第3章：計算機網(wǎng)絡體系結構

第3章

計算機網(wǎng)絡體系結構

1本章學習要求：掌握：協(xié)議、層次、接口與網(wǎng)絡體系結構的基本概念掌握：網(wǎng)絡體系結構的層次化研究方法掌握：OSI參考模型及各層的基本服務功能掌握：TCP/IP參考模型的層次劃分、各層的基本服務功能與主要協(xié)議掌握：五層的概念模型了解：OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較23.1.1網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議20世紀70’s-至今不同網(wǎng)絡設備之間的兼容性和互操作性是推動網(wǎng)絡體系結構的標準化的原動力各廠商、研究機構、大學在網(wǎng)絡技術、方法、理論等方面的研究日趨成熟是其基礎3.1網(wǎng)絡體系結構及協(xié)議的概念34網(wǎng)絡體系結構（networkarchitecture）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；體系結構是抽象的。5網(wǎng)絡協(xié)議的概念計算機網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通信必須遵守事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了通信雙方所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）。網(wǎng)絡協(xié)議（定義）數(shù)據(jù)通信過程中,為網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定，稱為網(wǎng)絡協(xié)議。6網(wǎng)絡協(xié)議組成要素網(wǎng)絡協(xié)議的三要素：語義、語法與時序；語法規(guī)定雙方“如何講（howtodo?）”

定義用戶數(shù)據(jù)與控制信息的數(shù)據(jù)結構形式或格式。用于規(guī)定將若干個協(xié)議元素和數(shù)據(jù)組合在一起，來表達一個更完整的內(nèi)容時所應遵循的格式，也即對所表述的內(nèi)容數(shù)據(jù)結構形式的一種規(guī)定。語義確定雙方“講什么（whattodo?）”對發(fā)出的請求、執(zhí)行的動作及對方的應答做出解釋。也即需要發(fā)出何種控制信息、完成何種動作以及做出何種應答。時序確定雙方的“講話次序（whentodo?）”。規(guī)定了事件發(fā)生的條件和執(zhí)行順序。7TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗和選項（長度可變）源端口序號緊急指針窗口確認號保留FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充同步比特SYN——同步比特SYN置為1，就表示這是一個連接請求或連接接受報文。控制時常與ACK同時使用。8TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗和選項（長度可變）源端口序號緊急指針窗口確認號保留FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充確認比特ACK——只有當ACK1時確認號字段才有效。當ACK0時，確認號無效。9TCP傳輸連接建立過程示意圖

10現(xiàn)實社會存在的郵政系統(tǒng)113.1.2協(xié)議、層次、接口與體系結構的概念

計算機網(wǎng)絡的四個重要的概念：層次（layer）協(xié)議（protocol）

接口（interface）

體系結構（architecture）12層次（layer）層次是人們對復雜問題處理的基本方法；將總體要實現(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及服務要求都有明確規(guī)定；不同地區(qū)的系統(tǒng)分成相同的層次；不同系統(tǒng)的對等層次具有相同的功能；高層使用低層提供的服務時，并不需要知道低層服務的具體實現(xiàn)方法。

13接口（interface）接口是同一結點內(nèi)相鄰層之間交換信息的連接點;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、低層功能不變，低層功能的具體實現(xiàn)方法與技術的變化不會影響整個系統(tǒng)的工作。14分層的網(wǎng)絡體系結構結構層次化通信分層進行?；ハ嗤ㄐ诺膬蓚€系統(tǒng)必須具有相同的層次結構，并且相應的層必須執(zhí)行相同的通信協(xié)議。通信在對等層的相關實體之間進行。實體指每一層的活動元素，指任何可以發(fā)送和接收信息的硬件或軟件進程。服務第n層第n-1層系統(tǒng)A服務第n層第n-1層系統(tǒng)B第n-1層協(xié)議第n層協(xié)議15分層的網(wǎng)絡體系結構-在網(wǎng)絡分層結構中，第N層是第N-1層的用戶，同時是第N+1層的服務提供者。服務第n層第n-1層系統(tǒng)A服務第n層第n-1層系統(tǒng)B第n-1層協(xié)議第n層協(xié)議16分層的網(wǎng)絡體系結構(續(xù))層次結構方法要解決的問題1.網(wǎng)絡應該具有哪些層次？每一層的功能是什么？分層與功能2.各層之間的關系是怎樣的？它們?nèi)绾芜M行交互？服務與接口3.通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸要遵循哪些規(guī)則？協(xié)議層次結構方法包括三個內(nèi)容：分層及每層功能服務與層間接口協(xié)議173.2

開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI/RM)OSI/RM的基本概念

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，ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone

國際標準化組織

ISO，InternationalStandardsOrganizationCCITT與ISO的工作領域是不同的：

CCITT主要是考慮通信標準的制定

ISO主要是考慮信息處理與網(wǎng)絡體系結構18在OSI中的“開放”是指只要遵循OSI標準，一個系統(tǒng)就可以與位于世界上任何地方、同樣遵循同一標準的其它任何系統(tǒng)進行通信；OSI標準中，采用的是三級抽象：

?體系結構（architecture）

?服務定義（servicedefinition）

?協(xié)議規(guī)范（protocolspecification）OSI/RM的基本概念（續(xù)）193.2.1OSI參考模型的結構ISO劃分七層結構的基本原則：網(wǎng)中各結點都具有相同的層次；不同結點的同等層具有相同的功能；同一結點內(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，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。20OSI參考模型的結構

21OSI/RM模型圖22OSI/RM層次中英文對照應用層ApplicationLayer表示層PresentationLayer會話層sessionLayer傳輸層transportLayer物理層PhysicalLayer數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer網(wǎng)絡層NetworkLayer7654321處理網(wǎng)絡應用數(shù)據(jù)表示主機間通信端到端的連接尋址和最短路徑介質(zhì)訪問（接入）二進制傳輸管理OSI/RM層次模型各層特征功能233.2.2OSI參考模型各層的功能物理層的主要功能：利用傳輸介質(zhì)為通信的網(wǎng)絡結點之間建立、管理和釋放物理連接；實現(xiàn)比特流的透明傳輸，為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸服務。物理層的數(shù)據(jù)傳輸單元是比特。定義了激活、維護和關閉終端用戶之間機械的、電氣的、過程的和功能的特性。如信號的電壓幅度和位寬度、終端連接器引腳的尺寸等。24數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：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:Frame”為單位的數(shù)據(jù)包；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。鏈路層處理的問題：組幀：把數(shù)據(jù)封裝在幀中,按順序傳送,并處理返回的確認幀；定界與同步：產(chǎn)生/識別幀邊界；差錯恢復：采用重傳（ARQ）的方法；流量控制：收發(fā)雙方傳輸速率的匹配。25網(wǎng)絡層的主要功能：通過路由選擇算法為分組通過通信子網(wǎng)選擇最適當?shù)穆窂?；以及實現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)絡互聯(lián)等功能。網(wǎng)絡層處理的數(shù)據(jù)單元是“分組：Packet”具體功能和服務尋址、最佳路由選擇網(wǎng)絡互連、數(shù)據(jù)包中轉流量控制和擁塞控制差錯檢測與恢復流量統(tǒng)計和記賬26傳輸層的主要功能：向用戶提供可靠端到端（end-to-end）服務;保障兩個終端系統(tǒng)之間傳送的數(shù)據(jù)單元無差錯、無丟失、無重復或無次序顛倒提供“面向連接”(虛電路)和“無連接”(數(shù)據(jù)報)兩種服務向高層屏蔽了下層各類通信子網(wǎng)的差異，使上層不受通信子網(wǎng)技術變化的影響（透明傳輸）。27傳輸層特點傳輸層的特點傳輸層位于資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的交界處，起著承上啟下的作用，是關鍵的一層;傳輸層以上各層：面向應用；傳輸層以下各層：面向傳輸;真正意義上的從源端到目的端實現(xiàn)“端到端”連接的層。

1-3層：鏈接,中繼；

4-7層：端到端28會話層主要功能負責維護兩個結點之間會話連接的建立、管理和終止，以及數(shù)據(jù)的交換。會話：完成一項任務而進行的一系列相關的信息交換，也是表示層之間的連接。同步（解決失敗后從哪里重新開始）設置檢查點。會話失敗后，恢復到最后一個檢查點處，而不用從頭開始。活動管理（保證活動的完整性和正確性）。活動：相對獨立的一組相關操作。29表示層主要功能處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問題，為應用層提供信息表示方式的服務。若有必要，使用一種通用的數(shù)據(jù)表示格式（在多種數(shù)據(jù)表示格式之間進行轉換）。例如：在日期、貨幣、數(shù)值（特別是浮點數(shù)）等本地數(shù)據(jù)表示格式與標準數(shù)據(jù)表示格式之間進行轉換；數(shù)據(jù)的加解密、壓縮/解壓縮等30直接為網(wǎng)絡用戶或應用程序提供網(wǎng)絡服務直接面向用戶,為用戶應用程序提供網(wǎng)絡通信服務。為用戶進入OSI環(huán)境提供一個接口識別并證實目的通信方的可用性使協(xié)同工作的應用程序之間進行同步判斷是否為通信過程申請了足夠的資源應用層主要功能313.2.4OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程

1.OSI環(huán)境（OSIenvironment）

322.OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程

333.3TCP/IP參考模型3.3.1TCP/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)絡層IP協(xié)議一般記作IPv4；版本6的網(wǎng)絡層IP協(xié)議一般記作IPv6（或IPng,IPnextgeneration）；IPv6被稱為下一代的IP協(xié)議。34TCP/IP協(xié)議的特點

開放的協(xié)議標準;獨立于特定的計算機硬件與操作系統(tǒng)；獨立于特定的網(wǎng)絡硬件，可以運行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互連網(wǎng)中；統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址分配方案，使得整個TCP/IP

設備在網(wǎng)中都具有唯一的地址；標準化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務。353.3.2TCP/IP參考模型各層的功能

1.TCP/IP參考模型的層次應用層（applicationlayer）傳輸層（transportlayer）互聯(lián)層（internetlayer，也稱網(wǎng)際層、互聯(lián)網(wǎng)層、網(wǎng)絡互聯(lián)層）主機-網(wǎng)絡層（host-to-networklayer，也稱網(wǎng)絡接口層）

36TCP/IP參考模型與OSI參考模型的對應關系

37TCP/IP與OSI參考模型的對應關系應用層表示層會話層傳輸層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層7654321OSI參考模型應用層傳輸層網(wǎng)絡接口互聯(lián)網(wǎng)層TCP/IP概念層次Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等TCP/IP支持所有的、標準的物理和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議｝｝38TCP/IP的四層結構

應用層運輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層主機A主機B路由器網(wǎng)絡

2網(wǎng)絡

1應用層運輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層4321392.各層的主要功能

主機-網(wǎng)絡層（也稱網(wǎng)絡接口層）參考模型的最低層，負責通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報;它包括各種類型的物理網(wǎng)協(xié)議，如局域網(wǎng)的Ethernet與TokenRing、分組交換網(wǎng)的X.25、ATM協(xié)議等;當這種物理網(wǎng)被用作傳送IP數(shù)據(jù)包的通道時，就可以認為是這一層的內(nèi)容;充分體現(xiàn)出TCP/IP協(xié)議的兼容性與適應性，它也為TCP/IP的成功奠定了基礎。

40互聯(lián)層相當OSI參考模型網(wǎng)絡層無連接網(wǎng)絡服務；互聯(lián)層的主要功能包括：1.處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求。發(fā)送端2.處理接收的數(shù)據(jù)報。接收端（中間結點，目的結點）

3.處理互聯(lián)的路由選擇、流控與擁塞問題；IP協(xié)議是無連接的、提供“盡力而為”服務的網(wǎng)絡層協(xié)議。

41網(wǎng)絡互聯(lián)層ping、tracert、arp命令Internet協(xié)議(IP)Internet控制消息協(xié)議(ICMP)Internet組管理協(xié)議

(IGMP)地址解析協(xié)議(ARP)逆向地址解析協(xié)議(RARP)應用層傳輸層網(wǎng)絡互聯(lián)層網(wǎng)絡接口層物理層42ICMPICMP是“InternetControlMessageProtocol”的縮寫。是TCP/IP協(xié)議族的一個子協(xié)議.用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網(wǎng)絡本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。我們在網(wǎng)絡中經(jīng)常會使用到ICMP協(xié)議，只不過我們覺察不到而已。比如我們經(jīng)常使用的用于檢查網(wǎng)絡通不通的Ping命令，這個“Ping”的過程實際上就是ICMP協(xié)議工作的過程。還有其他的網(wǎng)絡命令如跟蹤路由的Tracert命令也是基于ICMP協(xié)議的。43IGMP、ARP、RARPIGMP：Internet組管理協(xié)議

(IGMP：InternetGroupManagementProtocol)IGMP是因特網(wǎng)協(xié)議家族中的一個組播協(xié)議，用于IP主機向任一個直接相鄰的路由器報告他們的組成員情況。ARP：IP----->MAC44傳輸層主要功能是在互連網(wǎng)中源主機與目的主機的對等實體間建立用于會話的端-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)報協(xié)議UDP是一種不可靠的無連接協(xié)議。

45傳輸層傳輸控制協(xié)議(TCP)用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)應用層傳輸層互聯(lián)網(wǎng)層網(wǎng)絡接口層物理層面向連接的

無連接的

46應用層應用層協(xié)議主要有：遠程登錄協(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)絡管理協(xié)議SNMP超文本傳輸協(xié)議HTTP47應用層應用層傳輸層互聯(lián)網(wǎng)層網(wǎng)絡接口層物理層文件傳輸