大學計算機信息技術課件第2章(第1講)

1、第2章網(wǎng)絡體系結構 第1講 1.教學內(nèi)容與要求主要內(nèi)容 網(wǎng)絡體系結構概述（約30分鐘） 物理層（約20分鐘） 數(shù)據(jù)鏈路層（約50分鐘）重點與難點 了解網(wǎng)絡體系結構概念及TCP/IP體系結構 了解物理層的主要功能 掌握數(shù)據(jù)鏈路層的功能及主要協(xié)議2.2.1 網(wǎng)絡體系結構概述3.網(wǎng)絡體系結構發(fā)展的背景網(wǎng)絡的狀況多種通信媒介有線、無線。不同種類的設備通用、專用。不同的操作系統(tǒng)Unix、Windows 。不同的應用環(huán)境固定、移動。不同種類業(yè)務分時、交互、實時。寶貴的投資和積累有形、無形。用戶業(yè)務的延續(xù)性不允許出現(xiàn)大的跌宕起伏它們互相交織，形成了非常復雜的系統(tǒng)應用環(huán)境。 概述 在計算機網(wǎng)絡中

2、，不同系統(tǒng)的實體間應該能夠進行通信，實體是指各種應用程序、文件傳輸軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及終端等。兩個實體要想實現(xiàn)通信，首先要有一條傳送數(shù)據(jù)的通路，其次還要有一些互相遵守的規(guī)則協(xié)議?！胺謱印笨蓪嫶蠖鴱碗s的問題轉化為比較容易處理和研究的若干較小的局部問題。 5.一、分層 每一個層次的內(nèi)部結構，對于上下層都是不可見的，每一層都建立在它的下層之上，每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務，而這種服務的實現(xiàn)細節(jié)對上層是屏蔽的。 6.層次結構方法要解決的問題1.網(wǎng)絡應該具有哪些層次？每一層的功能是什么？（分層與功能）2.各層之間的關系是怎樣的？它們?nèi)绾芜M行交互？（服務與接口）3.通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸要遵

3、循哪些規(guī)則？（協(xié)議）層次結構方法包括三個內(nèi)容：分層及每層功能，服務與層間接口，協(xié)議。7.二、協(xié)議為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、標準或約定稱為網(wǎng)絡協(xié)議。 網(wǎng)絡協(xié)議主要有三部分組成：語義：對協(xié)議元素的含義進行解釋，規(guī)定通信雙方彼此“講什么” 。語法：將若干個協(xié)議元素和數(shù)據(jù)組合在一起，用來表達一個完整的內(nèi)容所應遵循的格式，也就是對信息的數(shù)據(jù)結構做一種規(guī)定，規(guī)定通信雙方“如何講”。時序：對事件實現(xiàn)順序的詳細說明。8.層次結構方法的優(yōu)點把網(wǎng)絡操作分成復雜性較低的單元，結構清晰，易于實現(xiàn)和維護定義并提供了具有兼容性的標準接口使設計人員能專心設計和開發(fā)所關心的功能模塊獨立性強上層只需了解下層通過層間接口提供什

4、么服務黑箱方法適應性強只要服務和接口不變，層內(nèi)實現(xiàn)方法可任意改變一個區(qū)域網(wǎng)絡的變化不會影響另外一個區(qū)域的網(wǎng)絡，因此每個區(qū)域的網(wǎng)絡可單獨升級或改造9.三、服務服務是各層向其上層提供的一組原語（操作）。服務定義了該層能夠代表它的上層完成的操作，但絲毫未涉及這些操作是如何完成的。服務定義了兩層之間的接口，上層是服務用戶，下層是服務提供者。 TCP/IP的體系結構OSI體系結構TCP/IP體系結構TCP/IP協(xié)議集應用層應用層TELNET、FTP、HTTP、SMTP、DNS等表示層會話層傳輸層傳輸層TCP、UDP網(wǎng)絡層網(wǎng)際層IP、ICMP、ARP、RARP數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡接口層各種物理通

5、信網(wǎng)絡接口物理層11.開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM）OSI參考模型將網(wǎng)絡的不同功能劃分為7層應用層Application表示層Presentation會話層session傳輸層transport物理層Physical數(shù)據(jù)鏈路層Data Link網(wǎng)絡層Network7654321處理網(wǎng)絡應用數(shù)據(jù)表示主機間通信端到端的連接尋址和最短路徑介質(zhì)訪問（接入）二進制傳輸12.數(shù)據(jù)封裝 一臺計算機要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一臺計算機，數(shù)據(jù)首先必須打包，打包的過程成為封裝。 封裝就是在數(shù)據(jù)前面加上特定的協(xié)議頭部。數(shù) 據(jù)協(xié)議頭發(fā)送郵件的例子：信裝入寫有源地址和目的地址的信封中發(fā)送，還要寫明用航空或掛號。數(shù) 據(jù)13.數(shù)

6、據(jù) 段頭數(shù)據(jù) 段頭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡頭幀頭 段頭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡頭幀尾數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)包幀比特電脈沖011101000011000010100101111010110數(shù)據(jù)多層封裝封裝拆封14.OSI參考模型中，對等層協(xié)議之間交換的信息單元統(tǒng)稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU,Protocol Data Unit)。而傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：傳輸層數(shù)據(jù)段（Segment） 網(wǎng)絡層分組（數(shù)據(jù)報）（Packet）數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀（Frame）物理層比特（Bit）15.TCP/IP模型TCP/IP起源于美國國防部高級研究規(guī)劃署(DARPA)的一項研究計劃實現(xiàn)若干臺主機的相互通信?，F(xiàn)在TCP/IP已成為Inter

7、net上通信的標準。TCP/IP模型包括4個概念層次：應用層（application）傳輸層（transport）網(wǎng)際層（internet）網(wǎng)絡接口（network interface）16.一、TCP/IP模型的各層功能網(wǎng)絡接口層通常包括操作系統(tǒng)中的設備驅(qū)動程序和計算機中對應的網(wǎng)絡接口卡。它們一起處理與電纜（或其他任何傳輸媒介）的物理接口細節(jié)。17.一、 TCP/IP模型的各層功能網(wǎng)際層對應于OSI參考模型的網(wǎng)絡層。處理數(shù)據(jù)報文在網(wǎng)絡中的活動，如報文的路由選擇。在TCP/IP協(xié)議組件中，網(wǎng)際層協(xié)議包括IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP協(xié)議（Internet控制報文協(xié)議）、ARP協(xié)議（地址解析協(xié)議

8、）、RARP協(xié)議（逆向地址解析協(xié)議）以及IGMP協(xié)議（Internet組管理協(xié)議）。18.TCP/IP與OSI參考模型的對應關系應用層表示層會話層傳輸層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層7654321OSI參考模型應用層傳輸層網(wǎng)絡接口網(wǎng)際層TCP/IP概念層次Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等TCP/IP支持所有的、標準的物理和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議19.TCP/IP與與應用層應用層協(xié)議支持了文件傳輸、電子郵件、遠程登錄、網(wǎng)絡管理、Web瀏覽等應用。應用層傳輸層網(wǎng)絡接口網(wǎng)際層文件傳輸 FTP、TFTP、NFS電子郵件 SMTP、POP3WWW應用 HTTP遠程登錄 Telnet、rlogin網(wǎng)絡

9、管理 SNMP名字管理 DNS 20. TCP頭應用層數(shù)據(jù)應用層數(shù)據(jù) TCP頭應用層數(shù)據(jù)IP頭幀頭 TCP頭應用層數(shù)據(jù)IP頭幀尾實際例子：TCP/IP協(xié)議的封裝應用層 傳輸層 網(wǎng)際層 數(shù)鏈層 21.一、 TCP/IP模型的各層功能傳輸層對應OSI參考模型的傳輸層，主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。在TCP/IP協(xié)議組件中，有兩個互不相同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議），這兩種傳輸層協(xié)議在不同的應用程序中有不同的用途。22.一、 TCP/IP模型的各層功能應用層對應OSI參考模型的應用層、表示層和會話層。負責處理特定的應用程序細節(jié)。應用層協(xié)議包括超文本傳輸協(xié)

10、議(HTTP)、文件傳輸協(xié)議(FTP)、遠程登錄協(xié)議(Telnet)、簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP)、域名系統(tǒng)(DNS)等。23.二、TCP/IP與OSI的比較OSI的七層協(xié)議體系結構復雜但不實用，不過其概念清楚，體系結構理論較完整。TCP/IP的協(xié)議在Internet中得到廣泛應用，成為事實標準。TCP/IP只定義了三層具體內(nèi)容，即應用層、傳輸層、網(wǎng)際層，而最下面的網(wǎng)絡接口層并沒有定義具體內(nèi)容。 24.2.2 物理層 概述物理層負責在相互通信的計算機之間傳遞數(shù)據(jù)比特位，建立物理媒體上傳輸比特位流的規(guī)則，定義線纜如何連接到網(wǎng)絡適配器上，以及需要用何種傳輸技術在線纜上傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)

11、終端設備DTE（Data Terminal Equipment）通常是指具有一定數(shù)據(jù)處理能力和具有發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設備，它既是信源，又是信宿。數(shù)據(jù)電路端接設備DCE（Data Circuit-terminating Equipment），介于DTE與傳輸介質(zhì)之間，其作用是完成數(shù)據(jù)信號的變換。 概述物理層的功能包括：提供建立、維護和拆除物理鏈路所需的機械、電氣、功能和規(guī)程特性。實現(xiàn)實體間的按位傳輸。保證按位傳輸?shù)恼_性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路實體之間比特流的透明傳輸。物理層管理，如功能的激活及差錯控制。 接口標準物理接口標準定義了物理層與物理傳輸介質(zhì)之間的邊界與接口，

12、包括四個特性：機械特性：規(guī)定了物理連接時接口所用連接器的形狀和尺寸，引腳的數(shù)量、功能、規(guī)格、引腳的分布，電纜的長度及所含導線的數(shù)目等。電氣特性：規(guī)定了在接口電纜的哪條線上出現(xiàn)的電壓應為什么范圍，即什么樣的電壓，表示為1或0。 接口標準（續(xù)）物理接口標準定義了物理層與物理傳輸介質(zhì)之間的邊界與接口，包括四個特性：功能特性：規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。物理接口信號線一般分為：數(shù)據(jù)線、控制線、定時線和地線。規(guī)程特性 ：定義了信號線進行二進制比特流傳輸?shù)囊唤M操作過程，包括各信號線的工作規(guī)則和時序。29.2.3 數(shù)據(jù)鏈路層 概述數(shù)據(jù)鏈路層是OSI模型中下

13、數(shù)第二層，數(shù)據(jù)鏈路層傳輸數(shù)據(jù)的單位是數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)鏈路層通過一些數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不太可靠的物理鏈路上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。采用的方法是接收方對收到的幀進行校驗、發(fā)回應答幀，發(fā)送方對錯誤幀進行重發(fā)。 數(shù)據(jù)鏈路層的功能 鏈路管理負責數(shù)據(jù)鏈路層連接的建立、維持和釋放。幀同步指接收方應當能從收到的比特流中準確地區(qū)分幀的開始和結束。 數(shù)據(jù)鏈路層的功能（續(xù)）流量控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率必須使接收方來得及接收。檢測和校正差錯差錯的出現(xiàn)一般都是突發(fā)性的，系統(tǒng)必須對差錯進行及時的控制及恢復。 數(shù)據(jù)鏈路層的功能（續(xù)） 區(qū)分數(shù)據(jù)和控制信息由于數(shù)據(jù)和控制信息都是在同一信

14、道中傳輸，而且通常數(shù)據(jù)和控制信息處于同一幀中，因此要有相應的措施使收方能夠?qū)⑺鼈儏^(qū)分開來。 數(shù)據(jù)鏈路層的功能（續(xù)） 透明傳輸不管所傳數(shù)據(jù)是什么比特組合，都應當能夠在鏈路上傳輸。尋址進行數(shù)據(jù)傳輸時，要保證每一幀被送到正確的地方，接收方也要知道發(fā)送方是誰。 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分為兩類：面向字符型的通信規(guī)程與面向比特型的通信規(guī)程。面向字符型的通信規(guī)程是指在鏈路上傳送由規(guī)定字符集中的字符所組成的數(shù)據(jù)，而且在鏈路上傳送的控制信息也必須由同一字符集中的若干指定的控制字符構成。 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（續(xù)）數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分為兩類：面向字符型的通信規(guī)程與面向比

15、特型的通信規(guī)程。面向比特的通信規(guī)程要求以幀為單位傳輸數(shù)據(jù)。幀分為控制幀和信息幀。將信息幀的數(shù)據(jù)字段（即正文）看作比特流，所以稱為面向比特的通信規(guī)程，高級數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC就是一個面向比特的協(xié)議。 IEEE 802標準在20世紀80年代初期，美國電氣和電子工程師協(xié)會IEEE 802委員會首先制訂出局域網(wǎng)的體系結構，即著名的IEEE 802參考模型。之后隨著網(wǎng)絡技術的不斷進步，擴充和制訂了不少新的標準。IEEE 802標準中只涉及OSI模型最低的兩個層次，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。 IEEE 802標準（續(xù)）為了使局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)鏈路層不致于太過復雜，IEEE 802

16、參考模型將其數(shù)據(jù)鏈路層劃分為兩個子層：邏輯鏈路控制子層（簡稱LLC子層）媒體訪問控制子層（簡稱MAC子層） IEEE 802標準（續(xù)）MAC子層：定義了局域網(wǎng)中與接入各種傳輸媒體有關的問題，MAC子層負責在物理層的基礎上實現(xiàn)無差錯的通信。其主要功能是：MAC幀的封裝與拆卸；實現(xiàn)和維護各種MAC協(xié)議；比特差錯檢測；尋址等。 IEEE 802標準（續(xù)）LLC子層：數(shù)據(jù)鏈路層中與媒體接入無關的部分都集中在LLC子層。其主要功能是：數(shù)據(jù)鏈路的建立和釋放；LLC幀的封裝和拆卸；差錯控制；提供與高層的接口，即服務訪問點SAP等。 IEEE 802標準（續(xù)）LLC幀封裝在MAC幀中，所以LLC幀中沒有標志字段和幀校驗序列字段，只有四個字段，即目的服務訪問點（DSAP）、源服務訪問點（SSAP）、控制和數(shù)據(jù)字段。服務