計算機通信網(wǎng)絡(luò)之網(wǎng)絡(luò)軟件及協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)軟件及協(xié)議體系結(jié)構(gòu)熟練掌握體系結(jié)構(gòu)中的基本概念掌握OSI/ISO與TCP/IP模型聯(lián)合國如何開會？不同國家的代表是如何溝通的？他們每個人都講不同的語言，所以需要翻譯。而且，他們必須共同遵守一個協(xié)議，這個協(xié)議規(guī)定了他們以怎樣的方式、規(guī)則進行討論。否則，討論將是毫無秩序的。只有每個成員都遵守這一協(xié)議，才能保證討論有條不紊的進行。同樣，計算機間互相通信，也需要協(xié)議以決定誰“說話”，需要翻譯者來翻譯各種語言。下一步就是來定義協(xié)議。兩國領(lǐng)導人之間的對話協(xié)議郵件投遞只要在信封上寫好收信人的地址姓名，把信扔進郵筒就行了。信自然會被送到收信人手里。不管信件如何轉(zhuǎn)發(fā)，也不管信件是用卡車、飛機、火車、輪船，還是信鴿傳送，你都不必關(guān)心，你要做的只是等待回音而已。1.3

網(wǎng)絡(luò)軟件及協(xié)議體系結(jié)構(gòu)與計算機通信網(wǎng)有關(guān)的軟件大致可分為五類：操作系統(tǒng)核心軟件通信控制用協(xié)議軟件管理軟件交換與路由軟件應用軟件網(wǎng)絡(luò)軟件操作系統(tǒng)軟件多任務(wù)、處理來自不同計算機的數(shù)據(jù)收發(fā)（UNIX）通信控制用協(xié)議軟件計算機通信網(wǎng)中各個部分所必須遵守的規(guī)則的集合。管理軟件安全、記費、故障處理和系統(tǒng)配置交換和路由軟件在通信的各個主體之間建立和維護傳輸信息所需的路徑應用軟件為網(wǎng)絡(luò)用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。1.3.1

通信協(xié)議

定義：相互通信的雙方（或多方）對如何進行信息交換所必須遵守的一整套規(guī)則。

作用：完成計算機之間有序的信息交換。

建立連接要遵守的規(guī)則：1.

要保證在源-宿點之間存在物理的傳輸資源。2.

多路接入技術(shù)必須與所使用的設(shè)備配合，執(zhí)行某種協(xié)議3.

差錯處理功能的實現(xiàn)需要由兩個端設(shè)備之間運行的協(xié)議來處理（ARQ）通信協(xié)議

必須保證信息到達正確的目的地，需要尋址和路由

端節(jié)點或交換節(jié)點上存儲所收到的信息，直至等待這些信息得到服務(wù)或再轉(zhuǎn)發(fā)出去。這需要協(xié)議來協(xié)調(diào)設(shè)備之間的動作

流量控制，防止緩沖器溢出，防止擁擠

保證接入通路能與用戶的特性協(xié)調(diào)一致。如：消息格式、字符編碼等。1.3.2

協(xié)議的分類圖1-9

通信協(xié)議的類型AP1AP2網(wǎng)絡(luò)通信主機用戶1終端

服務(wù)軟件

網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)

議1

網(wǎng)絡(luò)A

點到點（鏈路）協(xié)議

端到端協(xié)議其他網(wǎng)內(nèi)協(xié)議（如流控等）

網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議2AP2AP1網(wǎng)絡(luò)通信主機用戶2服務(wù)軟件

網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)

議3

網(wǎng)絡(luò)B網(wǎng)間互聯(lián)協(xié)

議系統(tǒng)到系統(tǒng)協(xié)議面向應用的協(xié)

議協(xié)議的分類（圖1-9）

面向應用的協(xié)議：為完成某些特定應用而制定

的協(xié)議。

如：TCP/IP：

FTP、TELNET、SMTP。

系統(tǒng)到系統(tǒng)的協(xié)議：支持端系統(tǒng)中特定應用進程之間的數(shù)據(jù)交換，為應用進程提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

端到端協(xié)議：完成端到端的可靠傳輸，建立、保持及維護端到端連接，如TCP和UDP。

其他網(wǎng)內(nèi)協(xié)議：流控協(xié)議、尋址和路由協(xié)議

點到點協(xié)議：實現(xiàn)直接相連的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，如數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議HDLC和PPP協(xié)議。協(xié)議的分類網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議

如：介質(zhì)接入控制協(xié)議（MAC）網(wǎng)間互聯(lián)協(xié)議：不同網(wǎng)絡(luò)用戶的尋址，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議的轉(zhuǎn)換。1.3.3

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素語法：語法是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義語義：用于解釋比特流的每一部分的意義時序：事件實現(xiàn)順序的詳細說明。1.3.4分層的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu):是指計算機通信網(wǎng)的分層、各層協(xié)議和層間接口的集合，也就是通信網(wǎng)及其部件所應完成的功能的精確定義。體系結(jié)構(gòu)是計算機通信網(wǎng)的一種抽象的、層次化的功能模型。體系結(jié)構(gòu)的分層：將龐大復雜的協(xié)議分層不同的層次。各層完成不同的功能。分層的基本思想：把整套的協(xié)議體系分成一些小塊（層），下一層對它的上一層提供服務(wù)。分層的基本原則：定義每一層向上一層提供的服務(wù)，以保證每層功能的相互獨立，但不規(guī)定如何完成這些服務(wù)。1.3.5

協(xié)議體系結(jié)構(gòu)實例IBM公司于1974年提出了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNADEC公司于1975年提出了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)DNA國際標準化組織（ISO）在1978年提出了網(wǎng)絡(luò)互連標準的建議，稱為開放系統(tǒng)互連OSI（OpenSystems

Interconnect）參考模型，即ISO7498當前使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是以TCP/IP協(xié)議模型為主的Internet結(jié)構(gòu)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）中采用的異步傳輸模式（ATM）參考模型1．OSI/RM協(xié)議體系結(jié)構(gòu)應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

主機A3217654層次應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

主機B交換單元分組

幀比特APDUPPDUSPDUTPDU網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

交換節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

交換節(jié)點

應用協(xié)議

表示協(xié)議

會話協(xié)議

傳輸協(xié)議通信子網(wǎng)邊界內(nèi)部子網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層主機—交換節(jié)點協(xié)議鏈路層主機—交換節(jié)點協(xié)議物理層主機—交換節(jié)點協(xié)議

圖1-10

OSI/RM的體系結(jié)構(gòu)OSI/RM模型中的數(shù)據(jù)流物理層(PH)會話層(S)傳輸層(T)網(wǎng)絡(luò)層(N)數(shù)據(jù)鏈路層(DL)表示層(P)應用層（A)物理層(PH)會話層(S)傳輸層(T)網(wǎng)絡(luò)層(N)數(shù)據(jù)鏈路層(DL)表示層(P)應用層(A)比特流(Bit)

物理媒介NHTHPHSH

數(shù)據(jù)單元

數(shù)據(jù)單元

數(shù)據(jù)單元

數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)單元AHAP數(shù)據(jù)AP數(shù)據(jù)發(fā)送進程接收進程DT報文分組幀

DHOSI參考模型-各層功能物理層

提供建立、維護和釋放物理鏈路所需的機械、電氣功能和規(guī)程等特性；

通過傳輸介質(zhì)進行數(shù)據(jù)流(比特流)的物理傳輸、故障監(jiān)測和物理層管理；從數(shù)據(jù)鏈路層接收幀，將比特流轉(zhuǎn)換成底層物理介質(zhì)上的信號。數(shù)據(jù)鏈路層在物理鏈路的兩端之間傳輸數(shù)據(jù)；在網(wǎng)絡(luò)層實體間提供數(shù)據(jù)傳輸功能和控制；提供數(shù)據(jù)的流量控制；檢測和糾正物理鏈路產(chǎn)生的差錯格式化的消息稱為幀OSI參考模型-各層功能網(wǎng)絡(luò)層負責端到端的數(shù)據(jù)的路由或交換，為透明地傳輸數(shù)據(jù)建立連接尋址并解決與數(shù)據(jù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間傳輸相關(guān)的所有問題使用上面的傳輸層和下面的數(shù)據(jù)鏈路層的功能；格式化的消息稱為分組傳輸層提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸；接收來自會話層的數(shù)據(jù)，如果需要，將數(shù)據(jù)分割成更小的分組，向網(wǎng)絡(luò)層傳送分組并確保分組完整和正確到達它們的目的地；在系統(tǒng)之間提供可靠的透明的數(shù)據(jù)傳輸,提供端到端的錯誤恢復和流量控制

運輸層的功能之一是提供可靠有效的網(wǎng)絡(luò)連接。它允許上面的三個層次不受實際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)約束地執(zhí)行各自的任務(wù)。同時，它依靠下面的三個層次控制實際的網(wǎng)絡(luò)操作。它監(jiān)督信息從源節(jié)點出發(fā)，最終到達目標節(jié)點。OSI參考模型-各層功能會話層提供節(jié)點之間通信過程的協(xié)調(diào)負責執(zhí)行會話規(guī)則（如：連接是否允許半雙工或全雙工通信？）、同步數(shù)據(jù)流以及當故障發(fā)生時重新建立連接使用上面的表示層和下面的傳輸層的功能。理解傳輸層與會話層的區(qū)別OSI參考模型-各層功能表示層提供數(shù)據(jù)格式、變換和編碼轉(zhuǎn)換；涉及正在傳輸數(shù)據(jù)的語法和語義；將消息以合適電子傳輸?shù)母袷骄幋a；執(zhí)行該層的數(shù)據(jù)壓縮和加密；從應用層接收消息，轉(zhuǎn)換格式，并傳送到會話層，該層常合并在應用層中OSI參考模型-各層功能應用層包括各種協(xié)議，它們定義了具體的面向擁護的應用：如電子郵件、文件傳輸和虛擬終端等；總結(jié)總而言之，低三層屬于通信子網(wǎng)，涉及為用戶間

提供透明連接，操作主要以每條鏈路（hop-by-

hop）為基礎(chǔ)，在節(jié)點間的各條數(shù)據(jù)鏈路上進行通信。由網(wǎng)絡(luò)層來控制各條鏈路上的通信，但要依賴于其他節(jié)點的協(xié)調(diào)操作。高三層屬于資源子網(wǎng)，主要涉及保證信息以正確可理解的形式傳送。傳輸層是高三層和低三層之間的接口，它是第一個端到端的層次，保證透明的端到端連接，滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，并向高三層提供合適的信息形式。2.

TCP/IP協(xié)議模型

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。

現(xiàn)在TCP/IP已成為Internet上通信的標準。目

前，TCP/IP協(xié)議泛指以TCP/IP為基礎(chǔ)的一個協(xié)議

族。

TCP/IP模型應用層（application）傳輸層（transport）網(wǎng)際層（internet）網(wǎng)絡(luò)接口（network

interface）TCP/IP協(xié)議模型OSI/RM

應用層表示層

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層TCP/IP應用層

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層主機—網(wǎng)絡(luò)層

（網(wǎng)絡(luò)接口）

物理層圖1-12

TCP/IP模型與OSI/RM的對應在模型中

不存在會話層通信子網(wǎng)資源子網(wǎng)TCP/IP模型分層主要功能主機-網(wǎng)絡(luò)層定義了Internet與各種物理網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層負責相鄰計算機之間（即點對點）通信，包括處理來自傳輸層的發(fā)送分組請求，檢查并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報，并處理與此相關(guān)的路徑選擇，流量控制及擁塞控制等問題。傳輸層提供可靠的點對點數(shù)據(jù)傳輸，確保源主機傳送分組到達并正確到達目標主機。應用層提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如SMTP，DNS，HTTP，SNMP等TCP/IP協(xié)議模型—各層的主要功能TCP/IP協(xié)議模型—網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層由四部分組成Internet協(xié)議（IP）、Internet

控制信息協(xié)議（ICMP）、地址解析協(xié)議（ARP）、反向地址解析協(xié)議（RARP）。IP協(xié)議

IP協(xié)議位于通信子網(wǎng)的最高層，提供點對點無連接的數(shù)據(jù)報傳輸機制，不能保證傳輸?shù)目煽啃浴P協(xié)議向上層（主要是TCP層）提供統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)報，使得各種物理幀的差異性對上層協(xié)議不復存在，這是TCP/IP邁向異種網(wǎng)互聯(lián)的第一步。在IP協(xié)議中傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)報，它由頭標和數(shù)據(jù)兩部分組成，頭標中含有傳輸?shù)拇罅靠刂坪吞匦孕畔?，其長度可變，它是理解IP協(xié)議的基礎(chǔ)TCP/IP協(xié)議模型—傳輸層協(xié)議傳輸層有三個協(xié)議，分別為：傳輸控制協(xié)議（TCP）、

用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）和傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化語音協(xié)議（NVP）,但主要的協(xié)議是TCP和UDP。TCP：是傳輸層中使用最廣泛的一種協(xié)議。TCP是提供可靠通信的有效報文協(xié)議，一旦數(shù)據(jù)報被破壞或丟失，將其重新傳輸?shù)墓ぷ魍ǔＪ怯蒚CP來完成而非高層應用程序。TCP也會檢測傳輸錯誤，并予以修正。UDP：是一個不可靠的、無連接的協(xié)議，主要用于不需要TCP的排序和流量控制能力，而是自己完成這些功能的應用程序。如：語音、視頻圖象傳輸TCP/IP協(xié)議模型—應用層協(xié)議

虛擬終端(TELNET)協(xié)議

文件傳輸協(xié)議(FTP)

簡單郵件傳輸協(xié)議(SMTP)

域名服務(wù)(DNS)

網(wǎng)絡(luò)新聞傳輸協(xié)議(NNTP)

超文本傳輸協(xié)議(HTTP)IPTCPBGPFTP

HTTPSMTP

TELNET

SNMPUDP

ICMPOSPF圖1-13TCP/IP模型中的協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)NFSDNSNSPHTTPSMTPFTPTelnet……TCPUDPICMPIPARPRARP電話網(wǎng)衛(wèi)星網(wǎng)無線網(wǎng)X.25網(wǎng)局域網(wǎng)……協(xié)議網(wǎng)絡(luò)主機-網(wǎng)絡(luò)

層TCP/IP協(xié)議模型（續(xù)）

層次應用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層TCP/IP協(xié)議模型

模型沒有明確劃分服務(wù)、接口和協(xié)議概念

TCP/IP模型缺乏通用性很難適合非TCP/IP協(xié)議棧

主