計算機網(wǎng)絡基礎-課件第3章-網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議

第3章網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議學習目標：理解網(wǎng)絡協(xié)議的概念理解層次化的概念理解網(wǎng)絡體系結構的概念掌握OSI參考模型分層結構掌握OSI參考模型中數(shù)據(jù)流動方式掌握七層結構中各層的基本功能掌握TCP/IP體系結構的分層結構理解OSI/RM與TCP/IP體系結構的區(qū)別3.1網(wǎng)絡體系結構的基本概念在計算機網(wǎng)絡中有許多互相連接的結點，在這些結點之間經(jīng)常需要不斷地交換數(shù)據(jù)和控制信息。要做到在結點之間有條不紊地交換數(shù)據(jù)，每個結點必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。這些為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標準被稱為網(wǎng)絡協(xié)議（NetworkProtocol）。網(wǎng)絡協(xié)議包含三個要素：（1）語義：指構成協(xié)議的協(xié)議元素的含義，不同類型的協(xié)議元素規(guī)定了通信雙方所要表達的不同內(nèi)容。（2）語法：即用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結構和格式。（3）時序：對事件實現(xiàn)順序的詳細說明。3.1.1網(wǎng)絡協(xié)議為了減少網(wǎng)絡協(xié)議設計的復雜性，最好的組織方式是分層模型，也就是將通信問題分為幾個小問題（層次）的方法，每個小問題對應于一層。網(wǎng)絡協(xié)議采用層次結構的有以下優(yōu)點：（1）各層之間相互獨立。各層只要知道通過接口所提供的服務，而不需要了解其他層中實現(xiàn)的細節(jié)。（2）靈活性好。若某層發(fā)生變化，只要接口關系不變，則上、下層均不受影響。便于修改、取消某層的服務。3.1.2層次化的概念（3）各層都可以選擇最合適的實現(xiàn)技術，各層實現(xiàn)技術的改變不影響其他層。（4）整個系統(tǒng)被分解為若干個較小的部分，便于實現(xiàn)、調(diào)試和維護。（5）每一層的功能和所提供的服務都有精確的說明，有利于促進標準化。

為了便于理解分層的思想，我們以快遞服務為例進行說明?？爝f公司為客戶提供的服務是將物品從一個地方通過中轉運送到目的地，這一過程類似于計算機網(wǎng)絡將用戶的數(shù)據(jù)通過多個結點的轉發(fā)送到目的主機。我們把甲乙雙方通過快遞公司寄送包裹的過程分為三個層次：“通信人”層、“快遞公司”層和“運輸”層。其中最高一層是“通信人”層，甲乙雙方必須對快遞單的格式和內(nèi)容達成共識，必須采用雙方都懂的語言和文字，包括寄件人信息和收件人信息等；中間一層是“快遞公司”層，它為投遞人提供不同傳遞速率、保密級別的快遞服務，對包裹進行收件、打包、分撿、派送和差錯處理等，然后交付有關運輸部門進行運輸；下層是“運輸”層，它負責對打包的包裹進行運輸管理，在運輸中可能經(jīng)過許多站點的裝卸和轉接，也可能使用不同的交通工具。

在上例中，“通信人”層只需關心快遞單的格式和內(nèi)容，而不需要關心“快遞公司”層如何處理包裹，更不必關心“運輸”層如何將包裹送達目的地。同樣道理，“快遞公司”層只需完成收件、派送的功能，“運輸”層只要按要求完成傳輸任務即可。很明顯，這種分層的做法，可以使每一層實現(xiàn)一種相對獨立的功能，從而將一個難以處理的復雜問題分解為若干較容易處理的小任務。計算機網(wǎng)絡體系結構是網(wǎng)絡中分層模型以及各層功能的精確定義。世界上第一個網(wǎng)絡體系結構是IBM公司于1974年提出的，命名為“系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構SNA（SystemNetworkArchitecture）”。在此之后，許多公司紛紛提出了各自的網(wǎng)絡體系結構，如Digital公司的DNA、ARPANET的ARM等。這些網(wǎng)絡體系結構的共同之處在于它們都采用了分層技術，但層次的劃分、功能的分配與采用的技術術語均不相同。隨后，為了對不同的體系結構進行同一，國際標準化組織提出了開放系統(tǒng)互連參考模型。

3.1.3網(wǎng)絡體系結構隨著信息技術的發(fā)展，各種計算機系統(tǒng)連網(wǎng)和各種計算機網(wǎng)絡的互聯(lián)成為人們迫切需要解決的課題。開放系統(tǒng)互連參考模型就是在這樣背景下提出的。ISO在1977年3月召開的第九次全會上決定成立一個新的技術委員分會(ISO/TC97/SC16)專門研究此課題。經(jīng)過幾年的努力，1983年ISO（InternationalOrganizationforStandardization）提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（OpenSystemInterconnection/ReferenceMode），即著名的ISO7498國際標準。3.2OSI參考模型3.2.1OSI參考模型的制定

1.物理層（physicallayer）物理層保證在通信信道上傳輸原始比特流。物理層協(xié)議被設計用來控制傳輸媒體，以提供傳輸媒體對計算機系統(tǒng)的獨立性。物理層協(xié)議規(guī)定傳輸媒體本身及機械、電氣、功能、規(guī)程特性。2.數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）負責建立、維持、釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接，在兩個相鄰結點間的線路上，無差錯地傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層加強物理層原始比特流的傳輸功能，使之對網(wǎng)絡層呈現(xiàn)為一條無差錯鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層把數(shù)據(jù)分裝在不同的數(shù)據(jù)幀中發(fā)送，并處理接收端送回的確認幀。每一幀中必須攜帶同步、地址、差錯控制、流量控制等信息。3.2.2各層的主要功能

3.網(wǎng)絡層（networklayer）網(wǎng)絡層完成對通信子網(wǎng)的運行控制，提供源站（或源主機）和目標站（或目標主機）間的數(shù)據(jù)傳輸服務，數(shù)據(jù)的單位是“分組”或“包”。負責選擇從發(fā)送端傳輸數(shù)據(jù)包到達接收端的路由。另外，網(wǎng)絡層還負責通信子網(wǎng)中的分組、擁塞控制和記帳等。網(wǎng)絡層協(xié)議有面向連接和無連接兩種服務，它們分別向高層提供連接方式的和無連接方式的網(wǎng)絡服務。4.傳輸層（transportlayer）傳輸層為OSI網(wǎng)絡體系結構中最核心的一層，它把實際使用的通信子網(wǎng)與高層應用分開，提供發(fā)送端和接收端之間的高可靠、低成本的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸層協(xié)議必須完成尋找接收端用戶地址、提供面向連接服務時的建立連接、拆除連接以及流量控制和多路復用等工作。5.會話層（sessionlayer）會話層使用傳輸層提供的可靠的端到端通信的服務，并增加一些用戶所需要的附加功能和建立不同機器上的用戶之間的會話聯(lián)系。會話層協(xié)議為表示層提供同步服務，使得低層協(xié)議在發(fā)生了某種錯誤之后，會話層協(xié)議能返回到一個已知狀態(tài)。會話層還為表示層提供活動管理功能。這里，活動是一個由用戶確定的具有邏輯意義的信息單位。會話層協(xié)議的另一個重要功能是數(shù)據(jù)交換。6.表示層（presentationlayer）表示層完成被傳輸數(shù)據(jù)的解釋工作，包括數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)壓縮等。表示層向應用進程提供信息的語法表示，對不同語法表示進行轉換管理，使采用不同語法表示的系統(tǒng)之間能進行通信，而不必考慮對方使用什么語言。7.應用層（applicationlayer）應用層是開放系統(tǒng)與用戶應用進程的接口，提供OSI用戶服務、管理和分配網(wǎng)絡資源。應用層包含用戶普通需要的應用，例如虛擬終端、文件傳送、遠程用戶登錄和電子數(shù)據(jù)交換以及電子郵件等。1．OSI中的數(shù)據(jù)流動過程3.2.3OSI/RM中的基本概念

2.協(xié)議、服務與服務訪問點在同一開放系統(tǒng)上、下層之間存在著“服務”與“被服務”的關系，而在不同開放系統(tǒng)中的對等實體之間存在著“協(xié)議”的關系。兩個對等實體之間的通信規(guī)則就是該層使用的協(xié)議，有關第N層的通信規(guī)則的集合，就是第N層的協(xié)議，記為“（N）協(xié)議”。在（N）協(xié)議控制下兩個對等（N）層實體之間的通信，使得（N）能夠向上一層（即（N＋1））提供服務，這種服務叫做（N）服務。接受（N）服務的（N＋1）實體叫做（N）服務用戶，而（N）同樣需要服務提供者（N－1）提供的服務。因此對于（N）來說，它是（N＋1）的服務提供者又是（N－1）的服務用戶。每一層只有依賴下一層為它提供的服務并且實現(xiàn)本層的協(xié)議才能為它的上一層提供服務。但要注意，每一層只接受下一層的服務，而不關心下一層的協(xié)議，即（N）協(xié)議對于（N）服務用戶是透明的。在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體交換信息的地方稱為服務訪問點SAP（ServiceAccessPoint），它是相鄰兩層實體的邏輯接口。在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體交換信息的方式是通過交換服務原語進行的。3．服務原語“服務”在形式上是用一組原語來描述的，這些原語供用戶實體訪問該服務或向用戶實體報告某事件的發(fā)生。RequestConfirm(N+1)層(N)PDU(N)PDU(N)及其以下各層IndicationRespons(N+1)層系統(tǒng)A系統(tǒng)A、B系統(tǒng)B服務有“有確認”和“無確認”之分。有確認服務，包括“請求”、“指示”、“響應”和“確認”4個原語。無確認服務只有“請求”和“指示”兩個原語。建立連接的服務總是有確認服務，可用“連接響應”作肯定應答，表示同意建立連接；或者用“斷連請求”表示拒絕建立連接。TCP/IP協(xié)議組實際上是由以傳輸控制協(xié)議TCP和因特網(wǎng)協(xié)議IP為代表的許多協(xié)議組成的協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是由美國國防部高級研究計劃局DARPA開發(fā)，是早期ARPANET上采用的一個通信協(xié)議。后來隨著計算機網(wǎng)絡發(fā)展成為Internet，TCP/IP協(xié)議成為Internet協(xié)議標準，也是全世界使用最廣泛的工業(yè)標準。3.3TCP/IP體系結構3.3.1TCP/IP體系結構TCP/IP模型各層各有不同的協(xié)議，這些分層的協(xié)議形成了一組從上到下單向依賴關系的協(xié)議系列，各層協(xié)議如圖所示。1.網(wǎng)絡接口層為了使TCP/IP與具體的物理傳輸媒體無關，在TCP/IP標準中沒有對數(shù)據(jù)鏈路層和物理層作出規(guī)定，只將最低的一層取名為網(wǎng)絡接口層。網(wǎng)絡接口層的接口有兩種：一種是局域網(wǎng)的網(wǎng)絡接口，為設備驅(qū)動程序；另一種是X.25網(wǎng)中的網(wǎng)絡接口，則為包含數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（如HDLC協(xié)議）的復雜子系統(tǒng)。2.網(wǎng)際層網(wǎng)際層的主要協(xié)議是無連接的網(wǎng)際協(xié)議IP。與網(wǎng)際協(xié)議配合使用的還有地址解析協(xié)議ARP、逆地址解析協(xié)議RARP和因特網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP等。由于網(wǎng)際協(xié)議是用來使互連起來的許多計算機網(wǎng)絡能夠進行通信，因此TCP/IP體系中的網(wǎng)絡層常稱為網(wǎng)際層或IP層。網(wǎng)際層負責主機之間的通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是IP數(shù)據(jù)報。它的功能有三個：（1）將傳輸層送來的報文段或用戶數(shù)據(jù)報裝人IP數(shù)據(jù)報，填完報頭，選擇到達目的主機的路由，將IP數(shù)據(jù)報發(fā)往適當?shù)木W(wǎng)絡接口。（2）對從網(wǎng)絡接口收到的IP數(shù)據(jù)報，首先檢查其合理性，然后進行尋徑，若該數(shù)據(jù)報已到達目的地（本機），則去掉報頭，將剩下的數(shù)據(jù)部分交給傳輸層；否則，轉發(fā)該IP數(shù)據(jù)報。（3）處理網(wǎng)際層差錯與控制報文ICMP，處理路徑、流控、擁塞等問題。3.傳輸層TCP/IP的傳輸層，提供端到端（應用進程間）的通信服務。其功能為：（1）格式化信息流。（2）提供端到端可靠傳輸。（3）解決不同應用程序的識別問題。傳輸層傳送的數(shù)據(jù)單位是報文段（segment）或用戶數(shù)據(jù)報。傳輸層有TCP和UDP兩個協(xié)議，它們都是建立在IP協(xié)議的基礎上。其中傳輸控制協(xié)議TCP提供可靠的面向連接服務，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP提供無連接服務。

4.應用層

TCP/IP的應用層對應于OSI/RM的會話層、表示層和應用層，向用戶提供一組常用的應用協(xié)議。應用層協(xié)議可分為3類：（1）依賴于TCP的應用協(xié)議，如遠程終端協(xié)議Telnet，文件傳輸型的電子郵件協(xié)議SMTP，文件傳輸協(xié)議FTP，超文本傳輸協(xié)議HTTP，外部網(wǎng)關協(xié)議BGP等。（2）依賴于UDP的協(xié)議，例如單純文件傳輸協(xié)議TFTP，簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議SNMP，域名系統(tǒng)DNS，內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議RIP，動態(tài)主機配置協(xié)議DHCP和引導程序協(xié)議BOOTP等。（3）依賴于TCP和UDP的協(xié)議，如通信用管理信息協(xié)議CMOT當然，一些沒有標準化的建立在TCP/IP協(xié)議簇之上的用戶應用程序（或?qū)Ｓ贸绦颍┮矊儆趹脤印?/p>

在研究TCP/IP體系結構的過程中，經(jīng)常會涉及到數(shù)據(jù)鏈路層的功能，因此專家們提出了研究問題時使用的原理體系結構，原理體系結構由五層構成。原理體系結構僅適用于分析原理時使用。3.3.2原理體系結構雖然OSI/RM是ISO制定的統(tǒng)一標準，但在應用中實際采用的是TCP/IP體系結構，這和網(wǎng)絡技術的發(fā)展和市場背景有一定的關系。TCP/IP模型和ISO/OSI模型有許多相似之處。兩種模型中都包含能提供可靠的進程之間端到端傳輸服務的傳輸層，而在傳輸層之上是面向用戶應用的傳輸服務。3.3.3OSI/RM與TCP/IP體系結構TCP/IP模型和OSI模型也有許多不同之處，它們之間的差別主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在OSI參考模型中，有3個基本概念：服務、協(xié)議和接口。服務的概念描述了該層所做的工作，并不涉及服務的實現(xiàn)以及上層實體如何訪問的問題。TCP/IP模型并不十分清晰地區(qū)分服務、接口和協(xié)議這些概念。OSI參考模型是在其協(xié)議被開發(fā)之前設計出來的。而TCP/IP模型