计算机网络基础-课件第3章-网络体系结构与协议

第3章网络体系结构与协议学习目标：理解网络协议的概念理解层次化的概念理解网络体系结构的概念掌握OSI参考模型分层结构掌握OSI参考模型中数据流动方式掌握七层结构中各层的基本功能掌握TCP/IP体系结构的分层结构理解OSI/RM与TCP/IP体系结构的区别3.1网络体系结构的基本概念在计算机网络中有许多互相连接的结点，在这些结点之间经常需要不断地交换数据和控制信息。要做到在结点之间有条不紊地交换数据，每个结点必须遵守一些事先约定好的规则。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议（NetworkProtocol）。网络协议包含三个要素：（1）语义：指构成协议的协议元素的含义，不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容。（2）语法：即用户数据与控制信息的结构和格式。（3）时序：对事件实现顺序的详细说明。3.1.1网络协议为了减少网络协议设计的复杂性，最好的组织方式是分层模型，也就是将通信问题分为几个小问题（层次）的方法，每个小问题对应于一层。网络协议采用层次结构的有以下优点：（1）各层之间相互独立。各层只要知道通过接口所提供的服务，而不需要了解其他层中实现的细节。（2）灵活性好。若某层发生变化，只要接口关系不变，则上、下层均不受影响。便于修改、取消某层的服务。3.1.2层次化的概念（3）各层都可以选择最合适的实现技术，各层实现技术的改变不影响其他层。（4）整个系统被分解为若干个较小的部分，便于实现、调试和维护。（5）每一层的功能和所提供的服务都有精确的说明，有利于促进标准化。

为了便于理解分层的思想，我们以快递服务为例进行说明。快递公司为客户提供的服务是将物品从一个地方通过中转运送到目的地，这一过程类似于计算机网络将用户的数据通过多个结点的转发送到目的主机。我们把甲乙双方通过快递公司寄送包裹的过程分为三个层次：“通信人”层、“快递公司”层和“运输”层。其中最高一层是“通信人”层，甲乙双方必须对快递单的格式和内容达成共识，必须采用双方都懂的语言和文字，包括寄件人信息和收件人信息等；中间一层是“快递公司”层，它为投递人提供不同传递速率、保密级别的快递服务，对包裹进行收件、打包、分捡、派送和差错处理等，然后交付有关运输部门进行运输；下层是“运输”层，它负责对打包的包裹进行运输管理，在运输中可能经过许多站点的装卸和转接，也可能使用不同的交通工具。

在上例中，“通信人”层只需关心快递单的格式和内容，而不需要关心“快递公司”层如何处理包裹，更不必关心“运输”层如何将包裹送达目的地。同样道理，“快递公司”层只需完成收件、派送的功能，“运输”层只要按要求完成传输任务即可。很明显，这种分层的做法，可以使每一层实现一种相对独立的功能，从而将一个难以处理的复杂问题分解为若干较容易处理的小任务。计算机网络体系结构是网络中分层模型以及各层功能的精确定义。世界上第一个网络体系结构是IBM公司于1974年提出的，命名为“系统网络体系结构SNA（SystemNetworkArchitecture）”。在此之后，许多公司纷纷提出了各自的网络体系结构，如Digital公司的DNA、ARPANET的ARM等。这些网络体系结构的共同之处在于它们都采用了分层技术，但层次的划分、功能的分配与采用的技术术语均不相同。随后，为了对不同的体系结构进行同一，国际标准化组织提出了开放系统互连参考模型。

3.1.3网络体系结构随着信息技术的发展，各种计算机系统连网和各种计算机网络的互联成为人们迫切需要解决的课题。开放系统互连参考模型就是在这样背景下提出的。ISO在1977年3月召开的第九次全会上决定成立一个新的技术委员分会(ISO/TC97/SC16)专门研究此课题。经过几年的努力，1983年ISO（InternationalOrganizationforStandardization）提出了开放系统互连参考模型OSI/RM（OpenSystemInterconnection/ReferenceMode），即著名的ISO7498国际标准。3.2OSI参考模型3.2.1OSI参考模型的制定

1.物理层（physicallayer）物理层保证在通信信道上传输原始比特流。物理层协议被设计用来控制传输媒体，以提供传输媒体对计算机系统的独立性。物理层协议规定传输媒体本身及机械、电气、功能、规程特性。2.数据链路层（datalinklayer）负责建立、维持、释放数据链路的连接，在两个相邻结点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。数据链路层加强物理层原始比特流的传输功能，使之对网络层呈现为一条无差错链路。数据链路层把数据分装在不同的数据帧中发送，并处理接收端送回的确认帧。每一帧中必须携带同步、地址、差错控制、流量控制等信息。3.2.2各层的主要功能

3.网络层（networklayer）网络层完成对通信子网的运行控制，提供源站（或源主机）和目标站（或目标主机）间的数据传输服务，数据的单位是“分组”或“包”。负责选择从发送端传输数据包到达接收端的路由。另外，网络层还负责通信子网中的分组、拥塞控制和记帐等。网络层协议有面向连接和无连接两种服务，它们分别向高层提供连接方式的和无连接方式的网络服务。4.传输层（transportlayer）传输层为OSI网络体系结构中最核心的一层，它把实际使用的通信子网与高层应用分开，提供发送端和接收端之间的高可靠、低成本的数据传输。传输层协议必须完成寻找接收端用户地址、提供面向连接服务时的建立连接、拆除连接以及流量控制和多路复用等工作。5.会话层（sessionlayer）会话层使用传输层提供的可靠的端到端通信的服务，并增加一些用户所需要的附加功能和建立不同机器上的用户之间的会话联系。会话层协议为表示层提供同步服务，使得低层协议在发生了某种错误之后，会话层协议能返回到一个已知状态。会话层还为表示层提供活动管理功能。这里，活动是一个由用户确定的具有逻辑意义的信息单位。会话层协议的另一个重要功能是数据交换。6.表示层（presentationlayer）表示层完成被传输数据的解释工作，包括数据转换、数据加密和数据压缩等。表示层向应用进程提供信息的语法表示，对不同语法表示进行转换管理，使采用不同语法表示的系统之间能进行通信，而不必考虑对方使用什么语言。7.应用层（applicationlayer）应用层是开放系统与用户应用进程的接口，提供OSI用户服务、管理和分配网络资源。应用层包含用户普通需要的应用，例如虚拟终端、文件传送、远程用户登录和电子数据交换以及电子邮件等。1．OSI中的数据流动过程3.2.3OSI/RM中的基本概念

2.协议、服务与服务访问点在同一开放系统上、下层之间存在着“服务”与“被服务”的关系，而在不同开放系统中的对等实体之间存在着“协议”的关系。两个对等实体之间的通信规则就是该层使用的协议，有关第N层的通信规则的集合，就是第N层的协议，记为“（N）协议”。在（N）协议控制下两个对等（N）层实体之间的通信，使得（N）能够向上一层（即（N＋1））提供服务，这种服务叫做（N）服务。接受（N）服务的（N＋1）实体叫做（N）服务用户，而（N）同样需要服务提供者（N－1）提供的服务。因此对于（N）来说，它是（N＋1）的服务提供者又是（N－1）的服务用户。每一层只有依赖下一层为它提供的服务并且实现本层的协议才能为它的上一层提供服务。但要注意，每一层只接受下一层的服务，而不关心下一层的协议，即（N）协议对于（N）服务用户是透明的。在同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方称为服务访问点SAP（ServiceAccessPoint），它是相邻两层实体的逻辑接口。在同一系统中相邻两层的实体交换信息的方式是通过交换服务原语进行的。3．服务原语“服务”在形式上是用一组原语来描述的，这些原语供用户实体访问该服务或向用户实体报告某事件的发生。RequestConfirm(N+1)层(N)PDU(N)PDU(N)及其以下各层IndicationRespons(N+1)层系统A系统A、B系统B服务有“有确认”和“无确认”之分。有确认服务，包括“请求”、“指示”、“响应”和“确认”4个原语。无确认服务只有“请求”和“指示”两个原语。建立连接的服务总是有确认服务，可用“连接响应”作肯定应答，表示同意建立连接；或者用“断连请求”表示拒绝建立连接。TCP/IP协议组实际上是由以传输控制协议TCP和因特网协议IP为代表的许多协议组成的协议。TCP/IP协议是由美国国防部高级研究计划局DARPA开发，是早期ARPANET上采用的一个通信协议。后来随着计算机网络发展成为Internet，TCP/IP协议成为Internet协议标准，也是全世界使用最广泛的工业标准。3.3TCP/IP体系结构3.3.1TCP/IP体系结构TCP/IP模型各层各有不同的协议，这些分层的协议形成了一组从上到下单向依赖关系的协议系列，各层协议如图所示。1.网络接口层为了使TCP/IP与具体的物理传输媒体无关，在TCP/IP标准中没有对数据链路层和物理层作出规定，只将最低的一层取名为网络接口层。网络接口层的接口有两种：一种是局域网的网络接口，为设备驱动程序；另一种是X.25网中的网络接口，则为包含数据链路协议（如HDLC协议）的复杂子系统。2.网际层网际层的主要协议是无连接的网际协议IP。与网际协议配合使用的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP和因特网控制报文协议ICMP等。由于网际协议是用来使互连起来的许多计算机网络能够进行通信，因此TCP/IP体系中的网络层常称为网际层或IP层。网际层负责主机之间的通信，传输的数据单位是IP数据报。它的功能有三个：（1）将传输层送来的报文段或用户数据报装人IP数据报，填完报头，选择到达目的主机的路由，将IP数据报发往适当的网络接口。（2）对从网络接口收到的IP数据报，首先检查其合理性，然后进行寻径，若该数据报已到达目的地（本机），则去掉报头，将剩下的数据部分交给传输层；否则，转发该IP数据报。（3）处理网际层差错与控制报文ICMP，处理路径、流控、拥塞等问题。3.传输层TCP/IP的传输层，提供端到端（应用进程间）的通信服务。其功能为：（1）格式化信息流。（2）提供端到端可靠传输。（3）解决不同应用程序的识别问题。传输层传送的数据单位是报文段（segment）或用户数据报。传输层有TCP和UDP两个协议，它们都是建立在IP协议的基础上。其中传输控制协议TCP提供可靠的面向连接服务，用户数据报协议UDP提供无连接服务。

4.应用层

TCP/IP的应用层对应于OSI/RM的会话层、表示层和应用层，向用户提供一组常用的应用协议。应用层协议可分为3类：（1）依赖于TCP的应用协议，如远程终端协议Telnet，文件传输型的电子邮件协议SMTP，文件传输协议FTP，超文本传输协议HTTP，外部网关协议BGP等。（2）依赖于UDP的协议，例如单纯文件传输协议TFTP，简单网络管理协议SNMP，域名系统DNS，内部网关协议RIP，动态主机配置协议DHCP和引导程序协议BOOTP等。（3）依赖于TCP和UDP的协议，如通信用管理信息协议CMOT当然，一些没有标准化的建立在TCP/IP协议簇之上的用户应用程序（或专用程序）也属于应用层。

在研究TCP/IP体系结构的过程中，经常会涉及到数据链路层的功能，因此专家们提出了研究问题时使用的原理体系结构，原理体系结构由五层构成。原理体系结构仅适用于分析原理时使用。3.3.2原理体系结构虽然OSI/RM是ISO制定的统一标准，但在应用中实际采用的是TCP/IP体系结构，这和网络技术的发展和市场背景有一定的关系。TCP/IP模型和ISO/OSI模型有许多相似之处。两种模型中都包含能提供可靠的进程之间端到端传输服务的传输层，而在传输层之上是面向用户应用的传输服务。3.3.3OSI/RM与TCP/IP体系结构TCP/IP模型和OSI模型也有许多不同之处，它们之间的差别主要体现在以下几个方面：在OSI参考模型中，有3个基本概念：服务、协议和接口。服务的概念描述了该层所做的工作，并不涉及服务的实现以及上层实体如何访问的问题。TCP/IP模型并不十分清晰地区分服务、接口和协议这些概念。OSI参考模型是在其协议被开发之前设计出来的。而TCP/IP模型