計算機及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)

第3章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

■本章內(nèi)容

?層次化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

?開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI/RM)

?TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

?OSI和TCP/IP的主要層次功能

應(yīng)用層

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

3.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

■網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)提出的背景——計算機網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、

異質(zhì)性

-不同的通信介質(zhì)——有線、無線......

?不同種類的設(shè)備——主機、路由器、交換機、復(fù)用設(shè)

、■■■■■■

?不同的操作系統(tǒng)---Unix、Windows>....

?不同的軟/硬件、接口和通信約定（協(xié)議）

?不同的應(yīng)用環(huán)境——固定、移動、……

?不同種類業(yè)務(wù)——分時、交互、實時、……

■寶貴的投資和積累——有形、無形......

?用戶業(yè)務(wù)的延續(xù)性——不允許出現(xiàn)大的跌宕起伏

對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用什么方法能合理地組

織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，以達到：

?結(jié)構(gòu)清晰

?簡化設(shè)計與實現(xiàn)

.?便于更新與維護

?較強的獨立性和適應(yīng)性

解決：分而治之！

一個生活中的例子：空中旅行的組織

空中旅行的組織

機票（購買）機票（投訴）

行李（托運）行李（認領(lǐng)）

旅客（出發(fā)）旅客（到達）

飛機（起飛）飛機（著陸）

飛行航線飛行航線

飛行航線

?一系列的步驟4

空中旅行的組織：從另一種不同的角度觀察

機票（購買）機票（投訴）

行李（托運）行李（認領(lǐng)）

旅客（出發(fā)）旅客（到達）

飛機（起飛）飛機（著陸）

飛行航線飛行航線

_____________________飛行航線________________

層次的觀點：每層實現(xiàn)一種特定的服務(wù)

-通過自己內(nèi)部的功能

-依賴自己的下層提供的服務(wù)

5

分層的空中旅行組織:服務(wù)

柜臺-to-柜臺：“旅客+行李”票務(wù)服務(wù)

行李托運-to-行李認領(lǐng)：行李服務(wù)

登機入口-to-到達出口：旅客乘務(wù)服務(wù)

層次功能的分布式實現(xiàn)

機票（投訴）

____1____W

行李（認領(lǐng)）片

與

同

飛機（著陸）

飛行航線

層次化方法在其它領(lǐng)域的成用

■程序設(shè)計

?把一個大的程序分解為若干個層次的小模塊來實

現(xiàn)，如操作系統(tǒng)。

■郵政系統(tǒng)

郵遞員、郵政分局、郵政總局、郵政運輸

銀行系統(tǒng)

物流系統(tǒng)

OOO

1.計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的定義

■計算機網(wǎng)絡(luò)中也采用了分層方法。一把復(fù)

雜的問題劃分為若干個較小的、單一的局部

問題，在不同層上予以解決。

網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)方法要解決的問題：

?網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有哪些層次？每一層的功能是什么？

（分層與功能）

?各層之間的關(guān)系是怎樣的？它們?nèi)绾芜M行交互?

（服務(wù)與接口）

?通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸要遵循哪些規(guī)則？（協(xié)議）

9

計算機網(wǎng)絡(luò)中，層、協(xié)議和層間接口的集合

被稱為計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)O

?換句話說:體系結(jié)構(gòu)包括三個內(nèi)容:分層結(jié)構(gòu)與

每層的功能,服務(wù)與層間接口,協(xié)議。

■最早的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)源于舊M的SNA；

其它的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)還有DEC的DNA等

■由國際化標準組織ISO制定的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

國際標準是OSI/RM；

實際中應(yīng)用最廣泛的是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

?事實上的(defacto)標準

10

層次結(jié)構(gòu)方法的優(yōu)點

?獨立性強一耦合程度低

?上層只需了解下層通過層間接口提供什么服務(wù)一黑箱方

法。

■適應(yīng)性強

?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

?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。

11

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2.網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層原理

■基本概念:

■實體：任何可以發(fā)送或接收信息的硬件/軟件進程。

■對等層：兩個不同系統(tǒng)的同級層次。

■對等實體：分別位于不同系統(tǒng)對等層中的兩個實體

接口：相鄰兩層之間交互的界面，定義相鄰兩層之

間的操作及下層對上層的服務(wù)。

服務(wù)：某一層及其以下各層的一種能力，通過接口

提供給其相鄰上層。

協(xié)議：通信雙方在通信中必須遵守的規(guī)則。

12

網(wǎng)

系統(tǒng)A系統(tǒng)B

絡(luò)?網(wǎng)絡(luò)中的任何一個系統(tǒng)都

是按照層次結(jié)構(gòu)來組織的

分?同一網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個端

系統(tǒng)必須具有相同的層次

層?每層使用其下層提供的服

務(wù)，并向其上層提供服務(wù)

體?通信只在對等層間進行

（間接的、邏輯的、虛擬

系的），非對等層之間不能

互相“通信”

結(jié)?實際的物理通信只在最底

層完成

構(gòu)?Pn：第n層協(xié)議,即第n

層對等實體間通信時必須

遵循的規(guī)則或約定

物理通信線路

14

對等層通信的實質(zhì)

網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)原理禁止不同主機的對等

層之間進行直接通信。（想一想，為什么？）

■實際上，每一層必須依靠下層提供的服務(wù)來

與另一臺主機的對等層通信。

?上層使用下層提供的服務(wù)——Serviceuser；

?下層向上層提供服務(wù)---Serviceprovidero

第n+1層是第n層的服務(wù)用戶，第n-1層是第n層的服務(wù)

提供者

■'b第n層的服務(wù)也依賴于第n-1層以及以下各層的服務(wù)

例:郵政通信15

對等通信例：兩個人收發(fā)信件

發(fā)信人收信人

郵局

運輸系統(tǒng)

問題：

?收信人與發(fā)信人之間、郵局之間，他們是在直接通信嗎?

?郵局、運輸系統(tǒng)各向誰提供什么樣的服務(wù)？

?郵局、收發(fā)信人各使用誰提供的什么服務(wù)？

16

對等層通信的實質(zhì)

■對等層實體之間實現(xiàn)的是

虛擬的邏輯通信；

-下層向上層提供服務(wù)；

■上層依賴下層提供的服務(wù)

來與其它主機上的對等層

通信；

實際通信在最底層完成。

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■源進程傳送消息到

目標進程的過程：

?消息送到源系統(tǒng)的

最I(lǐng)WJ層；

?從最高層開始，自

上而下逐層封裝:

?經(jīng)物理線路傳輸?shù)?/p>

目標系統(tǒng)；

?目標系統(tǒng)將收到的

信息自下而上逐層

處理并拆封;

?由最高層將消息提

交給目標進程。物理通信線路

在各層中實現(xiàn)的主要功能

■差錯控制

?使對等層的通信更加可靠

■流量控制

?控制發(fā)送端的速率，使接收端能來得及接收

分段和重裝

F?發(fā)送端將數(shù)據(jù)塊分成更小的單位，并在接收端重新組合

復(fù)用和分用

?尊主"高層的對等層通信會話復(fù)用一條低層連接

建立連接和釋放連接

19

■人際交流的協(xié)議:■通信協(xié)議：

?人類之間?計算機之間

?“我有一個問題?網(wǎng)絡(luò)中所有的通信活

?“現(xiàn)在幾點了？”動都是由協(xié)議所控制

協(xié)議：

…說明發(fā)送的消息

…說明接收到某消息定義網(wǎng)絡(luò)實體間發(fā)送和接收

后所應(yīng)采取的行動報文的格式、順序以及當傳

送和接收消息時應(yīng)采取的行

…說明動作的次序動。（語義、語法和時序）

人相互交流的協(xié)議和通信協(xié)議之間的對比

'■

通信協(xié)議的三要素

語義

?對協(xié)議中各協(xié)議元素的含義的解釋，例如：

■在HDLC協(xié),議中，標志Flag(7EH)表示報文的開始和結(jié)束

■在BSC協(xié)議中，SOH(01H)表示報文的開始，STX(02H)表示報文

正文的開始，ETX(03H)表示報文正文的結(jié)束

語法

二協(xié)議元素與數(shù)據(jù)的組合格式，即報文格式。例如：

HDLCFlagAddressCtrlDataFCSSFlag

BSCSOHHEADSTXTEXTETXBCC

時序

■通信過程中，通信雙方操作的執(zhí)行順序和規(guī)則

22

■時序例

建立連接

數(shù)據(jù)傳輸

釋放連接

■網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中：

?每層可能會有若干個協(xié)議

?一個協(xié)議只屬于一個層次w

-協(xié)議可以由軟件或硬件來實現(xiàn)：

?網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議軟件、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序

h?網(wǎng)絡(luò)硬件

常用協(xié)議組：

?TCP/IP(Windows、Unix>Linux>.?.)

?NetBEUI(Windows)

?IPX/SPX(NetWare、Windows)

24

協(xié)議數(shù)據(jù)單元(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)稱為協(xié)議數(shù)

據(jù)單元(ProtocolDataUnit,PDU)。

■傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：

?傳輸層----段(Segment)

?網(wǎng)絡(luò)層---分組/包(Packet)

?數(shù)據(jù)鏈路層---幀(Frame)

?物理層——比特(Bit)

PDU由協(xié)議控制信息(協(xié)議頭)和數(shù)據(jù)(SDU)組成：

協(xié)議控制信息W（SDU）

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、…

■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。

N+1層PDU數(shù)據(jù)

N層PDU協(xié)議頭數(shù)據(jù)

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?發(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”。

實例：TCP/IP協(xié)議的封裝過程

在目的站，某一層只能識別由源站對等層封

裝的“信封”，而對于被封裝在“信封”內(nèi)

部的“數(shù)據(jù)”僅僅是拆封后將其提交給上層,

本層不作任何處理。

?每一層只處理本層的協(xié)議頭部！

3.2OSI/RM與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

■OSI/RM的體系結(jié)構(gòu)分為退

7應(yīng)用層Application為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供服務(wù)

6表示層Presentation數(shù)據(jù)表示

5會話層Session在用戶間建立會話關(guān)系

4傳輸層Transport不同主機進程間的通信

3網(wǎng)絡(luò)層Network在主機間傳輸分組

2數(shù)據(jù)鏈路層DataLink在節(jié)點間可靠地傳輸幀

1物理層Physical位流的透明傳輸

30

TCP/IP體系結(jié)構(gòu)分為4M：

?應(yīng)用層application

?傳輸層transport

,?網(wǎng)際層internet

?網(wǎng)絡(luò)接口層networkdatalink

=數(shù)據(jù)鏈路層+物理層interfacephysical

注:TCP/IP體系結(jié)構(gòu)有時也采用5層表示方法,即用數(shù)

據(jù)鏈路層和物理層代替網(wǎng)絡(luò)接口層。

TCP/IP與OSI/RM的對應(yīng)關(guān)系

OSI/RMTCP/IP

TCP/IP支持

所有標準的物

理層和數(shù)據(jù)鏈

路層協(xié)議

PPP,HDLC,FDDI,

Ethernet,802.3,

802.5等等

OSI/RM和TCP/IP相結(jié)合的5層結(jié)構(gòu)——原理體系結(jié)構(gòu):

?應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層

32

3.3原理體系結(jié)構(gòu)各層概述

■物理層（physicallayer）

?任務(wù)：在物理媒體（介質(zhì)）上正確地、透明地傳送比特流。

?協(xié)議（標準）：規(guī)定了物理接口的各種特性：

■機械：物理連接器的尺寸、形狀、規(guī)格

.■電氣：信號電平，信號的脈沖寬度和頻率，數(shù)據(jù)傳送速率，最大

傳輸距離等

?_1功能：接口引（線）腳的功能和作用

規(guī)程：信號時序，應(yīng)答關(guān)系，操作過程

、?功能：建立和拆除物理連接、位流傳輸、管理

?例：RS-232、RS?449、V.24、V.35、G.703/G.704

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RS-232-C

■外形為25針或9針的D型連接器

■通信速率（b/s）：

?100、300、600、1200、2400、4800、9600、

19.2K、33.6K、56K

?信號電平：

?邏輯“1”：-3V?-15V

?邏輯“0”：+3V?+15V

引腳定義：A

34

計算機通信中郵的RS?232/號

9針連端25針連接器

?'?*M'4?名稱方向嫌

端子號好號

32TXD發(fā)恢教據(jù)(transmitdata)

23RXD輸入接收攝作(receivedata)

74RTSSiS(requesttosend)

%85CTS輸入允許發(fā)送(cleartosend)

66DSR輸入收據(jù)設(shè)備準備好(datasetready)

J7GND蓿號地(signalground)

18DCL)輸入觸械(carrierdetect)

:心

420DTR輸出趟終雌MKdmtermready)

922R11A振鉗際(ringindicator)

■信號時序（接收）

?H：Host（DTE）,M：Modem（DCE）

?設(shè)備握手

■DTR：H-M（保持，表示H已可以工作）

■DSR：H—M（保持，表示M已可以工作）

?監(jiān)視載波信號

."DCD：H—M—載波（表示數(shù)據(jù)鏈已建立）

?接收數(shù)據(jù)

,RD：H—M-數(shù)據(jù)調(diào)制信號

-斷開連接

DCD消失、H撤除DTR、M撤除DSR

■信號時序（發(fā)送）

?設(shè)備握手

■DTR：H—M（保持）

■DSR：H-M（保持）

?請求發(fā)送

■RTS：H—M（保持），M一載波，在對方產(chǎn)生DCD

■CTS：H-M（保持）

?發(fā)送數(shù)據(jù)

■TD：H-M一數(shù)據(jù)調(diào)制信號

?斷開連接

H撤除RTS/DTR

M撤除CTS/DSR,停止發(fā)送載波

37

■數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)

■任務(wù)：在兩個相鄰節(jié)點間可靠地傳輸數(shù)據(jù),使之

對網(wǎng)絡(luò)層呈現(xiàn)為一條無錯的鏈路。

?功能與服務(wù)：

■建立與拆除數(shù)據(jù)鏈路連接

■組幀：幀封裝，按順序傳送，處理返回的確認

幀；

，■定界與同步：產(chǎn)生/識別幀邊界；

■差錯檢測/恢復(fù)：可靠的傳輸，CRC,ARQ；

流量控制：抑止發(fā)送方的傳輸速率，使接收方

來得及接收。

38

?協(xié)議：兩類

■面向字符的：

?數(shù)據(jù)以字符為單位傳輸，用控制字符控制通信

?舊M的BSC規(guī)程，例子見p76,圖3.6

■面向比特的：

?數(shù)據(jù)以位為單位傳輸，用幀中的控制字段控制通信

?ISO的HDLC規(guī)程，例子見p76,圖3.7

?共享信道問題(LANorWireless)：

如何控制對共享信道的訪問？

將數(shù)據(jù)鏈路層劃分為邏輯鏈路控制(LogicalLink

Control,LLC)和介質(zhì)訪問控制(MediaAccess

Control,MAC)兩個子層，由MAC子層解決共享介質(zhì)

訪問控制問題。

LAN使用的兩種主要介質(zhì)訪問控制方法：

?CSMA/CD

■網(wǎng)絡(luò)層(networklayer,internetlayer)

■任務(wù)：選擇合適的路由，把分組從源端傳送到H

的端。

?功能與服務(wù)：”

■在源端與目的端之間建立、維護、終止網(wǎng)絡(luò)的連接

■路由選擇和分組中轉(zhuǎn)

.■流量控制和擁塞控制

蜀■多路復(fù)用：為多個傳輸層實體提供網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)

分段與組合：大數(shù)據(jù)塊分段，小數(shù)據(jù)塊組合

差錯檢測與恢復(fù)

流量統(tǒng)計和記賬

?IP協(xié)議［RFC791］：

提供無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)

40

?路由選擇

■如何在多條通信路徑中找一條最佳路徑？

?依據(jù):速度,距離（步跳數(shù)）,價格,擁塞程度

■路由器——路由表建立與維護

?靜態(tài)：人工設(shè)置，只適用于小型網(wǎng)絡(luò)

?動態(tài)：運行過程中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況自動地動態(tài)維護

路由算法——建立與維護路由表的方法

，?距離向量算法：RIP、CGP等

?鏈路狀態(tài)算法：OSPF等

41

鏈路層的任務(wù)兩節(jié)點間可靠的數(shù)據(jù)傳輸

------------riWl^WX^

^^ii^tnet,X.25,ATM”/

網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)沿兩端點間的最佳路由傳輸數(shù)據(jù)

（主機間的邏輯通信）

Mb

^^thei*netrX.25rATM777；

42

■傳輸層(transportlayer)

?任務(wù)：在源端與目的端之間提供可靠的透明數(shù)據(jù)

傳輸，使上層服務(wù)用戶不必關(guān)系通信子網(wǎng)的實現(xiàn)

細節(jié)。

?傳輸層的特點

■以上各層：面向應(yīng)用，本層及以下各層：面向傳輸；

■與網(wǎng)絡(luò)層的部分服務(wù)有重疊交叉，功能取舍取決于網(wǎng)

絡(luò)層功能的強弱；

只存在于端主機中；

實現(xiàn)源主機到目的主機“端到端”的連接；

?在這一點上與網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)別是什么？

網(wǎng)絡(luò)層：為主機之間提供邏輯傳輸

傳輸層：為應(yīng)用進程之間提供邏輯傳輸

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■地址映射：

?源端進程地址映射到網(wǎng)絡(luò)地址，或反之;

-多路復(fù)用與分割：

?多個傳輸連接共用一條網(wǎng)絡(luò)連接；

?一條傳輸連接使用多個網(wǎng)絡(luò)連接；

■進行數(shù)據(jù)分段并在目的端重新組裝；

■傳輸連接的建立與釋放;

提供“面向連接”和“無連接”兩種服務(wù):

?TCP/IP協(xié)議：TCP和UDP

傳輸差錯校驗與恢復(fù)；

流量控制，防止數(shù)據(jù)傳輸過載。

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傳輸層兩種服務(wù)的比較

ConnectionOrientedConnectionless

參考模式電話系統(tǒng)郵政系統(tǒng)

靜態(tài)分配資源；傳輸

特點動態(tài)分配資源

前需要建立連接

提供可靠的傳輸服務(wù)：無不能防止報文的損壞、失

可靠性錯、按序、無丟失/無重復(fù)序、丟失和重復(fù)

對目的地址僅在連接階段需要完整的需要為每一個報文提供完

的要求目的地址整的目的地址

在一段時間內(nèi)向同一目的地

適用場合少量零星報文

發(fā)送大量報文；實時性要求

L可靠消息流?文件傳輸L數(shù)據(jù)報-廣播/組播

分類及示例2.可靠字節(jié)流-遠程登錄2,可靠的數(shù)據(jù)報?掛號郵件

3.不可靠連接-數(shù)字化聲音3■請求應(yīng)答-數(shù)據(jù)庫查詢

45

網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)沿兩端點間的最佳路由傳輸數(shù)據(jù)

（主機間的邏輯通信）

傳輸層的任務(wù)兩端點間可靠的透明數(shù)據(jù)傳輸

（應(yīng)用進程間的邏輯通信）

46

■應(yīng)用層(applicationlayer)

?任務(wù)：為用戶的應(yīng)用進程提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

?功能：

■提供各種不同的應(yīng)用協(xié)議以滿足應(yīng)用進程的需求;

■識別并證實目的通信方的可用性；

?使協(xié)同工作的應(yīng)用進程之間進行同步；

■為通信過程申請資源。

?應(yīng)用層協(xié)議的例子：■

■OSI:

?VTP.MHS、FTAM、DS、…

jTCP/IP:

<?Telnet.SMTP.FTP、DNS、HTTP、…

3.4TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

TCP/IP不是一個單個的協(xié)議，而是由數(shù)十個

具有層次結(jié)構(gòu)的協(xié)議組成的一個協(xié)議集。

?TCP和IP是該協(xié)議集中的兩個最重要的核心協(xié)議。

■TCP/IP是Internet上的標準通信協(xié)議集。

TCP/IP以“請求注釋”(RFC)文檔發(fā)布：

?TCP[RFC768],UDP[RFC793]

?IP[RFC791]

?DNS[RFC1034,1035],FTP[RFC959,1635]

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TCP/IP協(xié)議棧PDU

應(yīng)用層

Message（報文）

HTTP,FTP,SMTP,DNS,Telnet

傳輸層

Segment（段）

TCP,UDP

網(wǎng)絡(luò)層

IP,ICMP,ARP,RARPPacket（分組）

網(wǎng)絡(luò)接口（數(shù)據(jù)鏈路層+物理層）Frame（幀）

PPP,Ethernet,Tokenring,ATMBit（比特）

TCP/IP的應(yīng)用層

■應(yīng)用層協(xié)議為文件傳輸、電子郵件、遠程登錄、網(wǎng)

絡(luò)管理、Web瀏覽等應(yīng)用提供了支持。

文件傳輸

?FTP、TFTP、NFS

應(yīng)用層電子郵件

?SMTP、POP3

WWW應(yīng)用