計算機網(wǎng)絡原理與應用（第三章課件）

第三章

計算機網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議PrincipleandApplicationofComputerNetwork課件制作：章全信息管理系第三章計算機網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議PrincipleandApplicationofComputerNetwork本章重點（一）（二）（三）網(wǎng)絡體系結構的概念OSI參考模型TCP/IP參考模型（四）計算機網(wǎng)絡體系結構的教學模型第一節(jié)網(wǎng)絡體系結構的概念ChaptersandSections本章章節(jié)第二節(jié)OSI參考模型第三節(jié)TCP/IP參考模型第四節(jié)網(wǎng)絡體系機構的教學模型PART1網(wǎng)絡體系結構的概念第一節(jié)網(wǎng)絡體系機構的概念一、網(wǎng)絡協(xié)議的基本概念一個計算機網(wǎng)絡內(nèi)的兩臺計算機需要通信，就必須使它們采用相同的信息交換規(guī)則，如同兩個人要對話，就需要使用雙方都能理解的語言一樣。把在計算機網(wǎng)絡中用于規(guī)定信息的格式以及如何發(fā)送和接收信息的一套規(guī)則稱為網(wǎng)絡協(xié)議（network

protocol）

或通信協(xié)議（communicationprotocol）。由于計算機網(wǎng)絡的復雜性，很難使用一個單一協(xié)議來為網(wǎng)絡中的所有通信規(guī)定一套完整規(guī)則。因此，普遍的做法是將通信問題劃分為許多小問題，然后為每個小問題設計一個單獨的協(xié)議。從而使得每個協(xié)議的設計、分析、編碼、修改和測試都變得容易。這就是網(wǎng)絡體系結構設計中通常采用分層的思想。第一節(jié)網(wǎng)絡體系機構的概念二、分層的協(xié)議所謂分層（layering）設計方法，就是按照信息的流動過程將網(wǎng)絡的整體功能分解為一個個的功能層，不同主機或者網(wǎng)絡節(jié)點上的同等功能層之間采用相同的協(xié)議，同一主機上的相鄰功能層之間通過所謂“接口”進行信息傳遞。為了對分層的概念有一個更深入的了解，下面以生活中一個實例（郵政通信系統(tǒng)）加以說明：首先，一個郵政系統(tǒng)是由用戶（寫信人和收信人）、郵政局、郵政運輸部門和郵政運輸工具組成。因此，可以將郵政通信系統(tǒng)按功能分為4層：用戶、郵政局、郵政運輸部門和運輸工具，如圖3-1所示。每層分工明確、功能獨立。圖3-1郵政系統(tǒng)的分層模型第一節(jié)網(wǎng)絡體系機構的概念三、計算機網(wǎng)絡體系機構的概念所謂計算機網(wǎng)絡體系結構就是指計算機網(wǎng)絡的分層模型以及各層功能的精確定義。但網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)的細節(jié)不屬于網(wǎng)絡體系結構的內(nèi)容，因為它們隱含在計算機內(nèi)部，對外部說來是不可見的。為了對計算機體系結構進行精確的描述，引入了如下概念。（1）服務（service）。（2）實體（entity）。（3）服務訪問點（ServiceAccessPoint，SAP）。（4）接口數(shù)據(jù)單元（InterfaceDataUnit，IDU)。（5）協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ProtocolDataUnit，PDU）。（6）面向連接服務（connection-orientedservice）。（7）無連接服務（connectionlessservice）。（8）服務原語（primitive）。第一節(jié)網(wǎng)絡體系機構的概念三、計算機網(wǎng)絡體系機構的概念分層模型的要點歸納為如下3點。（1）不同的網(wǎng)絡模型，將網(wǎng)絡系統(tǒng)分成若干層；不同的層執(zhí)行不同的功能。各個層之間相互配合完成通信功能。每一層通過接口向上一層提供特定的服務，接口就是下層向上層提供的原語操作和服務，接口屏蔽了本層的功能細節(jié)。（2）在不同主機上的相同層的實體稱為對等體。通信就是在對等體之間進行的，這是計算機網(wǎng)絡中涉及的一個基本原則。（3）為了進行對等體之間的通信，需要對速率、傳輸代碼結構、傳輸控制步驟、差錯控制等制定標準，這就是協(xié)議。因此，接口是分層模型中一個很重要的概念。在確定了網(wǎng)絡分為多少層和各層的功能之后，接口的定義很重要。接口包括兩部分：一是硬件，功能是實現(xiàn)節(jié)點之間的信息傳送；二是軟件，功能是規(guī)定雙方進行通信的約定協(xié)議。第一節(jié)網(wǎng)絡體系機構的概念三、計算機網(wǎng)絡體系機構的概念理解計算機網(wǎng)絡體系結構的概念，需要注意以下問題。（1）網(wǎng)絡體系結構是網(wǎng)絡層次結構模型與各層協(xié)議的集合。（2）網(wǎng)絡體系結構對計算機網(wǎng)絡應該實現(xiàn)的功能進行精確定義。（3）網(wǎng)絡體系結構是抽象的，而實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議的技術是具體的層次型計算機網(wǎng)絡體系結構的優(yōu)點（1）各層之間相互獨立。高層不需要知道低層的功能是采取硬件或者是軟件技術來實現(xiàn)的，只需要知道通過與低層的接口就可以獲得所需要的服務。（2）靈活性好。各層都可以采用最適當?shù)募夹g來實現(xiàn)，例如某一層的實現(xiàn)技術發(fā)生了變化，用硬件代替了軟件，只要這一層的功能與接口保持不變，實現(xiàn)技術的變化都不會對其他各層以及整個系統(tǒng)的工作產(chǎn)生影響。（3）易于實現(xiàn)和標準化。由于采取了規(guī)范的層次結構去組織網(wǎng)絡功能與協(xié)議，因此可以將計算機網(wǎng)絡復雜的通信過程，劃分為有序的連續(xù)動作與有序的交互過程，有利于將網(wǎng)絡復雜的通信工作過程化解為一系列可以控制和實現(xiàn)的功能模塊，使得復雜的計算機網(wǎng)絡變得易于設計、實現(xiàn)和標準化。PART2OSI參考模型第二節(jié)OSI參考模型1974年，IBM公司提出世界上第一個網(wǎng)絡體系結構——系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構（systemnetworkarchitecture，SNA）。此后，很多計算機公司紛紛提出各自的網(wǎng)絡體系結構。不同公司提出的網(wǎng)絡體系結構的共同點是都采用了分層的體系結構，但在層次的劃分、每個層次的功能分配以及實現(xiàn)技術方面差異很大。采用不同網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議的網(wǎng)絡稱為異構網(wǎng)絡。異構網(wǎng)絡的互聯(lián)是困難的。大量異構網(wǎng)絡的存在必將給網(wǎng)絡大規(guī)模的推廣與應用帶來很大的困難，因此如何解決計算機網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議的標準化的研究就提上了議事日程，國際標準化組織（InternationalStandardsOrganization，ISO）的OSI參考模型的研究課題就是在這樣一個背景下提出的。1974年，ISO發(fā)布了著名的ISO/EC7498標準，它定義了網(wǎng)絡互聯(lián)的7層框架，即開放系統(tǒng)互連（opensysteminternetwork，OSI）參考模型。在OSI框架下，進一步詳細規(guī)定了每層的功能，以實現(xiàn)開放系統(tǒng)環(huán)境中的互連性（Interconnection）、互操作性（Interoperation）與應用的可移植性（portability)。一、OSI參考模型起源第二節(jié)OSI參考模型理解OSI參考模型的基本概念，需要注意以下問題。（1）對“開放”含義的理解在術語“開放系統(tǒng)互連參考模型”中，“開放”是指一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機系統(tǒng)只要遵循OSI標準，就可以與位于世界上任何地方、遵循同樣協(xié)議的其他任何一臺聯(lián)網(wǎng)計算機系統(tǒng)進行通信。（2）參考模型的概念OSI參考模型定義了開放系統(tǒng)的層次結構、層次之間的相互關系，以及各層所包括的可能的服務。OSI的服務定義詳細地說明了各層所提供的服務，但是并不涉及接口的具體實現(xiàn)方法。OSI參考模型并不是一個標準，而是一種在制定標準時所使用的概念性的框架。研究OSI參考模型的制定原則與設計思想，對于理解計算機網(wǎng)絡的工作原理非常有益。二、OSI參考模型的基本概念第二節(jié)OSI參考模型OSI參考模型將整個通信功能劃分為7個層次，其層次劃分的主要原則如下。（1）網(wǎng)中各主機都有相同的層次。（2）不同主機的同等層具有相同的功能。（3）同一主機內(nèi)相鄰層之間通過接口通信。（4）每層可以使用下層提供的服務，并向其上層提供服務。（5）不同主機的同等層通過協(xié)議來實現(xiàn)同等層之間的通信。三、OSI參考模型層次劃分原則第二節(jié)OSI參考模型根據(jù)計算機網(wǎng)絡的組成結構，劃分出OSI參考模型的層次結構，如圖3-3。OSI參考模型結構包括以下7層:（1）物理層（2）數(shù)據(jù)鏈路層（3）網(wǎng)絡層（4）傳輸層（5）會話層（6）表示層（7）應用層四、OSI參考模型各層的主要功能圖3-3OSI參考模型的層次結構第二節(jié)OSI參考模型在研究OSI參考模型時，需要搞清它所描述的范圍，這個范圍稱為OSI環(huán)境。圖3-4給出了OSI環(huán)境的示意圖。四、OSI參考模型的數(shù)據(jù)傳輸圖3-4OSI環(huán)境的示意圖（1）什么是OSI環(huán)境第二節(jié)OSI參考模型圖3-5給出了OSI環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸過程示意圖圖3-5OSI環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸過程（2）OSI環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸過程第二節(jié)OSI參考模型①源主機應用進程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)從應用層向下縱向逐層傳送，物理層通過傳輸介質橫向將表示數(shù)據(jù)的比特流傳送到下一個主機，一直到目的主機。到達目的主機的數(shù)據(jù)從物理層向上逐層傳送，最終傳送到目的主機的應用進程。②源主機的數(shù)據(jù)從應用層向下到數(shù)據(jù)鏈路層，逐層按相應的協(xié)議加上各層的報頭目的主機的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)鏈路層到應用層，逐層按照各層的協(xié)議讀取報頭，根據(jù)協(xié)議規(guī)定解釋報頭的意義，執(zhí)行協(xié)議規(guī)定的動作。③盡管源主機應用進程的數(shù)據(jù)在OSI環(huán)境中，經(jīng)過多層處理才能送到目的主機的應用進程，但是整個處理過程對用戶是“透明”的。OSI環(huán)境中各層執(zhí)行網(wǎng)絡協(xié)議的硬件或軟件自動完成，整個過程不需要用戶介入。對于應用進程，數(shù)據(jù)好像是“直接”傳送過來的。（3）OSI環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸cPART3TCP/IP參考模型第三節(jié)TCP/IP參考模型OSI的七層協(xié)議體系結構的概念清楚，理論也比較完整，對促進計算機網(wǎng)絡理論體系的形成起到了重要作用，但它的缺點是太復雜而不實用。TCP/IP體系結構則不同，其最大的特點就是簡單實用，因此得到了非常廣泛的應用。TCP/IP的廣泛應用對Internet的形成起到了重要的推動作用，而Internet的發(fā)展進一步擴大了TCP/IP的影響。目前TCP/TP已經(jīng)成為公認的Internet工業(yè)標準與事實上的Internet協(xié)議標準。一、TCP/IP參考模型的起源第三節(jié)TCP/IP參考模型在TCP/IP體系結構中，將網(wǎng)絡模型分為4層：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層及網(wǎng)絡接口層。圖3-6給出了TCP/TP的網(wǎng)絡體系結構，作為比較，圖中也給出了與OSI7層參考模型對應關系。二、TCP/IP參考模型的層次劃分圖3-6TCP/IP體系結構第三節(jié)TCP/IP參考模型網(wǎng)絡接口層是TCP/IP網(wǎng)絡模型的最底層，負責數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。這一層從網(wǎng)絡層接收IP數(shù)據(jù)報并通過網(wǎng)絡發(fā)送，或者從網(wǎng)絡上接收物理幀，抽出IP數(shù)據(jù)報，交給網(wǎng)絡層。TCP/IP模型沒有對位于該層的設備作過多的說明，任何可以傳送IP數(shù)據(jù)報的設備都可以成為該層的設備，即所謂的IPOverEverything。三、TCP/IP各層的主要功能（一）網(wǎng)絡接口層第三節(jié)TCP/IP參考模型網(wǎng)絡層將數(shù)據(jù)報封裝成IP報文，發(fā)送到網(wǎng)絡中，運行必要的路由算法使數(shù)據(jù)報獨立到達目的地。這一層的功能與郵局在信件傳遞中所起的作用相似。對用戶來說，信件的傳遞是透明的。本層的中心工作就是IP報文的路由，這是通過路由協(xié)議和系統(tǒng)進行的。另外，本層也進行流量控制。（二）網(wǎng)絡層第三節(jié)TCP/IP參考模型傳輸層在計算機之間提供端到端的通信。兩種傳輸協(xié)議分別是傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。（三）運輸層第三節(jié)TCP/IP參考模型TCP/IP最高層是應用層，應用程序通過該層訪問網(wǎng)絡。與OSI參考模型相比，TCP/IP模型沒有會話層和表示層，它們或者不需要或者由應用層來完成相應功能。這一層有許多標準的TCP/IP工具與服務，例如FTP（文件傳輸）、Telnet（遠程登錄）、SNMP（簡單網(wǎng)絡管理）、SMTP（簡單報文傳送）、DNS（域名服務）等協(xié)議。（四）運輸層PART4網(wǎng)絡體系機構的教學模型第四節(jié)網(wǎng)絡體系結構的教學模型無論是OSI或TCP/IP參考模型與協(xié)議，都會有它成功和不足的方面。國際標準化組織ISO本來計劃通