第3章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1

第3章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型3.3OSI各層概述3.4TCP/IP體系結(jié)構(gòu)2023/2/61第3章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)本章學習要求：掌握：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)涉及的基本概念掌握：層次化體系結(jié)構(gòu)OSI/RM、TCP/IP掌握：OSI/RM主要層的功能物理層數(shù)據(jù)鏈路層：流量控制協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層：路由算法傳輸層：端口應用層：主要協(xié)議2023/2/623.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.1.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的定義和發(fā)展網(wǎng)絡(luò)體系：為了完成計算機間的通信合作，把每個計算機互聯(lián)的功能劃分成定義明確的層次，規(guī)定了同層次間通信的協(xié)議及相鄰層之間的接口及服務。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)體系中同層進程間通信的協(xié)議和相鄰層接口及服務的統(tǒng)稱。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展： ARPASNAOSI/RM2023/2/633.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層原理層次結(jié)構(gòu)方法要解決的問題：1.網(wǎng)絡(luò)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(guān)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)傳輸要遵循哪些規(guī)則？

——（協(xié)議）層次結(jié)構(gòu)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。2023/2/643.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)層次、服務和接口、協(xié)議的范例2023/2/65計算機網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)示意圖P3P2P1

2

1

3

2

1物理通信線路

3

N+1

N

N-1

N+1

N

N-1Pn-1PnPn+1系統(tǒng)A系統(tǒng)B消息2023/2/66OSI/RM分層結(jié)構(gòu)的一些基本概念層： 系統(tǒng)的邏輯劃分，代表功能上相對獨立的一個子系統(tǒng)

（N）層表示OSI層次結(jié)構(gòu)中的任一層，（N＋1）層表示指定層次的上鄰層（層用戶：本次服務使用者）（N－1）層表示指定層次的下鄰層（服務提供者）對等層： 不同系統(tǒng)的相同層次3.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2023/2/673.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實體： 某一層中具有數(shù)據(jù)收發(fā)能力的活動單元，一般指該層的軟件進程和實現(xiàn)該層協(xié)議的硬件單元（比如IE進程或者網(wǎng)卡上具有某種功能的模塊）對等實體： 位于不同系統(tǒng)的相同層次中的兩個實體（PeerEntity）

協(xié)議作用在對等實體之間2023/2/683.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)通信協(xié)議： 為了保證數(shù)據(jù)通信雙方能夠正確而自動地進行通信，制定的一套交換雙方必須遵守的規(guī)則、約定與標準。接口： 相鄰兩層之間交互的界面，定義相鄰兩層之間的操作及下層對上層的服務。服務： 某一層及其以下各層的一種能力，通過接口提供給其相鄰的上層。2023/2/693.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)通信方式——對等通信對等通信的實質(zhì)（peertopeer）—對等層實體之間虛擬通信禁止不同主機的對等層之間的直接通信。每一層必須依靠下鄰層提供的服務來與另一臺主機的對應層通信。 下層向上層提供服務——Serviceprovider 上層使用下層提供的服務——Serviceuser實際通信在最底層完成2023/2/6103.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型3.2.1開放系統(tǒng)開放：所遵循的標準是開放的（任何人都可以參照）；遵循標準開發(fā)的計算機系統(tǒng)是開放的（可以和任意地方的任意計算機系統(tǒng)進行通信，只要該計算機系統(tǒng)也遵循相同的標準）。開放系統(tǒng)： 遵守互聯(lián)標準協(xié)議的實系統(tǒng)（實系統(tǒng)：傳送和處理信息的自治整體）。2023/2/6113.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM分層的基本思路：1）抽象系統(tǒng) 抽象實系統(tǒng)中涉及互聯(lián)的公共特性構(gòu)成模型系統(tǒng)，然后通過對模型系統(tǒng)的研究就可以避免涉及具體機型和技術(shù)實現(xiàn)上的細節(jié)，也可以避免技術(shù)進步對互聯(lián)標準的影響。2）模塊化（分層原理） 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的組織和功能將網(wǎng)絡(luò)劃分成定義明確的層次，然后定義層間接口以及每層提供的功能和服務，最后定義每層必須遵守的規(guī)則，即協(xié)議。2023/2/6123.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型3.2.3OSI/RM七層模型處理網(wǎng)絡(luò)應用應用層Application表示層Presentation會話層session傳輸層transport物理層Physical數(shù)據(jù)鏈路層DataLink網(wǎng)絡(luò)層Network7654321二進制傳輸介質(zhì)訪問/接入尋址和最短路徑端到端的連接主機間會話通信數(shù)據(jù)表示2023/2/6132023/2/6142023/2/6153.2.4通信協(xié)議： 在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)通信雙方能夠正確而自動地進行通信，制定的一套交換雙方必須遵守的規(guī)則、約定與標準。 特點：通信協(xié)議具有層次性通信協(xié)議具有可靠性通信協(xié)議具有有效性3.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型2023/2/6163.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要包含三個要素：語義：構(gòu)成協(xié)議的協(xié)議元素含義的解釋，也即“講什么”，例如協(xié)議元素SOH的語義表示所傳輸報文的報頭開始。語法：規(guī)定將若干個協(xié)議元素和數(shù)據(jù)組合在一起來表達一個更完整的內(nèi)容時所應遵循的格式，也即“怎么講”，例如在傳輸數(shù)據(jù)報文時，可用適當?shù)膮f(xié)議元素和數(shù)據(jù)表達傳輸格式時序：通信中各事件發(fā)生的因果關(guān)系。SOHHEADSTXTEXTETXBCC2023/2/6173.2.5服務定義：本層向上鄰層提供的功能集合。

OSI增值服務的原則：本層的服務應是本層功能與下鄰層服務的之和，即（N）服務＝（N）功能＋（N－1）服務層服務訪問點SAP（ServiceAccessPoint）：上層實體可以訪問下層實體提供的服務的地方（位于接口上）。每一個SAP都有一個唯一地址（標識），且每個層間接口可以有多個SAP。在同樣的意義上，我們可以把在郵政系統(tǒng)中郵局服務業(yè)務為發(fā)信人提供服務的地方——某一郵箱的地址看作SAP，也可把收信人的街名和信箱看作郵局服務業(yè)務為收信人提供服務的SAP地址。發(fā)一封信，這兩個SAP地址都是不可缺少。2023/2/6183.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型服務分類：

1.面向連接服務（Connection-OrientedService）每一次完整的數(shù)據(jù)傳輸都必須具有建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和終止連接三個過程。電話系統(tǒng)服務模式的抽象。 2.無連接服務（ConnectionlessService）每個傳送單元（報文、數(shù)據(jù)報）帶有完整的目的地址，每個傳送單元在系統(tǒng)中是獨立傳送的。郵政系統(tǒng)服務模式的抽象。2023/2/619ConnectionOrientedServiceConnectionlessService參考模式電話系統(tǒng)郵政系統(tǒng)特點傳輸前需要建立連接；靜態(tài)分配資源動態(tài)分配資源可靠性提供可靠的報文流服務不能防止報文的丟失、損壞、重復和亂序?qū)δ康牡刂返囊髢H在連接階段需要完整的目的地址需要為每一個傳送單元提供完整的目的地址適用場合在一段時間內(nèi)向同一目的地發(fā)送大量信息;實時性要求FTP、TELNET少量零星信息HTTP2023/2/620服務原語：提供層服務的具有原子特征的語句（提供層服務的方法）原語：語句的執(zhí)行具有原子特征（完整性），不容許中斷；功能：

（1）本層利用服務原語來通知下鄰層要做什么； （2）下鄰層利用服務原語來通知本層已做了什么。 服務原語是層服務被引用的工具服務原語定義了相鄰層之間的接口。結(jié)構(gòu)：由原語名(CONNECT、SEND、LISTEN、RECEIVE等)和原語參數(shù)兩部分組成（類似編程時的程序名和形式參數(shù)）。分類：2023/2/621服務原語舉例：建立連接服務由CONNECT原語提供當一個實體發(fā)出連接請求（CONNECT.request）之后，一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU就被發(fā)送出去。接收方會收到一個連接指示（CONNECT.indication），被告知某處的一個實體希望和它建立連接。收到連接指示的實體使用連接響應（CONNECT.response）原語表示它是否愿意建立連接。但無論是哪一種情況，請求建立連接的一方都能夠通過連接證實（CONNECT.confirm）原語獲知接收方的態(tài)度。3.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型2023/2/6223.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型有確認服務的服務原語：發(fā)出的請求原語要求得到確認

XXXX.REQXXXX.IND XXXX.RSPXXXX.CNF

2023/2/6233.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型無確認服務的服務原語：發(fā)出的請求原語無需對方予以確認

XXXX.REQXXXX.IND2023/2/6243.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型3.2.6數(shù)據(jù)單元（在網(wǎng)絡(luò)中信息傳送的單位/數(shù)據(jù)塊）協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU：對等層協(xié)議之間交換的數(shù)據(jù)單元的統(tǒng)稱。

PDU的內(nèi)容和格式由協(xié)議精確地定義：

PCI：為實現(xiàn)協(xié)議而在傳送的數(shù)據(jù)的首部或尾部加上的控制信息，如地址、序號信息、差錯控制信息等； 用戶數(shù)據(jù)：本層實體提供服務而為上層傳送的信息。

（N）PDU傳遞給下層，作為（N－1）用戶數(shù)據(jù)的一部分，直至對等層實體。 例如：將信裝入信封，寫上收發(fā)地址并貼郵票協(xié)議控制信息PCI用戶數(shù)據(jù)2023/2/6253.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：傳輸層——報文或數(shù)據(jù)段（Segment）網(wǎng)絡(luò)層——分組或數(shù)據(jù)報（Packet）數(shù)據(jù)鏈路層——數(shù)據(jù)幀（Frame）物理層——比特（Bit）2023/2/6263.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型服務數(shù)據(jù)單元SDU：上層用戶要求本層服務提供者傳遞的邏輯數(shù)據(jù)單元，即相鄰層間交換的數(shù)據(jù)單元，是服務原語的表現(xiàn)形式。 例如：一個郵筒中的全部信就形成一個SDU制定協(xié)議時，可以使上層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU格式直接等同于本層SDU的結(jié)構(gòu)。但是，由于協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU對長度往往會有所限制，要適應本層提供的服務，所以上層的PDU可能會按照本層SDU要求進行分段或合并，然后由上層向下傳送。2023/2/6273.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型接口數(shù)據(jù)單元IDU：經(jīng)過相鄰層間接口的信息單元 ICI：在通過層間接口時，需要加一些控制信息，如通過多少字節(jié)、要求的服務質(zhì)量等。它只對SDU通過接口時有作用，進入下層后丟棄 接口數(shù)據(jù)：通過接口傳送的信息內(nèi)容，即SDU 例如：郵遞員定時從郵筒中取出所有信，檢查郵票蓋郵戳接口控制信息ICI接口數(shù)據(jù)（SDU）2023/2/6283.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型第N+1層第N層接口(N+1)PDU(N)PDU(N)PCI(N)SDU(N)SDUICI(N)SDUICISAP數(shù)據(jù)單元間關(guān)系2023/2/6293.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型發(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)協(xié)議頭數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)封裝：一臺計算機要發(fā)送數(shù)據(jù)到另外一臺計算機，必須首先在數(shù)據(jù)前面加上特定的協(xié)議頭部，這個過程稱為封裝。2023/2/6303.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型2023/2/6313.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型實際例子：TCP/IP協(xié)議的封裝應用層數(shù)據(jù)應用層

TCP頭應用層數(shù)據(jù)傳輸層

TCP頭應用層數(shù)據(jù)IP頭網(wǎng)際層幀頭

TCP頭應用層數(shù)據(jù)IP頭幀尾數(shù)鏈層2023/2/6323.3

OSI各層概述3.3.1物理層(Physical)系統(tǒng)和通信介質(zhì)的接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層實體間物理連接，在物理媒體上透明地傳送位流。1.數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE、數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備DCEDTE——希望通過網(wǎng)絡(luò)互連的設(shè)備（入網(wǎng)設(shè)備），用于處理用戶數(shù)據(jù)的設(shè)備，即通信系統(tǒng)中的信源和信宿，比如計算機。DCE——界于DTE和網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)之間的設(shè)備，用于把DTE發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合于在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男问?，反之亦然。如MODEM。2023/2/6333.3

OSI各層概述2.物理層的目的：提供與通信介質(zhì)的連接，描述連接的特性，以建立、維護和釋放物理連接；向上層提供位信息的正確傳送。機械特性：規(guī)定了DTE/DCE接口連接器的尺寸、形狀、規(guī)格，例如25引腳或9引腳的D形連接器、8引腳的RJ-45連接器等。電氣特性：規(guī)定了各種信號的電平，脈沖寬度，頻率，允許的數(shù)據(jù)傳送速率，最大傳送距離等。功能特性：規(guī)定了接口引腳的功能作用。規(guī)程特性：規(guī)定了接口電路信號發(fā)生的時序，應答關(guān)系，操作過程，如怎樣建立和拆除物理層連接，全雙工還是半雙工等。2023/2/6343.3

OSI各層概述3.物理層提供的服務1）提供物理連接：數(shù)據(jù)電路：通信路徑數(shù)據(jù)電路的路徑構(gòu)成a.物理介質(zhì)b.用于傳輸位流所需的具體設(shè)施c.物理層中的中繼設(shè)備以及相關(guān)的電路“設(shè)備—媒體—設(shè)備”之間的連接。2023/2/635物理連接分類：a.點到點連接：兩個數(shù)據(jù)鏈路實體的一對一連接。b.多點連接：一個數(shù)據(jù)鏈路實體與多個數(shù)據(jù)鏈路實體連接3.3

OSI各層概述2023/2/6362）物理服務數(shù)據(jù)單元：串行傳輸方式物理服務數(shù)據(jù)單元：僅含1位并行傳輸方式物理服務數(shù)據(jù)單元：由若干位組成3）順序化保證接收物理實體所收到的位順序與發(fā)送物理實體所發(fā)送的位順序相同4）數(shù)據(jù)電路標識提供能標識兩相鄰系統(tǒng)間數(shù)據(jù)電路的唯一標識符3.3

OSI各層概述2023/2/6375）故障情況報告當物理層內(nèi)出現(xiàn)差錯時，應向數(shù)據(jù)鏈路層實體報告物理層中所檢測到的故障和差錯6）服務質(zhì)量指標誤碼率、數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸延時3.3

OSI各層概述2023/2/6383.3

OSI各層概述3.3.2數(shù)據(jù)鏈路層(DataLink)在不可靠的物理線路上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，使之對網(wǎng)絡(luò)層呈現(xiàn)為一條無錯的傳輸線路。1.數(shù)據(jù)鏈路層的目的在相鄰網(wǎng)絡(luò)實體間建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路連接傳輸數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元－－幀。2023/2/6393.3

OSI各層概述2.數(shù)據(jù)鏈路層的功能和服務1）數(shù)據(jù)鏈路連接的建立和拆除無應答、無連接服務源主機發(fā)送前不必建立數(shù)據(jù)鏈路連接，而傳輸時接收方也不應答，出錯和數(shù)據(jù)丟失時也不作處理允許源主機的數(shù)據(jù)鏈路層可以在任何時候，發(fā)送任意長的信息接收主機的數(shù)據(jù)鏈路層將收到的信息送入自己的網(wǎng)絡(luò)層適用于：

誤碼率很低的線路，錯誤恢復留給高層； 實時業(yè)務（如語音）、 大部分局域網(wǎng)2023/2/6403.3

OSI各層概述有應答、無連接服務這種服務仍然不需要建立連接，但是對一個發(fā)出去的幀要進行單獨確認；用這種方式，發(fā)送方就可以知道某一幀是否已安全到達目的地。如果在指定的時間一幀未能到達目的地，則可以重傳誤幀，或進入等待狀態(tài)；適用于： 節(jié)點的物理鏈路較多或通信量較小的網(wǎng)絡(luò)，如無線網(wǎng)2023/2/6413.3

OSI各層概述應答分類：正向應答只對正確的信息進行確認應答在網(wǎng)絡(luò)中最常使用的方式負向應答只對錯誤的信息進行否定應答雙向應答既對正確的信息進行確認應答，也對錯誤的信息進行 否定應答常用于對重要的控制幀的傳送2023/2/6423.3

OSI各層概述面向連接服務這是數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層提供的服務質(zhì)量很好的服務。這種服務方式的數(shù)據(jù)傳輸分為三個階段：建立數(shù)據(jù)鏈路：讓通信雙方的數(shù)據(jù)鏈路層都同意進行傳輸并做好傳輸?shù)臏蕚鋫鬏敂?shù)據(jù)幀：將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)封裝成幀后傳送到接收方拆除數(shù)據(jù)鏈路：傳輸結(jié)束后便拆除該數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)鏈路層的面向連接的服務為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議實體之間的交互提供了可靠的數(shù)據(jù)傳送服務。2023/2/6433.3

OSI各層概述2）構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)單元（PDU）

在數(shù)據(jù)鏈路層SDU的外面加上數(shù)據(jù)鏈路層控制信息，形成數(shù)據(jù)鏈路層的PDU。3）數(shù)據(jù)鏈路連接的分裂－多鏈路規(guī)程（MLP） 為提高傳輸速率和效率，將一條物理鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)改用多條物理連接來傳輸（同多路復用相反）。 利用多鏈路規(guī)程可以支持高可靠，或者高速率的傳輸要求：追求高可靠性時，將相同幀交由多條不同的單鏈路同時傳輸；追求高速率時，將不同幀交由多條單鏈路傳輸，MLP的傳輸速率是各單鏈路規(guī)程SLP的傳輸速率之和。2023/2/6443.3

OSI各層概述4）定界與同步（幀）

在接收