第三部分：计算机网络体系结构

本章主要内容开放系统互连（OSI）参考模型物理层数据链路层网络层传输层和高层TCP/IP参考模型第一页，共89页。3.1网络体系结构的基本概念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：用于解释信息中每一部分的意义；语法：用户数据与控制信息的结构与格式，时序：事件实现顺序的详细说明。3.1.1分层和协议第二页，共89页。社会上存在的邮政系统为例第三页，共89页。3.1.2协议分层层次（layer）分层的基本原则分层的优势第四页，共89页。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要求应有明确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。第五页，共89页。分层的基本原则网络中的每一节点都有相同的分层结构，相邻层之间有清晰的接口。同一节点中的每一层能够同相邻层通信，但是不能跨层通信。根据任务的需要来分层，每一层应当实现一个明确的功能。第六页，共89页。

分层的优势（1）各层相对独立。（2）设计灵活。（3）易于实现和维护。（4）易于标准化。第七页，共89页。3.1.3网络体系结构网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构。NN-1PhPh

N-1

N对等层通信

相邻层间通信实际数据传输物理媒体N+1N+1对等层协议第八页，共89页。3.2OSI参考模型第九页，共89页。OSI的分层模型说明

OSI：计算机网络7层开放系统互联（opensystemsinterconnection,OSI）标准。其核心内容包含高、中、低三大部分：高层是面向网络应用的；低层是面向网络通信的；中间层是路由选择核心。第十页，共89页。基于OSI的通信模型结构第十一页，共89页。OSI环境中的数据传输过程第十二页，共89页。1.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。第十三页，共89页。2.OSI参考模型各层的功能物理层的主要功能：实现点到点的比特流传输数据传输单元是比特数据链路层的主要功能：提供点到点的可靠传输；传输以“帧”为单位的数据包；网络层的功能：实现用户数据的端-端传输数据传输单元是报文分组第十四页，共89页。2.OSI参考模型各层的功能

传输层的功能：向用户提供可靠端到端服务数据传输单元是报文会话层功能：提供控制会话和数据传输的手段表示层功能：在两个系统交换信息的表示方式应用层主要功能:提供各种网络服务第十五页，共89页。OSI环境中的数据变化演示第十六页，共89页。OSI环境中的数据流

第十七页，共89页。3、OSI服务－ISO术语“层服务”：本层向上邻层提供的通信能力。“层协议”：该协议仅在对等层实体之间使用。“层实体”：层功能实现的真正承担者（相应的硬软件）。“层用户”：层服务的使用者（上邻层实体）。协议传输数据单元（PDU）第十八页，共89页。3、OSI服务－服务类型和原语服务类型两种：面向连接和非面向连接面向连接：虚电路方式非面向连接：数据报方式、证实交付、请求回答服务原语：提供层服务的方法，原语语句执行具有原子特征（完整性）。服务原语分类：请求，指示、响应、确认第十九页，共89页。3.3物理层3.3.1物理层直接与物理信道相连，提供建立、维护和释放物理连接的方法，实现在物理信道上的比特流传输。第二十页，共89页。3.3.2物理层涉及的内容一通信接口与传输媒体的物理特性对通信设备和传输媒体之间使用的接口做的详细规定，主要体现在四个方面：机械特性电气特性功能特性规程特性ERP第二十一页，共89页。3.3.2物理层涉及的内容二数据交换单元为二进制比特比特的同步线路的连接：建立、维护和释放物理拓扑结构传输方式第二十二页，共89页。3.3.3物理层协议举例RS-232-C远程连接第二十三页，共89页。11314

25a)DB-25

DB-9DB-25插针功能说明标记12(RTS)3(TDX)45678983220764522信号检测接收数据发送数据数据终端就绪信号地数据传输设备就绪请求发送允许接收振铃指示DCDRDSDDTRSGDSRRTSCTSRI1

56

9b)DB-9

物理层协议举例第二十四页，共89页。实例：物理层接口第二十五页，共89页。3.3.4物理层设备与组件中继器集线器第二十六页，共89页。3.4数据链路层OSI/RM的第二层，在相邻节点之间建立链路，传送以帧为单位的数据信息，向网络层提供无差错、无重复、无丢失的透明传输。第二十七页，共89页。3.4.2数据链路层的主要问题数据链路层是OSI参考模型的第二层，该层解决两个相邻结点之间的通信问题。链路就是数据传输中任何两个相邻结点间的点到点的物理线路。数据链路层传输的协议数据单元称为数据帧。数据帧通常是由网卡（NIC）产生第二十八页，共89页。1、数据链路层功能管理数据链路。差错处理技术。流量控制技术（等－停协议、窗口机制等），解决速度不匹配的问题。帧同步将数据和控制信息区分开第二十九页，共89页。2、涉及的具体内容帧的形成差错控制流量控制数据链路层协议第三十页，共89页。3.4.3帧的形成数据帧是数据链路层的传输单位。帧同步（边界）的方法字符计数法字符填充法比特填充法违法编码法第三十一页，共89页。1、字符计数法在帧的头部使用一个字段来标明本帧的字节数。当目标机器的数据层读到字节计数值时，就可确定帧结束的位置。51234567898012345687890123CharacterCountFieldFrames一旦出错，无法找到同步点第三十二页，共89页。2、字符填充法用一些特定字符来定界一帧的开始和结束，在前面填充一个转义字符ＤＬＥ来区分。DLESTXADLEDLEBCFDLEETXADLEBCFDataLinkLayerToPhysicalLayerStuffedDLEADLEBCFDataLinkLayerToNetworkLayerFromPhysicalLayer第三十三页，共89页。3、比特填充法用一组特定比特模式来标志一帧的开头和结束。为不使信息位中出现该特定比特被误判为帧的首尾标志，发送方在连续5个1后填0。10011111101111111110010DataLinkLayerStuffedBits1111111110010DataLinkLayerToNetworkLayerFromPhysicalLayer第三十四页，共89页。4、违法编码法借用违法编码的序列来界定帧的开始和结束。IEEE802协议只适用于在物理媒体的编码策略中采用了冗余技术的网络，优点：无需填充第三十五页，共89页。3.4.4差错控制前向纠错，开销太大，不适合计算机通信。检错重发发送方发送。接收端检错。发射端重发。计时器问题。发送帧的编号问题。第三十六页，共89页。3.4.5流量控制流量控制是指对在数据链路上的帧的传输速度进行控制，保证接收端有足够的缓冲单元存储发端发来的信息以便收端处理。在链路层常用的流量控制方法:停-等流量控制滑动窗口流量控制。第三十七页，共89页。1.停等协议

停-等流量控制是利用差错控制中的反馈重发方式中的回送校验来实现其流量控制的。第三十八页，共89页。2、滑动窗口协议窗口被看作缓冲区。若在发送节点和接收节点各设一窗口，分别称为发送窗口和接收窗口。发送窗口保存已发送出去但尚未经确认的数据帧；接收窗口保存已正确接收但尚未提交给主机的帧。第三十九页，共89页。窗口示意图１WT=5WR=1发出帧0-400001111422223333444555566667777HHHHHHTT接收到ACK0发出帧5接收到帧0，发出ACK0初始状态0011223344556677T初始状态TTT接收到帧1发出ACK1第四十页，共89页。窗口示意图2WT=5WR=10011223344556677H没接收到ACK1HHHHH01234567012345670123456701234567帧1定时器超时，重发帧1接收到ACK1发出帧6还没有收到帧2接收到重传的帧1,丢弃接收到帧2发出ACK2TTTTTTT第四十一页，共89页。窗口协议变化演示第四十二页，共89页。4.5.1HDLC概述

3.4.6数据链路层协议数据链路层协议标准，可分为两类，面向字符的与面向比特的链路控制协议。典型的面向字符的：IBM公司的BSC规程面向比特的：HDLC协议两种基本配置：非平衡配置平衡配置第四十三页，共89页。1、面向字符的链路控制协议①传输的基本单位为字符；②信息编码。如BSC规程则可采用ASCⅡ码等；③可采用同步或异步传输；④传输速率为200～4800bit/s；⑤通信方式可采用半双工或全双工；⑥差错控制采用反馈重发(ARQ)方式；⑦发送方式为等待发送方式第四十四页，共89页。4.5.2HDLC的帧结构

2、面向比特的HDLC协议HDLC：高级数据链路控制协议，定义三种类型的帧：信息帧、监督帧与无编号帧每帧的起始和结束以“7E”（01111110）做标志第四十五页，共89页。4.6Internet的链路层协议

补：因特网中的数据链路层用户接入Internet的一般方法有两种。一种是用户通过电话线，拨号接入Internet一种是使用专线接入。全世界范围内使用最多的协议为非常简单的点对点协议PPP。早期Internet使用非常简单的面向字符的协议SLIP，但SLIP缺点很多。第四十六页，共89页。SLIP：串行线路IP成帧：原始IP包加上尾部标志C0h，字符填充。优化：TCP、IP首部压缩，删去相同的首部，以增量来表示不同部分问题：无差错检测和校验，由高层负责只支持IP不能动态分配IP地址不提供身份验证，不适于拨号方式不是Internet标准，存在多个不兼容版本第四十七页，共89页。PPP：点—点协议标志字段为7E（），地址字段为FF（），控制字段为03（）。这三个字段固定不变。协议字段：当协议字段为0021时，为IP数据报。若为C021，为PPP链路控制数据。而8021表示这是网络控制数据。第四十八页，共89页。3.4.7数据链路层的设备和组件第四十九页，共89页。3.5网络层网络层就是通信子网的最高层，主要功能有：组包/拆包、路由选择和阻塞控制。网络层与数据链路层的关系如下图所示：

L4

DATA发送端传输层的数据NH数据包L3

DATA

L4

DATANH数据包L3

DATA网络层网络层发送端数据链路层接收端传输层的数据接收端数据链路层第五十页，共89页。1、网络层提供的服务网络层向上所提供的服务可以有两大类：（1）无连接的网络服务：

数据报服务；（2）面向连接的网络服务：

虚电路服务。第五十一页，共89页。2、网络层功能（1）编址（地址编码方案）和路由技术（2）利用复用/解复用和分组技术（3）提供分组的组包和拆包功能。（4）提供分组的存储—转发第五十二页，共89页。3、网络层涉及的概念逻辑地址寻址：IP寻址路由功能：分静态路由和动态路由流量控制：滑动窗口、预约缓冲区、许可证和分组丢弃拥塞控制：预约资源法：适用于虚电路通信量整形法阻塞包法第五十三页，共89页。4、静态路由静态路由算法：基于一定的网络性能要求、拓扑结构和信息分布情况，按固定规划设计好路由选择方案。也叫非自适应路由算法。常用的静态路由算法：最短路由算法扩散式算法基于流量的路由算法第五十四页，共89页。5、动态路由动态路由算法：该类算法主要是根据网络状态(拓扑结构和流量等)的变化而决定各节点的路由选择。又叫自适应路由算法。动态路由选择：孤立式：依据节点本身当前的状态信息集中式：路由控制中心RCC分布式：距离向量D-V算法和链路状态L-S算法第五十五页，共89页。6、网络负载和网络吞吐量网络负载是指单位时间内输入到通信子网的分组数。网络吞吐量是指单位时间内从通信子网输出的分组数。网络阻塞：当网络负载过大时，网络某部分将出现可用的网络资源小于负载的需求网络死锁：当网络阻塞进一步加剧，网络吞吐量随着负载的增加而急剧下降至零第五十六页，共89页。网络负载与吞吐量的关系吞吐量输入负载死锁无流量控制(出现阻塞)实际的有流量控制(无阻塞)理想的流量控制情况第五十七页，共89页。7、网络层设备路由器第三层交换机第五十八页，共89页。3.6-3.7传输层及高层3.6.1传输层物理层网络层运输层应用层表示层会话层数据链路层面向信息处理面向通信用户功能网络功能第五十九页，共89页。3.6.2传输层的功能和服务提供建立、维护和拆除传输层连接为网络层提供合适的服务提供端到端的错误恢复和流量控制传输层为高层提供两种基本的服务：面向连接的服务:可靠的服务。面向无连接的服务:不太可靠的服务。第六十页，共89页。3.7.1会话层会话层是利用传输层提供的端到端的服务，向表示层或会话用户提供会话服务。在ISO/OSI环境中，所谓一次会话，就是两个用户进程之间为完成一次完整的通信而进行的过程，包括建立、维护和结束会话连接。第六十一页，共89页。3.7.2表示层表示层处理用户信息的表示问题。表示层不像OSI/RM的低五层只关心将信息可靠地从一端传输到另外一端，它主要涉及被传输信息的内容和表示形式，如文字、图形、声音的表示。数据压缩、数据加密等工作都是由表示层负责处理。第六十二页，共89页。3.7.3应用层应用层是OSI/RM的最高层，它是计算机网络与最终用户间的接口，它包含系统管理员管理网络服务所涉及的所有问题和基本功能。常用的网络服务包括文件服务、电子邮件（E-mail）服务、打印服务、网络管理服务、安全服务、分布式数据库服务、虚拟终端服务等。第六十三页，共89页。3.8TCP/IP参考模型3.8.1什么是TCP/IP协议

TCP/IP协议叫做传输控制/网际协议，用于计算机通信的一组协议,通常称TCP/IP协议集,又叫网络通讯协议。以TCP/IP协议为基础组建的INTERNET是目前国际上规模最大的计算机网络因为INTERNET的广泛使用，使得TCP/IP成了事实上的标准。第六十四页，共89页。3.8.2TCP/IP协议的特点开放的协议标准，可以免费使用。独立于特定的硬件设备，可跨平台使用，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。如web浏览，E-mail等。第六十五页，共89页。3.8.3TCP/IP的参考模型TCP/IP分为四个层次，分别是网络接口层、网络(际)层、传输层和应用层。物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层网络接口层网际层传输层应用层OSI的参考模型TCP/IP的参考模型第六十六页，共89页。TCP/IP各层功能（1）网络接口层网络接口层，也被称为网络访问层，包括OSI参考模型中的数据链路层和物理层。负责通过网络发送和接受IP数据包。TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议。

支持HDLC、PPP协议等。第六十七页，共89页。TCP/IP各层功能（2）网络层网络层所执行的主要功能是将分段（传输层称报文段）封装成数据包（IP数据包），并为该数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机。在网络层中，最常用的协议是网际协议IP，其他一些协议用来协助IP的操作。第六十八页，共89页。TCP/IP各层功能（3）传输层TCP/IP的传输层也被称为主机至主机层，与OSI的传输层类似，主要负责主机到主机之间的端对端通信。该层使用了两种协议来支持两种数据的传送方法，即TCP协议和UDP协议。第六十九页，共89页。TCP/IP各层功能（4）应用层在TCP/IP模型中，应用程序接口是最高层，它与OSI模型中的高三层的任务相同，用于提供网络服务，比如文Web页浏览、文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。第七十页，共89页。一个现实问题：信件通信过程姓名地址邮电局邮电局姓名地址姓名地址邮局邮局姓名地址第七十一页，共89页。演示：基于TCP/IP的数据流向UDPTCPFTPHTTPIPICMPIGMPARP以太网ATMUDPTCPFTPHTTPIPICMPIGMPARP以太网ATM数据应用数据FTPHTTP传输数据UDPTCPFTPHTTPInternet数据UDPTCPIPICMPIGMPARP前同步码数据CRCIPICMPIGMPARP以太网ATM数据以太网ATM数据以太网ATM数据IPICMPIGMPARP以太网ATM数据UDPTCPIPICMPIGMPARP数据UDPTCPFTPHTTP前同步码Internet传输应用数据CRCFTPHTTP第七十二页，共89页。3.8.4TCP/IP协议集第七十三页，共89页。1.

IP协议IP协议主要规定了数据包传送的格式，除了要传送的数据外，还带有源地址和目的地址。IP协议的三个基本功能:寻址和路由分割和重编数据包IP是一个无连接的协议第七十四页，共89页。IP网络演示第七十五页，共89页。2.ICMP—网际控制报文协议ICMP为IP协议提供差错报告。由于IP是无连接的，不进行差错检验，当网络上发生错误时，靠ICMP向发送IP数据包的主机汇报错误。如果某台设备不能将一个IP数据包转发到另一个网络，它就源主机发送一个错误消息。ICMP报告的错误类型有：目标无法到达、请求超时等。第七十六页，共89页。3.IGMP—网际群组管理协议IP协议只是负责网络中点到点的数据包传输，而点到多点的数据包传输则要依靠网际群组管理协议IGMP完成。它主要负责报告主机组之间的关系，以便相关的设备（路由器）支持多播发送。第七十七页，共89页。4.ARP协议和RARP协议地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol)和反向地址解析协议RARP计算机网络中各主机之间要进行通信时，必须要知道彼此的物理地址（MAC地址）。ARP协议将IP地址解析成MAC地址。RARP协议将MAC地址解析成IP地址。第七十八页，共89页。Arp协议动态演示第七十九页，共89页。4、TCP—传输控制协议（1）TCP协议是传输层一种面向连接的通信协议，提供可靠的数据传送。（2）TCP协议还要完成流量控制和差错检验的任务，以保证可靠的数据传输。（3）TCP协议将源主机应用层的数据（报文）分成多个分段（称为报文段）。（4）进行重组，还原原始数据，传送给应用层第八十页，共89页。补充：TCP协议的工作过程1.TCP连接的建立（三次握手）第八十一页