是一个抽象的概念。在1983年形成了OSI参考模型的正式文件，它是一个七层协议的体系结构。42.1计算机网络体系结构的形成OSI参考模型试图达到一种理想的境界，既成为全世界的计算机网络都遵循的统一标准。但是它事与愿违，现在全世界上使用最多的网络协议不是OSI参考模型。它失败的原因是：OSI参考模型的专家缺乏实际经验。OSI参考模型没有什么商业驱动力。OSI参考模型的协议实现起来较过于复杂，运行效率低，OSI标准制定的周期太长，是按照该标准制定的产品设备无法按时进入市场。现在使用最多的网络体系结构标准是TCP/IP这个非国际标准的结构。它被称为事实上的国际标准。它是一个四层结构的网络协议。52.2网络体系结构的基本概念

2.2.1网络协议的概念计算机网络中要很好的实现数据的通信，就必须遵守一些事先约定的规则。这些规则要明确的规定所交换的数据的格式以及有关的同步问题。这里的“同步”不是狭义的同频或同频同相，是广义的同步，含有有时序的意思。网络协议：为了进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定就称为网络协议。网络协议主要由三个要素组成：1、语法：数据与控制信息的结构或格式；2、语义：既需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；3、同步：既事件实现顺序的详细说明62.2网络体系结构的基本概念

2.2.1网络协议的概念另外的一种说法：网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；网络协议的三要素：语义、语法与时序；语义：用于解释比特流的每一部分的意义；语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；时序：事件实现顺序的详细说明。7社会上存在的邮政系统8协议和划分层次如书上例子：P22来说明要划分层次的概念9协议和划分层次由上面的例子我们可以更好的理解分层带来的好处：1、各层之间是独立的；2、更好的灵活性；3、结构上可以分割开；4、易于维护；5、能促进标准化工作。在分层时，也要注意每一层的功能非常明确，层数不能太少，这样会使每一层的协议太复杂，但是层数也能太多，这样又会使描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。10协议和划分层次通常在每一层所要实现的一般功能都具有下面的一种功能或几种功能：差错控制：流量控制：分段和重组：复用和分用：连接和释放：在分层也存在一些缺点：如有些功能在不同的层次中重复出现，因此造成了额外的开销。网络的体系结构：就是计算机网络的各层及其协议的集合就称为网络的体系结构。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正的运行在计算机硬件和软件。112.2.2协议、层次、接口与体系结构的概念

计算机网络的四个重要的概念

层次（layer）协议（protocol）

接口（interface）

体系结构（architecture）12层次（layer）层次是人们对复杂问题处理的基本方法；将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；不同的系统分成相同的层次；不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。

13协议（protocol）协议基本上是通信双方关于通信如何进行达成的一致规则协议栈：某一系统所使用的协议列表，每层一个协议，就称为协议栈。14接口（interface）接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点;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、低层功能不变，低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。15网络体系结构（networkarchitecture）网络体系结构：是层和协议的集合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。162.2.3网络体系结构的研究方法

层次结构研究方法的优点各层之间相互独立;灵活性好;各层都可以采用最合适的技术来实现;易于实现和维护;有利于促进标准化。

172.3OSI参考模型

2.3.1OSI参考模型的基本概念

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（ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone，CCITT）；

国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）。CCITT与ISO的工作领域是不同的：

CCITT主要是考虑通信标准的制定；

ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。18在OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信；OSI标准中，采用的是三级抽象：

•体系结构（architecture）；

•服务定义（servicedefinition）；

•协议说明（protocolspecification）。19体系结构开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务；作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；对网络内部结构最精炼地概括与描述。

20服务定义详细地说明了各层所提供的服务；某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；低层的服务是通过接口向上一层提供的;各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是具体实现的。21协议说明OSI标准中的各种协议明确地定义了：应该发送什么样的控制信息；如何解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。

22OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定；在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。

232.3.2OSI参考模型的结构

ISO划分七层结构的基本原则网中各结点都具有相同的层次；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结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；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。24OSI参考模型的结构

252.3.3OSI参考模型各层的功能OSI参考模型共分7层。上面的三层是较高层（应用层）下面的四层为数据流动层。物理层的主要功能：利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；物理层的数据传输单元是比特。物理层为激活、维持和释放终端系统之间的物理链路定义了电气、机械、过程和功能的标准。如：电压、电压变化的时间、物理数据速率、最大传输的距离、物理连接器和其他的物理层规范中定义的类似特点。（信号和介质）26数据链路层的主要功能：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；采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。数据连路层提供数据在物理链路上的传输。物理寻址、网络拓扑、网络介质访问、差错检测。（帧和介质访问控制）27网络层的主要功能：通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。网络层是复杂的一层，它提供两台主机之间的连接和路径选择。（路径的选择、路由及逻辑寻址）28传输层的主要功能：向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务；处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的传输层在发送主机系统上对将要发送的数据进行分段，在接收主机系统上完成数据段到数据流的重组。传输层和会话层之间的边界可以认为是应用协议和数据流协议的分界。应用层、表示层、会话层需要考虑的是应用方面的问题。而下4层只需要考虑数据传输的问题。（流量控制和可靠性）OSI参考模型的较低4层规定了如何通过互联网设备把数据在一条物理线路上传输到目标终端站并最终达到应用层的过程。29会话层的主要功能：负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到点传输不中断；管理数据交换。会话层是建立、管理和终止两台通信主机之间的会话。它是为表示层服务的。也对两台主机的表示层之间的会话进行同步，并管理其数据交换。除了会话规则以外，会话层为进行高效的用户传输、服务分类和会话层、表示层以及应用层的差错报告提供条件。30表示层的主要功能：表示层确保一个系统应用层发布的信息可以被另一种系统的应用层读起。它需要把各种不同的数据格式转化成一种通用的格式。用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换；数据加密与解密；数据压缩与恢复。31应用层的主要功能:应用层是OSI参考模型中最靠近用户的一层，它为用户的应用程序提供服务。它为想要进行通信的实体建立连接，进行同步并建立关于错误纠正和控制数据完整性过程的协商。不为OSI参考模型中的任何一层提供服务，只为OSI参考模型以外的应用程序提供服务。（电子邮件、远程登录、HTTP等）为应用程序提供了网络服务;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。

32OSI参考模型较上层及下层的作用332.3.4OSI环境中的数据传输过程

1.OSI环境（OSIenvironment）

342.OSI环境中的数据传输过程

35封装与解封装数据封装的5个步骤；1.创建数据2.为端到端的传输将数据打包3.在报头上附加网络地址4.附加本地地址（MAC地址）到数据链路报头5.为进行传输而转换为比特解封装当远程设备顺序接到一串比特时，它会把它们转送给数据链路层组装成帧。当数据链路层收到帧时，它会有以下的工作：读起物理地址和由直接连接的对等数据链路层所提供的信息从该帧分离该控制信息并由此创建一个新的数据报。遵照在帧的控制部分中出现的内容而把数据报向上转送到相邻的层。362.4TCP/IP参考模型

2.4.1TCP/IP参考模型的发展

在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；20世纪80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP参考模型进一步的研究；TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本4、版本5与版本6；目前我们使用的是版本4，它的网络层IP协议一般记作IPv4；版本6的网络层IP协议一般记作IPv6（或IPng,IPnextgeneration）；IPv6被称为下一代的IP协议。37TCP/IP协议的特点

开放的协议标准;独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；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。382.4.2TCP/IP参考模型各层的功能

TCP/IP参考模型的组成：分为4层，应用层、传输层、互联网络层、网络接入层。应用层（applicationlayer）传输层（transportlayer）互连层（internetlayer）主机-网络层（host-to-networklayer）39TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对应关系

40主机-网络层参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报;允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等;当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时，就可以认为是这一层的内容;充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性，它也为TCP/IP的成功奠定了基础。此层的名称很广泛。也称网络接口层层。它涉及到与IP分组（packet)要求选择一条物理链路并通过该物理链路从一台设备转送到一台直接连接设备的有关问题。是包括广域网和局域网的技术细节，和OSI参考模型中物理层和数据链路层的所有细节。41互连层把来自网络上的任何网络设备的原分组发送到目的设备，而且这一过程与它们所经历的路径和网络无关。（IP协议）相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；IP协议是无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。42传输层处理关于可靠性、流量控制和重转等典型问题。（TCP协议提供优秀和灵活的方式创建可靠、流量顺畅和低错误率的网络通信过程。是一种面向连接的协议。主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。

43应用层应用层协议主要有：网络终端协议Telnet；文件传输协议FTP；简单邮件传输协议SMTP；域名系统DNS；简单网络管理协议SNMP；超文本传输协议HTTP。TCP/IP的设计者认为高层协议应该包括会话层和表示层的细节，他们简单的创建了一个应用层来处理高层的协议、有关的表达、编码和对话控制。把所有与应用相关的内容都归为一层，并保证为下一层适当的将数据分组（打包）。也称为处理层。44TCP/IP协议图452.4.2实体、协议、服务和服务访问点实体表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。很多情况下实体就是一个特定的软件。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议的语法方面定义了所要交换的信息格式。协议的语义方面定义了发送者或接受者所要完成的操作。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，要实现本层协议，还需要使用下一层的提供的服务。462.4.2实体、协议、服务和服务访问点协议和服务在概念上是不同的。第一，协议的实现保证了能够向上层提高服务，而本层的服务用户只能看到服务而无法看见下层的协议。其次，协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间的规则，但是服务是“垂直的”，既服务是由下层向上层间接口提供的。此外，并非在一个层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高层看见的功能才能称为“服务”。相关的几个语术：实体（entity)、对等实体(peerentity)、服务提供者(serviceprovider)、服务用户(serviceuser)、

服务接入点SAP（serviceaccesspoint)、接口数据单元IDU（interfacedataunit)、服务数据单元SDU（servicedataunit)、协议数据单元PDU（protocaldataunit)472.4.3面向连接服务和无连接服务从通信角度看，各层提供的服务可分为两大类：面向连接的服务和无连接的服务。面向连接的服务：类似电话系统模式，用户首先要建立连接，使用连接，然后释放连接。（可靠的服务）无连接的服务：类似邮政系统模式，每一个报文都有完整的目的地址，并且在每一个报文都是独立的，在传输的过程和路由的选则可不同，到达的先后顺序也可能不相同。（不可靠的服务）又称为数据报服务两种服务模式的各有优点，其服务的特性用服务质量来评价。有确认的数据报服务，既无连接的建立，又要求确保信息的可靠性的服务.482.4.3面向连接服务和无连接服务在网络体系结构中讨论的服务可以分为通信子网对网络中数据传输所提供的服务,与整个网络系统为用户提供的服务；通信子网的服务是指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性所提供的保证机制；通信服务可以分为两大类：面向连接服务（connect-orientedservice）；

无连接服务（connectlessservice）。

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理解网络服务需要注意的问题面向连接服务与无连接服务对实现服务的传输可靠性与协议复杂性有很大的影响；根据主机间数据传输的可靠性要求和效率的不同，设计者可以选择面向连接服务与无连接服务的类型；在网络数据传输的各层，如物理层、数据链路层、网络层与传输层都会涉及面向连接服务与无连接服务的问题。50面向连接服务的特点面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；面向连接服务的在数据传输过程中，各分组可以不携带目的结点的地址；面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。51无连接服务的特点无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。52确认和重传机制的特点

网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证；确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。53服务类型与服务质量通信协议四种类型：面向连接与确认服务；面向连接与不确认服务；无连接与确认服务；无连接与不确认服务。设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。

542.5OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

2.5.1对OSI参考模型的评价层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；严格按照层次模型编程的软件效率很低。552.5.2对TCP/IP参考模型评价在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其他非TCP/IP协议族；TCP/IP参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而TCP/IP参考模型却没有做到这点。

562.5.3OSI参考模型TCP/IP参考模型的比较相同点：都分层都有应用层、尽管它们的服务不同都可比较的传输层和网络层使用分组交换、而不是电路交换技术网络专家需要对它们了解不同点：TCP/IP将表示层和会话层包括到了应用层。TCP/IP将OSI的数据链路层和物理层包括在一层中。TCP/IP看起来更简单，它分层更少；这种认识是错误的。OSI参考模型不如TCP/IP参考模型复杂，但它有更多的分层，更容易开发和排除故障TCP/IP协议是伴随着互联网的发展而得以完善的标准，所以TCP/IP模型仅仅由于其协议而被广泛认可；虽然OSI模型作为指导原则，但是网络通常并没有建立在OSI参考模型的基础上。572.6客户—服务器方式客户—服务器方式是TCP/IP的进程之间常用，它的概念很重要。以应用层的通信为例来说明客户—服务器方式。应用层是直接为用户的应用进程提供服务的。但是，应用层协议不为解决用户各种具体应用的协议。应用层是原理体系结构中最高的一层，在它之上不存在其他层，所以，应用层的任务是为终端用户提供服务的。应用层协议是为了解决这一类的应用问题的，它通常是通过位于不同主机的多个进程之间的通信和协同工作来完成的。解决具体应用问题而彼此通信的进程就称为“应用进程”。应用层的具体内容就是规定进程在通信时所遵循的协议。客户—服务器方式就是指通信中所涉及到的两个进程。它所描述的是进程之间服务和被服务的关系。58客户－服务器模式（client-servermodel)用户－服务器模式软件通常还具有如下的特点：1.客户软件特点：***（1）（2）（3）（4）2.服务器软件特点：***（1）（2）（3）（4）用户－服务器的通信关系一旦建立，通信就可是双向的。59客户－服务器模式（client-servermodel)工作过程：用户发请求信息指示要完成的工作服务器完成工作后送回答复此外功能较强的计算机可同时应行多个服务进程。602.7网络与Interne