1、第二章 计算机网络体系结构 本章主要内容o网络体系结构的基本概念 o开放系统互连参考模型 oTCP/IP体系结构o计算机局域网协议 1计算机网络技术及应用第1页，共33页。本章学习要点o了解网络体系结构的基本概念；o了解开放系统互连参考模型(OSI七层模型)；o了解TCP/IP体系结构和TCP/IP协议；o了解IEEE802系列局域网标准。2计算机网络技术及应用第2页，共33页。2.1 网络体系结构的基本概念 1 网络的层次结构 o计算机网络是一个复杂的系统。为了降低系统设计和实现的难度，把计算机网络要实现的功能进行结构化和模块化的设计，将整体功能分为几个相对独立的子功能层次，各个功能层次间进
2、行有机的连接，下层为其上一层提供必要的功能服务。这种层次结构的设计称为网络层次结构模型。3计算机网络技术及应用第3页，共33页。2.1 网络体系结构的基本概念 o网络层次结构模型包含两个方面的内容：一是将网络功能分解到若干层次，在每一个功能层次中，通信双方共同遵守该层次的约定和规程，这些约定和规程称为同层协议；二是层次之间逐层过渡，上一层向下一层提出服务要求，下一层完成上一层提出的要求。上一层必须做好进入下一层的准备工作，这种两个相邻层次之间要完成的过渡条件，叫做接口协议。接口协议可以通过硬件实现，也可以采用软件实现，o网络层次结构模型的好处是：各层之间相互独立，各层实现技术的改变不影响其他层
3、，易于实现和维护，有利于促进标准化，为计算机网络协议的设计和实现提供了很大方便。4计算机网络技术及应用第4页，共33页。2.1 网络体系结构的基本概念 2 网络协议 q网络中的两个实体要实现通信，它们必须具有相同的语言，交流什么、怎样交流及何时交流等必须遵守有关实体间某些相互都能接受的一些规则，这些规则的集合称为协议。q为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即为网络协议网络协议。q网络协议一般由语法、语义和时序三要素组成。语法包括数据与控制信息的结构或格式；语义包括用于协调同步和差错处理的控制信息；时序包括速度匹配和事件实现顺序的详细说明。
4、5计算机网络技术及应用第5页，共33页。2.1 网络体系结构的基本概念3 网络体系结构 o计算机网络的层次及各层协议的集合，即是网络体系结计算机网络的层次及各层协议的集合，即是网络体系结构。具体地说，网络体系结构是关于计算机网络应设置构。具体地说，网络体系结构是关于计算机网络应设置哪几层，每个层次又应提供哪些功能的精确定义。哪几层，每个层次又应提供哪些功能的精确定义。o网络体系结构只是从层次结构及功能上来描述计算机网络的结构，并不涉及每一层硬件和软件的组成，更不涉及这些硬件和软件本身的实现问题。由此可见，网络体系结构是抽象的、是存在于书面上的对精确定义的描述。6计算机网络技术及应用第6页，共3
5、3页。2.2 开放系统互连参考模型 1 开放系统互连参考模型的形成 o为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1983年提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系开放系统互连参考模型统互连参考模型（OSI/RM，Open System Interconnection/Reference Model），简称为OSI。“开放”是指：只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。“系统”是指：在现实的系统中与互连有关的各部分。7计算机网络技术及应用第7页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型2
6、OSI参考模型层次划分的原则o网络中所有节点都划分为相同的层次结构，每个相同的层次都有相同的功能。o同一节点内各相邻层次之间通过接口协议进行通信。o每一层使用下一层提供的服务，并向它的上层提供服务。o不同节点的同等层按照协议实现同等层之间的通信。8计算机网络技术及应用第8页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型3 OSI参考模型的七层结构 9计算机网络技术及应用第9页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型4 OSI参考模型的信息流动 10计算机网络技术及应用第10页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型5 OSI参考模型各层功能 o物理层（Physical Layer）物理层是OSI参考
7、模型的最低层，它建立在传输介质上，利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，主要任务是在通信线路上传输数据比特流。传送数据的单位为bit。物理层的主要功能是在物理介质上传输二进制数据比特流；提供为建立、维护和拆除物理连接所需的机械、电气和规程方面的特性。11计算机网络技术及应用第11页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型o数据链路层（Data Link Layer）在物理层传送的比特流的基础上，数据链路层负责建立相邻节点之间的数据链路，提供节点之间的可靠的数据传输。这一层将接收到的二进制数据流封装成帧（包含目的地址、源地址、数据段以及其他控制信息），然后按顺序传输帧，并负责处理接收端发回的
8、确认帧的信息。另外，数据链路层还具有流量控制和检错功能。12计算机网络技术及应用第12页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型o网络层（Network Layer）数据在网络层被转换为数据分组，然后通过路径选择、流量、差错、顺序、进/出路由等控制，将数据从物理连接的一端传送到另一端，并负责点到点之间通信联系的建立、维护和结束。它通过执行路由算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径，还要执行拥塞控制与网络互连等功能，是OSI参考模型中最复杂的一层。13计算机网络技术及应用第13页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型o传输层（Transport Layer）传输层是面向应用的高层和与网络有关
9、的低层协议之间的接口，其下三层与数据传输有关，其上三层与应用有关。传输层提供在不同系统间数据传输服务。在网内两实体间建立端到端通信信道，提供两端点之间的可靠、透明数据传输；执行端到端差错检测和恢复，顺序控制和流量控制功能，并管理多路复用。14计算机网络技术及应用第14页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型o会话层（Session Layer）会话层负责控制每一网络节点究竟什么时间可以传送与接收数据，为不同用户提供建立会话关系，并对会话进行有效管理。例如，当许多用户同时收发信息时，该层主要控制、决定何时发送或接收信息，才不会有“碰撞”发生。15计算机网络技术及应用第15页，共33页。2.2
10、开放系统互连参考模型o表示层（Presentation Layer）表示层是为了在不同系统之间的不同信息表示能够相互理解对方数据的含义以便进行通信而设置的，它负责将数据转换为发送方和接收方都能识别的格式。另外，表示层还负责诸如数据压缩和恢复、加密和解密等服务。16计算机网络技术及应用第16页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型o应用层（Application Layer）应用层是OSI参考模型的最高层，它与用户直接联系，负责网络中应用程序与网络操作系统之间的联系。包括建立与结束使用者之间的联系，监督并且管理相互连接起来的应用系统以及所使用的应用资源。例如为用户提供各种服务，包括文件传输、远
11、程登录、电子邮件及网络管理等。17计算机网络技术及应用第17页，共33页。2.2 开放系统互连参考模型 在OSI七层模型中，每一层都提供一个特殊的网络功能。r 从功能的角度观察，下面四层（物理层、数据链路层、网络层和传输层）主要提供数据传输功能，以节点到节点之间的通信为主；上面三层（会话层、表示层和应用层）则以提供使用者与应用程序之间的处理功能为主。也就是说，下面四层属于通信功能，上面三层属于处理功能下面四层属于通信功能，上面三层属于处理功能。r 从网络产品的角度观察，对于局域网来说，最下面三下面三层（物理层、数据链路层和网络层）直接做在网卡上，其层（物理层、数据链路层和网络层）直接做在网卡上
12、，其余的四层则由网络操作系统来控制余的四层则由网络操作系统来控制。18计算机网络技术及应用第18页，共33页。2.3 TCP/IP体系结构 oOSI参考模型试图达到一种理想境界，即全世界的计算机网络都遵循这统一的标准，所有的计算机都能方便的互连和交换数据，然而由于OSI标准制定周期长、协议实现过分复杂及OSI的层次划分不太合理等原因。当到了20世纪90年代初期，虽然整套的OSI标准都已制定出来，但当时的Internet在全世界的范围形成规模，因此网络体系结构得到广泛应用的并不是国际标准的OSI，而是应用在Internet上的非国际标准的TCP/IP（Transmission Control P
13、rotocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）体系结构。19计算机网络技术及应用第19页，共33页。2.3 TCP/IP体系结构 1 TCP/IP与OSI体系结构的对照关系20计算机网络技术及应用第20页，共33页。2.3 TCP/IP体系结构2 TCP/IP参考模型各层功能o主机至网络层 主机至网络层（网络接口层）是TCP/IP模型的最低层。它负责网际层与硬件设备间的联系，指出主机必须使负责网际层与硬件设备间的联系，指出主机必须使用某种协议与网络相连。用某种协议与网络相连。o网际层 它是整个体系结构的关键部分，网际层的功能就是把把IP分组发送到它应该去的地方，分
14、组路由和避免拥塞是分组发送到它应该去的地方，分组路由和避免拥塞是网际层主要解决的问题。网际层主要解决的问题。网际层使用的主要协议是IP协议协议。21计算机网络技术及应用第21页，共33页。2.3 TCP/IP体系结构o传输层 传输层解决的是“端到端”的通信问题。它的功能是使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话，和OSI的传输层一样，传输层定义了两个端到端的协议。第一个是传输控制协议传输控制协议TCP，它是一个面向连接的协议，允许从一台机器发出的字节流无差错地发往互联网上的其他机器。第二个协议是用户数据报协议用户数据报协议UDP，它是一个不可靠的、无
15、连接协议。22计算机网络技术及应用第22页，共33页。2.3 TCP/IP体系结构o应用层 应用层提供一组常用的应用程序给用户，应用程序和提供一组常用的应用程序给用户，应用程序和传输层协议相配合，完成发送或接收数据。传输层协议相配合，完成发送或接收数据。每个应用程序都有自己的数据格式，它可以是一系列报文或字节流，但不管采用哪种格式，都要将数据传送给传输层以便交换。应用层包含所有的高层协议，如文件传输协议FTP、电子邮件协议SMTP、超文本传输协议HTTP等。23计算机网络技术及应用第23页，共33页。补：TCP/IP协议TCP/IP协议，它源于ARPANET网，现在已成为Internet的通信
16、协议。TCP/IP协议成功地解决了不同网络之间难以互连的问题，实现了异构网的互连。TCP/IP协议簇与TCP/IP分层结构的对应关系。24计算机网络技术及应用第24页，共33页。补：TCP/IP协议1 路由选择协议（处理数据寻址并决定抵达目的地的最佳路径）r IP(Internet Protocol)网际协议。负责数据报的传输、寻径以及差错处理。r ICMP(Internet Control Message Protocol)网际控制报文协议。在IP数据报传输系统中，IP网关完成寻径和报文传输工作，当中间网关发现传输错误时，立即向信源机发送ICMP报文，报告出错情况，以便信源机采取相应纠正措施
17、。r ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议。负责实现从IP地址到物理地址的映射。r RARP(Reverse Address Resolution Protocol)逆向地址解析协议。负责实现从物理地址到IP地址的映射。25计算机网络技术及应用第25页，共33页。补：TCP/IP协议2 传输协议（控制两台计算机间的数据传输）r TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议。是一个基于连接的服务，意味着发送端和接收端先建立连接，再发送数据。r UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议。是一个无
18、连接的服务。一般情况下，UDP与TCP共存于一个网络中，TCP提供可靠的连接服务，UDP提供高效率无连接服务。26计算机网络技术及应用第26页，共33页。补：TCP/IP协议3 用户服务协议（用户可以使用的实用程序）r FTP（File Transfer Protocol）文件传输协议。实现将文件从一台计算机传输到另一台计算机。r Telnet远程登录协议。允许用户在本地计算机上对远程计算机进行登录，可使本地计算机上键盘输入逐键传到远地机，同时将远地机上输出回送给本地计算机。r DNS（Domain Name Server）域名解析系统。主要负责将域名解析成网络可以识别的IP地址。r SMTP
19、（Simple Mail Transfer Protocol)简单邮件传输协议。是一种提供可靠且有效电子邮件传输的协议。主要用于传输系统之间的邮件信息并提供来信有关的通知。27计算机网络技术及应用第27页，共33页。2.4 计算机局域网协议 o从总体上看，局域网协议较为简单，一般仅有二层或三层。物理层与OSI定义的类似，国际标准化组织已经对物理介质、附属设备和层间接口做了定义说明。由于局域网多采用广播通信技术，需要很好地解决信道争用问题，故数据链路层的一些细节问题与OSI定义的不同。OSI的网络层主要解决路径选择问题，而局域网没有路由问题，一个节点发出的信息其他节点都可以收到，所以局域网一般不
20、设该层，OSI网络层的其他功能合并到数据链路层。对于第四到第七层，局域网系统没有明确的定义，故高层仍用OSI的协议标准，多把其他高层作为一层来处理。28计算机网络技术及应用第28页，共33页。2.4 计算机局域网协议1 IEEE802标准简介 o在ISO/OSI参考模型中，其低三层协议是依赖具体网络的，计算机局域网是一种具体的网络，共享信道是它的特性。遵循ISO/OSI参考模型的原则，IEEE802系列标准协议主要解决局域网低三层的功能，其对应的LAN/RM如下图所示。网际层LLC子层MAC子层物理层29计算机网络技术及应用第29页，共33页。2.4 计算机局域网协议oIEEE802标准的物理
21、层处理机械、电气、功能和规程等方面的特性，其功能主要有：对信号的编码和译码、生成和去掉用于同步的前导码以及发送和接收比特流，提供建立、维护和断开物理连接的物理实施。oIEEE802标准不单独设立网络层。但考虑到多个IEEE802局域网需要互连，IEEE802在LLC之上设立了网际层。30计算机网络技术及应用第30页，共33页。2.4 计算机局域网协议o在ISO/OSI参考模型中，数据链路层的功能简单，它只负责把数据从一个节点可靠地传输到相邻的节点。但在局域网中，多个站点共享传输介质，在节点间传输数据之前必须首先解决由哪个设备使用传输介质，因此数据链路层要有介质访问控制功能。由于介质的多样性，所
22、以必须提供多种介质访问控制方法。o为此IEEE802标准把数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制逻辑链路控制（LLCLLC）子层和介质访问控制（）子层和介质访问控制（MACMAC）子层。）子层。LLC子层负责向网际层提供服务，它提供的主要功能是寻址、差错控制和流量控制等；MAC子层的主要功能是控制对传输介质的访问，不同类型的LAN，需要采用不同的控制法，并且在发送数据时负责把数据组装成带有地址和差错校验段的帧，在接收数据时负责把帧拆封，执行地址识别和差错校验。31计算机网络技术及应用第31页，共33页。2.4 计算机局域网协议2 IEEE802标准系列 o对于使用不同传输介质的不同局域网，IEEE局域网标准委员会分别制定了不同的标准，适用于不同的网络环境，这些标准如下表所示。32计算机网络技术及应用第32页，共33页。2.4 计算机局域网协议3 IEEE802标准与OSI参考模型之间的关系33计算机网络技术及应用第33页，共33页。
