计算机网络体系结构

计算机网络体系结构

学习目标:

通过本章的学习，使同学们掌

握网络层次体系结构的基本知

识，掌握网络层次划分的原则。

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重点：

工、网络层次体系结构的基本概念

2、网络层次划分的原则

3、常见的网络层次模型

难点：

1、网络层次体系结构的基本概念

2、常见的网络层次模型

&主要内容

1.体系结构及网络协议的概念

2.OSI/RM结构

3.TCP/IP参考模型

■计算机网络通信是一个非常复杂的过程，将一

个复杂的过程分解为若干个容易处理的部分，

然后逐个分析处理，这种结构化设计方法是工

程设计中经常用到的手段。分层就是系统分解

的最好方法之一。4

■计算机网络中的两个不同系统若能协同工作实

现信息交换和资源共享，必须具有共同约定。

遵循某种互相都能接受的规则。

口」^5^构及网络协议的概念

"JI

L1计算机网络通信的主要功能

■两个最基本的要求：

i.及时准确、安全而有效地将数据从网络

的一端传至另一端。

2.数据经网络到达目的地后，能被用户识

别。

■更高的要求：寻址、差错控制、流量

控制、分段及装配、路由选择、编码

转换、信息的表达、同步问题、数据

安全等.

jL体系结构及网络协议的概念

1.2为什么采用分层结构

票务部门（购票）票务部门（解决纠纷）、

在出发地机场托运行李在目的地机场取行李________________

--------------------------------------------I各层之间互相丽

在出发地登机在n的地离机y

---------------------------------------------解决方法不同

在出发地跑道滑行起飞在目的地跑道降落不影响其它层

飞机飞行

构及网络协议的概念

■nB

■一个合理的层次结构具有以下优点：

1,各层之间是独立的。某一层并不需要知道

它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知

道该层间的接口（即界面）所提供的服务。

由于每一层只实现一种相对独立的功能，

因而可将一个难以处理的复杂问题分解为

若干个较容易处理的更小一些的问题。这

样，整个问题的复杂程度就下降了。

L体系结构及网络协议的概念

~-------

2.灵活性好。当任何一层发生变化时（例如技

术的变化），只要层间接口关系保持不变，

则在这层以上或以下各层均不受影响。

3.结构上可分割开。各层都可以采用最合适的

技术来实现。

4.易于实现和维护。这种结构使得实现和调试

一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因

为整个的系统已被分解为若干个相对独立的

子系统。

5.能促进标准化工作，因为每一层的功能及其

所热供的服务都已有了精确的说明。

L体系结构及网络协议的概念

11---------------------

1.3分层的原则

■结构清晰，易于设计，层数适中。

-每层的功能应明确，并且相互独立。

■同一节点相邻层之间通过接口通信，层间接口

清晰，跨越接口的信息量尽可能少。n

■每一层使用下层的服务，并为上层提供服务。

■互相通信的网中各结点都有相同的层次。

构及网络协议的概念

I

1.4基本概念

L实体：通信时能发送和接收信息的任何软、

硬件设施。不同机器上同一层的实体叫对

等实体。

2.服务：是各层向上层提供的一组操作。服

务定义了两层之间的接口，上层是服务用

户，下层是服务提供者。

3.接口：上、下层之间交换信息叫接口。

L体系结构及网络协议的概念

>------------------------

4.协议：协议总是指体系结构中某一层的

协议，是对同等层实体之间的通信指定

的有关通行规则、约定的集合。

■网络协议三要素：

i.语法

2.语义

3.同步

5.体系结构：层和协议的集合称为网络体

系结构。

42,开放系统互连参考模型

2.1开放系统互连（OSI）基本参考模型

（OSI/RM结构）是由国际标准化组织

（ISO）于1983年正式批准的网络体系

结构参考模型。

2.1OSI参考模型

O：国际标准化组织。OSI：开放系统互连模型

2.开放系统互连参考模型

W........----------------

2.2各层基本功能

2.2.1物理层

■物理层传输数据的单位是比特。物理层不是指

连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒

体是什么，因为它们的种类非常多，物理层的

作用是尽可能的屏蔽这些差异，对它的高层即

数据链路层提供统一的服务。所以物理层主要

关心的是在连接各种计算机的传输媒体上传输

数据的比特流。

2.开放系统互连参考模型

%---------------------------

物理层的功能

1.定义了为建立、维护和拆除物理链路所

需的机械、电气、功能和规程4中特性，

目的是使原始的数据比特流能在物理媒

体上传输。

2,止匕外，还涉及数据传输模式、型号选择、

信号编码以及传输介质的选择等。

42,开放系统互连参考模型

2.2.2数据链路层

■数据链路层传输数据的单位是帧，数据帧的

帧格式中包括的信息有：地址信息部分、控制

信息部分、数据部分、校验信息部分。数据链

路层的主要作用是通过数据链路层协议（即链

路控制规程），在不太可靠的物理链路上实现

可靠的数据传输。

■数据链路层就把一条可能出差错的实际链路，

转变成让上一层网络层像是一条透明的无差错

的链路。

2.开放系统互连参考模型

数据链路层分为两个子层：介质访问控制

MAC子层和逻辑链路控制LLC子层。

1、MAC子层的主要功能

负责物理寻址和对网络介质的物理访问。主要

功能如下：

A链路管理（数据链路的建立、维持和释放）

»帧传输（指收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的

开始和结束在什么地方）

A流量控缶U（相邻两节点间数据链路上的流量）

A差错控缶U（具备发现差错的能力，并采取措施纠正之，使差错控制在

所能允许的尽可能小的范围内）

,2.开放系统互连参考模型

2、LLC子层提供的服务

LLC子层建立和维护网络设备间的数据链路

链接。根据数据链路层向网络提供的服务质量、

应用环境以及是否有连接，提供的服务分为以下

的二种：

»无确认的无连接服务。源主机可以在任何时候

发送独立的信息帧，不需要事先建立数据链路连

接；接收主机的数据链路层将收到的数据直接送

的网络层，不进行差错控制和流量控制，对于接

收和有关情况也不做应答处理。-

»有确认的无连接服务。接收端要对接受

的数据帧进行差错检验，并向发送端发

■出接收情况的应答;发送端收到应答，

或在发出数据后的一段时间内没有收到

应答信息时，根据情况作出相应的处理。

»有确认的面向连接的服务。一次数据的

传输由三个阶段组成。第一个阶段是进

行数据链路的连接，通过询问和作答使

双方都同意并做好传送数据和接收数据

的准备；第二个阶段是传输数据；第三

个阶段是数据链路的拆除。

2.开放系统互连参考模型

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2.2.3网络层

■网络层传送的数据单位是报文分组或包。在计

算机网络中进行通信的两个计算机之间可能要

经过许多个结点和链路，也可能还要经过好几

个路由器所连接的通信子网。网络层的任务就

是要选择最佳的路由，使发送站的传输层所传

下来的报文能够正确无误地按照目的地址找到

目的站，并交付给目的站的传输层。这就是网

络层的路由选择功能。路由选择的好坏在很大

程度上决定了网络的性能。

勺络层功能

(1)建立和拆除网络连接

将具有不同功能的通信子网连接起来实现网际互联。

网络层建立连接的服务有两种方式：面向连接的方式

和无连接方式，相应的被称作虚电路方式和数据报方式。

虚电路方式特性：

a,首先建立连接

b.除呼叫分组外，其余分组不需携带通信地址,

只需虚电路号便可传输

c,数据按顺序到达，可靠性高，适合交互

数据报方式特征：

a.不需建立连接

b.每个分组都要携带通信地址

c.每个分组都需要路由

d.分组不能按顺序到达

e.对网络故障适应性强

f.易于平衡网络流量

（2）路由选择

指在通信子网中，源节点和中间节点为将报文分组传送

目标节点而对其后续节点的选择。主要通过路由算法

喝源主机到目标主机选择路径。

路由算法的要求:最优原理

1）正确如果路由器J在由I到K的最

2）简单优路径上，则J到K的算法的最优路

径也在同一条路上。

3）健壮

4）稳定

5）公平

6）最优

(3)传输和流量控制(拥塞控制)

务通过调查包发现拥塞

%拥塞的原因：内存大小、处理机速度、带

宽：

跆解决途径：增加资源、减少负荷

柒预防策略：放弃包、包生命周期、路由算

法

2.开放系统互连参考模型

2.2.4传输层

■传输层正好是七层的中间一层，是通信子网

（下面3层）利资源子网（上面3层）的分界线,

它屏蔽通信子网的不同，使高层用户感觉不到

通信子网的存在。传输层信息的传送单位是报

文。传输层的基本功能是从会话层接收数据报

文，并且在当所发送的报文较长时，在传输层

先要把它分割成若干个报文分组，然后再交给

它的下一层（即网络层）进行传输。另外，这

一层还负责报文错误的确认和恢复，以确保信

息的可靠传递

2.开放系统互连参考模型

ib.....---------

■传输层也提供两种类型的服务：面向连接和面

向无连接服务。

1.面向连接服务有三个阶段：建立连接，数据

传输，释放连接，同样也有寻址和流量控制

功能。

2.面向无连接的服务在传输层和网络层也是相

似的。

通常上互连网所采用的TCP/IP协议中的

TCP（传输控制协议）协议就是属于传输层。

2.2.5会话层

咨四层允许不同机器上的用户建立会话关系，目的是完成正常

・据交换,并提供了对某些应用的增强服务会话,也可被用

早企程登录到分时系统或在两个机器间传递文件。

会话层对高层提供的服务主要是“管理会话”。一般，两

个用户要进行会话，首先双方都有必须接受对方，以保证双方

有权参加会话；其次是会话双方要确定通信方式，即会话允许

信息同时双向传输或任一时刻仅能单向传输，若是后者，会话

层将记录此刻由哪一个用户进程来发送数据，为了保证单向传

输的正确性，即在某一个时刻仅能一方发送，会话层提供了令

牌管理，令牌可以在双方之间交换，只有持有令牌的一方才可

以执行发送报文这样的操作。

综上所述，会话层的主要功能归结为：允许在不同主机上

的各种进程间进行会话。

2J2.6表示层

在计算机与计算如的用户之间进行数据交换时，

是随机的交换数据比特流，而是交换一些有具体

B意义的数据信息，这些数据信息有一定的表示格式，

例如表示人名用字符型数据，表示货币数量用浮点数

数据等等。那么不同的计算机可能采用不同的编码方

法来表示这些数据类型和数据结构，为让采用不同编

码方法的计算机能够进行交互通信，能相互理解所交

换数据的值，可以采用抽象的标准法来定义数据结构,

并采用标准的编码形式。■,

数据压缩、加密和解密也是表示层可提供的表示

变换功能。

2.开放系统互连参考模型

i———

2.2.7应用层

■应用层是OS工网络协议体系结构的最高

层，是计算机网络与最终用户的界面，

为网络用户之间的通信提供专用的程序。

0S1的7层协议从功能划分来看，下面6

层主要解决支持网络服务功能所需要的

通信和表示问题，应用层则提供完成特

定网络功能服务所需要的各种应用协议。

/•物理层

解决数据终端设备与通信设备之间的接口问题。

•数据链路层

;交换数据帧和比特流,在相邻两节点间无差错传输数据帧。

■网络层—D

将报文分组从物理连接的一端传到另一端。

•传输层

向上层提供一个标准通用的界面，使上层和通信子网的细节相隔离,

保证无错误地、顺序地、无丢失地、无重复地在源主机和目标主机

之间传送报文。

・会话层

在联网计算机之间建立和使用一种称之为会话的链接，并使用这个

链接进行通信，使双方操作相互协调。

•表示层

网络翻译者，定义了联网计算机之间交换信息的格式和语法。

\＜应用层

不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问网络服务的手段和窗

口，代表直接支持用户应用的服务，如文件传送、数据库访问、电

子邮件等。金

42,开放系统互连参考模型

-物理层：正确利用传输介质

-数据链路层：走通每一个节点

-网络层：选择路由

■传输层：找到对方主机

-会话层：指出对方实体是谁

■表示层：决定用什么语言：

■应用层：指出做什么事

3.TCP/IP参考模型

3」TCP/IP历史

■1969年，网络互连的分组交换研究项目，

ARPANET,美国国防部的国防高级研究项目署

创建。

■最初使用NCP协议；1973年，弓I入TCP；

1981年引入IP协议；1982年，标准化成

TCP/IP协议族，取代NCP。

■1983年，自由的电子通信和信息共享与一些其

他内容加入TCP/IP,应用于大学和政府。

■继续发展。

、■3.TCP/IP参考模型

3.2TCP/IP参考模型

•TCP是控制传输协议，1P是网际协议。

•TCP在IP之上提供了一个可靠的连接方

式的协议。能够保证数据包的传输以及

正确的传输顺序，并且可以确认包头和

包内数据的准确性。

•卬提供最有效的无连接传输系统，能确

认1P包头的完整性。

3.TCP/1P参考模型

应用层

传输层

网际层ARPRARP

网络接口层网络接口协议

3.TCP/1P参考模型

W----------------

3.3TCP/IP各层功能

3.3-1网络接口层

■网络接口层与0S1参考模型的数据链路

层和物理层相对应，它不是TCP/IP协议

的一部分，但它是TCP/IP赖以存在的与

各种通信网之间的接口，负责通过网络

发送1P数据报，或者接受来自网络物理

层的帧，转为IP数据报，交给IP层。

3.TCP/1P参考模型

3.2.2网际层

-负责相邻计算机之间的通信。

■网际层有四个主要的协议：网际协议工P、

Internet控制报文协议ICMP、地址解

析协议APR和逆地址解析协议RARP。

3.TCP/1P参考模型

•网际层的主要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及接收

时，高层必须对分组排序。这就象一个人邮寄

一封信，不管他准备邮寄到哪个国家，他仅需

要把信投入邮箱，这封信最终会到达目的地。

这封信可能会经过很多的国家，每个国家可能

有不同的邮件投递规则，但这对用户是透明的,

用户是不必知道这些投递规则。

3.TCP/1P参考模型

■网际协议IP的基本功能是：无连接的数据报传

送和数据报的路由选择，即IP协议提供主机间

不可靠的、无连接数据报传送。

■互连网控制报文协议1cMp提供的服务有：测

试目的地的可达性和状态、报文不可达的目的

地、数据报的流量控制、路由器路由改变请求

等O

■疝加转换协议ARP的任务是查找与给定IP地址

相对应主机网网络物理施址。

■反向地址转换协议RARP主要解决物理网络地

址到IP地址的转换。

3.TCP/1P参考模型

>---------------

3.2-3传输层

■提供了可靠的端到端数据传输，确保源

主机传送分组并正确到达目标主机。

■TCP/IP的传输层提供了两个主要的协议,

即传输控制协议TCP和用户数据报协议

UDP,它的功能是使源主机和目的主机

的对等实体之间可以进行会话。

3.TCP/1P参考模型

i--------...............——

■其中TCP是面向连接的协议。所谓连接,

就是两个对等实体为进行数据通信而进

行的一种结合。面向连接服务是在数据

交换之前，必须先建立连接。当数据交

换结束后，则应终止这个连接。面向连

接服务具有连接建立、数据传输和连接

释放这三个阶段。在传送数据时是按序

传送的。

3.TCP/1P参考模型

■用户数据协议UDP协议是无连接的服务。在无连

接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先

建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要

事先进行预定保留。这些资源将在数据传输时动

态地进行分配。

■无连接服务的另一特征就是它不需要通信的两个

实体同时是活跃的（即处于激活态）。当发送端

的实体正在进行发送时，它才必须是活跃的。无

连接服务的优点是灵活方便和比较迅速。但无连

接服务不能防止报文的丢失、重复或失序。无连

接服务特别适合于传送少量零星的报文。

3.TCP/1P参考模型

3.2.4应用层

■在TCP/IP体系结构中并没有OSI的会话

层和表示层，TCP/IP把它都归结到应用

层。所以，应用层包含所有的高层协议,

如虚拟终端协议(TELNET)、文件传

输协议(FTP)、简单邮件传送协议

(SMTP)和域名服务(DNS)等等。

3.TCP/1P参考模型

>应用层包含所有的高层协议。

■仿真终端协议TELNET：允许一台机器上的用

户登录到远程机器上进行工作

■文件传输协议FTP(FileTransfer

Protocol)：提供了有效地把数据从一台机器

移动到另一台机器的方法

■简单邮件传输协议SMTP(SimpleMessaqe

TransferProtocol)：提供电子邮件传输腋

务

■域名解析协议DNS(DomainNameService)：

用于把主机名映射的网络地址

■超文本传输协议HTTP(HypertextTransfer