計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及體系結(jié)構(gòu)

中國政法大學(xué)計算機教研室（2017）本節(jié)主要內(nèi)容：通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)基本概念I(lǐng)SO/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(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)

3.1通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)基本概念1)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議2)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)3)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)提出的背景—網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、異質(zhì)性網(wǎng)絡(luò)組成不同的通信介質(zhì)—光纖、同軸電纜、雙絞線、無線通信設(shè)備…不同類型的設(shè)備—主機、路由器、交換機、各種外設(shè)…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(wù)—分時、交互、實時…復(fù)雜環(huán)境中，任意兩結(jié)點間要通信每一個結(jié)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(fù)雜問題分解處理；接口：郵箱、信箱、郵局規(guī)則。體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（architecture）協(xié)議（protocol）

協(xié)議：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)。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(jié)構(gòu)與格式；語義：語義是指對構(gòu)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(yīng)。時序：對事件實現(xiàn)順序的詳細(xì)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(jié)束；BCC的語義是校驗；層次（layer）層次是人們對復(fù)雜問題處理的基本方法。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為減少設(shè)計上的復(fù)雜性，亦釆用分層的設(shè)計思想，將相似的功能放在同一層，每層有相應(yīng)的協(xié)議，相鄰層通過接口通信，下層向上層提供服務(wù)，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(wù)—黑箱方法。適應(yīng)性強，靈活性好只要服務(wù)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(hù)把復(fù)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(jié)構(gòu)清晰，實現(xiàn)、調(diào)試和維護(hù)變得簡單和容易。使設(shè)計人員能專心設(shè)計和開發(fā)所關(guān)心的功能模塊。有利促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接口（interface）接口是同一結(jié)點內(nèi)相鄰層之間交換信息的規(guī)則。同一個結(jié)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(wù);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(shù)的變化不會影響整個系統(tǒng)的工作。對等實體

在分層結(jié)構(gòu)中，如果每一層次中包括兩個實體，稱為對等實體（PeerEntity）。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（networkarchitecture）一個功能完備的計算機網(wǎng)絡(luò)需要制定一整套復(fù)雜的協(xié)議集;網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是按層次結(jié)構(gòu)來組織的；網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型與各層協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)對計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該實現(xiàn)的功能進(jìn)行了精確的定義；體系結(jié)構(gòu)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(luò)的體系結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，就可以與位于世界任何地方同樣遵循這個標(biāo)準(zhǔn)的其他任何系統(tǒng)進(jìn)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(guān)的軟件以及其他外部設(shè)備等集合。在制定計算機網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的制定；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）--主要是考慮信息處理與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

OSI參考模型結(jié)構(gòu)主機A應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)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(zhì)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)OSI參考模型各層功能應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層

為開放系統(tǒng)與用戶應(yīng)用程序的接口。

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

實現(xiàn)兩個會話進(jìn)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(wù)。

主要功能是分組、為分組選擇最適當(dāng)?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(luò)層提供無差錯的數(shù)據(jù)幀傳輸服務(wù)。

提供物理連接，通過傳輸介質(zhì)傳送比特流。OSI模型的術(shù)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(luò)體系結(jié)構(gòu)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(biāo)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(dá)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(yīng)用層——應(yīng)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(luò)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(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)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(zhì)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)應(yīng)用進(jìn)程A應(yīng)用進(jìn)程BOSI環(huán)境OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)流傳輸介質(zhì)主機A應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層數(shù)據(jù)鏈路層主機B應(yīng)用進(jìn)程A應(yīng)用進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)開放，免費使用；獨立性—獨立于特定硬件、OS；統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)地址分配方案；可靠性--標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議提供多種可靠的用戶服務(wù)。TCP/IP參考模型及功能

包含所有高層協(xié)議。

負(fù)責(zé)在應(yīng)用進(jìn)程之間建立端-端通信。

負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)

OSI參考模型與TCP/IP協(xié)議都采用了分層結(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)的特色

OSI參考模型的標(biāo)準(zhǔn)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(wù)質(zhì)量（QoS）、差錯率的保證，只考慮了面向連接的服務(wù)。并且是先定義一套功能完整的構(gòu)架，再根據(jù)該構(gòu)架來發(fā)展相應(yīng)的協(xié)議與系統(tǒng)。

TCP/IP協(xié)議產(chǎn)生于對Internet網(wǎng)絡(luò)的研究與實踐中，是應(yīng)實際需求而產(chǎn)生的，再由IAB、IETF等組織標(biāo)準(zhǔn)化，而并不是之前定義一個嚴(yán)謹(jǐn)?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(luò)的特點，比較適合計算機實現(xiàn)和使用。3、連接服務(wù) 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(luò)，因而具有較大的成長空間。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(wù)

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

OSI由于體系比較復(fù)雜，而且設(shè)計先于實現(xiàn)，有許多設(shè)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(yīng)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(yīng)用程序，因此得到了廣泛的應(yīng)用。TCP/IP協(xié)議已成為目前網(wǎng)際互聯(lián)事實上的國際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3.4

一種建議的參考模型

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

中國政法大學(xué)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(yīng)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(luò)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(yīng)用層HTTPFTPTELNETSMTPPOP3IMAP4SNMPDHCPTFTPDNSMSN傳輸層TCPUDP網(wǎng)絡(luò)互連層

IP、ICMP

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