《計算機網(wǎng)絡基礎》專業(yè)課程PPT課件-第2章 計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

計算機網(wǎng)絡技術基礎中國工信出版集團人民郵電出版社FoundationsofComputerNetworkTechnology計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)——第二章CONTENTSCONTENTS01計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)概述02開放系統(tǒng)互連參考模型03TCP/IP體系結(jié)構(gòu)一、計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡由多個互連的節(jié)點組成，節(jié)點之間要不斷地交換數(shù)據(jù)和控制信息。要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，每個結(jié)點就必須遵守一整套合理而嚴謹?shù)慕Y(jié)構(gòu)化管理體系。計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)是指計算機網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)模型，它是各層的協(xié)議以繼層次之間端口的集合。在計算機網(wǎng)絡中實現(xiàn)通信必須依靠網(wǎng)絡通信協(xié)議，目前廣發(fā)采用的是ISO1997年提出的開放系統(tǒng)互連（OpenSystemInterconnection，OSI）參考模型，習慣上成為ISO/OSI參考模型。接口時同一個節(jié)點或節(jié)點內(nèi)相鄰層次之間交換信息的連接點。同一節(jié)點的相鄰層之間存在明確規(guī)定的接口，低層通過接口向高層提供服務。只要接口不變，低層功能不變，低層功能的具體實現(xiàn)方法九奴會影響整個系統(tǒng)的工作。一、計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)協(xié)議就是為實現(xiàn)網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換建立而制定的規(guī)則、約定與標準。協(xié)議由語法、語義和時序三部分組成，即協(xié)議的三要素：語義語法時序在網(wǎng)絡分層體系結(jié)構(gòu)中，每一層都由一些實體組成，這些實體抽象地表示了通信時的軟件元素（如進程或子程序）或硬件元素（如智能I/O芯片等）。實體是通信時能發(fā)送和接收信息的任何軟硬件設施。協(xié)議（Protocol）實體（Entity）接口(Interface)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的相關概念層次(Arrangemengt)為了實現(xiàn)網(wǎng)絡中計算機之間的通信，網(wǎng)絡層次體系結(jié)構(gòu)需要把每個計算機互連的功能劃分成有明確定義的層次，并規(guī)定同層次進程的通信的協(xié)議及相鄰層次之間的接口服務。一、計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)設計完成計算機間的通信合作，把每個計算機互聯(lián)的功能劃分成有明確定義的層次，并規(guī)定同層次進程通信的協(xié)議及相鄰層之間的接口服務，將這些同層進程通信的協(xié)議以及相鄰層的接口統(tǒng)稱為網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)（NetworkArchitecture）。計算機網(wǎng)絡中采用層次結(jié)構(gòu)的好處是：（1）各層之間相互獨立。高層并不需要知道低層是如何實現(xiàn)的，而僅需要知道該層通過層間接口所提供的服務。（2）靈活性好。當任何一層發(fā)生變化時，只要接口保持不變，則在這層以上或以下各層均不受影響，此外，當某層提供的服務不再需要時，甚至可將這層取消。（3）結(jié)構(gòu)上可分割。各層都可采用最合適的技術來實現(xiàn)。各層實現(xiàn)技術的改變不影響其他層。（4）易于實現(xiàn)和維護。層次結(jié)構(gòu)使得實現(xiàn)和調(diào)試一個龐大而復雜的系統(tǒng)變得容易，因為整個系統(tǒng)已被分解為若干個相對獨立的子系統(tǒng)。（5）有利于促進標準化。這主要是因為每層的功能與所提供的服務已有明確的說明。標準化對于計算機網(wǎng)絡來說非常重要，因為協(xié)議時通信雙方共同遵守的約定。二、開放系統(tǒng)互連參考模型1974年，IBM公司提出了世界上第一個網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，這就是系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)（SystemNetworkArchitecture，SNA），此后，許多公司紛紛提出各自的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的共同之處在于它們都采用了分層技術，但層次的劃分、功能的分配與采用的技術術語均不相同。隨著信息技術的發(fā)展，各種計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和各種計算機網(wǎng)絡的互聯(lián)成為人們迫切需要解決的課題，OSI參考模型就是在這一背景下提出并加以研究的。二、開放系統(tǒng)互連參考模型開放系統(tǒng)互連參考模型OSIOSI參考模型分層的原則是：（1）每層的功能應是明確的，并且是相互獨立的。當某一層具體實現(xiàn)方法更新時，只要保持與上、下層的接口不變，那么就不會對鄰層產(chǎn)生影響。（2）層間接口必須清晰，跨越接口的信息量應盡可能少。（3）每一層的功能選定都應基于已有的成功經(jīng)驗。（4）在需要不同的通信服務時，可在一層內(nèi)再設置兩個或更多的子層次，當不需要該服務時，也可繞過這些子層次。二、開放系統(tǒng)互連參考模型OSI參考模型各層之間的關系二、開放系統(tǒng)互連參考模型OSI各層的功能概述第1層：物理層(PhysicalLayer)在物理信道上傳輸原始的數(shù)據(jù)比特（bit）流，提供為建立、維護和拆除物理鏈路連接所需的各種傳輸介質(zhì)、通信接口特性等。第2層：數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)在物理層提供比特流服務的基礎上，建立相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路，通過差錯控制提供數(shù)據(jù)幀在信道上無差錯地傳輸，并進行數(shù)據(jù)流量控制。第3層：網(wǎng)絡層(NetworkLayer)為傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸提供建立、維護和終止網(wǎng)絡連接的手段，把上層來的數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)包(Packet)在節(jié)點之間進行交換傳送，并且負責路由控制和擁塞控制。第4層：傳輸層(TransportLayer)為上層提供端到端(最終用戶到最終用戶)的透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。所謂透明的傳輸是指在通信過程中傳輸層對上層屏蔽了通信傳輸系統(tǒng)的具體細節(jié)。第5層：會話層(SessionLayer)為表示層提供建立、維護和結(jié)束會話連接的功能，并提供會話管理服務。第6層：表示層(PresentationLayer)為應用層提供信息表示方式的服務，如數(shù)據(jù)格式的變換、文本壓縮、加密技術等。第7層：應用層(ApplicationLayer)為網(wǎng)絡用戶或應用程序提供各種服務，如文件傳輸、電子郵件(E-mail)、分布式數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡管理等。二、開放系統(tǒng)互連參考模型OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程二、開放系統(tǒng)互連參考模型OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)OSI參考模型最初時開發(fā)網(wǎng)絡通信協(xié)議簇的一個工業(yè)測安靠標準。通過嚴格遵守OSI參考模型標準不同的網(wǎng)絡技術之間可以輕松地實現(xiàn)互操作。但由于Internet在全世界的飛速發(fā)展，使得TCP/IP協(xié)議得到了廣泛的應用，雖然TCP/IP不是ISO標準，但廣泛的使用也使TCP/IP成為一種“實際上的標準”，并形成了TCP/IP參考模型。不過，ISO的OSI參考模型的制定，也參考了TCP/IP協(xié)議集及其分層體系結(jié)構(gòu)的思想。而TCP/IP在不斷發(fā)展的過程中也吸收了OSI標準中的概念及特征。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP的概念TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是指傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議。它起源于美國ARPAnet網(wǎng)，由它的兩個主要協(xié)議即TCP和IP協(xié)議而得名。TCP/IP是Interent上所有網(wǎng)絡和主機之間進行交流所使用得共同“語言”，是Internet上的標準網(wǎng)絡連接協(xié)議。通常所說的TCP/IP協(xié)議實際上包含了大量的協(xié)議和應用，且由多個獨立定義的協(xié)議組合在一起，協(xié)同工作，因此，更確切的說，應該稱其為TCP/IP協(xié)議集和TCP/IP協(xié)議?；騎CP/IP協(xié)議簇。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議簇具有以下幾個特點2341TCP/IP協(xié)議開放的協(xié)議標準，可以免費使用，并且獨立于特定的計算機硬件與操作系統(tǒng)；獨立于特定的網(wǎng)絡硬件，可以運行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互連網(wǎng)中；統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址分配方案，使得整個TCP/IP設備在網(wǎng)中都具有唯一的地址；標準化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務。TCP/IP的概念三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP分為四個層次，分別是網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應用層。TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)與OSI層次結(jié)構(gòu)的對照關系如右圖所示：TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)應用層在TCP/IP模型中，應用程序接口是最高層，它與OSI模型中的高三層的任務相同，用于提供網(wǎng)絡服務，比如文件傳輸、遠程登錄、域名服務和簡單網(wǎng)絡管理等。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡接口層網(wǎng)絡接口層，也被稱為網(wǎng)絡訪問層，包括了能使用TCP/IP與物理網(wǎng)絡進行通信的協(xié)議，它對應OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。TCP/IP標準并沒有定義具體的網(wǎng)絡接口協(xié)議。網(wǎng)際層網(wǎng)際層是在TCP/IP標準中正式定義的第一層。網(wǎng)際層所執(zhí)行的主要功能是處理來自傳輸層的分組，將分組形成數(shù)據(jù)包（IP數(shù)據(jù)包），并為該數(shù)據(jù)包進行路徑選擇，最終將數(shù)據(jù)包從源主機發(fā)送到目的主機，在網(wǎng)際層中，最常用的協(xié)議是網(wǎng)際協(xié)議IP，其他一些協(xié)議用來協(xié)助IP的操作。傳輸層TCP/IP的傳輸層也被稱為主機至主機層，與OSI的傳輸層類似，主要負責主機到主機之間的端對端通信，該層使用了兩種協(xié)議來支持兩種數(shù)據(jù)的傳送方法，即TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議集三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層的協(xié)議——IP網(wǎng)際協(xié)議IP(InternetProtocol)IP協(xié)議的任務是對數(shù)據(jù)包進行相應的尋址和路由，并從一個網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡。IP協(xié)議在每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包前加入一個控制信息，其中包含了源主機的IP地址、目的主機的IP地址和其他一些信息。IP協(xié)議的另一項工作是分割和重編在傳輸層被分割的數(shù)據(jù)包。由于數(shù)據(jù)包要從一個網(wǎng)絡到另一個網(wǎng)絡，當兩個網(wǎng)絡所支持傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的大小不相同時，IP協(xié)議就要在發(fā)送端將數(shù)據(jù)包分割，然后在分割的每一段前再加入控制信息進行傳輸。當接收端接收到數(shù)據(jù)包后，IP協(xié)議將所有的片段重新組合形成原始的數(shù)據(jù)。IP是一個無連接的協(xié)議。無連接是指主機之間不建立用于可靠通信的端到端的連接，源主機只是簡單地將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)包可能會丟失、重復、延遲時間大或者IP包的次序會混亂。因此，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的可靠傳輸，就必須依靠高層的協(xié)議或應用程序，如傳輸層的TCP協(xié)議。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層的協(xié)議——ICMP網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP(InternetControlMessageProtocol)網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP為IP協(xié)議提供差錯報告。由于IP是無連接的，且不進行差錯檢驗，當網(wǎng)絡上發(fā)生錯誤時它不能檢測錯誤。向發(fā)送IP數(shù)據(jù)包的主機匯報錯誤就是ICMP的責任。例如，如果某臺設備不能將一個IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡，它就向發(fā)送數(shù)據(jù)包的源主機發(fā)送一個消息，并通過ICMP解釋這個錯誤。ICMP能夠報告的一些普通錯誤類型有：目標無法到達、阻塞、回波請求和回波應答等。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層的協(xié)議——IGMP網(wǎng)際主機組管理協(xié)議IGMP(InternetGroupManagementProtocol)IP協(xié)議只是負責網(wǎng)絡中點到點的數(shù)據(jù)包傳輸，而點到多點的數(shù)據(jù)包傳輸則要依靠網(wǎng)際主機組管理協(xié)議IGMP完成。它主要負責報告主機組之間的關系，以便相關的設備（路由器）支持多播發(fā)送。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層的協(xié)議——ARP和RARP地址解析協(xié)議ARP(AddressResolutionProtocol)和反向地址解析協(xié)議RARP計算機網(wǎng)絡中各主機之間要進行通信時，必須要知道彼此的物理地址（OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層的地址）。因此，在TCP/IP的網(wǎng)際層有ARP協(xié)議和RARP協(xié)議，它們的作用是將源主機和目的主機的IP地址與它們的物理地址相匹配。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)傳輸層協(xié)議——TCP傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)TCP協(xié)議是傳輸層一種面向連接的通信協(xié)議，提供可靠的數(shù)據(jù)傳送。對于大量數(shù)據(jù)的傳輸，通常都要求有可靠的傳送。TCP協(xié)議將源主機應用層的數(shù)據(jù)分成多個分段，然后將每個分段傳送到網(wǎng)際層，網(wǎng)際層將數(shù)據(jù)封裝為IP數(shù)據(jù)包，并發(fā)送到目的主機。目的主機的網(wǎng)際層將IP數(shù)據(jù)包中的分段傳送給傳輸層，再由傳輸層對這些分段進行重組，還原成原始數(shù)據(jù)，傳送給應用層。TCP協(xié)議還要完成流量控制和差錯檢驗的任務，以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。三、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)傳輸層協(xié)議——UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP(UserDatagramProtocol)UDP協(xié)議是一種面向無連接的協(xié)議，因此，它不能提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而且UDP不進行差錯檢驗，必須由應用層的應用程序?qū)崿F(xiàn)可靠性機制和差錯控制，以保證端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。雖然UDP與TCP相比，顯得非常不可靠，但在一些特定的環(huán)境下還是非常有優(yōu)勢的。例如，要發(fā)送的信息較短，不值得在主機之間建立一次連接。另外，面向連接的通信通常只能在兩個主機之間進行，若要實現(xiàn)多個主機之間的一對多或多對多的數(shù)據(jù)傳輸，即廣播或多播，就需要使用UDP協(xié)議。三