計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議

1、第二章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議【計劃課時】4課時（教材第二、三章）2.1網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議協(xié)議（protocol） 教材 P29網(wǎng)絡(luò)傳送是個很復(fù)雜的過程，為了實現(xiàn)計算機之間可靠地交換數(shù)據(jù)，許多工作要協(xié)調(diào)（如發(fā)送信號的 數(shù)據(jù)格式，通信協(xié)調(diào)與出錯處理，信號編碼與電平參數(shù)，傳輸速度匹配等）。假定一個與網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備正向另一個與網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，由于各個廠家有其各自的實現(xiàn)方 法，這些設(shè)備可能不完全兼容，它們相互之間不可能識別和通信。解決方法之一是在同一個網(wǎng)絡(luò)中全部使 用某一廠家的專有技術(shù)和設(shè)備， 在網(wǎng)絡(luò)互連的今天已不可行。 另一種方法就是制定一套實現(xiàn)互連的規(guī)范（標(biāo)準(zhǔn)），即所謂“協(xié)議”。該標(biāo)準(zhǔn)允許每個廠

2、家以不同的方式完成互連產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計與制造，當(dāng)按同一協(xié) 議制造的設(shè)備連入同一網(wǎng)絡(luò)時，它們完全兼容，仿佛是由同一廠家生產(chǎn)的一樣?！緟f(xié)議】網(wǎng)絡(luò)上不同計算機之間為了協(xié)調(diào)互相通信而使用的技術(shù)規(guī)范，即通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（也是軟硬件廠商 開發(fā)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)）協(xié)議由語義、語法和時序三部分組成。 語義規(guī)定通信雙方彼此 “講什么”（含義），語法規(guī)定“如何講” （格式），時序關(guān)系則規(guī)定了信息交流的次序（順序）。 P29實際上，生活中任何由兩個人或兩個團體一起完成的事件，都必須有“協(xié)議”（例：講話/賽跑）廖鴻鵬NT Server 4.0 建站指南：“當(dāng)一個中國人碰上一個日本人時，如果中國人說他的中文， 日本人說他的日文

3、，那么恐怕兩個人就是講到天黑，都不會有什么結(jié)果網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點之間 若需要傳送數(shù)據(jù)時，也要有一個共通的語言，這就是通信協(xié)議”。理論上只要有一套協(xié)議即可，但由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓寬，加上歷史的原因（7 0年代各大計算機公司在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域“諸侯割據(jù)”，紛紛推出自己的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，既為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展作出了貢獻，亦造成協(xié)議品種雜多的局面），所以目前一套統(tǒng)一可用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。正如理論上人類只要一種語言就可以相互溝通，但實際上卻有許許多多的語言存在一樣。學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的重要任務(wù)之一就是了解各種常用的通信協(xié)議。對于網(wǎng)絡(luò)開發(fā)/集成工程師，則需要深入理解甚至精通工程中所涉及到的各種協(xié)議。用于普通網(wǎng)絡(luò)用戶，則只

4、需知道訪問網(wǎng)絡(luò)資源你的系統(tǒng)或機器上需要配備何種協(xié)議，而無須知道這些協(xié)議的具體含義。封閉的協(xié)議一一協(xié)議內(nèi)容（規(guī)范）不對公眾公布開放的協(xié)議一一協(xié)議內(nèi)容對公眾公布NT4.0可同時具有5種協(xié)議，猶如一個懂最常用的五國語言的人，在世界各地旅行，便暢行無阻。NT Server 4.0提供的五種協(xié)議j協(xié)議名稱網(wǎng)型-NetBEUIIPX/SPXTCP/IPDLCAppleT alk純NT網(wǎng)UNIXNovellMocin toshIBM Mai nframeInternet* Mocintosh 美國Apple電腦公司系列 PC IBM Mainframe 美國IBM公司大型機常用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議有三個最具影響力

5、的團體為網(wǎng)絡(luò)通信制定了各自的協(xié)議： OSI （開放系統(tǒng)互連，Open Systems Interconnection）協(xié)議ISO （國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）81年公布（理論標(biāo)準(zhǔn)）從網(wǎng)絡(luò)角度看，未連網(wǎng)的計算機都是所謂“信息孤島”型的計算機系統(tǒng)，只按某一公司/廠商的網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)連網(wǎng)的屬于相對封閉的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而所有符合OSI網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)可以在全球范圍內(nèi)互聯(lián)起來，故稱為“開放系統(tǒng)”。 IEEE 802 LAN 協(xié)議IEEE （電氣和電子工程師學(xué)會）802委員會（80年2月成立）制定，其部分標(biāo)準(zhǔn)已被ISO正式確定為局域網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP （網(wǎng)際互連/傳輸控制）協(xié)議美國防部高級計劃

6、研究局（ DARPA ） 83年為“阿帕”網(wǎng)（ARPA net，今發(fā)展為In ternet ）而開發(fā)， 用于通過UNIX系統(tǒng)控制實現(xiàn)異種計算機網(wǎng)絡(luò)的互連，乃很多大學(xué)（如斯坦福大學(xué)）及研究所經(jīng)多年研究及商業(yè)化后得出的結(jié)果，現(xiàn)為最 hot的網(wǎng)際互連協(xié)議，亦為公認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，在局域網(wǎng)中，常用還有Novell網(wǎng)專用的通信協(xié)議IPX/SPX （網(wǎng)際分組交換/順序分組交換）。網(wǎng)絡(luò)通信與分層結(jié)構(gòu)1、分層的概念可以將人與人的“通信”分為三個相關(guān)的層次：認(rèn)識層、語言層、傳輸層。莆田老嫗談?wù)搩?nèi)容莆田城內(nèi)菜價所用語言莆田方言通信方式電話北京科學(xué)家 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 英語 電腦【例1】如果讓一莆田老嫗與北京一科學(xué)

7、家進行如下的“通信”結(jié)果用網(wǎng)絡(luò)術(shù)語表達結(jié)果“不可理喻”認(rèn)識層“協(xié)議”不兼容無法聯(lián)通傳輸層“協(xié)議”不兼容“不知所云”語言層“協(xié)議”不兼容【例2】如果讓一莆田老嫗與北京的莆田藉科學(xué)家林蘭英進行如下的“通信”莆田老嫗林蘭英院士結(jié)果用網(wǎng)絡(luò)術(shù)語表達結(jié)果談?wù)搩?nèi)容莆田城市變化家鄉(xiāng)情況OK認(rèn)識層“協(xié)議”兼容所用語言莆出方言莆出方言O(shè)K語言層“協(xié)議”兼容通信方式電話電話OK傳輸層“協(xié)議”兼容所以，人們?yōu)榱四軌虮舜私涣魉枷?，需借助一個分層次的通信結(jié)構(gòu)；其次，層次之間不是相互孤立的,而是密切相關(guān)的，上層的功能是建立在下層的基礎(chǔ)上，下層為上層提供某些服務(wù)，而且每層還應(yīng)有一定的 規(guī)則。網(wǎng)絡(luò)通信情況同樣如此，只是區(qū)分更細

8、一些。2、網(wǎng)絡(luò)通信分層的概念計算機之間的通信可歸納為兩種基本方式：點-點通信（P-P）相鄰結(jié)點之間通過直達通路的通信（稱“線路通信”）端-端通信（E-E）不相鄰結(jié)點之間通過中間結(jié)點鏈接起來所形成間接可達通路的通信（“鏈路通信”）點-點通信是端-端通信的基礎(chǔ)，端-端通信是點-點通信的延伸a點-點通信的分層兩臺相鄰計算機通過直達通信線路通信時，其所用通信軟件將自然分成兩個相對獨立的模塊（層）：用戶服務(wù)層處理用戶的通信應(yīng)用請求通信服務(wù)層通過通信線路收發(fā)數(shù)據(jù)分層的優(yōu)點：用戶服務(wù)層的模塊設(shè)計可相對獨立于具體的通信線路和通信硬件接口的差別（如銅線、 同軸電纜、光纖等），而通信服務(wù)層的模塊設(shè)計又可相對獨立于

9、具體用戶應(yīng)用要求的不同（如文件傳 輸、電子郵件等）。b.端-端通信的分層端-端通信是把若干點-點相鄰結(jié)點間的通信線路通過中間結(jié)點鏈接起來，所以還需解決：（1 ）中間結(jié)點應(yīng)具有路由轉(zhuǎn)接功能（按報文所附目標(biāo)地址轉(zhuǎn)發(fā)）（2）端結(jié)點應(yīng)具有啟動、建立和維護端 -端鏈路的功能啟動一一發(fā)送端發(fā)送一個帶目標(biāo)端結(jié)點地址的聯(lián)系控制報文建立一一目標(biāo)端結(jié)點返回一個同意通信聯(lián)系的報文，建立了雙方的聯(lián)系 維護一一通信過程差錯控制、流量控制等為此需在用戶服務(wù)層和通信服務(wù)層之間增加一個新層（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層），即通信服務(wù)層實現(xiàn)相鄰結(jié)點間的點-點通信，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層實現(xiàn)不相鄰結(jié)點間的端-端鏈路通信，用戶服務(wù)層處理用戶應(yīng)用軟件的通信 請求

10、與服務(wù)。計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：P29【網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)】計算機網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合，稱為網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（architecture ）。P29體系即“系統(tǒng)”中文中常用來描述有比較明顯層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)（如科學(xué)體系、政治體系等）。協(xié)議（教材 P30 ）OSI協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)通信過程劃分為七個相互獨立的功能組（層次），并為每個層次制定一個標(biāo)準(zhǔn)框架。上面三層（應(yīng)用層、表示層、會話層）與應(yīng)用問題有關(guān)，而下面四層（傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物 理層）則主要處理網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)傳輸/接收問題。各層的功能單元用于規(guī)定 what is to be done, but not how to do it.La

11、yer 7-Applicati onLayer 6-Prese ntati onLayer 5-Sessi onLayer 4-Tran sportLayer 3-NetworkLayer 2-Data LinkLayer 1-Physical網(wǎng)絡(luò)的用戶接口（上網(wǎng)軟件等）不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換/加解密進程（執(zhí)行中的程序）間會話管理與會話同步（“會話”即用戶間連接）報文的正確傳輸（報文的生成、收發(fā)、組合與差錯檢查）路由選擇和流量控制（選擇 LAN間傳輸路徑）幀的正確傳輸（幀的生成、收發(fā)與差錯檢查）數(shù)據(jù)比特流（0、1）的正確傳輸（比特流的生成、收發(fā)與差錯檢查）七層模型示意圖和各層主要功能見P31圖2

12、.1。像WINDOWS NT之類的操作系統(tǒng)只會與 OSI的頂層有關(guān)。OSI協(xié)議僅給出一個框架結(jié)構(gòu)，并沒有將其網(wǎng)絡(luò)模型的每一層限定在統(tǒng)一的一種協(xié)議中，也沒有給出 協(xié)議的具體實現(xiàn)技術(shù)（即未完全定型）。故又稱“參考模型”（OSI/RM ）但它奠定了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),成為今天設(shè)計和制定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)最重要的參考模型和依據(jù)。通信雙方（比喻）寫信封 拆信和讀信發(fā)送接收通信用戶，應(yīng)用層（A）軟件由軟封信、取信貼郵票投入郵筒投遞分揀分揀決定路郵件分類線裝入郵打開郵包包裝上郵從郵車接收車送出郵包郵路（公路、鐵路等）表示層（P）（面向用戶）資源子網(wǎng)的任務(wù)件實現(xiàn)會話層（S）傳輸層（T）銜接網(wǎng)絡(luò)層（N）網(wǎng)絡(luò)（完成傳送

13、服務(wù)） 通信子網(wǎng)任務(wù)由硬 件實 現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層（D）物理層（P）傳輸介質(zhì)（電纜等）從過程看，網(wǎng)絡(luò)通信的過程就是從A用戶的應(yīng)用層處發(fā)出數(shù)據(jù)，經(jīng)層層下傳，最后通過物理層發(fā)到網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)上，而 B用戶通過物理層接收數(shù)據(jù)，經(jīng)層層上傳，最后由應(yīng)用層取出。換言之，信息交換發(fā)生在對等的OSI層之間，源系統(tǒng) A中的每一層把目的系統(tǒng) B同層所需的控制信息（數(shù)據(jù)頭）附加到數(shù)據(jù) 中，封裝后的信息單元（數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)）被傳輸?shù)较乱粚樱康南到y(tǒng)B的每一層對收到的信息單元進行分析，先讀取系統(tǒng) A附加的控制信息（數(shù)據(jù)頭），然后去掉該數(shù)據(jù)頭，將信息單元的余留部分傳送給上一 層。說明：1、并非所有網(wǎng)絡(luò)通信都必須通過完整的七層；

14、實際上，如果在同一個 LAN內(nèi)（直接通過物理地址傳輸）通信，通常只用到下兩層和應(yīng)用層，如 果跨LAN （路由選擇成為必要），則需要用到下面四層和應(yīng)用層。兩個節(jié)點有加密/解密的通信要求時，可能用到表示層。2、 并非現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信都是按本模型分層（實際上一個也沒有）；3、 數(shù)據(jù)從上層往下層傳送，往往要封裝附加的信息（如目的地址，錯誤檢測等）；數(shù)據(jù)從下層往上層傳送，則須在對應(yīng)層相應(yīng)去除所封裝的信息（還原）?！痉庋b】信息通過各層向下傳遞時，每層的軟件負責(zé)加上它的報頭信息（每層都要封裝從高層來 的信息）。4、每層可能對應(yīng)有若干個具體協(xié)議，通信雙方同層協(xié)議必須相同或相互兼容層間通信的概念：同級關(guān)系一一協(xié)議如A機的第四層與B機的第四層對話，使用的規(guī)則和約定稱為第四層協(xié)議。縱向關(guān)系一一接口每一層的最終是和另一臺計算機的同層進行通信，但數(shù)據(jù)不能直接從A機的第X層傳輸?shù)紹機的第X層，而是先將數(shù)據(jù)和控制信息迅速傳遞到下一層，然后一層層下傳，直至最低層，最 后將數(shù)據(jù)傳傳遞到網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上。接收數(shù)據(jù)的計算機將數(shù)據(jù)和控制信息一層層上傳，直至第X層。在