1、第3章 网络体系结构与协议3.1 网络协议及OSI参考模型3.2 物理层3.3 数据链路层3.4 网络层3.5 运输层3.6 高层协议介绍3.7 TCP/IP参考模型及协议13.1网络协议及OSI参考模型3.1.1 协议及体系结构3.1.2 OSI参考模型23.1.1 协议及体系结构1.网络协议 网络中的计算机与终端间要想正确的传送信息和数据，必须在数据传输的顺序、数据的格式及内容等方面有一个约定或规则，这种约定或规则称做协议。网络协议主要有三个组成部分：(1）语法 （2）语义 （3）时序 协议实质上是网络通信时所使用的一种语言。32.网络的体系结构 计算机网络是一个十分复杂的系统，其设计需要
2、采用结构化的设计方法。结构化的设计方法的思想是将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”。分层是系统分解的最好方法之一。所谓网络的体系结构就是计算机网络各层次及其协议的集合。4 n+1层 n 层 n-1层 虚通信 （n+1层协议）（n 层协议）（n-1层协议）虚通信 n+1层 n 层 n-1层 实通信 物理媒体 图 3-1 计算机网络的层次模型 层次结构具有以下的特点：1)除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。2)对等层的虚通信必须遵循该层的协议。3)n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信来实现的。6 开放系
3、统划分层次结构须遵循以下原则：1)每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对其他层产生影响。2)层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。3)层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。73.1.2 OSI参考模型参考模型1.OSI分层体系结构 (1)物理层 物理层的主要功能是为数据链路层提供一个物理链接，以保证在通信信道上透明地传输比特流。物理层协议的设计就是用来屏蔽这些传输介质的差异，物理层的数据单元是比特。10(2)数据链路层 数据链路层的主要功能是在两
4、个相邻结点间的线路上，无差错的传输数据帧。数据链路层的数据单元是数据帧。11(3)网络层 网络层的主要功能是为数据分组进行路由选择，并负责通信子网的流量控制、拥塞控制。网络层的数据单元为分组。对一个通信子网，各节点只包含到网络层为止的最低三层协议。12(4)运输层 运输层又称传输层或传送层，主要功能是为会话层提供一个可靠的端-端连接，以使两个端系统之间透明地传输报文运输层只存在于端主机系统，通信子网中无运输层。运输层的数据单元是报文。运输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁，它完成资源子网中两节点间的直接逻辑通信，实现通信子网端到端的可靠传输。传输层在七层网络模型的中间起到承上启下的作用，是整个
5、网络体系结构中的关键部分。13（5)会话层 会话层又称会晤层，主要功能是使用运输层提供的可靠的端-端连接，在两个应用进程之间建立会话连接，并对“会话”进行管理和控制，保证“会话”数据可靠传送。在会话层以上各高层协议中，数据单元都称为报文。(6)表示层 表示层的主要功能是完成被传输数据的表示工作，包括数据格式、数据转化、数据加密和数据压缩等语法的变换服务。(7)应用层 应用层是体系结构的顶层，主要功能是直接为用户服务，通过应用软件实现网络与用户的直接对话。这一层是最终用户应用程序访问网络服务的地方，负责整个网络应用程序协同工作。142.数据传送模型 图 3-3 OSI 参考模型中的数据传递模型
6、进程数据 应用层 H7 进程数据 应用层 表示层 H6 应用层数据 表示层 会话层 H5 表示层数据 会话层 运输层 H4 会话层数据 运输层 网络层 H3 运输层数据 网络层 链路层 H2 网络层数据 链路层 物理层 H1 链路层数据 物理层 物理媒体 发送应用进程接收应用进程 简化的五层OSI结构 应用层(application layer)运输层(transport layer)网络层(network layer)数据链路层(data link layer)物理层(physical layer)数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层163.2 物理层 物理层并不
7、是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理媒体，而是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个传输原始比特流的物理连接。它主要考虑的是怎样才能在连接开放系统的传输媒体上传输各种数据的比特流。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体的不同。173.2.1 物理层的功能 为了实现数据链路实体之间比特流的透明传输，物理层应具有下述功能：（1）物理连接的建立、维持和拆除 （2）数据传输 （3）物理层管理 183.2.2 物理层接口的特性物理层接口的特性 物理层协议规定与建立、维持及断开物理信道有关特性，这些特性包括机械的、电气的、功
8、能性的和规程性的四个方面。这些特性保证物理层能通过物理信道在相邻网络节点之间正确地收、发比特流信息，即保证比特流能送上物理信道，并且能在另一端取下它。物理层仅单纯关心比特流信息的传输，而不涉及比特流中各比特之间的关系（包括信息格式及其含义），对传输差错也不作任何控制。实际网络中比较广泛使用的物理接口标准有EIA-232-D、EIA RS-449和CCITT建议的X.21。193.3 数据链路层数据链路层3.3.1 数据链路层功能 数据链路层的作用是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，即使之对网络层表现为一条无差错的链路。数据链路层
9、应具有下述主要功能：1.帧同步 2.差错控制 3.流量控制功能 4.数据链路管理203.3.2 数据链路控制协议举例数据链路控制协议举例-HDLC 标志 地址 控制 信息 帧校验序列 标志 F 01111110 A 8位 C 8位 I N 位 FCS 16位 F 01111110 图 3-4 HDLC 的帧结构 （1）标志字段(F)（2）地址字段(A)标志（3）控制字段(C)字（4）信息字段(I)信（5）帧校验序列字段(FCS)息字段(I)段(F)3.4 网络层网络层 网络层是OSI参考模型中的第三层，它在数据路层提供的两个相邻结点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设
10、法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。网络层关系到通信子网的运行控制，体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式，是OSI模型中面向数据通信的低三层中最为复杂、关键的一层。网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括路由选择、拥塞控制和网际互连等。223.4.1网络层提供的服务网络层提供的服务 网络层可以向运输层提供两类不同质量的网络服务：面向连接的网络服务和无连接的网络服务。1.面向连接的网络服务 面向连接的网络服务具体实现是虚电路服务虚电路服务是网络层向运输层提供的一种使所有分组按序到达端系统的可靠的数据传输方式。2.无连
11、接的网络服务 无连接的网络服务具体实现是数据报服务。233.4.2 路由选择 网络节点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择。在数据报方式中，网络节点要为每个分组路由做出选择；而在虚电路方式中，只需在连接建立时确定路由。根据对网络环境变化的适应性不同，路由算法可以分为两大类：静态路由选择算法和动态路由选择算法。独立路由选择、集中路由选择和分布路由选择是三种动态路由选择策略的具体算法。243.5 运输层运输层3.5.1 运输层的功能和服务运输层的功能和服务 1 运输层的两个主要目的是：第一，提供可靠的端到运输层的两个主要目的是：第一，提供可靠的端到端的通信；第二，向会话层提
12、供独立于网络的传输服端的通信；第二，向会话层提供独立于网络的传输服务。务。2 2 传输服务有两大类，即面向连接的服务和面向无传输服务有两大类，即面向连接的服务和面向无连接服务。面向连接的服务提供传输服务用户之间逻连接服务。面向连接的服务提供传输服务用户之间逻辑连接的建立、维持和拆除，是可靠的服务，可提供辑连接的建立、维持和拆除，是可靠的服务，可提供流量控制、差错控制和序列控制。无连接服务，只能流量控制、差错控制和序列控制。无连接服务，只能提供不可靠的服务。提供不可靠的服务。253.5.2 运输层协议和通信子网的关系运输层协议和通信子网的关系 根据用户要求和差错性质，网络服务按质量可分为A、B、
13、C三种类型。运输层的功能按级别划分，OSI定义了五种协议级别。运输层的功能是要弥补从网络层获得的服务和拟向传输服务用户提供的服务之间的差距，它所负责的是提高服务质量，包括优化成本。服务质量划分的较高的网络，仅需要较简单的协议级别；反之，服务质量划分的较低的网络，就需要较复杂的协议级别。263.6 高层协议介绍高层协议介绍3.6.1 会话层会话层在两个不同系统的互相通信的应用进程之间建立、组织在两个不同系统的互相通信的应用进程之间建立、组织和协调交互。例如，确定是双工还是半双工工作。若和协调交互。例如，确定是双工还是半双工工作。若出现意外，则需确定从何处开始重新恢复会话。出现意外，则需确定从何处
14、开始重新恢复会话。3.6.2 表示层表示层表示层是处理所有与数据表示及传输有关的问题，完成表示层是处理所有与数据表示及传输有关的问题，完成某些特定的功能。某些特定的功能。3.6.3 应用层应用层应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务，还为应用进供网络与用户应用软件之间的接口服务，还为应用进程提供访问程提供访问OSIOSI环境的手段。环境的手段。273.7 TCP/TP参考模型及协议参考模型及协议3.7.1 TCP/IP体系结构与协议体系结构与协议1.TCP/IP参考模型 TCP/IP参考模型共有四层：应
15、用层、传输层、网际互联层和主机至网络层，如图3-6所示。与OSI参考模型相比，TCP/IP参考模型没有表示层和会话层。网际互联层相当于OSI模型的网络层，主机至网络层相当于OSI模型中的物理层和数据链路层。28 OSI 参考模型 TCP/IP 参考模型 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 图 3-6 TCP/IP 参考模型与 OSI 参考模型 应用层 传输层 网际互联层 主机至网络层 29 TCP/IP的各层协议形成了一组从上到下单向依赖的协议栈，也叫协议族。应用层 TELNET DNS SMTP FTP HTTP NFS 传输层 TCP UDP 网际互联层 ICMP
16、IP ARP RARP 主机至网络层 以太网 令牌环网 FDDI ATM 图 3-7 TCP/IP 协议族 303.7.2 TCP/IP的网络层的网络层1.IP 0 4 8 16 31 版 本(4位)报 头 长 度(4位)服 务 类 型(8位)总 长 度(16位)标 识(16位)标 志(3位)分 段 偏 移(13位)生 存 时 间(8位)协 议(8位)报 头 校 验 和(16位)源IP地 址(32位)目 的IP地 址(32位)任 选 项(可 变 长)填 充 项 数 据 图3-8 IP数 据 报 的 结 构 31IP协议提供以下功能：(1)IP地址寻址(2)I P 数 据 报 的 分 段 和 重
17、 组 (3)IP数据报的路由转发32分段偏移例子：ID=xoffset=0MFflag=0length=4000ID=xoffset=0MFfrag=1length=1500ID=xoffset=1480MFflag=1length=1500ID=xoffset=2960MFflag=0length=1040One large datagram becomesseveral smaller datagrams332.互连网控制报文协议ICMP ICMP报文是放在一个IP数据报的数据部分中通过互联网的。Internet 控制报文协议允许路由器向其它路由器或主机发送差错或控制报文 ICMP报头 I
18、CMP数据 数据报报头 数据报数据区 帧头 帧数据区 图 3-9 ICMP 报文的两级封装 343.7.3 TCP/IP的传输层的传输层 传输层对应于传输层对应于OSI参考模型的运输层，提供端到端参考模型的运输层，提供端到端的数据传输服务。该层定义了两个主要的协议：传输的数据传输服务。该层定义了两个主要的协议：传输控 制 协 议控 制 协 议 T C P 和 用 户 数 据 报 协 议和 用 户 数 据 报 协 议 U D P。TCP提供的是面向连接的可靠的传输服务；而提供的是面向连接的可靠的传输服务；而UDP提供的是无连接的不可靠的传输服务，一般用于提供的是无连接的不可靠的传输服务，一般用于
19、数据量比较小的传输。数据量比较小的传输。TCPTCP和和UDPUDP使用端口号作其数据传送的最终目的地，使用端口号作其数据传送的最终目的地，以实现应用程序进程之间的端到端的通信。即通过以实现应用程序进程之间的端到端的通信。即通过“IPIP地址地址+端口号端口号”可区分不同的应用程序进程。可区分不同的应用程序进程。351.TCP协议 TCP提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务。此外，TCP还具有确认与重传机制、差错控制和流量控制等功能，以确保报文段传送的顺序和传输无错。0 4 8 16 31 源端口（16位）目的端口（16位）顺序号（32位）确认号（32位）报头 长度（4位）保留（6位）编
20、码位（6位）窗口大小（16位）校验和（16位）紧急指针（16位）任选项 数据 .图3-10 TCP报文段的报头结构 362.TCP的连接管理 TCP使用三次握手（three-way handshake 协议来建立连接 客户方事件 网络报文 服务器方事件 发送 SYN 报文段 接收 SYN 报文段 顺序号为 x 发送 SYN 报文段，顺序号=y，ACK=x+1 接收 SYN+ACK 报文段 发送 ACK=y+1报文段 接收 ACK 报文段 图 3-11 TCP 建立连接的三次握手 37客户方事件 网络报文 服务器方事件 发送 FIN 报文段 接收 FIN 报文段 顺序号为 x 发送 ACK=x+1报文段 (应用进程关闭连接)(通知应用进程)接收 ACK 报文段 发送 FIN 报文段 顺序号=y，ACK=x+1 (应用进程关闭连接)接收 FIN+ACK 报文段 发送 ACK=y+1报文段 接收 ACK 报文段 图 3-12 TCP 关闭连接的三次握手 38
