1、第3 3章 计算机网络体系结构与协议3.1 3.1 网络体系结构的基本概念3.2 3.2 开放系统互联参考模型(OSI(OSIRM)RM)3.3 TCP/IP3.3 TCP/IP体系结构3.43.4OSIOSI与TCP/IPTCP/IP两种模型的比较3.5 InternetIP3.5 InternetIP协议与IPIP地址整 体 概 述THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW,P L E A S E S U M M A R I Z E T H E C O N T E N T第一部分第3 3章 计算机网络体系结构与协议3.1 3.1 网络体系结构的基本概念3.
2、1.1 3.1.1 网络体系结构和网络协议的概念 计算机网络体系结构指的是整个网络系统的逻辑和功能分配，定义和描述了一组用于计算机与其通信设施之间互连的标准和规范的集合。遵循这组标准和规范就可以方便地实现计算机设备之间的通信。计算机网络是计算机和通信设备的集合，这些设备能够通过传输介质使用通用网络协议相互通信.共享资源。在计算机网络中 存在着各种不同的计算机和不同的设备，它们可能存在着很大的差异。为了使各种不同的系统能够进行正常的通信，通信的双方必须遵守共同一致的规则和约定。网络协议，就是为在网络中进行的数据交换而建立的一种双方都能识别和理解的规则.标准或约定。一个网络协议主要由以下3要素组成
3、：（1）语法，数据与控制信息的结构或格式。即对通信双方采用的数据格式.编码等进行定义。例如，报文中内容的顺序、形式等等；（2）语义，需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种 响应。即对发出请求、执行的动作，以及对方的应答做出解释。例如，对于报文，它由什么部分组成，哪些部分用于控制数据，哪些部分是真正的通信内容；（3）同步，即事件实现顺序的详细说明。例如，是采用同步传输还是异步传输。3.1.2 3.1.2 网络的层次概念 当前实际运行的邮政系统的工作流程示意图如图3-1，图中清晰地表明了信件发送和接收的过程。整个工作过程可以看作一个分为四层的层次结构。图3-1 邮政系统工作流程 这种分层的
4、做法，使每一层实现一种相对简单和独立的功能，将复杂的问题分解为若干较易处理的简单问题。计算机网络是一个非常复杂的系统，网络通信也相当复杂，涉及各种软.硬件设备。经验告诉我们，结构化设计方法解决问题的思想就是将系统模块化.并层次组织各模块。计算机网络通信的的实现过程也采用分层结构化设计。1.计算机网络中采用分层体系结构 计算机网络上的通信相当复杂。如果用一个协议规定通信的全过程，将是一个非常困难的事情。与其他复杂的体系一样，计算机网络系统的实现也采用分层结构化方法。2.计算机网络中采用分层体系结构，主要有以下几点好处（1）各层之间可相互独立，问题简单化。（2）灵活性好。（3）易于实现和维护。（4
5、）有利于促进标准化。3.计算机网络中采用分层体系结构各层次间的关系 （1）每一层都由一些实体组成，这些实体抽象地表示了通信时的硬件元素（如I/O芯片）或软件元素（如进程）。不同机器上同一层的实体叫做对等实体。计算机网络中，正是对等实体利用该层的协议在互相通信。（2）系统中各相邻层之间要有一个接口，它定义了较低层向较高层提供的原始操作和服务。相邻层通过相互之间的接口进行信息交换，高层并不需要知道低层是如何实现的，仅需要知道该层通过层间的接口所能提供的服务，这样使得两层之间很好的保持了功能独立性。（3）对于网络结构化层次模型，其特点是每一层都建立在它的较低一层之上，每一层都是向它的上一层提供服务，
6、根本不需要知道下一层是如何实现服务的。这样每一层在实现自身功能时，直接使用较低一层提供的服务，而间接地使用了更低层提供的服务，并向较高一层提供更完善的服务，同时屏蔽了具体实现这些功能的细节。3.2 3.2 开放系统互联参考模型(OSI(OSIRM)RM)开放系统互联OSI中的“开放”，是指凡遵守OSI标准的系统可以互联，彼此能开放式地进行通信。在OSI术语中，将在现实世界中能够进行信息处理或信息传送的自治整体叫做实系统。若一个实系统在和其他实系统通信时遵守OSI标准，这样的实系统便称为开放实系统。但是，一个开放实系统的各种功能不一定都与互联有关，在开放实系统中其功能与互联无关的部分称为本地系统
7、，与互联有关的各部分称为开放系统，开放系统互联参考模型中的系统即指在开放实系统中与互联有关的各部分。它是为在世界范围内实现开放系统之间的互联而制定的一种国际标准，是国际性的网络体系结构标准。3.2.2 OSI 3.2.2 OSI参考模型的结构 ISO/OSI只给出了一些原则性的说明，并不是一个具体的网络。它将整个网络的功能划分成七个层次，规定了网络通信每一层的功能，为网络通信的设计规划出一张蓝图。OSI参考模型的最高层为应用层，面向用户提供各种应用服务；最低层为物理层，与通信介质相连实现真正的数据通信。两个用户计算机进行网络通信时，只有物理层存在直接的数据交流，其余各对等层之间均不存在直接的数
8、据交流，而是通过各对等层的协议来进行通信。将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题的方法，称为分层体系结构方法。其划分原则如下：（1）不同节点都划分为相同的层次结构。（2）不同节点相同层实现一个定义明确的相同功能。（3）每层功能的选择应该有助于制定网络协议的规范。（4）各层边界的选择应尽量减少接口间的通信量。（5）分层数不能太多也不能太少，避免功能划分不清楚和结构繁琐。OSI将这7层从低到高分别叫做物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。如图3-2所示为ISO/OSI的7层结构。图3-2 ISO/OSI 7层参模型 不同节点的同等层次具有相同的功能，同一节点内相邻
9、层之间通过接口通信；每一层使用其更低一层提供的服务，并向其更高一层提供服务，同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信(虚拟通信)，如图3-3所示。图3-3 ISO/OSI 两节点的层次模型 3.2.3 OSI/OSI 7 3.2.3 OSI/OSI 7层功能简介 1物理层 物理层的主要任务就是透明地传送二进制比特流，但是物理层并不关心比特流的实际意义和结构，只是负责接收和传送比特流。为了实现物理层的功能，该层所涉及的内容主要有以下几个方面：（1）通信连接端口与传输媒体的物理和电气特性（2）比特流的同步和传输方式（3）网络的物理拓扑结构（4）物理层完成的其他功能 2数据链路层 数据链路层（简称
10、链路层）传输数据的单位是帧，其主要任务是通过数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。由于物理层仅仅接收和传送比特流，并不关心比特流的意义和结构，所以数据链路层要产生和识别数据帧的边界。另外，数据链路层还提供了差错控制与流量控制的方法，保证在物理线路上传送的数据无差错。数据链路层具体内容如下：（1）成帧（2）物理地址寻址（3）流量控制（4）差错控制（5）接入控制 3网络层 网络层传送的数据单位是报文分组或包。网络层的关键问题是如何进行路由选择，使发送站的传输层所传下来的报文能够正确无误地交付给目的站的传输层。路由选择的好坏在很大程度上决定了网络的性能，如网络吞吐量.平均延迟时间
11、.资源的有效利用率等。网络层的具体内容有以下几点：（1）逻辑地址寻址 （2）路由功能 （3）流量控制 （4）拥塞控制 4传输层 传输层所传送的数据单位是报文。传输层是通信子网（下面3层）和资源子网（上面3层）的分界线，它屏蔽了传输层以下的数据通信细节，使高层用户感觉不到通信子网的存在。传输层的主要功能是从会话层接收数据报文，并且当所发送的报文较长时，并且当所发送 的报文较长时，在传输层先要把它分割成若干个报文分组，然后再交给它的下一层（即网络层）进行传输。另外，这一层还负责报文错误的确认和恢复，以确保信息的可靠传递。5会话层 会话层允许不同机器上的用户建立会话关系，它主要是针对远程访问，目的是
12、完成正常的数据交换，并提供了对某些应用的增强服务会话。会话层的主要任务包括会话管理.传输同步以及数据交换管理等。6表示层 表示层关心的是所传输的信息的语法和语义，但其 仅完成语法的处理，而语义的处理是由应用层来完成的。其主要功能有：用于处理在多个通信系统之间交换信息的表示方式，包括数据格式的转换 7应用层 应用层是OSI网络体系结构的最高层，是计算机网络与最终用户间的界面，为网络用户之间的通信提供专用的程序。在OSI/RM中底三层，即物理层.数据链路层.网络层，负责有关通信子网的工作，属传输控制层；上三层，即会话层.表示层.应用层负责有关资源子网的工作，属应用控制层；而第四层连接通信子网和资源
13、子网，是前两者的接口。3.2.4 OSI 3.2.4 OSI环境中的数据传输过程 对等层协议之间需要交换的信息单元叫协议数据单元（PDU）。节点对等层之间的通信只有物理层之间直接进行信息交换，其余各对等层之间的通信并不能直接进行，如节点A的传输层和节点B的传输层之间通信时，它们之间并不是直接通信，而要借助它们下层的网络层来进行通信，网络层再借助链路层进行通信，依次直到物理层，在物理层两节点直接通信。OSI模型中的数据传输过程如图3-4所示。图3-4 OSI模型中的数据传输过程 在发送方节点A内，上层和下层之间进行数据传输，每经过一层，都会对数据附加上这一层的信息，一个使接收方节点B的同一层能识
14、别的头部控制信息。这个附加信息的过程称为数据打包或数据封装，去除这个附加信息称为数据拆包或数据拆封。数据的封装与拆封过程如图3-5所示。图3-5 数据的封装与拆封 节点A的信息由上层往下发送过程不断附加头部控制信息，因所要发送的数据越来越大，最后在物理层以二进制数传输到节点B的物理层。节点B的物理层收到一个附加了很多头部控制信息的数据，在物理层向上传输时，每一层将各自对应的头部控制信息去掉，即不断的拆封，当数据传输到应用层时，应用层所得到的数据和节点A在应用层时所以送的数据是一样的。图3-6 给出了一个完整的OSl数据传递与流动过程图3-6 OSI数据传递与流动过程 OSI模型中的通信控制处理
15、机数据传输过程包括以下几步：（1）节点A将数据传输到应用层，表示层，会话层直至物理层。（2）物理层通过连接该主机系统与通信控制处理机CCPA 的传输介质，把数据传输到通信控制处理机CCPA。（3）通信控制处理机CCPA的物理层收到数据，经数据链路层进行数据校验后，通过网络层的路由选择，确定下一个结点是通信控制处理机CCPB。（4）通信控制处理机CCPB的物理层收到通信控制处理机CCPA发送的数据后，把数据发送到节点B的物理层。（5）节点B接收到数据后从物理层向高层传送到应用层，完成从节点A传输数据到节点B的过程。3.3 TCP/IP3.3 TCP/IP体系结构 3.3.1 TCP 3.3.1
16、TCPIPIP参考模型的概述 TCP/IP（Transmission Contol Protocol/Internet Protocol）是指传输控制协议/网际协议。现在TCP/IP已经成为了计算机网络通信协议事实上的工业标准。TCP/IP协议集也是由一组采用分层体系结构的协议集组成。3.3.1 TCP 3.3.1 TCPIPIP参考模型 TCP/IP包括以下几个特点：（1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。（2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网.广域网.因特网中。（3）统一的网络地址分配方案，使得每个TCPIP设备在网络中都具有惟一的地址。（4）标准化
17、的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。TCPIP体系结构共划分为4个层次，应用层.传输层.互联层和网络接口层。TCP/IP体系结构与OSI/参考模型的对应关系如图3-7所示。图3-7 TCP/IP体系结构 TCPIP的分层体系结构与ISOOSI参考模型的分层有一定的对应关系。图3-8给出了这种对应关系。图3-8 TCP/IP体系结构与OSI参考模型的对应关系 1网络接口层 网络接口层在TCP/IP体系结构的最低层，与OSI参考模型的物理层和数据链路层相对应，TCP/IP对网络接口层并没有给出具体的规定，使得它可以灵活地与多种类型的网络进行连接，在网络接口层支持多种网络层协议，如以太网协议（E
18、thernet）.令牌环网协议（Token Ring）.分组交换网协议（X.25）等。2互联层 互联层也称为网际层，是在Internet标准中正式定义的第一层，在TCP/IP体系结构的第二层，它的主要功能是负责通过网络接口层发送IP数据报，或接收来自网络接口层的帧并将其转换为IP数据报，然后为该数据报 进行路径选择，最终将数据报从源主机发送到目的主机。3传输层 传输层是TCP/IP参考模型中的第三层。它的主要功能是使发送方主机和接收方主机上的对等实体可以进行会话。TCP/IP参考模型的传输层和OSI参考模型的传输层功能类似。TCP/IP体系结构在传输层上定义了以下两个端到端的协议。（1）传输控
19、制协议(TCP)（2）用户数据报协议(UDP)4应用层 TCP/IP协议的应用层处于第四层，对应于OSI模型的上三层，该层提供各种网络服务，如文件传输.域名服务.远程登录和简单网络管理等，向用户提供调用和访问网络中各种应用程序的接口，并向用户提供各种标准的应用程序及相应的协议。3.3.3 TCP/IP 3.3.3 TCP/IP的协议组合 在TCP/IP的层次结构中包括了4个层次，但实际上只有3个层次包含了实际的协议。TCP/IP中各层的协议如图3-9所示。图3-9 TCP/IP体系结构与协议栈的对应关系 1 1网际层的协议 (1)网际协议(IP)IP协议的任务是对数据包进行相应的寻址和路由，并
20、从一个网络转发到另一个网络。IP协议在每个发送的数据包前加入一个控制信息，其中包含了源主机的IP地址(IP地址相当于OSI模型中网络层的逻辑地址).目的主机的IP地址和其他一些信息。协议的另一项工作是分割和重编在传输层被分割的数据包。IP是一个无连接的协议。无连接是指主机之间不建立用于可靠通信的端到端的连接，源主机只是简单地将IP数据包发送出去，而IP数据包可能会丢失.重复，延迟时间大或者次序混乱。要实现数据包的可靠传输，就必须依靠高层的协议或应用程序。(2)网际控制报文协议(ICMP)网际控制报文协议ICMP为IP协议提供差错报告。由于IP是无连接的，且不进行差错检验，当网络上发生错误时它不
21、能检测错误。向发送IP数据包的主机汇报错误就是ICMP的责任。(3)网际组管理协议(IGMP)IP协议只是负责网络中点到点的数据包传输，而点到多点的数据包传输则要依靠网际主机组管理协议IGMP来完成。(4)地址解析协议(ARP)和反向地址解析协议（RARP）计算机网络中各主机之间要进行通信时，必须要 知道彼此的物理地址(OSI模型中数据链路层的地址)。因此，在TCP/IP的网际层有ARP和RARP协议，它们的作用是将源主机和目的主机的IP地址与它们的物理地址相匹配。2传输层协议 (1)传输控制协议(TCP)TCP协议是传输层的一种面向连接的通信协议，它提供可靠的数据传送。对于大量数据的传输，通
22、常都要求有可靠的传送。TCP协议将源主机应用层的数据分成多个分段，然后将每个分段传送到网际层，网际层将数据封装为IP数据包，并发送到目的主机。目的主机的网际层将IP数据 包中的分段传送给传输层，再由传输层对这些分段进行重组，还原成原始数据，并传送给应用层。(2)用户数据报协议(UDP)UDP协议是一种面向无连接的协议，因此，它不能提供可靠的数据传输。而且UDP不进行差错检验，必须由应用层的应用程序来实现可靠性机制和差错控制，以保证端到端数据传输的正确性。3应用层协议 在TCP/IP模型中，应用层包括了所有的高层协议，而且总是不断有新的协议加入，应用层的协议主要有以下几种：(1)远程终端协议TE
23、LNET (2)文件传输协议FTP (3)简单邮件传输协议SMTP (4)域名服务DNS (5)动态主机配置协议DHCP (6)路由信息协议RIP (7)超文本传输协议HTTP 3.4 3.4 OSI OSI与TCP/IPTCP/IP两种模型的比较 3.4.1 3.4.1 OSI OSI与TCP/IPTCP/IP的相似之处 1都采用了协议分层方法，将庞大且复杂的问题划分为若干个较容易处理的小问题。2各协议层次的功能大体上相同，都存在网络层.传输层和应用层。两者都可以解决异构网的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信。3都是计算机通信的国际性标准。OSI是国际通用的，而TCP/IP则是当
24、前工业界使用最多的。4都基于一种协议集的概念，协议集是一簇完成特定功能的相互独立的协议。3.4.2 3.4.2 OSI OSI与TCP/IPTCP/IP的差别 1OSI模型定义了服务.接口和协议三个主要的概 念，并将它们严格区分，而 TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务.接口和协议。后来，人们试图改变它以便接近于OSI。因此，OSI模型中的协议比TCP/IP的协议具有更好的隐藏性。2OSI参考模型是在具体协议制定之前设计的，这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议，因此非常通用。但却造成了在模型设计时考虑不很全面，有时不能完全指导协议某些功能的实现，从而反过来导致对模型的修修补补。TCP/I
25、P正好相反，协议在先，模型在后。模型实际上只不过是对已有协议的抽象描述，因此不会出现协议不能匹配模型的情况。.3OSI模型共分为7层，而TCP/IP只有4层，除网络层传输层和应用层外，其它各层都不相同。另外，TCP/IP虽然也分层次，但层次之间的调用关系也不像OSI那么严格。4OSI最初只考虑到用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连在一起。而TCP/IP在设计之初就着重考虑不同网络之间的互连问题，并将网际协议IP作为一个单独的重要的层次。5OSI认为数据传输的可靠性应该由点到点的数据链路层和端到端的传输层来共同保证。而TCP/IP分层思想认为，可靠性是端到端的问题，应该由传输层解决。它允许
26、单个的链路或机器丢失或损坏数据，网络本身不进行数据恢复，可靠性的工作是由主机完成。6OSI作为国际标准是由多个国家共同努力而制定的，不得不照顾到各个国家的利益，有时不得不走一些折衷路线，造成标准大而全，效率却低，难于实现。而TCP/IP参考模型并不是作为国际标准开发的，它只是对一种已有标准的概念性描述。所以，它的设计目的单一，影响因素少，协议简单高效，可操作性强，易于实现。3.5.1 3.5.1 网络互连协议IPIP IP（Internet Protocol）即网际协议，是应用最广泛的网间互连协议，它定义在网际层，为上层提供不可靠的数据投递.尽最大努力发送的.无连接的数据报传输服务。（1）不可
27、靠的数据投递服务。（2）尽最大努力发送服务。（3）无连接的数据报传输服务。由IP控制的协议单元称为IP数据报。IP数据报（IPv4）由报头和正文组成，如图3-10所示。图3-10 IP数据包格式 3.5.2 IP 3.5.2 IP地址的组成及分类 1IP地址的组成 在Internet中，IP地址由网络号（Network ID）和主机号（Host ID）两个部分组成，网络号用来标志互联网中的一个特定网络，而主机号则用来表示该网络中主机的一个特定节点。如图3-11所示。图3-11 IP地址的组成 2IP地址的分类 A类：A类的IP地址适合于超大型的网络 B类：B类的IP地址适合于大.中型网络 C类
28、：C类的IP地址适合于小型网络 D类：D类的用于多投点地址 E类：保留将来使用 图3-12 IP地址的五种类型 2.5.3 2.5.3 一些特殊的IPIP地址 （1）有限广播地址 （2）回送地址 （3）“0”地址 （4）多点广播地址 （5）全“0”地址 （6）私有地址 3.6.1 3.6.1 子网 所谓“子网”，就是把一个有 A.B和C类的网络地址，划分成若干个小的网段，这些被划分得更小的网段称为子网。划分子网的方法是：在表示主机地址的二进制数中划分出一定的位数用作本网的各个子网，剩余的部分作为相应子网的主机地址。如图3-13所示：图3-13 子网地址结构提问与解答环节Questions and answers结束语 感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边感谢观看The user can demonstrate on a projector or computer,or print the presentation and make it into a film
