第3章 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1、第3章 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 熟練掌握：計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和分層體系結(jié)構(gòu) 。 掌握：OSI分層模型 和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)。 了解：計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程 。3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述 3.1.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 世界上第一個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是美國IBM公司于1974年提出的，名為SNA（System Network Architecture，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)）。凡是遵循SNA的設(shè)備就稱為SNA設(shè)備。這些SNA設(shè)備可以很方便地進行互連。在此之后，很多公司也紛紛建立了自己的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，這些體系結(jié)構(gòu)大同小異，都采用了分層技術(shù)，但各有其特點以適合由本公司生產(chǎn)的計算機組成的網(wǎng)絡(luò)，這些體系結(jié)構(gòu)也有其特殊

2、的名稱。 3.1.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和分層體系結(jié)構(gòu) 1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 在計算機網(wǎng)絡(luò)中，為了使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間能成功地發(fā)送和接收信息，必須制定相互都能接受并遵守的語言和規(guī)范，這些規(guī)則的集合就稱為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（protocol），如TCP/IP、SPX/IPX、NetBEUI協(xié)議。 語法（syntax）：定義數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式，即做什么（What to do ?）。 語義（semantics）：定義需要發(fā)出何種控制信息、完成何種協(xié)議以及做出何種應(yīng)答，即怎么做（How to do ?）。 同步（timing）：規(guī)定事件實現(xiàn)順序的詳細說明，確定通信狀態(tài)的變化和過程，如通信雙方的應(yīng)答關(guān)系，即何時做（When t

3、o do ?）。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下3個要素組成：2分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 計算機網(wǎng)絡(luò)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，將其分解為若干個容易處理的層次（layer），然后“分而治之”，這種結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法是工程設(shè)計中常見的手段。層次是人們對復(fù)雜問題處理的基本方法，將總體要實現(xiàn)的很多功能分配在不同的層次中，每個層次要完成的服務(wù)及服務(wù)實現(xiàn)的過程有明確規(guī)定，不同的系統(tǒng)具有相同的層次，不同系統(tǒng)的同等層具有相同的功能，高層使用低層提供的服務(wù)時，并不需要知道低層服務(wù)的具體實現(xiàn)方法。 3.1.3 層次結(jié)構(gòu)的要點與劃分原則 1層次結(jié)構(gòu)的要點 計算機網(wǎng)絡(luò)都采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，由于計算機網(wǎng)絡(luò)涉及多個實體間的通信，其層次結(jié)構(gòu)一般以教

4、材中圖3-1所示的垂直分層模型來表示。這種層次結(jié)構(gòu)的要點可歸納如下： 除了在物理介質(zhì)上進行的是實通信外，其余各對等實體間進行的都是虛通信。 對等層的虛通信必須遵循該層的協(xié)議。 N層的虛通信是通過N/N-1層間接口處N-1層提供的服務(wù)，以及N-1層的通信（通常也是虛通信）來實現(xiàn)的。 2層次結(jié)構(gòu)的劃分原則 層次結(jié)構(gòu)的劃分，一般要遵循以下的原則： 每層的功能應(yīng)是明確的，并且是相互獨立的。當某一層的具體實現(xiàn)方法改變時，只要保持上下層的接口不變，便不會對相鄰層產(chǎn)生影響。 層間接口必須清晰，接口包含的信息量應(yīng)盡可能少，以利于標準化。 層的數(shù)量應(yīng)適中。若層次太少，則多種功能混雜在一層中，造成每一層的協(xié)議太復(fù)

5、雜；若層次太多，則體系結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，使描述和實現(xiàn)各層功能變得困難。 3.2.1 OSI參考模型概述 3.2 OSI參考模型 1協(xié)議和服務(wù)的區(qū)別和聯(lián)系 在OSI模型中，協(xié)議（protocol）和服務(wù)（service）是兩個非常重要的概念?？刂苾蓚€N層對等實體進行通信的規(guī)則的集合稱為N協(xié)議。兩個N層實體間的通信在N協(xié)議的控制下，能夠使N層向上一層提供服務(wù)，這種服務(wù)就稱為N服務(wù)，接受N服務(wù)的N層服務(wù)用戶是N+1層實體。 2服務(wù)訪問點 服務(wù)訪問點SAP（Service Access Point）是指同一系統(tǒng)中相鄰兩層實體之間進行交換信息之處，即N層實體和N+1層實體之間的邏輯接口，也稱為端口。一個N層

6、服務(wù)是由一個N層實體作用在一個N層SAP上完成的，雖然兩層之間可以允許有多個SAP，但一個N層SAP只能被一個N層實體所使用，并且也只能為一個N+1層實體所使用；但一個N層實體卻可以向多個N層SAP提供服務(wù)，這稱為連接復(fù)用；一個N+1層實體也可以使用多個N層SAP，這稱為連接分裂。 3數(shù)據(jù)單元 在OSI模型中，數(shù)據(jù)單元是數(shù)據(jù)傳送的單位，可分為3種：服務(wù)數(shù)據(jù)單元、協(xié)議數(shù)據(jù)單元和接口數(shù)據(jù)單元。 服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU（Service Data Unit）：是N層實體為完成用戶請求的N服務(wù)向接口提供的用戶數(shù)據(jù)。 協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit）：是由上層的服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU或其

7、分段和協(xié)議控制信息PCI（Protocol Control Information）組成，提交給對等實體的數(shù)據(jù)。 接口數(shù)據(jù)單元IDU（Interface Data Unit）：是由上層的服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU和接口控制信息ICI（Interface Control Information）組成，它通過SAP進行層間信息傳送。 4OSI中的數(shù)據(jù)流動過程 在OSI參考模型中，當一臺主機需要傳送用戶的數(shù)據(jù)（data）時，如下圖（教材中圖3-3）所示。數(shù)據(jù)首先通過應(yīng)用層的接口進入應(yīng)用層。在應(yīng)用層，用戶的數(shù)據(jù)被加上應(yīng)用層的報頭（Application Header，AH），形成應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Proto

8、col Data Unit，PDU），然后被遞交到下一層表示層。表示層并不“關(guān)心”上層應(yīng)用層的數(shù)據(jù)格式而是把整個應(yīng)用層遞交的數(shù)據(jù)包看成是一個整體進行“封裝”，即加上表示層的報頭（Presentation Header，PH）。然后，遞交到下層會話層。同樣，會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層也都要分別給上層遞交下來的數(shù)據(jù)加上自己的報頭。 3.2.2 物理層 物理層是OSI參考模型中的最底層，也是最重要、最基礎(chǔ)的一層。物理層既不是指連接計算機的具體物理設(shè)備，也不是指負責信號傳輸?shù)木唧w物理介質(zhì)，而是指物理介質(zhì)上為上一層（數(shù)據(jù)鏈路層）提供傳輸比特流的一個物理連接。 1物理層接口與協(xié)議 物理層協(xié)議規(guī)定了

9、與建立、維持及斷開物理信道所需的機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。其作用是確保比特流能在物理信道上傳輸。 2物理層協(xié)議舉例 EIA RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industries Association）在1969年頒布的一種目前使用最廣泛的串行物理接口（RS即Recommended Standard，意思是“推薦標準”，232是標識號碼，而后綴“C”則表示該推薦標準已被修改過的次數(shù)）。 3.2.3 數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型中的第二層，介于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，在物理層提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層的作用是對物理層傳輸原始比特

10、流的功能的加強，將物理層提供的可能出錯的物理連接改造成為邏輯上無差錯的數(shù)據(jù)鏈路，使之對網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為一條無差錯的鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能是向網(wǎng)絡(luò)層提供透明的和可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。 1數(shù)據(jù)鏈路層功能 數(shù)據(jù)鏈路層最基本的服務(wù)是：將源主機網(wǎng)絡(luò)層來的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徑Y(jié)點的目標主機網(wǎng)絡(luò)層。為達到這一目的，數(shù)據(jù)鏈路層必須具備一系列相應(yīng)的功能，主要包括：幀同步、差錯控制、幀同步、差錯控制、流量控制和鏈路管理流量控制和鏈路管理。 2數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議舉例 典型的面向比特型的數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程是高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC。它是在IBM公司于20世紀70年代提出的同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC基礎(chǔ)上，經(jīng)ISO修改

11、后得到的，已作為國際標準廣泛應(yīng)用。 3.2.4 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層是OSI參考模型中的第三層，介于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間。它在數(shù)據(jù)鏈路層提供的兩個相鄰結(jié)點之間的數(shù)據(jù)幀的傳送功能上，進一步管理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)設(shè)法從源結(jié)點經(jīng)過若干中間結(jié)點傳送到目的結(jié)點，從而向傳輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。 1網(wǎng)絡(luò)層控制方式和服務(wù) 端點之間的通信是依靠通信子網(wǎng)中結(jié)點間的通信來實現(xiàn)的，在OSI模型中，網(wǎng)絡(luò)層是網(wǎng)絡(luò)結(jié)點中的最高層，所以網(wǎng)絡(luò)層將體現(xiàn)通信子網(wǎng)向端系統(tǒng)所提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在分組交換方式中，通信子網(wǎng)向端系統(tǒng)提供虛電路虛電路（virtual circuit）和數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)報（datagram）兩種網(wǎng)絡(luò)服

12、務(wù)，而通信子網(wǎng)內(nèi)部的操作也有虛電路和數(shù)據(jù)報兩種方式。 2網(wǎng)絡(luò)層路由選擇 通信子網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)源結(jié)點和目的結(jié)點提供了多條傳輸路徑的可能性。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點在收到一個分組后，要確定向下一結(jié)點傳送的路徑，這就是路由選擇。在數(shù)據(jù)報方式中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點要為每個分組路由做出選擇；而在虛電路方式中，只需在連接建立時確定路由。確定路由選擇的策略稱路由算法。 3網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制 擁塞現(xiàn)象是指到達通信子網(wǎng)中某一部分的分組數(shù)量過多，使得該部分網(wǎng)絡(luò)來不及處理，以致引起這部分乃至整個網(wǎng)絡(luò)性能下降的現(xiàn)象，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)陷入停頓，即出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。 常用的擁塞控制方法有4種：滑動窗口法、滑動窗口法、預(yù)約緩沖區(qū)法、許可證法和丟棄分組

13、法預(yù)約緩沖區(qū)法、許可證法和丟棄分組法。 3.2.5 傳輸層 OSI七層模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層是面向網(wǎng)絡(luò)通信的低三層協(xié)議。傳輸層負責端到端的通信，既是七層模型中負責數(shù)據(jù)通信的最高層，又是面向網(wǎng)絡(luò)通信的低三層和面向信息處理的高三層之間的中間層。傳輸層位于網(wǎng)絡(luò)層之上、會話層之下，它利用網(wǎng)絡(luò)層子系統(tǒng)提供給它的服務(wù)去開發(fā)本層的功能，并實現(xiàn)本層對會話層的服務(wù)。 1傳輸服務(wù) 傳輸層的服務(wù)包括的內(nèi)容有：服務(wù)類型、服務(wù)等級、數(shù)據(jù)傳輸、用戶接口、連接管理、安全保密等。 2服務(wù)質(zhì)量 服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Service）是指在傳輸兩結(jié)點之間看到的某些傳輸連接的特征，是傳輸層性能的度量，反

14、映了傳輸質(zhì)量及服務(wù)的可用性。 根據(jù)用戶要求和差錯性質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)按質(zhì)量可分為以下3種類型： A型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：具有可接受的殘留差錯率和故障通知率。 B型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：具有可接受的殘留差錯率和不可接受的故障通知率。 C型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：具有不可接受的殘留差錯率。 3傳輸層協(xié)議等級 傳輸層的功能按級別劃分，OSI定義了5種協(xié)議級別，即級別0（簡單級）、級別1（基本差錯恢復(fù)級）、級別2（多路復(fù)用級）、級別3（差錯恢復(fù)和多路復(fù)用級）和級別4（差錯檢測和恢復(fù)級）。服務(wù)質(zhì)量劃分較高的網(wǎng)絡(luò)，僅需要較低的協(xié)議級別；反之，服務(wù)質(zhì)量劃分較低的網(wǎng)絡(luò)，則需要較高的協(xié)議級別。 4傳輸服務(wù)原語 服務(wù)在形式上是一組原語（primitive

15、）來描述的。原語被用來通知服務(wù)提供者采取某些行動，或報告某同層實體已經(jīng)采取的行動。在OSI參考模型中，服務(wù)原語劃分為以下4種類型： 請求（request）：用戶利用它要求服務(wù)提供者提供某些服務(wù)，如建立連接或發(fā)送數(shù)據(jù)等。 指示（indication）：服務(wù)提供者執(zhí)行一個請求以后，用指示原語通知接收方的用戶實體，告知有人想要與之建立連接或發(fā)送數(shù)據(jù)等。 響應(yīng)（response）：收到指示原語后，利用響應(yīng)原語向?qū)Ψ阶龀鲰憫?yīng)，如同意或不同意建立連接等。 確認（confirm）：把一個實體的服務(wù)請求加以確認并通知它。 3.2.6 網(wǎng)絡(luò)高層功能及協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)高層包括會話層、表示層和應(yīng)用層，它們屬于計算機網(wǎng)絡(luò)中

16、的資源子網(wǎng)，不同于通信子網(wǎng)，高層主要由軟件和協(xié)議組成。 1會話層 會話層在傳輸層提供的服務(wù)上，加強了會話管理、同步和活動管理等功能。會話層的主要任務(wù)是為用戶提供特定應(yīng)用進程的連接服務(wù)，并控制、管理和同步會話層實體之間的對話。 2表示層 OSI參考模型的低五層提供透明的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用層負責處理語義，而表示層則負責處理語法。由于各種計算機都可能有各自的數(shù)據(jù)描述方法，所以不同類型計算機之間交換的數(shù)據(jù)，一般需經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換才能保證其意義不變。表示層要解決的問題是如何描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并使之與具體的機器無關(guān)，其作用是對源站內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行編碼，使之形成適合于傳輸?shù)谋忍亓?，到了目的站再進行解碼，轉(zhuǎn)換成用戶所要求

17、的格式。 3應(yīng)用層 應(yīng)用層是OSI參考模型的最高層，直接面向用戶。它為用戶訪問OSI提供手段和服務(wù)。目前已經(jīng)成為OSI標準的一些應(yīng)用層協(xié)議有： 報文處理系統(tǒng)MHS（Message Handling System）協(xié)議。 文件傳送、存取和管理FTAM（File Transfer、Access and Management）協(xié)議。 虛終端協(xié)議VTP（Virtual Terminal Protocol）。 目錄服務(wù)DS（Directory Service）協(xié)議。 事務(wù)處理TP（Transaction Processing）協(xié)議。 遠程數(shù)據(jù)訪問RDA（Remote Data Access）協(xié)議 。3.

18、3 TCP/IP體系結(jié)構(gòu) 3.3.1 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的層次 TCP/IP參考模型分為4個層次，分別是網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層。TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)與OSI層次結(jié)構(gòu)的對照關(guān)系如圖所示。3.3.2 TCP/IP協(xié)議簇 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）最早由斯坦福大學(xué)的兩名研究人員于1973年提出。1983年，TCP/IP被UNIX 4.2BSD系統(tǒng)采用。隨著UNIX的成功，TCP/IP逐步成為UNIX的標準網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Internet的前身ARPANET最初使用NCP（Networ

19、k Control Protocol）協(xié)議，由于TCP/IP協(xié)議具有跨平臺特性，ARPANET的實驗人員在經(jīng)過對TCP/IP的改進以后，規(guī)定連入ARPANET的計算機都必須采用TCP/IP協(xié)議。隨著ARPANET逐漸發(fā)展成為Internet，TCP/IP協(xié)議就成為Internet的標準連接協(xié)議。 TCP/IP各層與協(xié)議的對應(yīng)關(guān)系如圖所示所示： 1TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口層 網(wǎng)絡(luò)接口層提供了TCP/IP與各種物理網(wǎng)絡(luò)的接口，使TCP/IP協(xié)議與具體的物理傳輸介質(zhì)無關(guān)，體現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議的包容性和適應(yīng)性，為異構(gòu)網(wǎng)和Internet之間的互連奠定了基礎(chǔ)。這些異構(gòu)網(wǎng)可以是局域網(wǎng)（如以太網(wǎng)Etherne

20、t、令牌環(huán)網(wǎng)token-ring等）和廣域網(wǎng)（幀中繼FR、ATM網(wǎng)等）。 2TCP/IP網(wǎng)際層協(xié)議 TCP/IP網(wǎng)際層其主要功能是解決主機到主機的通信問題，以及建立互連網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)際層的核心協(xié)議是網(wǎng)際協(xié)議IP。與網(wǎng)際協(xié)議配合使用的還有地址解析協(xié)議ARP、反向地址解析協(xié)議RARP、網(wǎng)際主機組管理協(xié)議IGMP和因特網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP等。 3TCP/IP傳輸層協(xié)議 TCP/IP的傳輸層相當于OSI的傳輸層，提供從信源應(yīng)用進程到信宿應(yīng)用進程的報文傳送服務(wù)。該層的協(xié)議主要有傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（User Datagram Protocol），它們都建立在IP協(xié)議的基礎(chǔ)上。傳輸控制協(xié)議TCP提供可靠的面向