網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

第2章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議1計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本章主要內(nèi)容：掌握：協(xié)議、層次、接口與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念掌握：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次化研究方法掌握：OSI參考模型及各層的基本服務(wù)功能掌握：TCP/IP參考模型的層次劃分、各層的基本服務(wù)功能與主要協(xié)議了解：OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較2計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.1

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究方法3計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.1.1

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約

定與標(biāo)準(zhǔn)；

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素：語法、語義與時(shí)序；

語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式語義：即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應(yīng)

時(shí)序：事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明4計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院現(xiàn)實(shí)社會存在的郵政系統(tǒng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院52.1.2

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究方法6計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院層次是人們對復(fù)雜問題處理的基本方法；將總體要實(shí)現(xiàn)的很多功能分配在不同層次中，對每個層次要完成的服務(wù)及服務(wù)要求都有明確規(guī)定；不同的系統(tǒng)分成相同的層次，不同系統(tǒng)的最低層之間存在著“物理”通信；不同系統(tǒng)的對等層次之間存在著“虛擬”通信；對不同系統(tǒng)的對等層之間的通信有明確的通信規(guī)定；高層使用低層提供的服務(wù)時(shí)，并不需要知道低層服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)方法。層次（layer）7計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院層次結(jié)構(gòu)研究方法的優(yōu)點(diǎn)：各層之間相互獨(dú)立;靈活性好;各層都可以采用最合適的技術(shù)來實(shí)現(xiàn);易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù);有利于促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化。接口（interface）接口是同一結(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層之間交換信息的連接點(diǎn);同一個結(jié)點(diǎn)的相鄰層之間存在著明確規(guī)定的接口，低層向高層通過接口提供服務(wù);只要接口條件不變、低層功能不變，低層功能的具體實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)的變化不會影響整個系統(tǒng)的工作。8計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院相鄰兩層之間的關(guān)系n層n-1層n層n-1層層間接口

對等實(shí)體

n+1層協(xié)議單位PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)

n層協(xié)議單位PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)

n-1層協(xié)議單位PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)SAP(服務(wù)訪問點(diǎn))9計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院各層要完成的功能差錯控制：使得和網(wǎng)絡(luò)對等端的相應(yīng)層次的通信更加可靠流量控制：使得發(fā)送端的發(fā)送速率不要太快，要使接收端來得及接收分段和重組：發(fā)送端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊劃分為更小的單位，在接收端將其還原復(fù)用和分用：發(fā)送端幾個高層會話復(fù)用一條低層的連接，在接收端再進(jìn)行分用連接建立和釋放：交換數(shù)據(jù)前先建立一條連接，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后釋放連接10計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院分層的缺點(diǎn)：同一功能會在不同的層次中重復(fù)出現(xiàn)2.2

OSI參考模型11計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院ISO劃分七層結(jié)構(gòu)的基本原則：網(wǎng)中各結(jié)點(diǎn)都具有相同的層次；不同結(jié)點(diǎn)的同等層具有相同的功能；同一結(jié)點(diǎn)內(nèi)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(wù)，并向其上層提供服務(wù)；不同結(jié)點(diǎn)的同等層通過協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對等層之間的通信。OSI參考模型的結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院12OSI參考模型各層的功能物理層的主要功能：物理層的數(shù)據(jù)傳輸單元是比特；

利用傳輸介質(zhì)為通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間建立、管理和釋放物理連接；實(shí)現(xiàn)比特流的傳輸，為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；物理層的設(shè)備主要有T型連接器；收發(fā)器；雙絞線連接器RJ--45；RS232接口；網(wǎng)絡(luò)接口單元；

調(diào)制解調(diào)器；中繼器；集線器等13計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸單元是幀；在物理層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)鏈路層在通信的實(shí)體間建立數(shù)據(jù)鏈路連接；采用差錯控制與流量控制方法，使有差錯的物理線路變成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。14計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)層的主要功能：通過路由選擇算法為分組通過通信子網(wǎng)選擇最適當(dāng)?shù)穆窂剑粸閿?shù)據(jù)在結(jié)點(diǎn)之間傳輸創(chuàng)建邏輯鏈路；實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連等功能。15計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院傳輸層的主要功能：向用戶提供端到端（end-to-end）服務(wù)；處理數(shù)據(jù)包錯誤、數(shù)據(jù)包次序，以及其他一些關(guān)鍵傳輸問題；傳輸層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)，是計(jì)算機(jī)通信體系結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的一層。16計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院會話層的主要功能：負(fù)責(zé)維護(hù)兩個結(jié)點(diǎn)之間的傳輸鏈接，以便確保點(diǎn)到點(diǎn)傳輸不中斷；數(shù)據(jù)交換的定界和同步。17計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院表示層的主要功能：用于處理在兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式；數(shù)據(jù)格式變換；數(shù)據(jù)加密與解密；數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)。應(yīng)用層的主要功能:網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序及其應(yīng)用層協(xié)議存留的地方。2.3

TCP/IP參考模型2.3.1TCP/IP參考模型的發(fā)展在TCP/IP協(xié)議研究初期，并沒有提出參考模型；1974年Kahn定義了最早的TCP/IP參考模型；80年代Leiner、

Clark等人對TCP/IP參考模型進(jìn)一步的研究；TCP/IP協(xié)議一共出現(xiàn)了6個版本，后3個版本是版本4、版本5與版本6；目前我們使用的是版本4，它的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv4

；版本6的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv6（或IPng,

IP

nextgeneration）。18計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院TCP/IP協(xié)議的特點(diǎn)開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn);獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)；獨(dú)立于特定的網(wǎng)絡(luò)硬件，可以運(yùn)行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互連網(wǎng)中；統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)地址分配方案，使得整個TCP/IP設(shè)備在網(wǎng)中都具有唯一的地址；標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務(wù)。19計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.3.2

TCP/IP參考模型各層的功能應(yīng)用層（application

layer）傳輸層（transport

layer）互聯(lián)層（internet

layer）主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層（host-to-network

layer）或網(wǎng)絡(luò)接口層20計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院TCP/IP參考模型與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院21主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層(網(wǎng)絡(luò)接口層)參考模型的最低層，負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報(bào);允許主機(jī)連入網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用多種現(xiàn)成的與流行的協(xié)議，如局域網(wǎng)的Ethernet、令牌網(wǎng)、分組交換網(wǎng)的X.25、幀中繼、ATM協(xié)議等；充分體現(xiàn)出TCP/IP協(xié)議的兼容性與適應(yīng)性，它也為TCP/IP的成功奠定了基礎(chǔ)。22計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院互聯(lián)層（互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層）處理互聯(lián)的路由選擇、流控與擁塞問題；處理接收的數(shù)據(jù)報(bào)；（目的地址是否為本結(jié)點(diǎn)IP地址）處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求；網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是IP協(xié)議。IP協(xié)議是無連接的、提供“盡力而為”的服務(wù)。（協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU為IP分組）23計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院傳輸層主要功能是在互連網(wǎng)中源主機(jī)與目的主機(jī)的對等實(shí)體間建立的端-端連接；傳輸控制協(xié)議TCP是一種可靠的面向連接協(xié)議；用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP是一種不可靠的無連接協(xié)議。24計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院應(yīng)用層應(yīng)用層協(xié)議主要有：遠(yuǎn)程登錄協(xié)議

Telnet文件傳輸協(xié)議

FTP簡單郵件傳輸協(xié)議

SMTP域名系統(tǒng)

DNS簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議

SNMP超文本傳輸協(xié)議

HTTP25計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院因特網(wǎng)的五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層(application

layer)傳輸層(transport

layer)網(wǎng)絡(luò)層(network

layer)數(shù)據(jù)鏈路層(data

link

layer)物理層(physical

layer)54321應(yīng)用層

傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層26計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院主機(jī)1向主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)27計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院主機(jī)1

向主機(jī)2

發(fā)送數(shù)據(jù)28計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院主機(jī)1

向主機(jī)2

發(fā)送數(shù)據(jù)29計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院主機(jī)1

向主機(jī)2

發(fā)送數(shù)據(jù)30計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院主機(jī)1

向主機(jī)2

發(fā)送數(shù)據(jù)31計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院主機(jī)1

向主機(jī)2

發(fā)送數(shù)據(jù)32計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)行路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)最高只用到網(wǎng)絡(luò)層

而沒有使用傳輸層和應(yīng)用層。33計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院沙漏計(jì)時(shí)器形狀的TCP/IP協(xié)議族34計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

IPoverEverythingIP可應(yīng)用到各式各樣的網(wǎng)絡(luò)上35計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.4

OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較2.4.1

對OSI參考模型的評價(jià)層次數(shù)量不是最佳選擇，會話層很少用到，表示層幾乎是空的，數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層有很多的子層插入；尋址、流控與差錯控制在每一層里都重復(fù)出現(xiàn)，降低系統(tǒng)效率；數(shù)據(jù)安全性、加密與網(wǎng)絡(luò)管理在參考模型的設(shè)計(jì)初期被忽略了；參考模型的設(shè)計(jì)更多是被通信的思想所支配，不適合于計(jì)算機(jī)與軟件的工作方式；嚴(yán)格按照層次模型編程的軟件效率很低。36計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.4.2

對TCP/IP參考模型評價(jià)在服務(wù)、接口與協(xié)議的區(qū)別上不很清楚，參考模型不適合于其它非TCP/IP協(xié)議族；TCP/IP參考模型的主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層本身并不是實(shí)際的一層，物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的劃分是必要和合理的，而TCP/IP參考模型卻沒有做到這點(diǎn)。37計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院小結(jié)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中兩個最基本的概念；網(wǎng)絡(luò)