第三章計算機網(wǎng)絡體系結構-郝春雷

計算機網(wǎng)絡第三章計算機網(wǎng)絡體系結構第三章計算機網(wǎng)絡體系結構掌握協(xié)議基本概念了解計算機網(wǎng)絡體系結構理解OSI參考模型的基本結構理解TCP/IP模型的基本組成本章內(nèi)容學習難點與重點網(wǎng)絡協(xié)議基本概念OSI參考模型的基本結構及意義TCP/IP模型的基本組成網(wǎng)絡與協(xié)議

專題研討二網(wǎng)絡協(xié)議計算機網(wǎng)絡體系結構OSI參考模型分層工作模式TCP/IP模型互動問答什么是網(wǎng)絡協(xié)議？舉例說明協(xié)議三要素網(wǎng)絡體系結構是什么？網(wǎng)絡為什么要分層？什么是OSI參考模型？簡述OSI參考模型各層功能什么是幀？什么是TCP/IP？計算機網(wǎng)絡協(xié)議是計算機網(wǎng)絡中實體之間有關通信規(guī)則約定的集合。計算機網(wǎng)絡的協(xié)議是通信雙方所遵循的規(guī)定與規(guī)程。它決定數(shù)據(jù)如何通過網(wǎng)絡進行傳輸，以及數(shù)據(jù)如何進行封裝和尋址。在同一個網(wǎng)絡內(nèi)進行通信的兩臺計算機必須使用相同的協(xié)議。郵政網(wǎng)絡中的協(xié)議處在不同地域的甲與乙均寫信給丙，都需要將信裝入信封，并寫明收信人的地址（目的地址）與自己的地址（源地址），丙才能正確收到信件。郵筒郵箱郵局郵局甲乙丙郵筒郵局計算機網(wǎng)絡協(xié)議要素協(xié)議有三個要素，即：

語法:數(shù)據(jù)與控制信息的格式、數(shù)據(jù)編碼等。

語義:控制信息的內(nèi)容,需要做出的動作及響應。

時序：事件先后順序和速度匹配。郵政網(wǎng)絡中的三要素郵票收信人寄信人語法定義了信封的格式語義定義了格式的含義及動作時序定義了郵信的過程協(xié)議的外部特點計算機網(wǎng)絡軟、硬件廠商在生產(chǎn)網(wǎng)絡產(chǎn)品時，是按照協(xié)議規(guī)定的規(guī)則生產(chǎn)產(chǎn)品，使生產(chǎn)出的產(chǎn)品符合協(xié)議規(guī)定的標準，但生產(chǎn)廠商選擇什么電子元件、使用何種語言是不受約束的。計算機網(wǎng)絡體系結構一個功能完備的計算機網(wǎng)絡需要制定一整套復雜的協(xié)議集。對于結構復雜的網(wǎng)絡協(xié)議來說，最好的組織方式是層次結構模型。計算機網(wǎng)絡協(xié)議就是按照層次結構模型來組織的。

分層優(yōu)點各層間相互獨立靈活性好各層可以運用合適的技術實現(xiàn)易于實現(xiàn)與維護有利于促進標準化OSI參考模型的提出早期網(wǎng)絡體系結構多種多樣，網(wǎng)絡產(chǎn)品互不兼容，缺乏統(tǒng)一標準，影響了計算機網(wǎng)絡的發(fā)展。1977年國際標準化組織ISO制定了一套能在世界范圍內(nèi)將不同計算機互聯(lián)成網(wǎng)的標準框架：OSI/RM(OpenSystemInterconnect/ReferenceModel)開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型。用來描述網(wǎng)絡環(huán)境，各設備廠商根據(jù)這個模型標準設計制造自己的網(wǎng)絡產(chǎn)品。分層原則網(wǎng)絡中各結點都具相同的層次；不同結點的相同層具有相同的功能；同一結點內(nèi)各相鄰層之間通過接口通信；

每一層可以使用下層提供的服務，并向其上層提供服務；不同結點的同等層通過協(xié)議來實現(xiàn)對等層之間的通信。ISO/OSI參考模型組成應用層表示層會話層運輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321為用戶提供服務數(shù)據(jù)格式的轉換進程間的通信端到端的傳輸控制為分組選擇合適路由相鄰結點間準確傳輸幀透明地傳輸比特流物理層利用傳輸介質為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，將二進制流從一個節(jié)點通過傳輸介質傳送到另一個節(jié)點。它不關心數(shù)據(jù)內(nèi)容,是面向硬件的。通過定義的接口規(guī)范與協(xié)議，將數(shù)據(jù)鏈路層提供的數(shù)據(jù)轉換成能在物理信道上傳送的電信號，并有簡單的差錯處理功能。數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供的服務基礎上，數(shù)據(jù)鏈路層在通信的實體間建立數(shù)據(jù)鏈路連接，傳輸以“幀”為單位的數(shù)據(jù)包，并采用差錯控制與流量控制方法，在不可靠的物理線路上進行無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。幀結構舉例幀是用來在數(shù)據(jù)鏈路層保證準確傳輸?shù)木哂刑厥飧袷降臄?shù)據(jù)包。典型的幀結構如下圖所示。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)CRC控制信息源地址目的地址IP報文幀首部幀首部數(shù)據(jù)幀注：鏈路層地址習慣上稱為物理地址即MAC地址網(wǎng)絡層在網(wǎng)絡中，計算機間的通信可能要經(jīng)過許多中間節(jié)點、鏈路，甚至若干個子網(wǎng)。網(wǎng)絡層的主要功能就是在通信的源和目的節(jié)點間選擇一條最佳路徑，使傳送的數(shù)據(jù)分組（信息包）能正確、無誤地到達目的地，同時還要負責網(wǎng)絡中的擁塞控制等。網(wǎng)絡層向運輸層提供面向連接和無連接兩種服務，網(wǎng)絡層傳送的數(shù)據(jù)單位是分組或包。網(wǎng)絡層提供的服務H1H4H2H3ADBCGEFH4132123面向無連接服務面向連接服務面向連接服務H1H4H2H3ADBCGEFH1所有分組有序地按相同路徑傳送432首先建立一條邏輯連接面向無連接服務H1H4H2H3ADBCGEFH所有分組按不同路徑傳送，達到順序不定1432兩種服務面向連接：在H1與H3通信之前需要建立連接H1-A-E-G-H-H3。所有H1發(fā)送到H3的分組均按序地沿著這一條路由傳送。在傳輸過程中需要維持連接，傳輸結束要拆除連接。面向無連接：在H2與H4通信之前不需要建立連接，所有H2發(fā)送到H4的分組由網(wǎng)絡層按路由算法選取不同的節(jié)點轉發(fā)。傳輸結束沒有拆除連接的過程。運輸層運輸層提供兩個端系統(tǒng)之間可靠、透明的數(shù)據(jù)傳送。為此，它要進行差錯控制、順序控制和流量控制等。運輸層傳送數(shù)據(jù)的單位是報文，一個大的報文可分為若干個分組傳送。會話層它在兩個互相通信的應用進程之間建立會話連接，然后進行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換的單位是報文，會話層還提供會話管理、令牌管理、同步管理等功能。會話層雖然不參與具體的數(shù)據(jù)傳送，但它對數(shù)據(jù)傳送卻要進行管理。

表示層它將適合于用戶的信息表示（抽象語法）轉換為適合OSI內(nèi)部使用的傳送語法，即完成信息格式的轉換。完成計算機期望的數(shù)據(jù)格式與網(wǎng)絡需要的數(shù)據(jù)格式間的轉換。主要完成協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)轉換、壓縮與加密、字符集轉換、圖形命令的解釋等工作。應用層包含了用戶應用計算機網(wǎng)絡的眾多協(xié)議，此外還有電子函件、目錄查詢等功能。OSI模型的七個層次中，應用層是最復雜的，所包含的協(xié)議也最多，某些還正在研究和開發(fā)之中。

OSI參考模型的工作模式除物理層以外，每層的功能均是建立在它的下層之上的。每層按一定的接口形式向上一層提供服務。不同設備間按同層協(xié)議進行通信。發(fā)送時總是由高層將本層協(xié)議信息封裝為新數(shù)據(jù)信息提供給下層，直到變?yōu)殡娦盘柊l(fā)到傳輸介質上。接收時總是由低層將本層協(xié)議信息拆除變?yōu)樾聰?shù)據(jù)提交到上層，直到變?yōu)橛脩粜畔?。網(wǎng)絡分層通信實例DATADATAH5DATAH5H4H3DATAH5H4H2H3DATAH5H4H1H3應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層比特流報文報文報文幀網(wǎng)絡分層發(fā)送數(shù)據(jù)H2H3DATAH5H4H5DATAH5H4DATAH5H4H3H3DATAH5H4H2發(fā)送報文HB應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層物理層HA應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層DATA網(wǎng)絡分層接收數(shù)據(jù)HB應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層物理層HA應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層發(fā)送報文H2H3DATAH5H4H2H3DATAH5H4H3DATAH5H4DATAH5H4DATAH5用戶信息用戶信息接收報文網(wǎng)絡分層通信實例發(fā)送時：由高層將本層協(xié)議信息封裝為新數(shù)據(jù)信息提供給下層，直至變成電信號。接收時：由低層將本層協(xié)議信息拆除變?yōu)樾聰?shù)據(jù)提交到上層，直至變成用戶信息。發(fā)送報文接收報文HB應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層物理層HA應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層在以太網(wǎng)上瀏覽網(wǎng)頁封裝過程以太網(wǎng)TCP/IP個人用戶WEB服務器個人用戶H3H1請求結果請求結果在以太網(wǎng)上瀏覽網(wǎng)頁封裝過程網(wǎng)頁網(wǎng)頁http網(wǎng)頁httptcpIP網(wǎng)頁httptcp以太IP網(wǎng)頁httptcpH1H3應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層比特流應用報文TCP報文段IP數(shù)據(jù)報以太網(wǎng)幀原始數(shù)據(jù)服務器發(fā)送網(wǎng)頁封裝過程server應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層PC應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層網(wǎng)頁網(wǎng)頁httphttp應用報文網(wǎng)頁httptcpTCP報文段網(wǎng)頁httptcpIPIP數(shù)據(jù)報IP網(wǎng)頁httptcp以太幀以太IP網(wǎng)頁httptcp客戶機接收網(wǎng)頁拆封過程server應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層PC應用層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層網(wǎng)頁http網(wǎng)頁httptcpIP網(wǎng)頁httptcp幀IP網(wǎng)頁httptcp幀IP網(wǎng)頁httptcp應用報文TCP報文IP報文幀用戶數(shù)據(jù)TCP/IP網(wǎng)絡模型TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議的縮寫，當初是為美國國防部高級研究計劃局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，縮寫為DARPA）設計的，一般稱為ARPAnet，其目的在于能使各種各樣的計算機都能在一個共同的網(wǎng)絡環(huán)境中運行。TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議成功地解決了不同網(wǎng)絡之間難以互連的問題，實現(xiàn)了異構網(wǎng)互連通信。TCP/IP是當今網(wǎng)絡互連的核心協(xié)議，可以說沒有TCP／IP協(xié)議就沒有今天的網(wǎng)絡互連技術，就沒有今天的以互連技術為核心建立起來的Internet。TCP/IP協(xié)議特點TCP/IP協(xié)議具有以下特點：

協(xié)議標準具有開放性，其獨立于特定的計算機硬件及操作系統(tǒng)；統(tǒng)一分配網(wǎng)絡地址，使得整個TCP/IP設備在網(wǎng)中都具有唯一的IP地址；實現(xiàn)了高層協(xié)議的標準化，能為用戶提供多種可靠的服務。TCP/IP與OSI模型的關系TCP/IP協(xié)議是一個協(xié)議棧，可分為：應用、傳輸、網(wǎng)際與網(wǎng)絡接口層。物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層運輸層會話層表示層應用層網(wǎng)絡接口層網(wǎng)際層IP傳輸層TCPUDP應用層TelnetFtpSMTP等TCP/IP協(xié)議簇網(wǎng)絡接口層協(xié)議網(wǎng)絡接口層是TCP/IP協(xié)議的最低層，是負責網(wǎng)絡層與硬體設備間的聯(lián)系，這一層的協(xié)議非常多，包括邏輯鏈路控制和媒體訪問控制。網(wǎng)際層協(xié)議在網(wǎng)絡互聯(lián)層，主要定義了網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議（IP）以及數(shù)據(jù)分組的格式。它的主要功能是路由選擇和擁塞控制。另外，本層還定義了地址解析協(xié)議ARP和反向地址解析協(xié)議RARP以及ICMP協(xié)議。傳輸層協(xié)議傳輸層的主要協(xié)議有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP協(xié)議是可靠的、面向連接的協(xié)議。它用于包交換的計算機通信網(wǎng)絡、互連系統(tǒng)以及類似的網(wǎng)絡拓撲，保證通信主機之間有可靠的字節(jié)流傳輸。UDP是一種不可靠的、無連接協(xié)議。它最大的優(yōu)點是協(xié)議簡單，額外開銷小，效率較高；缺點是不保證正確傳輸，也不排除重復信息的發(fā)生。應用層協(xié)議超文本傳輸協(xié)議（HTTP）：提供WWW服務；文件傳輸協(xié)議（