第3章：计算机网络体系结构

第3章

计算机网络体系结构

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掌握：五层的概念模型了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较23.1.1网络体系结构与协议20世纪70’s-至今不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构的标准化的原动力各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论等方面的研究日趋成熟是其基础3.1网络体系结构及协议的概念34网络体系结构（networkarchitecture）网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；体系结构是抽象的。5网络协议的概念计算机网络中的数据通信必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了通信双方所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。网络协议（定义）数据通信过程中,为网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，称为网络协议。6网络协议组成要素网络协议的三要素：语义、语法与时序；语法规定双方“如何讲（howtodo?）”

定义用户数据与控制信息的数据结构形式或格式。用于规定将若干个协议元素和数据组合在一起，来表达一个更完整的内容时所应遵循的格式，也即对所表述的内容数据结构形式的一种规定。语义确定双方“讲什么（whattodo?）”对发出的请求、执行的动作及对方的应答做出解释。也即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答。时序确定双方的“讲话次序（whentodo?）”。规定了事件发生的条件和执行顺序。7TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充同步比特SYN——同步比特SYN置为1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。控制时常与ACK同时使用。8TCP首部20字节固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充确认比特ACK——只有当ACK1时确认号字段才有效。当ACK0时，确认号无效。9TCP传输连接建立过程示意图

10现实社会存在的邮政系统113.1.2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；不同地区的系统分成相同的层次；不同系统的对等层次具有相同的功能；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。14分层的网络体系结构结构层次化通信分层进行。互相通信的两个系统必须具有相同的层次结构，并且相应的层必须执行相同的通信协议。通信在对等层的相关实体之间进行。实体指每一层的活动元素，指任何可以发送和接收信息的硬件或软件进程。服务第n层第n-1层系统A服务第n层第n-1层系统B第n-1层协议第n层协议15分层的网络体系结构-在网络分层结构中，第N层是第N-1层的用户，同时是第N+1层的服务提供者。服务第n层第n-1层系统A服务第n层第n-1层系统B第n-1层协议第n层协议16分层的网络体系结构(续)层次结构方法要解决的问题1.网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？分层与功能2.各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？服务与接口3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则？协议层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能服务与层间接口协议173.2

开放系统互联参考模型(OSI/RM)OSI/RM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

CCITT，ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone

国际标准化组织

ISO，InternationalStandardsOrganizationCCITT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它任何系统进行通信；OSI标准中，采用的是三级抽象：

•体系结构（architecture）

•服务定义（servicedefinition）

•协议规范（protocolspecification）OSI/RM的基本概念（续）193.2.1OSI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。20OSI参考模型的结构

21OSI/RM模型图22OSI/RM层次中英文对照应用层ApplicationLayer表示层PresentationLayer会话层sessionLayer传输层transportLayer物理层PhysicalLayer数据链路层DataLinkLayer网络层NetworkLayer7654321处理网络应用数据表示主机间通信端到端的连接寻址和最短路径介质访问（接入）二进制传输管理OSI/RM层次模型各层特征功能233.2.2OSI参考模型各层的功能物理层的主要功能：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。定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。如信号的电压幅度和位宽度、终端连接器引脚的尺寸等。24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:Frame”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。链路层处理的问题：组帧：把数据封装在帧中,按顺序传送,并处理返回的确认帧；定界与同步：产生/识别帧边界；差错恢复：采用重传（ARQ）的方法；流量控制：收发双方传输速率的匹配。25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；以及实现拥塞控制、网络互联等功能。网络层处理的数据单元是“分组：Packet”具体功能和服务寻址、最佳路由选择网络互连、数据包中转流量控制和拥塞控制差错检测与恢复流量统计和记账26传输层的主要功能：向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务;保障两个终端系统之间传送的数据单元无差错、无丢失、无重复或无次序颠倒提供“面向连接”(虚电路)和“无连接”(数据报)两种服务向高层屏蔽了下层各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响（透明传输）。27传输层特点传输层的特点传输层位于资源子网和通信子网的交界处，起着承上启下的作用，是关键的一层;传输层以上各层：面向应用；传输层以下各层：面向传输;真正意义上的从源端到目的端实现“端到端”连接的层。

1-3层：链接,中继；

4-7层：端到端28会话层主要功能负责维护两个结点之间会话连接的建立、管理和终止，以及数据的交换。会话：完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换，也是表示层之间的连接。同步（解决失败后从哪里重新开始）设置检查点。会话失败后，恢复到最后一个检查点处，而不用从头开始。活动管理（保证活动的完整性和正确性）。活动：相对独立的一组相关操作。29表示层主要功能处理被传送数据的表示问题，为应用层提供信息表示方式的服务。若有必要，使用一种通用的数据表示格式（在多种数据表示格式之间进行转换）。例如：在日期、货币、数值（特别是浮点数）等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换；数据的加解密、压缩/解压缩等30直接为网络用户或应用程序提供网络服务直接面向用户,为用户应用程序提供网络通信服务。为用户进入OSI环境提供一个接口识别并证实目的通信方的可用性使协同工作的应用程序之间进行同步判断是否为通信过程申请了足够的资源应用层主要功能313.2.4OSI环境中的数据传输过程

1.OSI环境（OSIenvironment）

322.OSI环境中的数据传输过程

333.3TCP/IP参考模型3.3.1TCP/IP参考模型的发展在TCP/IP协议研究初期，并没有提出参考模型；1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；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。34TCP/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

设备在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。353.3.2TCP/IP参考模型各层的功能

1.TCP/IP参考模型的层次应用层（applicationlayer）传输层（transportlayer）互联层（internetlayer，也称网际层、互联网层、网络互联层）主机-网络层（host-to-networklayer，也称网络接口层）

36TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对应关系

37TCP/IP与OSI参考模型的对应关系应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层7654321OSI参考模型应用层传输层网络接口互联网层TCP/IP概念层次Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等TCP/IP支持所有的、标准的物理和数据链路协议｝｝38TCP/IP的四层结构

应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络

2网络

1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321392.各层的主要功能

主机-网络层（也称网络接口层）参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报;它包括各种类型的物理网协议，如局域网的Ethernet与TokenRing、分组交换网的X.25、ATM协议等;当这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。

40互联层相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；互联层的主要功能包括：1.处理来自传输层的分组发送请求。发送端2.处理接收的数据报。接收端（中间结点，目的结点）

3.处理互联的路由选择、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。

41网络互联层ping、tracert、arp命令Internet协议(IP)Internet控制消息协议(ICMP)Internet组管理协议

(IGMP)地址解析协议(ARP)逆向地址解析协议(RARP)应用层传输层网络互联层网络接口层物理层42ICMPICMP是“InternetControlMessageProtocol”的缩写。是TCP/IP协议族的一个子协议.用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。我们在网络中经常会使用到ICMP协议，只不过我们觉察不到而已。比如我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令，这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。还有其他的网络命令如跟踪路由的Tracert命令也是基于ICMP协议的。43IGMP、ARP、RARPIGMP：Internet组管理协议

(IGMP：InternetGroupManagementProtocol)IGMP是因特网协议家族中的一个组播协议，用于IP主机向任一个直接相邻的路由器报告他们的组成员情况。ARP：IP----->MAC44传输层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。

45传输层传输控制协议(TCP)用户数据报协议(UDP)应用层传输层互联网层网络接口层物理层面向连接的

无连接的

46应用层应用层协议主要有：远程登录协议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HTTP47应用层应用层传输层互联网层网络接口层物理层文件传输