网络通讯与信息安全（耿立校）03网络体系结构

第三章计算机网络体系结构3.1划分层次的必要性3.2实体、协议、效劳和效劳访问点3.3面向连接效劳与无连接效劳3.4计算机网络的体系结构3.4.1OSI参考模型3.4.2TCP/IP参考模型3.4.3五层协议的体系结构 3.5OSI与TCP/IP体系结构的比较11/1/20233.1划分层次的必要性相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调〞是相当复杂的。“分层〞可将庞大而复杂的问题，转化为假设干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。11/1/2023社会上存在的邮政系统11/1/2023层次的划分计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规那么。这些规那么明确规定了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〕。为进行网络中的数据交换而建立的规那么、标准或约定即网络协议(networkprotocol)，简称为协议。11/1/2023网络协议的组成要素语法数据与控制信息的结构或格式。语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步事件实现顺序的详细说明。11/1/2023划分层次的概念举例计算机

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向计算机

2

通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。11/1/2023两个计算机交换文件文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块只看这两个文件传送模块好似文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块11/1/2023再设计一个通信效劳模块文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块只看这两个通信效劳模块好似可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信效劳模块通信效劳模块11/1/2023再设计一个网络接入模块文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块通信效劳模块通信效劳模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。11/1/2023分层的好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。11/1/2023层数多少要适当假设层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。11/1/20233.2实体、协议、效劳

和效劳访问点实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体进行通信的规那么的集合。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效劳。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的效劳。11/1/2023实体、协议、效劳

和效劳访问点〔续〕本层的效劳用户只能看见效劳而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的效劳用户是透明的。协议是“水平的〞，即协议是控制对等实体之间通信的规那么。效劳是“垂直的〞，即效劳是由下层向上层通过层间接口提供的。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为效劳访问点SAP(ServiceAccessPoint)。11/1/2023实体、协议、效劳

和效劳访问点〔续〕协议交换原语交换原语服务用户提供服务服务提供者第n层第n+1层服务用户SAPSAP11/1/2023协议很复杂协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。

11/1/2023著名的协议举例占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量比照是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定(即100%)取得胜利？11/1/2023明日正午进攻，如何？同意收到“同意”收到：收到“同意”………………这样的协议无法实现！11/1/2023结论这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。没有一种协议保证蓝军能100%获胜。11/1/20233.3面向连接效劳与

无连接效劳面向连接效劳(connection-oriented)面向连接效劳具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。无连接效劳(connectionless)两个实体之间的通信不需要先建立好连接。是一种不可靠的效劳。这种效劳常被描述为“尽最大努力交付〞(besteffortdelivery)或“尽力而为〞。11/1/2023面向连结的效劳〔connection-orientedservice〕是以系统为模式，相反无连结效劳〔connectionlessservice〕是以邮政系统为模式。可用效劳质量〔qualityofservice〕来评价每种效劳的特性。在面向连结的效劳中，先发送的报文一定先收到，也就是说，发送和接收是有次序的。11/1/2023面向连结的效劳11/1/2023无连结的效劳

11/1/2023面向连结的效劳和无连结的效劳比照

11/1/20233.4计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现那么是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。11/1/2023两种国际标准法律上的(dejure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。11/1/2023有关标准化组织为确保发送方和接受方能彼此协调，假设干标准化组织促进了通信标准的开发，先简单介绍5个这种组织：ANSI、ITU(CCITT)、EIA、IEEE和ISO。ANSI：美国国家标准协会〔AmericanNationalStandardInstitute〕ITU：国际电信联盟〔InternationalTelecommunicationUnion〕EIA：电子工业协会〔ElectronicIndustriesAssociation〕IEEE：电气和电子工程师协会〔InstituteofElectricalandElectronicsEngineers〕ISO：国际标准化组织〔InternationalStandardOrganization〕11/1/2023国际标准化组织信息处理系统技术委员会〔ISOTC97〕于1978年为开放系统互连建立了分委员会SC16,并于1980年12月发表了第一个开放系统互连参考模型〔OSI/RM：OpenSytermsInterconnection/ReferenceModel〕的建议书,1983年它被正式批准为国际标准，即著名的IS07498国际标准。通常人们也将它称为OSI参考模型，并记为OSI/RM，有时简称为OSI。我国相应的国家标准是GB9398。开放系统互连参考模型的制定11/1/2023关于开放系统互连参考模型

OSI/RM只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面OSI却失败了。OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

11/1/20233.4.1OSI参考模型数据链路层主机路由器协议应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层层7654321应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层通信子网边界内部子网协议网络层主机路由器协议物理层主机路由器协议APDUPPDUSPDUTPDU分组帧比特交换单元名字主机A主机B处理网络应用数据表示互连主机通信端到端连接寻址和最短路径接入介质二进制传输主机层：保证主机之间精确的数据传输介质层：控制网络上信息的物理传输数据报11/1/202311/1/2023OSI参考模型的各层内容1〕物理层〔physicallayer〕其任务是实现网内两实体间的物理链接，按位串行传送比特流，将数据信息从一个实体经物理信道送往另一个实体，向数据链路层提供一个透明的比特流传送效劳。典型问题：用多少伏特电压表示"1"，多少伏特表示"0"；一个比特持续多少微秒；传输是否在两个方向上同时进行；最初的连结如何建立和完成通信后连结如何终止；网络接插件有多少针以及各针的用途。物理层特性：机械特性：接口的形状、大小；接口引脚个数、功能等电气特性：信号产生、传输速率、信号的传输、编码。功能特性：接口线功能规定方法，接口线的功能分类。规程特性：传输方式〔单、半、全双工〕11/1/2023数据链路层的主要任务是对高层屏蔽传输介质的物理特征,保证两个邻接的(共享一条物理信道)结点间的无错的数据传输,给上层提供无错的信道效劳。需解决的问题：解决由于帧的破坏、丧失和重复的问题；防止高速的发送方的数据把低速的接收方"淹没"，故需要某种流量调节控制；如果线路用于双向传输，数据链路软件还必须解决新的麻烦，即从A到B数据确认帧将同从B到A的数据帧竞争线路的使用权。数据链路层的功能：帧同步：接收方应当从收到的比特流中准确地区分帧的起止。链路管理：就是对数据链路层连接的建立、维持和释放的操作。过失控制：错误帧和丧失帧情况，需要控制。流量控制：阻塞产生原因及其控制。透明传输：无论什么样的比特组合的数据都能够传输就是透明传输。识别数据和控制信息：数据和控制信息一致时，应能够识别。寻址：多点连接进行数据传输时，要保证信息能够准确到达对方。通信控制规程：面向字符〔根本型〕和面向比特〔高级数据链路HDLC〕。2〕数据链路层〔datalinklayer〕OSI参考模型的各层内容11/1/2023该层的根本工作是接收来自源机的报文，把它转换成报文分组(包)，而后送到指定的目标机。网络层关系到子网的运行控制，其中的一个关键问题是确定分组从源端到目的端的路由选择问题。路由即可以选用网络中固定的静态路由表，也可以在每一此会话时决定，还可以根据网络的当前的负载状况，高度灵活地为每一个分组决定路由。数据报与虚电路效劳、流量控制。拥有子网的人总希望他们提供的子网效劳得到报酬，所以网络层常常设有记帐的功能。网络层是通信子网和资源子网的边界。3〕网络层〔networklayer〕OSI参考模型的各层内容11/1/202311/1/2023该层的目的是提供一种独立于通信子网的数据传输效劳(即对高层屏蔽通信子网的结构)，使源机与目标机像是点对点的简单地连接起来的一样，尽管实际的连接可能是一条租用线或各种类型的包交换网。根本功能：在网络层的根底上，完成端对端的过失纠正，并实现两个终端系统间传送的分组无过失、无丧失、无重复和分组顺序无误。通常，会话层每请求建立一个传输连结，传输层就会为其创立一个独立的网络连结。如果传输连结需要一个较高的吞吐量，传输层也可以为其创立多个网络连结，让数据在这些网络连结上分流，以提高吞吐量(1:n)。另一方面，如果创立和维持一个网络连结不划算。传输层可以将几个传输连结复用到一个网络连结上，以降低费用(n:1)。传输层是真正的从源到目标“端到端〞层。也就是说，源端机上的程序，利用报文头和控制报文与目标机上的类似程序进行对话。4〕传输层〔transportlayer〕OSI参考模型的各层内容11/1/202311/1/2023该层的任务是为不同系统中的两个进程建立会议连接,并管理他们在该连接上的会话。会话连接到传输连接的映射：依赖于已经建立的传输连接。会话连接的释放：在双方都同意后，才释放连接。会话层管理：用来协调、管理和控制两会话实体间的交互活动5〕会话层〔sessionlayer〕OSI参考模型的各层内容11/1/2023该层完成许多与表示有关的内容。表示层完成的功能有字符集的转换,数据压缩与恢复,数据加密与解密,实际终端与虚拟终端之间的转换,以便使存在差异的设备能够实现通信;或者为了提高通信效率,增强通信保密等。IBM主机使用的扩充的二－十进制交换码EBCDIC码与ASCII码的转换。定义了表示图像的方法，比方：JPEG〔JointPhotographicExpertsGroup：联合图像专家组〕TIFF〔taggedimagefileformat：标记图像文件格式〕；定义了表示声音和影片的方法，比方：MIDI〔MusicalInstrumentDigitalInterface：乐器数字接口〕，MPEG〔MotionPictureExpertsGroup：活动图片专家组〕等。6〕表示层〔presentationlayer〕OSI参考模型的各层内容11/1/2023应用层是OSI参考模型的最高层,负责两个进程之间的通信,为网络用户之间的通信提供专用的程序包,一般可以看成是网络环境的应用程序接口API(ApplicationProgramInterface)应用层涉及的问题：分布数据库、分布计算技术、网络操作系统和分布操作系统、远程文件传输、电子邮件、终端、远程作业录入等。注：OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容，这是因为它并未确切地描述用于各层的协议和效劳，它仅仅告诉我们每一层应该做什么。它仅仅是一种网络教学模型。7〕应用层〔applicationlayer〕OSI参考模型的各层内容11/1/2023OSI环境中数据的传输过程B11/1/2023OSI环境中的数据流11/1/2023尽管OSI模型在各种场合得到了广泛的应用，但由于其建立时间过早，各种网络的开展不断突破了OSI参考模型，特别是互联网的开展，对OSI模型是一个巨大的挑战。OSI参考模型的教训是：首先，在技术上不能完全适应网络开展现状，如会话层在大多数应用中很少使用，表述层几乎是空的。相反数据链路层和网络层内容过多，不得不分成子层，每一子层赋予不同的功能。OSI的另一个问题是有些功能在不同的层一再出现，如编址、流量控制、纠错等等。有些功能放在那里很难达成一致意见，如平安性、加密及网络管理层很难达成一致而干脆未包括在内。同时OSI完全忽略了无连接业务的相应的协议，而这在LAN和演播室局域网中得到了广泛的应用，只是后来才加以补充。另一个严重问题是OSI主要考虑通信，而计算机世界有相当多的不同点。OSI参考模型的一些问题11/1/2023TCP/IP参考模型是计算机网络的祖父ARPANET和其后继的因特网使用的参考模型。ARPANET是由美国国防部ofDefense)赞助研究的网络。逐渐地它通过租用的线连结了数百所大学和政府部门。当无线网络和卫星出现以后，现有的协议在和它们相连的时候出现了问题，所以需要一种新的参考体系结构。这个体系结构在它的两个主要协议出现以后，被称为TCP/IP参考模型〔TCP/IPreferencemodel〕。3.4.2TCP/IP参考模型应用层传输层互联网层主机至网络层TCP/IP参考模型共有四层：应用层、传输层、互联网层和主机至网络层(或网络接口层)。与OSI参考模型相比，TCP/IP参考模型没有表示层和会话层。互联网层相当于OSI模型的网络层，主机至网络层相当于OSI模型中的物理层和数据链路层。TCP/IP参考模型11/1/2023它的功能是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〔可能经由不同的网络〕.这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如果需要按顺序发送和接收时，高层必须对分组进行排序。互联网层定义了正式的分组格式和协议，即IP协议〔internetprotocol〕。互联网层的功能就是把IP分组发送到应该去的地方。分组路由和防止阻塞是这里主要的设计问题。TCP/IP互联网层和OSI网络层在功能上非常相似。TCP/IP参考模型的各层内容1、互联网层〔internetlayer〕：11/1/2023它的功能是使源端和目标主机上的对等实体可以进行会话。在这一层定义了两个端到端的协议。一个是传输控制协议TCP〔TransmissionControlProtocol〕，它是一个面向连结的协议，允许从一台机器发出的字节流无过失地发往另一台机器。它将输入的字节流分成报文段并传给互联网层。TCP还要处理流量控制，以防止快速发送方向低速接收方发送过多的报文而使接收方无法处理。

另一个协议是用户数据报协议UDP〔userdatagramprotocol〕，它是一个不可靠的、无连结的协议，用于不需要TCP排序和流量控制能力而是自己完成这些功能的应用程序。TCP/IP参考模型的各层内容2、传输层〔Transportlayer〕：11/1/2023在TCP/IP模型的最上层是应用层〔Applicationlayer〕，它包含所有的高层的协议。 高层协议有：

虚拟终端协议TELNET：允许一台机器上的用户登录到远程机器上并且进行工作。

文件传输协议FTP〔FileTransferProtocol〕:提供有效地将数据从一台机器上移动到另一台机器上的方法。

电子邮件协议SMTP〔SimpleMessageTransferProtocol〕:最初仅是一种文件传输，但是后来为它提出了专门的协议。

域名系统效劳DNS〔Domainnameservice〕：用于把主机名映射到网络地址。

超文本传输协议HTTP〔HypertextTransferProtocol〕；用于在万维网〔WWW〕上获取主页等。TCP/IP参考模型的各层内容3、应用层〔Applicationlayer〕：11/1/20234、主机至网络层互联网层下面什么都没有，TCP/IP参考模型没有真正描述这一局部，只是指出主机必须使用某种协议与网络相连。层名应用层传输层互联网层物理＋数据链路层TELNETSMTPFTPDNSTCPUDPIPARPANETMANYLANSANDWANSYOURLAN协议网络TCP/IP模型中的网络和协议TCP/IP参考模型的各层内容11/1/20233.4.3五层协议的体系结构TCP/IP是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的方法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。11/1/2023五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层11/1/2023计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层

PDU11/1/2023计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层PDU再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文11/1/2023计算机

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向计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报〔或分组〕11/1/2023计算机

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向计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧11/1/2023计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体11/1/2023计算机

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向计算机

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1AP2AP1计算机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层11/1/2023计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据局部，上交给网络层11/1/2023计算机

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向计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去首部，取出数据局部上交给运输层11/1/2023计算机

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1AP2AP1计算机

2运输层剥去首部，取出数据局部上交给应用层11/1/2023计算机

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2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程11/1/2023计算机

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2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！11/1/2023计算机

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2应用程序数据应用层首部H5比特流注意观察参加或剥去首部〔尾部〕的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部11/1/2023计算机

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发送数据5432154321计算机

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2比特流计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据11/1/2023H3H4H5应用程序数据计算机

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向计算机

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1AP2AP1计算机

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