第3章計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

第3章計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

【本章內(nèi)容簡介】本章系統(tǒng)介紹計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的概念和內(nèi)容，包括分層原理和通信協(xié)議、開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM），以及OSI/RM各層的功能及各層服務。同時，在介紹TCP/IP的基本概念和分層模型的基礎上，對OSI/RM與TCP/IP兩種模型進行比較分析。

【本章重點難點】重點掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的概念、OSI/RM各層的功能以及TCP/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。3.1計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

3.1.1網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的定義和發(fā)展

網(wǎng)絡體系就是為了完成計算機間的通信合作，人們把計算機互聯(lián)的功能劃分成定義明確的層次，并規(guī)定了同層次進程通信的協(xié)議以及相鄰層之間的接口與服務，將這些同層進程間通信的協(xié)議以及相鄰層接口統(tǒng)稱為網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)（NetworkArchitecture）。即計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)是計算機網(wǎng)絡的層次、各層次的功能、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、各層協(xié)議和相鄰層接口的總稱。

1．網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的定義3.1.1網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的定義和發(fā)展2．網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展（1）各計算機制造廠商網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)標準化（2）國際網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)標準化系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)SNA—SystemNetworkArchitecture開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM3.1.2網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的分層模型（1）實體Entity（2）服務Service（3）接口Interface（4）服務原語ServicePrimitive（5）數(shù)據(jù)單元DataUnit1．OSI/RM模型的相關概念3.1.2網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的分層模型2、分層原理圖3-1郵政系統(tǒng)分層模型3.1.2網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的分層模型圖3-2計算機網(wǎng)絡分層體系結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)A應用進程系統(tǒng)B應用進程

P1

P2Pn-1

Pn

Pn+1N+1NN－121物理通信線路N+1NN－1213.1.2網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的分層模型3、分層的好處（1）獨立性強（2）靈活性好（3）易于實現(xiàn)和維護（4）能夠促進標準化3.1.2網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的分層模型4、分層的原則（1）層次不能太多，也不能太少。（2）應在接口服務描述工作量最小、穿過相鄰邊界相互作用次數(shù)最少或通信量最小的地方建立邊界。（3）每層應當實現(xiàn)一個定義明確的功能。（4）每一層的功能要盡量局部化。（5）每層功能的選擇應該有助于制定網(wǎng)絡協(xié)議的國際標準。（6）同一節(jié)點內(nèi)相鄰層次之間通過接口通信，每一層只與它的上、下鄰層產(chǎn)生接口，規(guī)定相應的業(yè)務。（7）不同節(jié)點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)同等層之間的通信。3.1.3網(wǎng)絡協(xié)議在網(wǎng)絡系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)通信雙方能正確而自動地進行通信，針對通信過程中的各種問題，制定了一整套約定，這就是網(wǎng)絡協(xié)議（NetworkProtocol）。網(wǎng)絡協(xié)議主要由三個要素組成：1、語義Semantics2、語法Syntax3、時序Timing3.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RMOSI構(gòu)造了堆棧式的七層模型：

1、物理層

2、數(shù)據(jù)鏈路層

3、網(wǎng)絡層

4、傳輸層

5、會話層

6、表示層

7、應用層3.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM系統(tǒng)B通信線路及中繼設備應用層應用層表示層表示層會話層會話層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層通信子網(wǎng)應用層協(xié)議表示層協(xié)議會話層協(xié)議傳輸層協(xié)議物理層系統(tǒng)A圖3-3OSI參考模型3.2.1物理層PhysicalLayer2、物理層的特性（1）機械特性（2）電氣特性（3）功能特性（4）規(guī)程特性3、物理層的功能（1）物理連接的建立、維持與拆除（2）數(shù)據(jù)傳輸（3）物理層管理1、DTE和DCE3.2.1物理層PhysicalLayer4、物理層提供的服務（1）物理連接圖3-4物理連接形式

(a)點到點連接(b)多點連接3.2.1物理層PhysicalLayer4、物理層提供的服務（2）物理服務數(shù)據(jù)單元（3）順序化（4）數(shù)據(jù)鏈路標識（5）服務質(zhì)量指標（6）故障情況報告3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer1、鏈路與數(shù)據(jù)鏈路圖3-5鏈路與數(shù)據(jù)鏈路3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer圖3-6從層次結(jié)構(gòu)上看數(shù)據(jù)的傳送高層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層系統(tǒng)A網(wǎng)絡層鏈路層物理層網(wǎng)絡層鏈路層物理層高層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層系統(tǒng)B路由器1路由器23.2.2數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer2、數(shù)據(jù)鏈路層的功能（1）數(shù)據(jù)鏈路管理（2）幀同步（3）差錯控制（4）流量控制（5）將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開（6）透明傳輸（7）物理尋址3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer3、數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務（1）無確認、無連接服務

UnacknowledgedConnectionlessService（2）有確認、無連接服務

AcknowledgedConnectionlessService（3）有確認、面向連接服務

AcknowledgedConnection-OrientedService3.2.3網(wǎng)絡層NetworkLayer1、網(wǎng)絡層的功能（1）網(wǎng)絡連接的建立與拆除（2）路由選擇和中繼（3）擁塞控制和流量控制（4）網(wǎng)絡連接多路復用（5）差錯檢測與恢復（6）分段和組塊（7）協(xié)議轉(zhuǎn)換3.2.3網(wǎng)絡層NetworkLayer2、網(wǎng)絡層提供的服務（1）數(shù)據(jù)報服務CDABGHFE網(wǎng)絡網(wǎng)絡（2）虛電路服務GHFECDAB網(wǎng)絡網(wǎng)絡圖3-7數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡的通信過程圖3-8虛電路的通信過程3.2.3網(wǎng)絡層NetworkLayer3、路由選擇路由選擇是指網(wǎng)絡中的節(jié)點根據(jù)通信網(wǎng)絡的當前狀態(tài)（可用的數(shù)據(jù)鏈路、各條鏈路中的信息流量），按照一定的策略（傳輸時間最短、傳輸路徑最短等）為分組選擇一條可用的傳輸路由，將其發(fā)往目的主機。路由選擇是通信網(wǎng)絡最重要的功能之一，它與網(wǎng)絡的傳輸性能密切相關。3.2.4傳輸層TransportLayer應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層面向應用面向通信面向通信子網(wǎng)面向資源子網(wǎng)圖3-9傳輸層在OSI模型中的地位3.2.4傳輸層TransportLayer1、傳輸層的功能（1）傳輸連接的建立與釋放（2）尋址（3）提供多路復用機制（4）提供分段機制2、傳輸層提供的服務（1）服務類型（2）服務等級（3）數(shù)據(jù)傳輸（4）用戶接口（5）連接管理（6）快速數(shù)據(jù)傳輸（7）狀態(tài)報告（8）安全保密3.2.5會話層SessionLayer1、會話層的功能（1）立通信連接，保持會話過程中通信鏈路的暢通（2）同步兩個節(jié)點之間的對話（3）確定通信是否被中斷并在通信中斷時確定從何處重新發(fā)送2、會話層提供的服務會話連接管理服務會話數(shù)據(jù)交換服務3.2.6表示層PresentationLayer1、表示層的功能（1）表示連接的建立與釋放（2）表示上下文的管理（3）數(shù)據(jù)傳送（4）語法轉(zhuǎn)換（5）語法協(xié)商2、表示層的服務（1）主要服務（2）主要手段（3）主要業(yè)務3.2.7應用層ApplicationLayer1、應用層功能和模型圖3-10應用層模型3.2.7應用層ApplicationLayer2、應用層協(xié)議類型（1）虛擬終端協(xié)議（2）文件傳輸、訪問和管理協(xié)議（3）報文處理系統(tǒng)協(xié)議（4）公共管理信息協(xié)議（5）目錄服務協(xié)議（6）事務處理協(xié)議（7）遠程數(shù)據(jù)庫訪問協(xié)議（8）制造業(yè)報文規(guī)范協(xié)議3.3TCP/IP參考模型

TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議應用層傳輸層網(wǎng)絡互聯(lián)層網(wǎng)絡接口層圖3-11（a）TCP/IP四層參考模型分層結(jié)構(gòu)圖3-11（b）沙漏形狀的TCP/IP協(xié)議簇3.3TCP/IP參考模型

TCP/IP模型的特點：（1）TCP/IP應用層的功能包含了OSI/RM模型中會話層和表示層的功能。（2）在設計時考慮到要與具體的物理傳輸無關，沒有對最低兩層做出規(guī)定。（3）TCP/IP網(wǎng)絡接口層并不是一個層次，而是一個接口。（4）TCP/IP一開始就考慮到多種異構(gòu)網(wǎng)互聯(lián)，并將IP協(xié)議作為TCP/IP的重要組成部分，定義了各種網(wǎng)絡的分組交換共同的方法。（5）TCP/IP可以越層使用更低層提供的服務，有更高的協(xié)議效率。3.3.1網(wǎng)絡接口層

TCP/IP的網(wǎng)絡接口層（相當于OSI的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層）包括用于物理連接、傳輸?shù)乃泄δ堋Ｋ撠煱袸P分組發(fā)送到網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)上以及從網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)上接收IP分組。3.3.2網(wǎng)絡互聯(lián)層1、IP層的主要功能（1）處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求（2）處理輸入數(shù)據(jù)報（3）處理ICMP報文3.3.2網(wǎng)絡互聯(lián)層2、IP層協(xié)議（1）IP協(xié)議（2）地址解析協(xié)議（3）逆向地址解析協(xié)議（4）互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議（5）互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議

3.3.3傳輸層

TCP/IP的傳輸層作用與OSI/RM參考模型中傳輸層的作用是一樣的，即在源節(jié)點和目的節(jié)點的兩個進程實體之間提供可靠的端到端的數(shù)據(jù)傳輸。

該層主要使用了如下兩個協(xié)議：（1）傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol，TCP）（2）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）3.3.4應用層