計算機網(wǎng)絡協(xié)議及體系結構

中國政法大學計算機教研室（2017）本節(jié)主要內(nèi)容：通信協(xié)議與網(wǎng)絡體系結構基本概念ISO/OSI參考模型及數(shù)據(jù)傳輸過程TCP/IP參考模型一種建議的參考模型各層協(xié)議及其功能第3章計算機網(wǎng)絡協(xié)議與體系結構

3.1通信協(xié)議與網(wǎng)絡體系結構基本概念1)網(wǎng)絡協(xié)議2)網(wǎng)絡協(xié)議的層次結構3)網(wǎng)絡體系結構1)網(wǎng)絡協(xié)議的基本概念網(wǎng)絡體系結構提出的背景—網(wǎng)絡的復雜性、異質性網(wǎng)絡組成不同的通信介質—光纖、同軸電纜、雙絞線、無線通信設備…不同類型的設備—主機、路由器、交換機、各種外設…不同的操作系統(tǒng)—Unix、Windows不同的軟/硬件、接口和通信約定不同種類業(yè)務—分時、交互、實時…復雜環(huán)境中，任意兩結點間要通信每一個結點都必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。實例：郵政系統(tǒng)信件收發(fā)示意圖協(xié)議：文字、語言、書寫規(guī)范；層次：復雜問題分解處理；接口：郵箱、信箱、郵局規(guī)則。體系結構幾個重要的概念

協(xié)議（protocol）層次（layer）接口（interface）對等實體（PeerEntity）體系結構（architecture）協(xié)議（protocol）

協(xié)議：為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標準。協(xié)議具有三要素：語法、語義與時序；語法：規(guī)定用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結構與格式；語義：語義是指對構成的協(xié)議元素含義的解釋，即需要發(fā)出何種控制信息，以及完成的動作與作出的響應。時序：對事件實現(xiàn)順序的詳細說明。簡言之：語義表示要做什么，語法定義了怎么做，而時序則表示做的順序。SOHHEADSTXTEXTETXBCC數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?--語法SOH的語義是報頭的開始；ETX的語義表示正文的結束；BCC的語義是校驗；層次（layer）層次是人們對復雜問題處理的基本方法。網(wǎng)絡系統(tǒng)是個非常復雜的系統(tǒng)，為減少設計上的復雜性，亦釆用分層的設計思想，將相似的功能放在同一層，每層有相應的協(xié)議，相鄰層通過接口通信，下層向上層提供服務，上層是下層的用戶。優(yōu)點：獨立性強——耦合程度低上層只需了解下層通過層間接口提供什么服務—黑箱方法。適應性強，靈活性好只要服務和接口不變，每層的實現(xiàn)方法可任意改變。易于實現(xiàn)和維護把復雜的系統(tǒng)分解成若干個涉及范圍小、功能簡單的子單元：使系統(tǒng)的結構清晰，實現(xiàn)、調試和維護變得簡單和容易。使設計人員能專心設計和開發(fā)所關心的功能模塊。有利促進標準接口（interface）接口是同一結點內(nèi)相鄰層之間交換信息的規(guī)則。同一個結點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;只要接口條件不變、各層功能不變，各層功能的具體實現(xiàn)方法與技術的變化不會影響整個系統(tǒng)的工作。對等實體

在分層結構中，如果每一層次中包括兩個實體，稱為對等實體（PeerEntity）。網(wǎng)絡體系結構（networkarchitecture）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;網(wǎng)絡協(xié)議是按層次結構來組織的；網(wǎng)絡層次結構模型與各層協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡體系結構。網(wǎng)絡體系結構對計算機網(wǎng)絡應該實現(xiàn)的功能進行了精確的定義；體系結構是抽象的，而實現(xiàn)是指能夠運行的一些硬件和軟件。網(wǎng)絡的體系結構及協(xié)議

3.2ISO/OSI參考模型（1974年發(fā)布）

OSI參考模型的提出

OSI參考模型各層的功能

OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程

OSI參考模型的提出

OSI參考模型的提出背景（IBM74年—SNA；DEC–DNA；美國國防部的TCP/IP）OSI（OpenSystemInterconnection

）--開放系統(tǒng)互連

開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM）中定義：一個系統(tǒng)只要能夠遵循OSI標準，就可以與位于世界任何地方同樣遵循這個標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。這里提到的系統(tǒng)可以是計算機，也可以是這些計算機相關的軟件以及其他外部設備等集合。在制定計算機網(wǎng)絡標準方面，起著很大作用的兩大國際組織是：國際電報與電話咨詢委員會（CCITT）--主要是考慮通信標準的制定；國際標準化組織（ISO）--主要是考慮信息處理與網(wǎng)絡體系結構。

OSI參考模型結構主機A應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層主機B通信控制處理機通信控制處理機傳輸介質傳輸介質傳輸介質OSI參考模型各層功能應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層

為開放系統(tǒng)與用戶應用程序的接口。

實現(xiàn)不同語法表示的數(shù)據(jù)格式轉換、數(shù)據(jù)的加密解密、壓縮與恢復等功能—被傳輸數(shù)據(jù)的表示問題。

實現(xiàn)兩個會話進程之間的數(shù)據(jù)傳輸同步，并管理數(shù)據(jù)交換。

提供端到端的可靠、透明的數(shù)據(jù)傳輸服務。

主要功能是分組、為分組選擇最適當?shù)穆窂健?/p>

建立數(shù)據(jù)鏈路鏈接、采用差錯控制、流量控制為網(wǎng)絡層提供無差錯的數(shù)據(jù)幀傳輸服務。

提供物理連接，通過傳輸介質傳送比特流。OSI模型的術語--協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ProtocolDataUnit，PDU）網(wǎng)絡體系結構中，對等層之間交換的信息報文統(tǒng)稱。PDU由協(xié)議控制信息（協(xié)議頭）和數(shù)據(jù)組成:協(xié)議頭部中含有完成數(shù)據(jù)傳輸所需的控制信息:地址、序號、長度、分段標志、差錯控制信息、…協(xié)議控制信息數(shù)據(jù)下層把上層的PDU作為本層的數(shù)據(jù)加以封裝，然后加入本層的協(xié)議頭部（和尾部）形成本層的PDU。封裝：就是在數(shù)據(jù)前面加上特定的協(xié)議頭部。因此，數(shù)據(jù)在源站自上而下遞交的過程實際上就是不斷封裝的過程。到達目的地后自下而上遞交的過程就是不斷拆封的過程?！惐龋喊l(fā)送信件數(shù)據(jù)在傳輸時，其外面實際上要被包封多層“信封”。數(shù)據(jù)協(xié)議頭數(shù)據(jù)N+1層PDUN層PDU傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：應用層——應用層PDU表示層——表示層PDU會話層——會話層PDU傳輸層——段（Segment）或報文網(wǎng)絡層——分組/包（Packet）數(shù)據(jù)鏈路層——幀（Frame）物理層——比特（Bit）數(shù)據(jù)

段頭數(shù)據(jù)

段頭數(shù)據(jù)包頭幀頭

段頭數(shù)據(jù)包頭幀尾數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)包幀比特電脈沖011101000011000010100101111010110數(shù)據(jù)多層封裝封裝拆封OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程主機A應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層主機B通信控制處理機通信控制處理機傳輸介質傳輸介質傳輸介質應用進程A應用進程BOSI環(huán)境OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)流傳輸介質主機A應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層主機B應用進程A應用進程BHPDUDPDUHPDUHPDUHPDUHDHPDUHPDUHPDUHPDUPDUHPDUHHPDU0100101011010101010110100101D：數(shù)據(jù)H：報頭3.3TCP/IP參考模型特點：開放性--協(xié)議標準開放，免費使用；獨立性—獨立于特定硬件、OS；統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址分配方案；可靠性--標準化的高層協(xié)議提供多種可靠的用戶服務。TCP/IP參考模型及功能

包含所有高層協(xié)議。

負責在應用進程之間建立端-端通信。

負責將源主機的報文分組發(fā)送、接收數(shù)據(jù)報、路徑選擇、流量控制、擁塞控制

負責通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報。

OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較1、分層結構

OSI參考模型與TCP/IP協(xié)議都采用了分層結構，都是基于獨立的協(xié)議棧的概念。OSI參考模型有7層，而TCP/IP協(xié)議只有4層。2、標準的特色

OSI參考模型的標準最早是由ISO和CCIT制定，有深厚的通信系統(tǒng)的特色，比如對服務質量（QoS）、差錯率的保證，只考慮了面向連接的服務。并且是先定義一套功能完整的構架，再根據(jù)該構架來發(fā)展相應的協(xié)議與系統(tǒng)。

TCP/IP協(xié)議產(chǎn)生于對Internet網(wǎng)絡的研究與實踐中，是應實際需求而產(chǎn)生的，再由IAB、IETF等組織標準化，而并不是之前定義一個嚴謹?shù)目蚣堋６襎CP/IP最早是在UNIX系統(tǒng)中實現(xiàn)的，考慮了計算機網(wǎng)絡的特點，比較適合計算機實現(xiàn)和使用。3、連接服務 功能基本相似，但是尋址方式有較大的區(qū)別。OSI的地址空間為不固定的可變長，最長可160byte，可以容納非常大的網(wǎng)絡，因而具有較大的成長空間。TCP/IP網(wǎng)絡的地址空間為固定的4byte（在目前常用的IPV4中是這樣，在IPV6中將擴展到16byte）4、傳輸服務

OSI與TCP/IP的傳輸層都對不同的業(yè)務采取不同的傳輸策略5、應用范圍

OSI由于體系比較復雜，而且設計先于實現(xiàn)，有許多設計過于理想，不太方便計算機軟件實現(xiàn)，因而完全實現(xiàn)OSI參考模型的系統(tǒng)并不多，應用的范圍有限。而TCP/IP協(xié)議最早在計算機系統(tǒng)中實現(xiàn)，在UNIX、Windows平臺中都有穩(wěn)定的實現(xiàn)，并且提供了簡單方便的編程接口（API），可以在其上開發(fā)出豐富的應用程序，因此得到了廣泛的應用。TCP/IP協(xié)議已成為目前網(wǎng)際互聯(lián)事實上的國際標準和工業(yè)標準。3.4

一種建議的參考模型

五層模型小結網(wǎng)絡體系結構：分層＋協(xié)議＋接口網(wǎng)絡體系結構的層次模型：為何要分層？優(yōu)點是什么？網(wǎng)絡體系結構的一些基本概念對等層通信的實質：信息是如何在端到端之間傳輸?shù)模烤W(wǎng)絡體系結構主要層次的功能：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層TCP/IP參考模型

中國政法大學計算機教研室（2013）3.5

各層協(xié)議及其功能OSI模型各層協(xié)議應用層TELNETFTPTFTPSMTPSNMPHTTPDHCP表示層文本：ASCII，EBCDIC

圖形：TIFF，JPEG，GIF，PICT聲音：MIDI，MPEG，QUICKTIME會話層NFSSQLRPCX-WINDOWSASP（APPTALK會話協(xié)議）SCP傳輸層TCP和UDP網(wǎng)絡層IPIPX數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)IEEE802.3令牌環(huán)IEEE802.5HDLCPPP物理層10BASET10BASETXV.35RS-232TCP/IP各層協(xié)議應用層HTTPFTPTELNETSMTPPOP3IMAP4SNMPDHCPTFTPDNSMSN傳輸層TCPUDP網(wǎng)絡互連層

IP、ICMP

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