計(jì)算機(jī)網(wǎng)的的體系結(jié)構(gòu)

1、第三章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 教學(xué)要求 1掌握：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的概念，協(xié)掌握：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的概念，協(xié)議的概念，開放系統(tǒng)互連（議的概念，開放系統(tǒng)互連（OSI）模型模型的概念。的概念。 2理解：開放系統(tǒng)互連（理解：開放系統(tǒng)互連（OSI）模模型各層的功能。型各層的功能。TCP/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。 3了解：了解：OSI模型與模型與TCP/IP模型模型的比較。的比較。 3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議的概念 3.1.1 網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu) 為了減少計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將其功能劃分成若干個(gè)層次（Layer），較高層次建立在較低層次的基礎(chǔ)上，并為其更高

2、層次提供必要的服務(wù)功能。 這種分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是： 1獨(dú)立性強(qiáng) 2適應(yīng)性強(qiáng) 3易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù) 3.1.2 協(xié)議協(xié)議（Protocol） 共享計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的資源，以及在網(wǎng)中交換信息，就需要實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)中的實(shí)體的通信。實(shí)體包括用戶應(yīng)用程序、文件傳輸信息包、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、電子郵件設(shè)備以及終端等。兩個(gè)實(shí)體要想成功地通信，它們必須具有同樣的語(yǔ)言。交流什么，怎樣交流以及何時(shí)交流，都必須遵從有關(guān)實(shí)體間某種相互都能接受的一些規(guī)則，這些規(guī)則的集合稱為協(xié)議。 協(xié)議的關(guān)鍵成分是： 1語(yǔ)法（Syntax） 語(yǔ)法確定協(xié)議元素的格式，即規(guī)定了數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)和格式。 2語(yǔ)義（Semantics） 語(yǔ)義確定協(xié)議元素的類型

3、，即規(guī)定通信雙方要發(fā)出何種控制信息、完成何種動(dòng)作以及做出何種應(yīng)答。 3定時(shí)（Timing） 定時(shí)確定通信速度的匹配和排序，即有關(guān)事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明。 3.2 開放系統(tǒng)互連參考模型 3.2.1 ISO/OSI參考模型參考模型 為了實(shí)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間以及不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO對(duì)當(dāng)時(shí)的各類計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并于1981年正式公布了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，稱為開放系統(tǒng)互連參考模型，即ISO/OSI模型。這里的“開放”表示任何兩個(gè)遵守ISO/OSI的系統(tǒng)都可以進(jìn)行互連，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)能按ISO/OSI與另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí)，就稱該系統(tǒng)為開放系統(tǒng)。

4、 ISO/OSI采用分層的結(jié)構(gòu)化技術(shù)，它將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能劃分為7層，由底向上依次是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層，其分層模型如圖所示。 OSI參考模型的主要特性為： n是一種異構(gòu)系統(tǒng)互連的分層結(jié)構(gòu)；n它提供了控制互連系統(tǒng)交互規(guī)則的標(biāo)注框架；n是一種抽象結(jié)構(gòu)，而不是具體實(shí)現(xiàn)的描述；n不同系統(tǒng)上的相同層的實(shí)體稱為同等層實(shí)體，同等層實(shí)體之間的通信由該層協(xié)議管理，即必須遵循相應(yīng)的協(xié)議；n相鄰層間的接口，定義了低層向上層提供的服務(wù)；n所提供的公共服務(wù)是面向連接的或無(wú)連接的數(shù)據(jù)服務(wù)；n直接的數(shù)據(jù)傳送僅在最底層實(shí)現(xiàn)； 下面對(duì)OSI各層的功能作一簡(jiǎn)單介紹。 第1層：物理層（Physi

5、cal Layer），在物理信道上傳輸原始的數(shù)據(jù)比特（bit）流，提供為建立、維護(hù)和拆除物理鏈路所需的各種傳輸介質(zhì)、通信接口特性等。 第2層：數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer），在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的線路上通過(guò)檢測(cè)、流量控制和重發(fā)等手段，無(wú)差錯(cuò)地傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)。 第3層：網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer），為傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸提供建立、維護(hù)和終止網(wǎng)絡(luò)連接的手段，把上層來(lái)的數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行交換傳送，并且負(fù)責(zé)路由選擇和擁塞控制。 第4層：傳輸層（Transport Layer），將其以下各層的技術(shù)和工作屏蔽起來(lái)，使高層看來(lái)數(shù)據(jù)是直接從端到端的，即應(yīng)用程序間的。 第5層：會(huì)話層

6、（Session Layer），在兩個(gè)不同系統(tǒng)的互相通信的應(yīng)用進(jìn)程之間建立、組織和協(xié)調(diào)交互。 第6層：表示層（Presentation Layer），把所傳送的數(shù)據(jù)的抽象語(yǔ)法變?yōu)閭魉驼Z(yǔ)法，即把不同計(jì)算機(jī)內(nèi)部的不同表示形式轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)通信中的標(biāo)準(zhǔn)表示形式。此外，對(duì)傳送的數(shù)據(jù)加密（或解密）、正文的壓縮（或還原）也是表示層的任務(wù)。 第7層：應(yīng)用層（Application Layer），為用戶提供應(yīng)用的接口，即提供不同計(jì)算機(jī)之間的文件傳送、訪問(wèn)與管理、電子郵件的內(nèi)容處理、不同計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交互訪問(wèn)的虛擬終端功能等等。 3.2.2 物理層物理層 物理層是OSI模型的最低層，向下直接與物理信道相連接。物理層

7、協(xié)議是各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行互連時(shí)必須遵守的低層協(xié)議。設(shè)立物理層的目的是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)物理設(shè)備之間的二進(jìn)制比特流的透明傳輸，而對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽物理傳輸介質(zhì)的特性，以便對(duì)高層協(xié)議有最大的透明性。 ISO對(duì)OSI模型中的物理層做了如下定義：物理層為建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間的二進(jìn)制比特傳輸?shù)奈锢磉B接提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。物理連接可以通過(guò)中繼系統(tǒng)，允許進(jìn)行全雙工或半雙工的二進(jìn)制比特流的傳輸。物理層的數(shù)據(jù)服務(wù)單元是比特，它可以通過(guò)同步或異步的方式進(jìn)行傳輸。 也就是說(shuō)，物理層設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 1通信接口與傳輸媒體的物理特性 除了不同的傳輸介質(zhì)自身的物理特性外，物理層還對(duì)通信設(shè)備和

8、傳輸媒體之間使用的接口做了詳細(xì)的規(guī)定，主要體現(xiàn)在4個(gè)方面： （1）機(jī)械特性 （2）電氣特性 （3）功能特性 （4）規(guī)程特性 2物理層的數(shù)據(jù)交換單位為二進(jìn)制比特 為了傳輸比特流，可能需要對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制或編碼，使之成為模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)或光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在不同的傳輸介質(zhì)上傳輸。 3比特的同步 物理層規(guī)定了通信的雙方必須在時(shí)鐘上保持同步的方法，比如異步傳輸和同步傳輸?shù)取?4線路的連接 物理層還考慮了通信設(shè)備之間的連接方式，比如，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接中，兩個(gè)設(shè)備之間采用了專用鏈路連接，而在多點(diǎn)連接中，所有的設(shè)備共享一個(gè)鏈路。 5傳輸方式 物理層也定義了兩個(gè)通信設(shè)備之間的傳輸方式，如單工、半雙工和全

9、雙工。 3.2.3 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)幀的正確傳送，即通過(guò)校驗(yàn)、確認(rèn)、反饋、重發(fā)等手段將原始的物理連接改造為無(wú)差錯(cuò)的理想的數(shù)據(jù)鏈路。為實(shí)現(xiàn)這些功能，數(shù)據(jù)鏈路層涉及到的內(nèi)容包括以下幾點(diǎn): 1成幀 2物理地址尋址 3流量控制 4差錯(cuò)控制 5接入控制 3.2.4 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的作用是實(shí)現(xiàn)分別位于不同網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)包傳輸，它和數(shù)據(jù)鏈路層的作用不同，數(shù)據(jù)鏈路層只是負(fù)責(zé)同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的相鄰節(jié)點(diǎn)之間的鏈路管理及幀的傳輸?shù)葐?wèn)題。因此，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，并不需要網(wǎng)絡(luò)層，只有當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在不同的網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，通常才會(huì)涉及到網(wǎng)絡(luò)層的功能

10、，從而保證了數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的正確傳輸。而且，網(wǎng)絡(luò)層要負(fù)責(zé)確定在網(wǎng)絡(luò)中采用何種技術(shù)，從源節(jié)點(diǎn)出發(fā)選擇一條通路通過(guò)中間的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包最終送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。 為實(shí)現(xiàn)這些功能，網(wǎng)絡(luò)層涉及的概念有以下幾個(gè)。 1邏輯地址尋址 2路由功能 3流量控制 4擁塞控制 3.2.5 其他各層簡(jiǎn)介其他各層簡(jiǎn)介 1傳輸層 傳輸層是資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的接口和橋梁，它完成了資源子網(wǎng)中兩節(jié)點(diǎn)間的直接邏輯通信，實(shí)現(xiàn)了通信子網(wǎng)端到端的可靠傳輸。傳輸層下面的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層均屬于通信子網(wǎng)，可完成有關(guān)的通信處理，向傳輸層提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；傳輸層上面的會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層完成面向數(shù)據(jù)處理的功能，并為用戶提供與網(wǎng)絡(luò)之間的接

11、口。因此，傳輸層在OSI模型起到承上啟下的作用，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分。 2會(huì)話層 會(huì)話層建立在傳輸層之上，它利用傳輸層提供的服務(wù)，使得兩個(gè)會(huì)話實(shí)體之間不用考慮它們之間相隔多遠(yuǎn)、使用了什么樣的通信子網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信細(xì)節(jié)，而進(jìn)行透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。 3表示層 表示層處理的是OSI系統(tǒng)之間用戶信息的表示問(wèn)題。表示層不像OSI模型的低5層那樣只關(guān)心將信息可靠的從一端傳輸?shù)搅硗庖欢?，它主要涉及被傳輸信息的?nèi)容和表示形式，如文字、圖形、聲音的表示。另外，數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)加密等工作都是由表示層負(fù)責(zé)處理的。 4應(yīng)用層 應(yīng)用層是OSI模型的最高層，它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與最終用戶間的接口，它包含了系統(tǒng)管理員管理網(wǎng)絡(luò)服

12、務(wù)所涉及的所有問(wèn)題和基本功能。它在下面6層提供的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)表示等各種服務(wù)的基礎(chǔ)上，為網(wǎng)絡(luò)用戶或應(yīng)用程序提供完成特定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能所需的各種應(yīng)用協(xié)議。 3.3 TCP/IP的體系結(jié)構(gòu) 3.3.1 TCP/IPTCP/IP概述概述 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是指?jìng)鬏斂刂茀f(xié)議/網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議，是針對(duì)Internet開發(fā)的一種體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其目的在于解決異種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信問(wèn)題，使得網(wǎng)絡(luò)在互連時(shí)把技術(shù)細(xì)節(jié)隱藏起來(lái)，為用戶提供一種通用、一致的通信服務(wù)。TCP/IP起源于美國(guó)ARPANET，由它的兩個(gè)主要協(xié)議TCP協(xié)

13、議和IP協(xié)議而得名。通常所說(shuō)的TCP/IP協(xié)議實(shí)際上包含了大量的協(xié)議和應(yīng)用，且由多個(gè)獨(dú)立定義的協(xié)議組合在一起，因此，更確切地說(shuō)，應(yīng)該稱其為TCP/IP協(xié)議族。TCP/IP協(xié)議具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： n 開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以免費(fèi)使用，并且獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)。n 獨(dú)立于特定的網(wǎng)絡(luò)硬件，可以運(yùn)行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)中，更適用于互聯(lián)網(wǎng)中。n 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)地址分配方案，使得整個(gè)TCP/IP設(shè)備在網(wǎng)中都具有唯一的地址。n標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務(wù)。 3.3.2 TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu) TCP/IP模型由4個(gè)層次組成，它們分別是網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際網(wǎng)層、傳輸層和應(yīng)用層。TCP/I

14、P的層次結(jié)構(gòu)與OSI層次結(jié)構(gòu)的對(duì)照關(guān)系如圖所示。 OSI模型和TCP/IP模型的對(duì)照 1網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)接口層 TCP/IP模型的最低層是網(wǎng)絡(luò)接口層，它包括了能使用TCP/IP與物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的協(xié)議，且對(duì)應(yīng)著OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。它的功能是接收IP數(shù)據(jù)報(bào)并通過(guò)特定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，或從網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽取出IP數(shù)據(jù)報(bào)并轉(zhuǎn)交給上一層。TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)并沒有定義具體的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議，目的是能夠適應(yīng)各種類型的網(wǎng)絡(luò)，如LAN、MAN和WAN。這也說(shuō)明了TCP/IP協(xié)議可以運(yùn)行在任何網(wǎng)絡(luò)之上。 2網(wǎng)際網(wǎng)層網(wǎng)際網(wǎng)層 網(wǎng)際網(wǎng)層又稱網(wǎng)絡(luò)層、IP層，負(fù)責(zé)相鄰計(jì)算機(jī)之間的通信。它包括三方面的功能：第一，處理來(lái)

15、自傳輸層的分組發(fā)送請(qǐng)求，收到請(qǐng)求后，將分組裝入IP數(shù)據(jù)報(bào)，填充報(bào)頭，選擇去往目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的路徑，然后將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口；第二，處理輸入的數(shù)據(jù)報(bào)，首先檢查其合法性，然后進(jìn)行路由選擇。假如該數(shù)據(jù)報(bào)已經(jīng)到達(dá)信宿本地機(jī)，則去掉報(bào)頭，將剩下部分（TCP分組）交給適當(dāng)?shù)膫鬏攨f(xié)議；假如該數(shù)據(jù)報(bào)尚未到達(dá)信宿，即轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報(bào)；第三，處理路徑、流量控制、擁塞等問(wèn)題。另外，網(wǎng)際網(wǎng)層還提供差錯(cuò)報(bào)告功能。 3傳輸層傳輸層 TCP/IP的傳輸層與OSI的傳輸層類似，它的根本任務(wù)是提供端到端的通信。傳輸層對(duì)信息流具有調(diào)節(jié)作用，提供可靠性傳輸，確保數(shù)據(jù)到達(dá)無(wú)誤，也不錯(cuò)亂順序。 4應(yīng)用層 在TCP/IP模型中，應(yīng)用層是最高

16、層，它對(duì)應(yīng)OSI參考模型中的會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。它向用戶提供一組常用的應(yīng)用程序，例如文件傳送、電子郵件等。 3.3.3 TCP/IP協(xié)議族協(xié)議族 在TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)中包括了4個(gè)層次，但實(shí)際上只有3個(gè)層次包含了協(xié)議。TCP/IP中的各層的協(xié)議如圖所示。 TCP/IP協(xié)議族 1網(wǎng)際網(wǎng)層協(xié)議（1）網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議（Internet Protocol，IP） （2）網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議（Internet Control Message Protocol，ICMP） （3）網(wǎng)際主機(jī)組管理協(xié)議（Internet Group Management Protocol，IGMP） （4）地址解析協(xié)議（Addr

17、ess Resolution Protocol，ARP）和反向地址解析協(xié)議RARP 2傳輸層協(xié)議（1）傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP） （2）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP） 3應(yīng)用層協(xié)議 在TCP/IP模型中，應(yīng)用層包括了所有的高層協(xié)議，而且總是不斷有新的協(xié)議加入，應(yīng)用層協(xié)議主要有以下幾種： 遠(yuǎn)程終端協(xié)議TELNET：本地主機(jī)作為仿真終端登錄到遠(yuǎn)程主機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序。 文件傳輸協(xié)議FTP：實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間的文件傳輸。 簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議SMTP：實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間電子郵件的傳送。 域名服務(wù)DNS：實(shí)現(xiàn)主機(jī)名與IP地址

18、之間的映射。 動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP：實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的地址分配和配置工作。 路由信息協(xié)議RIP：用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間交換路由信息。 超文本傳輸協(xié)議HTTP：用于Internet中的客戶機(jī)與WWW服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS：實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間的文件系統(tǒng)的共享。 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理。3.4 OSI模型與TCP/IP模型的比較 OSI和TCP/IP有著許多的共同點(diǎn)： n采用了協(xié)議分層方法，將龐大且復(fù)雜的問(wèn)題劃分為若干個(gè)較容易處理的范圍較小的問(wèn)題。n各協(xié)議層次的功能大體上相似，都存在網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)通信，并完成路由選擇、流量控制和擁塞控制功能；傳輸層實(shí)現(xiàn)端到端通信，將高層的用戶應(yīng)用與低層的通信子網(wǎng)隔離開來(lái)，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罱K可靠性。傳輸層的以上各層都是面向用戶應(yīng)用的，而以下各層都是面向通信的。 n兩者都可以解決異構(gòu)網(wǎng)的互連，實(shí)現(xiàn)世界上不同廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)之間的通信。n都是計(jì)算