第3章：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

第3章

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1本章學(xué)習(xí)要求：掌握：協(xié)議、層次、接口與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念掌握：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次化研究方法掌握：OSI參考模型及各層的基本服務(wù)功能掌握：TCP/IP參考模型的層次劃分、各層的基本服務(wù)功能與主要協(xié)議掌握：五層的概念模型了解：OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較23.1.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議20世紀(jì)70’s-至今不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的兼容性和互操作性是推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的原動(dòng)力各廠商、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、方法、理論等方面的研究日趨成熟是其基礎(chǔ)3.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議的概念34網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（networkarchitecture）網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型與各層協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；體系結(jié)構(gòu)是抽象的。5網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信必須遵守事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了通信雙方所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題（同步含有時(shí)序的意思）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（定義）數(shù)據(jù)通信過程中,為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定，稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成要素網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素：語義、語法與時(shí)序；語法規(guī)定雙方“如何講（howtodo?）”

定義用戶數(shù)據(jù)與控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式或格式。用于規(guī)定將若干個(gè)協(xié)議元素和數(shù)據(jù)組合在一起，來表達(dá)一個(gè)更完整的內(nèi)容時(shí)所應(yīng)遵循的格式，也即對所表述的內(nèi)容數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式的一種規(guī)定。語義確定雙方“講什么（whattodo?）”對發(fā)出的請求、執(zhí)行的動(dòng)作及對方的應(yīng)答做出解釋。也即需要發(fā)出何種控制信息、完成何種動(dòng)作以及做出何種應(yīng)答。時(shí)序確定雙方的“講話次序（whentodo?）”。規(guī)定了事件發(fā)生的條件和執(zhí)行順序。7TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充同步比特SYN——同步比特SYN置為1，就表示這是一個(gè)連接請求或連接接受報(bào)文?？刂茣r(shí)常與ACK同時(shí)使用。8TCP首部20字節(jié)固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗(yàn)和選項(xiàng)（長度可變）源端口序號(hào)緊急指針窗口確認(rèn)號(hào)保留FINSYNRSTPSHACKURG比特08162431填充確認(rèn)比特ACK——只有當(dāng)ACK1時(shí)確認(rèn)號(hào)字段才有效。當(dāng)ACK0時(shí)，確認(rèn)號(hào)無效。9TCP傳輸連接建立過程示意圖

10現(xiàn)實(shí)社會(huì)存在的郵政系統(tǒng)113.1.2協(xié)議、層次、接口與體系結(jié)構(gòu)的概念

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)重要的概念：層次（layer）協(xié)議（protocol）

接口（interface）

體系結(jié)構(gòu)（architecture）12層次（layer）層次是人們對復(fù)雜問題處理的基本方法；將總體要實(shí)現(xiàn)的很多功能分配在不同層次中；對每個(gè)層次要完成的服務(wù)及服務(wù)要求都有明確規(guī)定；不同地區(qū)的系統(tǒng)分成相同的層次；不同系統(tǒng)的對等層次具有相同的功能；高層使用低層提供的服務(wù)時(shí)，并不需要知道低層服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)方法。

13接口（interface）接口是同一結(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層之間交換信息的連接點(diǎn);同一個(gè)結(jié)點(diǎn)的相鄰層之間存在著明確規(guī)定的接口，低層向高層通過接口提供服務(wù);只要接口條件不變、低層功能不變，低層功能的具體實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)的變化不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。14分層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層次化通信分層進(jìn)行?；ハ嗤ㄐ诺膬蓚€(gè)系統(tǒng)必須具有相同的層次結(jié)構(gòu)，并且相應(yīng)的層必須執(zhí)行相同的通信協(xié)議。通信在對等層的相關(guān)實(shí)體之間進(jìn)行。實(shí)體指每一層的活動(dòng)元素，指任何可以發(fā)送和接收信息的硬件或軟件進(jìn)程。服務(wù)第n層第n-1層系統(tǒng)A服務(wù)第n層第n-1層系統(tǒng)B第n-1層協(xié)議第n層協(xié)議15分層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)-在網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中，第N層是第N-1層的用戶，同時(shí)是第N+1層的服務(wù)提供者。服務(wù)第n層第n-1層系統(tǒng)A服務(wù)第n層第n-1層系統(tǒng)B第n-1層協(xié)議第n層協(xié)議16分層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(續(xù))層次結(jié)構(gòu)方法要解決的問題1.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(jìn)行交互？服務(wù)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(gè)內(nèi)容：分層及每層功能服務(wù)與層間接口協(xié)議173.2

開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI/RM)OSI/RM的基本概念

在制定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)方面，起著很大作用的兩大國際組織是：

國際電報(bào)與電話咨詢委員會(huì)

CCITT，ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織

ISO，InternationalStandardsOrganizationCCITT與ISO的工作領(lǐng)域是不同的：

CCITT主要是考慮通信標(biāo)準(zhǔn)的制定

ISO主要是考慮信息處理與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)18在OSI中的“開放”是指只要遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)系統(tǒng)就可以與位于世界上任何地方、同樣遵循同一標(biāo)準(zhǔn)的其它任何系統(tǒng)進(jìn)行通信；OSI標(biāo)準(zhǔn)中，采用的是三級(jí)抽象：

?體系結(jié)構(gòu)（architecture）

?服務(wù)定義（servicedefinition）

?協(xié)議規(guī)范（protocolspecification）OSI/RM的基本概念（續(xù)）193.2.1OSI參考模型的結(jié)構(gòu)ISO劃分七層結(jié)構(gòu)的基本原則：網(wǎng)中各結(jié)點(diǎn)都具有相同的層次；不同結(jié)點(diǎn)的同等層具有相同的功能；同一結(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層之間通過接口通信；每一層可以使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)；不同結(jié)點(diǎn)的同等層通過協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對等層之間的通信。20OSI參考模型的結(jié)構(gòu)

21OSI/RM模型圖22OSI/RM層次中英文對照應(yīng)用層ApplicationLayer表示層PresentationLayer會(huì)話層sessionLayer傳輸層transportLayer物理層PhysicalLayer數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer網(wǎng)絡(luò)層NetworkLayer7654321處理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)表示主機(jī)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(jìn)制傳輸管理OSI/RM層次模型各層特征功能233.2.2OSI參考模型各層的功能物理層的主要功能：利用傳輸介質(zhì)為通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間建立、管理和釋放物理連接；實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸，為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。物理層的數(shù)據(jù)傳輸單元是比特。定義了激活、維護(hù)和關(guān)閉終端用戶之間機(jī)械的、電氣的、過程的和功能的特性。如信號(hào)的電壓幅度和位寬度、終端連接器引腳的尺寸等。24數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：在物理層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)鏈路層在通信的實(shí)體間建立數(shù)據(jù)鏈路連接；傳輸以“幀:Frame”為單位的數(shù)據(jù)包；采用差錯(cuò)控制與流量控制方法，使有差錯(cuò)的物理線路變成無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。鏈路層處理的問題：組幀：把數(shù)據(jù)封裝在幀中,按順序傳送,并處理返回的確認(rèn)幀；定界與同步：產(chǎn)生/識(shí)別幀邊界；差錯(cuò)恢復(fù)：采用重傳（ARQ）的方法；流量控制：收發(fā)雙方傳輸速率的匹配。25網(wǎng)絡(luò)層的主要功能：通過路由選擇算法為分組通過通信子網(wǎng)選擇最適當(dāng)?shù)穆窂?；以及?shí)現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等功能。網(wǎng)絡(luò)層處理的數(shù)據(jù)單元是“分組：Packet”具體功能和服務(wù)尋址、最佳路由選擇網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)包中轉(zhuǎn)流量控制和擁塞控制差錯(cuò)檢測與恢復(fù)流量統(tǒng)計(jì)和記賬26傳輸層的主要功能：向用戶提供可靠端到端（end-to-end）服務(wù);保障兩個(gè)終端系統(tǒng)之間傳送的數(shù)據(jù)單元無差錯(cuò)、無丟失、無重復(fù)或無次序顛倒提供“面向連接”(虛電路)和“無連接”(數(shù)據(jù)報(bào))兩種服務(wù)向高層屏蔽了下層各類通信子網(wǎng)的差異，使上層不受通信子網(wǎng)技術(shù)變化的影響（透明傳輸）。27傳輸層特點(diǎn)傳輸層的特點(diǎn)傳輸層位于資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的交界處，起著承上啟下的作用，是關(guān)鍵的一層;傳輸層以上各層：面向應(yīng)用；傳輸層以下各層：面向傳輸;真正意義上的從源端到目的端實(shí)現(xiàn)“端到端”連接的層。

1-3層：鏈接,中繼；

4-7層：端到端28會(huì)話層主要功能負(fù)責(zé)維護(hù)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間會(huì)話連接的建立、管理和終止，以及數(shù)據(jù)的交換。會(huì)話：完成一項(xiàng)任務(wù)而進(jìn)行的一系列相關(guān)的信息交換，也是表示層之間的連接。同步（解決失敗后從哪里重新開始）設(shè)置檢查點(diǎn)。會(huì)話失敗后，恢復(fù)到最后一個(gè)檢查點(diǎn)處，而不用從頭開始?；顒?dòng)管理（保證活動(dòng)的完整性和正確性）?；顒?dòng)：相對獨(dú)立的一組相關(guān)操作。29表示層主要功能處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問題，為應(yīng)用層提供信息表示方式的服務(wù)。若有必要，使用一種通用的數(shù)據(jù)表示格式（在多種數(shù)據(jù)表示格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換）。例如：在日期、貨幣、數(shù)值（特別是浮點(diǎn)數(shù)）等本地?cái)?shù)據(jù)表示格式與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表示格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)的加解密、壓縮/解壓縮等30直接為網(wǎng)絡(luò)用戶或應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)直接面向用戶,為用戶應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。為用戶進(jìn)入OSI環(huán)境提供一個(gè)接口識(shí)別并證實(shí)目的通信方的可用性使協(xié)同工作的應(yīng)用程序之間進(jìn)行同步判斷是否為通信過程申請了足夠的資源應(yīng)用層主要功能313.2.4OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程

1.OSI環(huán)境（OSIenvironment）

322.OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程

333.3TCP/IP參考模型3.3.1TCP/IP參考模型的發(fā)展在TCP/IP協(xié)議研究初期，并沒有提出參考模型；1974年Kahn定義了最早的TCP/IP參考模型；80年代Leiner、Clark等人對TCP/IP參考模型進(jìn)一步的研究；TCP/IP協(xié)議一共出現(xiàn)了6個(gè)版本，后3個(gè)版本是版本4、版本5與版本6；目前我們使用的是版本4，它的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv4；版本6的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv6（或IPng,IPnextgeneration）；IPv6被稱為下一代的IP協(xié)議。34TCP/IP協(xié)議的特點(diǎn)

開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn);獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)；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)，更適用于互連網(wǎng)中；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；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)。353.3.2TCP/IP參考模型各層的功能

1.TCP/IP參考模型的層次應(yīng)用層（applicationlayer）傳輸層（transportlayer）互聯(lián)層（internetlayer，也稱網(wǎng)際層、互聯(lián)網(wǎng)層、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層）主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層（host-to-networklayer，也稱網(wǎng)絡(luò)接口層）

36TCP/IP參考模型與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系

37TCP/IP與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層7654321OSI參考模型應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)接口互聯(lián)網(wǎng)層TCP/IP概念層次Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等TCP/IP支持所有的、標(biāo)準(zhǔn)的物理和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議｝｝38TCP/IP的四層結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡(luò)接口層主機(jī)A主機(jī)B路由器網(wǎng)絡(luò)

2網(wǎng)絡(luò)

1應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)際層網(wǎng)絡(luò)接口層4321392.各層的主要功能

主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層（也稱網(wǎng)絡(luò)接口層）參考模型的最低層，負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報(bào);它包括各種類型的物理網(wǎng)協(xié)議，如局域網(wǎng)的Ethernet與TokenRing、分組交換網(wǎng)的X.25、ATM協(xié)議等;當(dāng)這種物理網(wǎng)被用作傳送IP數(shù)據(jù)包的通道時(shí)，就可以認(rèn)為是這一層的內(nèi)容;充分體現(xiàn)出TCP/IP協(xié)議的兼容性與適應(yīng)性，它也為TCP/IP的成功奠定了基礎(chǔ)。

40互聯(lián)層相當(dāng)OSI參考模型網(wǎng)絡(luò)層無連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；互聯(lián)層的主要功能包括：1.處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求。發(fā)送端2.處理接收的數(shù)據(jù)報(bào)。接收端（中間結(jié)點(diǎn)，目的結(jié)點(diǎn)）

3.處理互聯(lián)的路由選擇、流控與擁塞問題；IP協(xié)議是無連接的、提供“盡力而為”服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。

41網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層ping、tracert、arp命令I(lǐng)nternet協(xié)議(IP)Internet控制消息協(xié)議(ICMP)Internet組管理協(xié)議

(IGMP)地址解析協(xié)議(ARP)逆向地址解析協(xié)議(RARP)應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層網(wǎng)絡(luò)接口層物理層42ICMPICMP是“InternetControlMessageProtocol”的縮寫。是TCP/IP協(xié)議族的一個(gè)子協(xié)議.用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息。控制消息是指網(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。我們在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常會(huì)使用到ICMP協(xié)議，只不過我們覺察不到而已。比如我們經(jīng)常使用的用于檢查網(wǎng)絡(luò)通不通的Ping命令，這個(gè)“Ping”的過程實(shí)際上就是ICMP協(xié)議工作的過程。還有其他的網(wǎng)絡(luò)命令如跟蹤路由的Tracert命令也是基于ICMP協(xié)議的。43IGMP、ARP、RARPIGMP：Internet組管理協(xié)議

(IGMP：InternetGroupManagementProtocol)IGMP是因特網(wǎng)協(xié)議家族中的一個(gè)組播協(xié)議，用于IP主機(jī)向任一個(gè)直接相鄰的路由器報(bào)告他們的組成員情況。ARP：IP----->MAC44傳輸層主要功能是在互連網(wǎng)中源主機(jī)與目的主機(jī)的對等實(shí)體間建立用于會(huì)話的端-端連接；傳輸控制協(xié)議TCP是一種可靠的面向連接協(xié)議；用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP是一種不可靠的無連接協(xié)議。

45傳輸層傳輸控制協(xié)議(TCP)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)應(yīng)用層傳輸層互聯(lián)網(wǎng)層網(wǎng)絡(luò)接口層物理層面向連接的

無連接的

46應(yīng)用層應(yīng)用層協(xié)議主要有：遠(yuǎn)程登錄協(xié)議Telnet文件傳輸協(xié)議FTP簡單郵件傳輸協(xié)議SMTP域名系統(tǒng)DNS簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP超文本傳輸協(xié)議HTTP47應(yīng)用層應(yīng)用層傳輸層互聯(lián)網(wǎng)層網(wǎng)絡(luò)接口層物理層文件傳輸