《计算机网络基础》课件-第3章

第3章计算机网络体系结构3.1计算机网络体系结构概述3.2OSI参考模型3.3TCP/IP体系结构3.4数据的封装与解封装本章小结

3.1计算机网络体系结构概述一、为什么需要计算机网络体系结构●两台计算机之间必须有一条传送数据的通路；●要有能够告诉网络怎样识别和接收数据的计算机；●发起通信的计算机必须保证要传送的数据能在这条通路上正确发送和接收；●对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、网络中某个节点交换机出现问题等，应该有可靠完善的措施保证对方计算机最终能正确接收到数据。

二、计算机网络体系结构设计基本思想

1.分层思想

1)分层思想在日常生活中的应用

日常生活中，当人们遇到复杂的问题时，往往通过一定的方法将这个庞大而复杂的问题转化为若干较小的、容易处理的、单一的局部问题，然后在不同层次上予以解决，这也就是我们所熟悉的分层思想，我们以邮政系统的组织结构(图3.1)来进行说明。图3.1邮政系统信件传递工作过程示意图

2)分层思想的优点

(1)独立性强。

(2)适应性强。

(3)易于实现和维护。

对于设计/开发者而言，这样的方法使他们可以专心设计和开发他们所关心的功能模块；对于调试/维护人员而言，这样的方法也方便他们去处理他们所负责的功能模块。

2.分层需要考虑的问题

(1)网络体系结构应该分为几个层次，每个层次都负责哪些功能？

(2)各个层次之间的关系是怎样的，它们又是怎样进行交互的？

(3)要想确保通信的两方可以达成高度默契，它们需要遵循哪些规则？

三、计算机网络体系结构定义

1.基本概念

1)网络协议

在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议，简称为协议。

网络协议主要由三个要素组成。

(1)语法：确定用户数据与控制信息的结构与格式(怎么做)；

(2)语义：规定通信的双方发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应(做什么)；

(3)同步：规定通信双方何时进行通信，即事件实现顺序的详细说明(何时做)。

2)接口

接口是相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。每一层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。

3)服务

服务是由下层向上层通过层间接口提供的功能，接口是服务的传递者，通过接口可以实现下层对上层提供服务。

4)实体、对等实体和对等层

实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，两个不同系统的同一层次称为对等层，在发送端与接收端同一层次中的实体称为对等实体。图3.2实体、对等实体、接口、服务、对等层的关系

2.计算机网络体系结构定义

计算机网络中的层次、各层的协议以及层间的接口的集合统称为网络体系结构，如图3.3所示。

图3.3网络体系结构图

网络中任何一个系统都是依照图3.3中的层次结构来组织的，该结构具有以下特点：

●同一网络中，任意两个端的系统必须具有相同的层次；

●每层使用其下层提供的服务，并向其上层提供服务；

●通信仅仅在对等层间进行，当然这里所指的通信是间接的、逻辑的、虚拟的，非对等层之间不能互相“通信”；

●实际的物理通信仅仅在最底层完成；

●Pn代表第n层的协议，即第n层对等实体间通信时必须遵循的规则或约定。

可以通过图3.4的邮政系统层次结构图帮助理解。图3.4邮政系统层次结构图

3.2OSI参考模型

一、OSI参考模型的产生在计算机网络产生初期，每个计算机厂商都有一套自己的网络体系结构，它们之间互不相容。为了使不同厂商的计算机能够互相通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，需要建立一个国际范围的网络体系结构标准。OSI参考模型将计算机网络分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，每层完成一定的功能，如图3.5所示。图3.5OSI参考模型

二、OSI参考模型各层的主要功能

1.物理层(PhysicalLayer)

物理层的主要功能是完成相邻节点之间原始比特流的传输，主要关心如何传输信号，规定了各种传输介质和接口与传输信号相关的一些特性。

1)机械特性

也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点，如接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等，这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸都有严格的规定。

2)电气特性

规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性，一般包括接收器和发送器电路特性的说明、信号的识别、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。

3)功能特性

指明物理接口各条信号线的用途(用法)，包括接口线功能的实现方法，接口信号线的功能分类—分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线4类。

4)规程特性

指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序。

最后要强调的是，物理层是解决怎么才能在连接各种计算机相关传输媒体上传输数据比特流的问题，而不是指连接计算机的具体物理设备或传输媒体，它是有关物理设备通过物理媒体进行互联的描述和规定，主要解决如何利用物理媒体走每一步的问题。

2.数据链路层(DataLinkLayer)

数据链路层位于物理层和网络层之间，主要负责在两个相邻节点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据，每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。

3.网络层(NetworkLayer)

网络层(NetworkLayer)是OSI模型的第三层，它是OSI参考模型中最复杂的一层。网络层的主要功能是实现对数据包的路由选择，以便数据包能够从发送方经过一条较优的路径到达接收方。除了路由选择功能，网络层还具有拥塞控制和网络互连的功能。

4.传输层(TransportLayer)

OSI参考模型的下三层(物理层、数据链路层和网络层)的主要任务是数据通信，上三层(会话层、表示层和应用层)的主要任务是数据处理，而传输层恰好是OSI模型中间的第四层，是通信子网和资源子网的接口和桥梁，起到承上启下的作用。该层的主要任务是向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输。

5.会话层(SessionLayer)

会话层(SessionLayer)是OSI模型的第五层，是用户应用程序和网络之间的接口，负责在网络中的两个节点之间建立、维持和终止通信。会话层的功能包括建立通信链接，保持会话过程中通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时从何处重新发送等。

6.表示层(PresentationLayer)

表示层是OSI模型的第六层，它对来自应用层的命令和数据进行解释，以确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。

7.应用层(ApplicationLayer)

应用层(ApplicationLayer)是OSI参考模型的最高层，它是计算机用户以及各种应用程序和网络之间的接口，其功能是直接向用户提供服务并完成用户希望在网络上完成的各种工作。应用层在其他六层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外，应用层还负责协调各个应用程序间的工作。

3.3TCP/IP体系结构

一、TCP/IP体系结构概况TCP/IP参考模型是计算机网络的前身阿帕网和其后继的因特网使用的参考模型，TCP/IP是一个协议系列，TCP和IP是其中最基本和最重要的协议，它的开发工作始于20世纪70年代，早于OSI参考模型，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)。

TCP/IP参考模型也采用了分层的体系结构，共分为四层，从下到上分别是网络接口层、网络层、传输层和应用层，与OSI参考模型的对应关系如图3.6所示。图3.6OSI参考模型与TCP/IP参考模型的层次对应关系

二、TCP/IP体系结构各层的主要功能

1.网络接口层

网络接口层与OSI参考模型中的物理层和数据链路层相对应，是TCP/IP参考模型的最底层。网络接口层的功能是接收和发送IP数据包，并负责与网络中的传输介质打交道。

2.网络层

网络层是整个体系结构的关键部分，负责相邻计算机之间(即点对点)的通信，包括处理来自传输层的发送分组请求，检查并转发数据包并处理与此相关的路径选择、流量控制及拥塞控制等问题，让每一块数据包都能够到达目的主机(但不检查是否被正确接收)。

3.传输层

传输层解决的是“端到端”的通信问题，即应用程序之间的通信，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。

4.应用层

应用层是TCP/IP参考模型的最高层，对应OSI参考模型的会话层、表示层和应用层。

三、OSI参考模型与TCP/IP体系结构各层的比较

1.相似点

两者都以协议的概念为基础，都采用层次结构并存在可比的传输层和网络层，都是下层给上层提供服务，虽然一个是概念上的模型，一个是事实上的标准，但是对于计算机网络的发展同样具有重要性。

2.不同点

(1)OSI参考模型有7层，而TCP/IP参考模型只有四层；

(2)OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信，但是传输层上只支持面向连接的通信；TCP/IP模型的网络层只提供无连接的服务，但在传输层上同时支持两种通信模式；

(3)OSI模型是先有模型后有协议，而TCP/IP是先有协议后有模型；

(4)OSI模型的网络功能在各层的分配差异大，链路层和网络层过于繁重，表示层和会话层又太轻简，TCP/IP模型则相对比较简单。

(5) OSI模型的有关协议和服务定义太复杂且冗余，如流量控制、差错控制、寻址在很多层重复，很难且没有必要在一个网络中全部实现，TCP/IP模型则没什么重复。

3.4数据的封装与解封装

一、实例导入A公司的经理要给B公司的经理写信，整个流程如图3.7所示。图3.7信件传递的具体流程

二、数据封装与解封装

在OSI参考模型中，当一台主机需要传送用户的数据时，数据首先通过应用层的接口进入应用层。在应用层，用户的数据被加上应用层的报头(AH，ApplicationHeader)，形成应用层协议数据单元(PDU，ProtocolDataUnit)，然后被递交到下一层—表示层，表示层并不“关心”上层—应用层的数据格式，而是把整个应用层递交的数据包看成是一个整体进行封装，即加上表示层的报头(PH，PresentationHeader)，然后递交到下一层—会话层。

同样，会话层、传输层、网络层、数据链路层也都要分别给上层递交下来的数据加上自己的报头，它们是：会话层报头(SH，SessionHeader)、传输层报头(TH，TransportHeader)、网络层报头(NH，NetworkHeader)和数据链路层报头(DH，DatalinkHeader)。其中，数据链路层还要给网络层递交的数据加上数据链路层报尾(DT，DatalinkTermination)形成最终的一帧数据，最后物理层把最终数据转换成适合在传输介质中传输的比特流，通过传输介质传到目的端，这个从上到下的过程称为数据封装。

当数据通过传输介质传送到目标主机的物理层时，目标主机的物理层把它递交到上层—数据链路层。数据链路层负责去掉数据帧的帧头部