《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》專業(yè)課程PPT課件-第2章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)中國(guó)工信出版集團(tuán)人民郵電出版社FoundationsofComputerNetworkTechnology計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)——第二章CONTENTSCONTENTS01計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述02開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型03TCP/IP體系結(jié)構(gòu)一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)互連的節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)之間要不斷地交換數(shù)據(jù)和控制信息。要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)就必須遵守一整套合理而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)化管理體系。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型，它是各層的協(xié)議以繼層次之間端口的集合。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)通信必須依靠網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，目前廣發(fā)采用的是ISO1997年提出的開(kāi)放系統(tǒng)互連（OpenSystemInterconnection，OSI）參考模型，習(xí)慣上成為ISO/OSI參考模型。接口時(shí)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層次之間交換信息的連接點(diǎn)。同一節(jié)點(diǎn)的相鄰層之間存在明確規(guī)定的接口，低層通過(guò)接口向高層提供服務(wù)。只要接口不變，低層功能不變，低層功能的具體實(shí)現(xiàn)方法九奴會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)協(xié)議就是為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換建立而制定的規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議由語(yǔ)法、語(yǔ)義和時(shí)序三部分組成，即協(xié)議的三要素：語(yǔ)義語(yǔ)法時(shí)序在網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)中，每一層都由一些實(shí)體組成，這些實(shí)體抽象地表示了通信時(shí)的軟件元素（如進(jìn)程或子程序）或硬件元素（如智能I/O芯片等）。實(shí)體是通信時(shí)能發(fā)送和接收信息的任何軟硬件設(shè)施。協(xié)議（Protocol）實(shí)體（Entity）接口(Interface)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念層次(Arrangemengt)為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)之間的通信，網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)需要把每個(gè)計(jì)算機(jī)互連的功能劃分成有明確定義的層次，并規(guī)定同層次進(jìn)程的通信的協(xié)議及相鄰層次之間的接口服務(wù)。一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成計(jì)算機(jī)間的通信合作，把每個(gè)計(jì)算機(jī)互聯(lián)的功能劃分成有明確定義的層次，并規(guī)定同層次進(jìn)程通信的協(xié)議及相鄰層之間的接口服務(wù)，將這些同層進(jìn)程通信的協(xié)議以及相鄰層的接口統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（NetworkArchitecture）。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用層次結(jié)構(gòu)的好處是：（1）各層之間相互獨(dú)立。高層并不需要知道低層是如何實(shí)現(xiàn)的，而僅需要知道該層通過(guò)層間接口所提供的服務(wù)。（2）靈活性好。當(dāng)任何一層發(fā)生變化時(shí)，只要接口保持不變，則在這層以上或以下各層均不受影響，此外，當(dāng)某層提供的服務(wù)不再需要時(shí)，甚至可將這層取消。（3）結(jié)構(gòu)上可分割。各層都可采用最合適的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。各層實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改變不影響其他層。（4）易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。層次結(jié)構(gòu)使得實(shí)現(xiàn)和調(diào)試一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)變得容易，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)已被分解為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。（5）有利于促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化。這主要是因?yàn)槊繉拥墓δ芘c所提供的服務(wù)已有明確的說(shuō)明。標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)閰f(xié)議時(shí)通信雙方共同遵守的約定。二、開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型1974年，IBM公司提出了世界上第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，這就是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（SystemNetworkArchitecture，SNA），此后，許多公司紛紛提出各自的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的共同之處在于它們都采用了分層技術(shù)，但層次的劃分、功能的分配與采用的技術(shù)術(shù)語(yǔ)均不相同。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)成為人們迫切需要解決的課題，OSI參考模型就是在這一背景下提出并加以研究的。二、開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSIOSI參考模型分層的原則是：（1）每層的功能應(yīng)是明確的，并且是相互獨(dú)立的。當(dāng)某一層具體實(shí)現(xiàn)方法更新時(shí)，只要保持與上、下層的接口不變，那么就不會(huì)對(duì)鄰層產(chǎn)生影響。（2）層間接口必須清晰，跨越接口的信息量應(yīng)盡可能少。（3）每一層的功能選定都應(yīng)基于已有的成功經(jīng)驗(yàn)。（4）在需要不同的通信服務(wù)時(shí)，可在一層內(nèi)再設(shè)置兩個(gè)或更多的子層次，當(dāng)不需要該服務(wù)時(shí)，也可繞過(guò)這些子層次。二、開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI參考模型各層之間的關(guān)系二、開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI各層的功能概述第1層：物理層(PhysicalLayer)在物理信道上傳輸原始的數(shù)據(jù)比特（bit）流，提供為建立、維護(hù)和拆除物理鏈路連接所需的各種傳輸介質(zhì)、通信接口特性等。第2層：數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)在物理層提供比特流服務(wù)的基礎(chǔ)上，建立相鄰節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)鏈路，通過(guò)差錯(cuò)控制提供數(shù)據(jù)幀在信道上無(wú)差錯(cuò)地傳輸，并進(jìn)行數(shù)據(jù)流量控制。第3層：網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer)為傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸提供建立、維護(hù)和終止網(wǎng)絡(luò)連接的手段，把上層來(lái)的數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)包(Packet)在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行交換傳送，并且負(fù)責(zé)路由控制和擁塞控制。第4層：傳輸層(TransportLayer)為上層提供端到端(最終用戶到最終用戶)的透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。所謂透明的傳輸是指在通信過(guò)程中傳輸層對(duì)上層屏蔽了通信傳輸系統(tǒng)的具體細(xì)節(jié)。第5層：會(huì)話層(SessionLayer)為表示層提供建立、維護(hù)和結(jié)束會(huì)話連接的功能，并提供會(huì)話管理服務(wù)。第6層：表示層(PresentationLayer)為應(yīng)用層提供信息表示方式的服務(wù)，如數(shù)據(jù)格式的變換、文本壓縮、加密技術(shù)等。第7層：應(yīng)用層(ApplicationLayer)為網(wǎng)絡(luò)用戶或應(yīng)用程序提供各種服務(wù)，如文件傳輸、電子郵件(E-mail)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)管理等。二、開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程二、開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)OSI參考模型最初時(shí)開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議簇的一個(gè)工業(yè)測(cè)安靠標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)嚴(yán)格遵守OSI參考模型標(biāo)準(zhǔn)不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間可以輕松地實(shí)現(xiàn)互操作。但由于Internet在全世界的飛速發(fā)展，使得TCP/IP協(xié)議得到了廣泛的應(yīng)用，雖然TCP/IP不是ISO標(biāo)準(zhǔn)，但廣泛的使用也使TCP/IP成為一種“實(shí)際上的標(biāo)準(zhǔn)”，并形成了TCP/IP參考模型。不過(guò)，ISO的OSI參考模型的制定，也參考了TCP/IP協(xié)議集及其分層體系結(jié)構(gòu)的思想。而TCP/IP在不斷發(fā)展的過(guò)程中也吸收了OSI標(biāo)準(zhǔn)中的概念及特征。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP的概念TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是指?jìng)鬏斂刂茀f(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議。它起源于美國(guó)ARPAnet網(wǎng)，由它的兩個(gè)主要協(xié)議即TCP和IP協(xié)議而得名。TCP/IP是Interent上所有網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)之間進(jìn)行交流所使用得共同“語(yǔ)言”，是Internet上的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議。通常所說(shuō)的TCP/IP協(xié)議實(shí)際上包含了大量的協(xié)議和應(yīng)用，且由多個(gè)獨(dú)立定義的協(xié)議組合在一起，協(xié)同工作，因此，更確切的說(shuō)，應(yīng)該稱其為T(mén)CP/IP協(xié)議集和TCP/IP協(xié)議?；騎CP/IP協(xié)議簇。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議簇具有以下幾個(gè)特點(diǎn)2341TCP/IP協(xié)議開(kāi)放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以免費(fèi)使用，并且獨(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(gè)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)。TCP/IP的概念三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP分為四個(gè)層次，分別是網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層。TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)與OSI層次結(jié)構(gòu)的對(duì)照關(guān)系如右圖所示：TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)應(yīng)用層在TCP/IP模型中，應(yīng)用程序接口是最高層，它與OSI模型中的高三層的任務(wù)相同，用于提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，比如文件傳輸、遠(yuǎn)程登錄、域名服務(wù)和簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理等。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)接口層，也被稱為網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)層，包括了能使用TCP/IP與物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的協(xié)議，它對(duì)應(yīng)OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有定義具體的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議。網(wǎng)際層網(wǎng)際層是在TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)中正式定義的第一層。網(wǎng)際層所執(zhí)行的主要功能是處理來(lái)自傳輸層的分組，將分組形成數(shù)據(jù)包（IP數(shù)據(jù)包），并為該數(shù)據(jù)包進(jìn)行路徑選擇，最終將數(shù)據(jù)包從源主機(jī)發(fā)送到目的主機(jī)，在網(wǎng)際層中，最常用的協(xié)議是網(wǎng)際協(xié)議IP，其他一些協(xié)議用來(lái)協(xié)助IP的操作。傳輸層TCP/IP的傳輸層也被稱為主機(jī)至主機(jī)層，與OSI的傳輸層類似，主要負(fù)責(zé)主機(jī)到主機(jī)之間的端對(duì)端通信，該層使用了兩種協(xié)議來(lái)支持兩種數(shù)據(jù)的傳送方法，即TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議集三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層的協(xié)議——IP網(wǎng)際協(xié)議IP(InternetProtocol)IP協(xié)議的任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的尋址和路由，并從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。IP協(xié)議在每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包前加入一個(gè)控制信息，其中包含了源主機(jī)的IP地址、目的主機(jī)的IP地址和其他一些信息。IP協(xié)議的另一項(xiàng)工作是分割和重編在傳輸層被分割的數(shù)據(jù)包。由于數(shù)據(jù)包要從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)所支持傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的大小不相同時(shí)，IP協(xié)議就要在發(fā)送端將數(shù)據(jù)包分割，然后在分割的每一段前再加入控制信息進(jìn)行傳輸。當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)包后，IP協(xié)議將所有的片段重新組合形成原始的數(shù)據(jù)。IP是一個(gè)無(wú)連接的協(xié)議。無(wú)連接是指主機(jī)之間不建立用于可靠通信的端到端的連接，源主機(jī)只是簡(jiǎn)單地將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)包可能會(huì)丟失、重復(fù)、延遲時(shí)間大或者IP包的次序會(huì)混亂。因此，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的可靠傳輸，就必須依靠高層的協(xié)議或應(yīng)用程序，如傳輸層的TCP協(xié)議。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層的協(xié)議——ICMP網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP(InternetControlMessageProtocol)網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP為IP協(xié)議提供差錯(cuò)報(bào)告。由于IP是無(wú)連接的，且不進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)它不能檢測(cè)錯(cuò)誤。向發(fā)送IP數(shù)據(jù)包的主機(jī)匯報(bào)錯(cuò)誤就是ICMP的責(zé)任。例如，如果某臺(tái)設(shè)備不能將一個(gè)IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它就向發(fā)送數(shù)據(jù)包的源主機(jī)發(fā)送一個(gè)消息，并通過(guò)ICMP解釋這個(gè)錯(cuò)誤。ICMP能夠報(bào)告的一些普通錯(cuò)誤類型有：目標(biāo)無(wú)法到達(dá)、阻塞、回波請(qǐng)求和回波應(yīng)答等。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層的協(xié)議——IGMP網(wǎng)際主機(jī)組管理協(xié)議IGMP(InternetGroupManagementProtocol)IP協(xié)議只是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸，而點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸則要依靠網(wǎng)際主機(jī)組管理協(xié)議IGMP完成。它主要負(fù)責(zé)報(bào)告主機(jī)組之間的關(guān)系，以便相關(guān)的設(shè)備（路由器）支持多播發(fā)送。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層的協(xié)議——ARP和RARP地址解析協(xié)議ARP(AddressResolutionProtocol)和反向地址解析協(xié)議RARP計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中各主機(jī)之間要進(jìn)行通信時(shí)，必須要知道彼此的物理地址（OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層的地址）。因此，在TCP/IP的網(wǎng)際層有ARP協(xié)議和RARP協(xié)議，它們的作用是將源主機(jī)和目的主機(jī)的IP地址與它們的物理地址相匹配。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)傳輸層協(xié)議——TCP傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)TCP協(xié)議是傳輸層一種面向連接的通信協(xié)議，提供可靠的數(shù)據(jù)傳送。對(duì)于大量數(shù)據(jù)的傳輸，通常都要求有可靠的傳送。TCP協(xié)議將源主機(jī)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分成多個(gè)分段，然后將每個(gè)分段傳送到網(wǎng)際層，網(wǎng)際層將數(shù)據(jù)封裝為IP數(shù)據(jù)包，并發(fā)送到目的主機(jī)。目的主機(jī)的網(wǎng)際層將IP數(shù)據(jù)包中的分段傳送給傳輸層，再由傳輸層對(duì)這些分段進(jìn)行重組，還原成原始數(shù)據(jù)，傳送給應(yīng)用層。TCP協(xié)議還要完成流量控制和差錯(cuò)檢驗(yàn)的任務(wù)，以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)傳輸層協(xié)議——UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP(UserDatagramProtocol)UDP協(xié)議是一種面向無(wú)連接的協(xié)議，因此，它不能提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而且UDP不進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)，必須由應(yīng)用層的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)可靠性機(jī)制和差錯(cuò)控制，以保證端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。雖然UDP與TCP相比，顯得非常不可靠，但在一些特定的環(huán)境下還是非常有優(yōu)勢(shì)的。例如，要發(fā)送的信息較短，不值得在主機(jī)之間建立一次連接。另外，面向連接的通信通常只能在兩個(gè)主機(jī)之間進(jìn)行，若要實(shí)現(xiàn)多個(gè)主機(jī)之間的一對(duì)多或多對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸，即廣播或多播，就需要使用UDP協(xié)議。三