計算機網的的體系結構

1、第三章 計算機網絡的體系結構 教學要求 1掌握：網絡體系結構的概念，協掌握：網絡體系結構的概念，協議的概念，開放系統互連（議的概念，開放系統互連（OSI）模型模型的概念。的概念。 2理解：開放系統互連（理解：開放系統互連（OSI）模模型各層的功能。型各層的功能。TCP/IP協議的體系結構。協議的體系結構。 3了解：了解：OSI模型與模型與TCP/IP模型模型的比較。的比較。 3.1 網絡體系結構和協議的概念 3.1.1 網絡分層體系結構網絡分層體系結構 為了減少計算機網絡的復雜程度，按照結構化設計方法，計算機網絡將其功能劃分成若干個層次（Layer），較高層次建立在較低層次的基礎上，并為其更高

2、層次提供必要的服務功能。 這種分層結構的優(yōu)點是： 1獨立性強 2適應性強 3易于實現和維護 3.1.2 協議協議（Protocol） 共享計算機網絡的資源，以及在網中交換信息，就需要實現不同系統中的實體的通信。實體包括用戶應用程序、文件傳輸信息包、數據庫管理系統、電子郵件設備以及終端等。兩個實體要想成功地通信，它們必須具有同樣的語言。交流什么，怎樣交流以及何時交流，都必須遵從有關實體間某種相互都能接受的一些規(guī)則，這些規(guī)則的集合稱為協議。 協議的關鍵成分是： 1語法（Syntax） 語法確定協議元素的格式，即規(guī)定了數據與控制信息的結構和格式。 2語義（Semantics） 語義確定協議元素的類型

3、，即規(guī)定通信雙方要發(fā)出何種控制信息、完成何種動作以及做出何種應答。 3定時（Timing） 定時確定通信速度的匹配和排序，即有關事件實現順序的詳細說明。 3.2 開放系統互連參考模型 3.2.1 ISO/OSI參考模型參考模型 為了實現不同廠家生產的計算機系統之間以及不同網絡之間的數據通信，國際標準化組織ISO對當時的各類計算機網絡體系結構進行了研究，并于1981年正式公布了一個網絡體系結構模型作為國際標準，稱為開放系統互連參考模型，即ISO/OSI模型。這里的“開放”表示任何兩個遵守ISO/OSI的系統都可以進行互連，當一個系統能按ISO/OSI與另一個系統進行通信時，就稱該系統為開放系統。

4、 ISO/OSI采用分層的結構化技術，它將整個網絡功能劃分為7層，由底向上依次是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層，其分層模型如圖所示。 OSI參考模型的主要特性為： n是一種異構系統互連的分層結構；n它提供了控制互連系統交互規(guī)則的標注框架；n是一種抽象結構，而不是具體實現的描述；n不同系統上的相同層的實體稱為同等層實體，同等層實體之間的通信由該層協議管理，即必須遵循相應的協議；n相鄰層間的接口，定義了低層向上層提供的服務；n所提供的公共服務是面向連接的或無連接的數據服務；n直接的數據傳送僅在最底層實現； 下面對OSI各層的功能作一簡單介紹。 第1層：物理層（Physi

5、cal Layer），在物理信道上傳輸原始的數據比特（bit）流，提供為建立、維護和拆除物理鏈路所需的各種傳輸介質、通信接口特性等。 第2層：數據鏈路層（Data Link Layer），在網絡節(jié)點間的線路上通過檢測、流量控制和重發(fā)等手段，無差錯地傳送以幀為單位的數據。 第3層：網絡層（Network Layer），為傳輸層的數據傳輸提供建立、維護和終止網絡連接的手段，把上層來的數據組織成數據包在節(jié)點之間進行交換傳送，并且負責路由選擇和擁塞控制。 第4層：傳輸層（Transport Layer），將其以下各層的技術和工作屏蔽起來，使高層看來數據是直接從端到端的，即應用程序間的。 第5層：會話層

6、（Session Layer），在兩個不同系統的互相通信的應用進程之間建立、組織和協調交互。 第6層：表示層（Presentation Layer），把所傳送的數據的抽象語法變?yōu)閭魉驼Z法，即把不同計算機內部的不同表示形式轉換成網絡通信中的標準表示形式。此外，對傳送的數據加密（或解密）、正文的壓縮（或還原）也是表示層的任務。 第7層：應用層（Application Layer），為用戶提供應用的接口，即提供不同計算機之間的文件傳送、訪問與管理、電子郵件的內容處理、不同計算機通過網絡交互訪問的虛擬終端功能等等。 3.2.2 物理層物理層 物理層是OSI模型的最低層，向下直接與物理信道相連接。物理層

7、協議是各種網絡設備進行互連時必須遵守的低層協議。設立物理層的目的是實現兩個物理設備之間的二進制比特流的透明傳輸，而對數據鏈路層屏蔽物理傳輸介質的特性，以便對高層協議有最大的透明性。 ISO對OSI模型中的物理層做了如下定義：物理層為建立、維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的物理連接提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。物理連接可以通過中繼系統，允許進行全雙工或半雙工的二進制比特流的傳輸。物理層的數據服務單元是比特，它可以通過同步或異步的方式進行傳輸。 也就是說，物理層設計的內容包括以下幾個方面： 1通信接口與傳輸媒體的物理特性 除了不同的傳輸介質自身的物理特性外，物理層還對通信設備和

8、傳輸媒體之間使用的接口做了詳細的規(guī)定，主要體現在4個方面： （1）機械特性 （2）電氣特性 （3）功能特性 （4）規(guī)程特性 2物理層的數據交換單位為二進制比特 為了傳輸比特流，可能需要對數據鏈路層的數據進行調制或編碼，使之成為模擬信號、數字信號或光信號，以實現在不同的傳輸介質上傳輸。 3比特的同步 物理層規(guī)定了通信的雙方必須在時鐘上保持同步的方法，比如異步傳輸和同步傳輸等。 4線路的連接 物理層還考慮了通信設備之間的連接方式，比如，在點對點的連接中，兩個設備之間采用了專用鏈路連接，而在多點連接中，所有的設備共享一個鏈路。 5傳輸方式 物理層也定義了兩個通信設備之間的傳輸方式，如單工、半雙工和全

9、雙工。 3.2.3 數據鏈路層數據鏈路層 數據鏈路層的主要功能是實現相鄰節(jié)點間數據幀的正確傳送，即通過校驗、確認、反饋、重發(fā)等手段將原始的物理連接改造為無差錯的理想的數據鏈路。為實現這些功能，數據鏈路層涉及到的內容包括以下幾點: 1成幀 2物理地址尋址 3流量控制 4差錯控制 5接入控制 3.2.4 網絡層網絡層 網絡層的作用是實現分別位于不同網絡的源節(jié)點與目的節(jié)點之間的數據包傳輸，它和數據鏈路層的作用不同，數據鏈路層只是負責同一個網絡中的相鄰節(jié)點之間的鏈路管理及幀的傳輸等問題。因此，當兩個節(jié)點連接在同一個網絡中時，并不需要網絡層，只有當兩個節(jié)點分布在不同的網絡中時，通常才會涉及到網絡層的功能

10、，從而保證了數據包從源節(jié)點到目的節(jié)點的正確傳輸。而且，網絡層要負責確定在網絡中采用何種技術，從源節(jié)點出發(fā)選擇一條通路通過中間的節(jié)點將數據包最終送達目的節(jié)點。 為實現這些功能，網絡層涉及的概念有以下幾個。 1邏輯地址尋址 2路由功能 3流量控制 4擁塞控制 3.2.5 其他各層簡介其他各層簡介 1傳輸層 傳輸層是資源子網和通信子網的接口和橋梁，它完成了資源子網中兩節(jié)點間的直接邏輯通信，實現了通信子網端到端的可靠傳輸。傳輸層下面的物理層、數據鏈路層和網絡層均屬于通信子網，可完成有關的通信處理，向傳輸層提供網絡服務；傳輸層上面的會話層、表示層和應用層完成面向數據處理的功能，并為用戶提供與網絡之間的接

11、口。因此，傳輸層在OSI模型起到承上啟下的作用，是整個網絡結構的關鍵部分。 2會話層 會話層建立在傳輸層之上，它利用傳輸層提供的服務，使得兩個會話實體之間不用考慮它們之間相隔多遠、使用了什么樣的通信子網等網絡通信細節(jié)，而進行透明的、可靠的數據傳輸。 3表示層 表示層處理的是OSI系統之間用戶信息的表示問題。表示層不像OSI模型的低5層那樣只關心將信息可靠的從一端傳輸到另外一端，它主要涉及被傳輸信息的內容和表示形式，如文字、圖形、聲音的表示。另外，數據壓縮、數據加密等工作都是由表示層負責處理的。 4應用層 應用層是OSI模型的最高層，它是計算機網絡與最終用戶間的接口，它包含了系統管理員管理網絡服

12、務所涉及的所有問題和基本功能。它在下面6層提供的數據傳輸和數據表示等各種服務的基礎上，為網絡用戶或應用程序提供完成特定網絡服務功能所需的各種應用協議。 3.3 TCP/IP的體系結構 3.3.1 TCP/IPTCP/IP概述概述 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是指傳輸控制協議/網絡互連協議，是針對Internet開發(fā)的一種體系結構和協議標準，其目的在于解決異種計算機網絡的通信問題，使得網絡在互連時把技術細節(jié)隱藏起來，為用戶提供一種通用、一致的通信服務。TCP/IP起源于美國ARPANET，由它的兩個主要協議TCP協

13、議和IP協議而得名。通常所說的TCP/IP協議實際上包含了大量的協議和應用，且由多個獨立定義的協議組合在一起，因此，更確切地說，應該稱其為TCP/IP協議族。TCP/IP協議具有以下幾個特點： n 開放的協議標準，可以免費使用，并且獨立于特定的計算機硬件與操作系統。n 獨立于特定的網絡硬件，可以運行在局域網、廣域網中，更適用于互聯網中。n 統一的網絡地址分配方案，使得整個TCP/IP設備在網中都具有唯一的地址。n標準化的高層協議，可以提供多種可靠的用戶服務。 3.3.2 TCP/IP的層次結構的層次結構 TCP/IP模型由4個層次組成，它們分別是網絡接口層、網際網層、傳輸層和應用層。TCP/I

14、P的層次結構與OSI層次結構的對照關系如圖所示。 OSI模型和TCP/IP模型的對照 1網絡接口層網絡接口層 TCP/IP模型的最低層是網絡接口層，它包括了能使用TCP/IP與物理網絡進行通信的協議，且對應著OSI的物理層和數據鏈路層。它的功能是接收IP數據報并通過特定的網絡進行傳輸，或從網絡上接收物理幀，抽取出IP數據報并轉交給上一層。TCP/IP標準并沒有定義具體的網絡接口協議，目的是能夠適應各種類型的網絡，如LAN、MAN和WAN。這也說明了TCP/IP協議可以運行在任何網絡之上。 2網際網層網際網層 網際網層又稱網絡層、IP層，負責相鄰計算機之間的通信。它包括三方面的功能：第一，處理來

15、自傳輸層的分組發(fā)送請求，收到請求后，將分組裝入IP數據報，填充報頭，選擇去往目標網絡的路徑，然后將數據報發(fā)往適當的網絡接口；第二，處理輸入的數據報，首先檢查其合法性，然后進行路由選擇。假如該數據報已經到達信宿本地機，則去掉報頭，將剩下部分（TCP分組）交給適當的傳輸協議；假如該數據報尚未到達信宿，即轉發(fā)該數據報；第三，處理路徑、流量控制、擁塞等問題。另外，網際網層還提供差錯報告功能。 3傳輸層傳輸層 TCP/IP的傳輸層與OSI的傳輸層類似，它的根本任務是提供端到端的通信。傳輸層對信息流具有調節(jié)作用，提供可靠性傳輸，確保數據到達無誤，也不錯亂順序。 4應用層 在TCP/IP模型中，應用層是最高

16、層，它對應OSI參考模型中的會話層、表示層和應用層。它向用戶提供一組常用的應用程序，例如文件傳送、電子郵件等。 3.3.3 TCP/IP協議族協議族 在TCP/IP的層次結構中包括了4個層次，但實際上只有3個層次包含了協議。TCP/IP中的各層的協議如圖所示。 TCP/IP協議族 1網際網層協議（1）網絡互連協議（Internet Protocol，IP） （2）網際控制報文協議（Internet Control Message Protocol，ICMP） （3）網際主機組管理協議（Internet Group Management Protocol，IGMP） （4）地址解析協議（Addr

17、ess Resolution Protocol，ARP）和反向地址解析協議RARP 2傳輸層協議（1）傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP） （2）用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP） 3應用層協議 在TCP/IP模型中，應用層包括了所有的高層協議，而且總是不斷有新的協議加入，應用層協議主要有以下幾種： 遠程終端協議TELNET：本地主機作為仿真終端登錄到遠程主機上運行應用程序。 文件傳輸協議FTP：實現主機之間的文件傳輸。 簡單郵件傳輸協議SMTP：實現主機之間電子郵件的傳送。 域名服務DNS：實現主機名與IP地址

18、之間的映射。 動態(tài)主機配置協議DHCP：實現對主機的地址分配和配置工作。 路由信息協議RIP：用于網絡設備之間交換路由信息。 超文本傳輸協議HTTP：用于Internet中的客戶機與WWW服務器之間的數據傳輸 網絡文件系統NFS：實現主機之間的文件系統的共享。 簡單網絡管理協議SNMP：實現網絡的管理。3.4 OSI模型與TCP/IP模型的比較 OSI和TCP/IP有著許多的共同點： n采用了協議分層方法，將龐大且復雜的問題劃分為若干個較容易處理的范圍較小的問題。n各協議層次的功能大體上相似，都存在網絡層、傳輸層和應用層。網絡層實現點到點通信，并完成路由選擇、流量控制和擁塞控制功能；傳輸層實現端到端通信，將高層的用戶應用與低層的通信子網隔離開來，并保證數據傳輸的最終可靠性。傳輸層的以上各層都是面向用戶應用的，而以下各層都是面向通信的。 n兩者都可以解決異構網的互連，實現世界上不同廠家生產的計算機之間的通信。n都是計算