第3章 計算機網絡協議與體系結構OK

計算機網絡實用教程第3章計算機網絡協議與體系結構本章主要章節(jié)有：

3.1網絡協議

3.2網絡的體系結構

3.3ISO/OSI參考模型

3.4TCP/IP參考模型3.1網絡協議網絡協議是為計算機網絡中進行數據交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合。例如，網絡中一個微機用戶和一個大型主機的操作員進行通信，由于這兩個數據終端所用字符集不同，因此操作員所輸入的命令彼此不認識。為了能進行通信，規(guī)定每個終端都要將各自字符集中的字符先變換為標準字符集的字符后，才進入網絡傳送，到達目的終端之后，再變換為該終端字符集的字符。當然，對于不相容終端，除了需變換字符集字符外。其他特性，如顯示格式、行長、行數、屏幕滾動方式等也需作相應的變換。網絡協議三要素:

（1）語法：用來規(guī)定信息格式；數據及控制信息的格式、編碼及信號電平等。（2）語義：用來說明通信雙方應當怎么做；用于協調與差錯處理的控制信息。（3）同步：規(guī)定通信事件發(fā)生的順序并詳細說明。3.2網絡體系結構網絡體系結構（NetworkArchitecture）是網絡層次莫向合格層協議的集合，它是計算機網絡及其構件所應完成的功能的精確定義。要注意的是，這些功能究竟是用何種硬件或軟件完成的，則是一個遵循這種體系結構的實現問題。體系結構只對各層功能進行定義，不討論功能的具體實現問題。所以，體系結構是抽象的，而實現是具體的，是真正參與運行的計算機硬件和軟件。

網絡層次模型計算機網絡層次結構一般以垂直分層模型來表示層次結構的要點：

（1）除了在物理媒體上進行的是實通信之外，其余各對等實體間進行的都是虛通信。

（2）對等層的虛通信必須遵循該層的協議。

（3）n層的虛通信是通過n/n-1層間接口處n-1層提供的服務以及n-1層的通信（通常也是虛通信）來實現的。層次結構劃分的原則：

（1）每層的功能應是明確的，并且是相互獨立的。當某一層的具體實現方法更新時，只要保持上、下層的接口不變，便不會對鄰居產生影響。

（2）層間接口必須清晰，跨越接口的信息量應盡可能少。

（3）層數應適中。若層數太少，則造成每一層的協議太復雜；若層數太多，則體系結構過于復雜，使描述和實現各層功能變得困難。網絡體系結構特點：

（1）以功能作為劃分層次的基礎。

（2）第n層的實體在實現自身定義的功能時，只能使用第n-1層提供的服務。

（3）第n層在向第n+1層提供的服務時，此服務不僅包含第n層本身的功能，還包含由下層服務提供的功能。

（4）僅在相鄰層間有接口，且所提供服務的具體實現細節(jié)對上一層完全屏蔽。3.3ISO/OSI參考模型ISO（國際標準化組織InternationalOrganizationforStandardization）

于1981年正式推薦了一個網絡系統結構——七層參考模型，叫做開放系統互連模型(OpenSystemInterconnection，OSI)。由于這個標準模型的建立,使得各種計算機網絡向它靠攏,大大推動了網絡通信的發(fā)展。OSI參考模型將整個網絡通信的功能劃分為七個層次：物理層(PH)、鏈路層(DL)、網絡層(N)、傳輸層(T)、會議層(S)、表示層(P)、應用層(A)每層完成一定的功能，每層都直接為其上層提供服務，并且所有層次都互相支持。第四層到第七層主要負責互操作性，而一層到三層則用于創(chuàng)造兩個網絡設備間的物理連接。（1）物理層

物理層協議是各種網絡設備進行互連時必須遵守的低層協議。設立物理層的目的是實現兩個網絡物理設備之間的二進制比特流的透明傳輸，對數據鏈路層屏蔽物理傳輸介質的特性，以便對高層協議有最大的透明性。ISO對OSI參考模型中的物理層做了如下定義：物理層為建立、維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的物理連接提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。物理連接可以通過中繼系統，允許進行全雙工或半雙工的二進制比特流的傳輸。物理層的數據服務單元是比特，它可以通過同步或異步的方式進行傳輸。從以上定義中可以看出，物理層主要特點是：1、物理層主要負責在物理連接上傳輸二進制比特流；2、物理層提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能與規(guī)程的特性（2）數據鏈路層

數據鏈路層負責幀在計算機之間的無差錯傳遞。數據鏈路層還支持工作站的網絡接口卡所用的軟件驅動程序。橋接器的功能在這一層。設立數據鏈路層的主要目的是將一條原始的、有差錯的物理線路變?yōu)閷W絡層無差錯的數據鏈路。為了實現這個目的，數據鏈路層必須執(zhí)行鏈路管理、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能。在OSI參考模型中，數據鏈路層向網絡層提供以下基本的服務：1、數據鏈路建立、維護與釋放的鏈路管理工作；2、數據鏈路層服務數據單元幀的傳輸；3、差錯檢測與控制；4、數據流量控制；5、在多點連接或多條數據鏈路連接的情況下,提供數據鏈路端口標識的識別，支持網絡層實體建立網絡連接；6、幀接收順序控制（4）網絡層

網絡層定義網絡操作系統通信用的協議，為信息確定地址，把邏輯地址和名字翻譯成物理的地址。它也確定從源機沿著網絡到目標機的路由選擇，并處理交通問題，例如交換、路由和對數據包阻塞的控制。路由器的功能在這一層。路由器可以將子網連接在一起，它依賴于網絡層將子網之間的流量進行路由。OSI參考模型規(guī)定網絡層的主要功能有以下三點：1、路徑選擇與中繼2、流量控制3、網絡連接建立與管理（5）運輸層

傳輸層負責錯誤的確認和恢復，以確保信息的可靠傳遞。在必要時，它也對信息重新打包，把過長信息分成小包發(fā)送；而在接收端，把這些小包重構成初始的信息。在這一層中最常用的協議就是TCP/IP、Novell的順序包交換SPX以及MicrosoftNetBIOS/NetBEUI。傳輸層是OSI參考模型的七層中比較特殊的一層，同時也是整個網絡體系結構中十分關鍵的一層。設置傳輸層的主要目的是在源主機進程之間提供可靠的端-端通信。（5）會話層

會話層是建立在傳輸層之上，由于利用傳輸層提供的服務，使得兩個會話實體之間不考慮它們之間相隔多遠、使用了什么樣的通信子網等網絡通信細節(jié)，進行透明的、可靠的數據傳輸。當兩個應用進程進行相互通信時，希望有個做為第三者的進程能組織它們的通話，協調它們之間的數據流，以便使應用進程專注于信息交互。設立會話層就是為了達到這個目的。會話層的主要功能是向會話的應用進程之間提供會話組織和同步服務，對數據的傳送提供控制和管理，以達到協調會話過程、為表示層實體提供更好的服務。（6）表示層表示層包含了處理網絡應用程序數據格式的協議。該層將應用程序數據排序成一個有含義的格式并提供給會話層。這一層也通過提供諸如數據加密的服務來負責安全問題，并壓縮數據以使得網絡上需要傳送的數據盡可能少。許多常見的協議都將這一層集成到了應用層中，例如，NetWare的IPX/SPX就為這兩個層次使用一個NetWare核心協議，TCP/IP也為這兩個層次使用一個網絡文件系統協議。（7）應用層應用層是最終用戶應用程序訪問網絡服務的地方。它負責整個網絡應用程序一起很好地工作。這里也正是最有含義的信息傳過的地方。程序如電子郵件、數據庫等都利用應用層傳送信息。3.4TCP/IP參考模型

網絡互連是目前網絡技術研究的熱點之一,并且已經取得了很大的進展.在諸多網絡互連協議中,傳輸控制協議/互連網協議TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)是一個使用非常普遍的網絡互連標準協議。TCP/IP協議是美國的國防部高級計劃研究局DARPA為實現ARPANET(后來發(fā)展為Internet)互連網而開發(fā)的，也是很多大學及研究所多年的研究及商業(yè)化的結果。目前，眾多的網絡產品廠家都支持TCP/IP協議，TCP/IP已成為一個事實上的工業(yè)標準。

3.4.1TCP/IP的體系結構和功能

TCP/IP是一組協議的代名詞，它還包括許多別的協議，組成了TCP/IP協議簇。一般來說，TCP提供傳輸層服務，而IP提供網絡層服務。（1）網絡接口網絡接口層包括用于協作IP數據在已有網絡介質上傳輸的協議。實際上TCP/IP標準并不定義與ISO數據鏈路層和物理層相對應的功能。相反，它定義像地址解析協議（AddressResolutionProtocol,ARP）這樣的協議，提供TCP/IP協議的數據結構和實際物理硬件之間的接口。（2）網際層網際層有四個主要的協議：網際協議IP、Internet控制報文協議ICMP、地址解析協議APR和逆地址解析協議RARP。網際層的主要功能是使主機可以把分組發(fā)往任何網絡并使分組獨立地傳向目標（可能經由不同的網絡）。這些分組到達的順序和發(fā)送的順序可能不同，因此如果需要按順序發(fā)送及接收時，高層必須對分組排序。這就象一個人郵寄一封信，不管他準備郵寄到哪個國家，他僅需要把信投入郵箱，這封信最終會到達目的地。這封信可能會經過很多的國家，每個國家可能有不同的郵件投遞規(guī)則，但這對用戶是透明的，用戶是不必知道這些投遞規(guī)則。另外，網際層的網際協議IP的基本功能是：無連接的數據報傳送和數據報的路由選擇，即IP協議提供主機間不可靠的、無連接數據報傳送?；ミB網控制報文協議ICMP提供的服務有：測試目的地的可達性和狀態(tài)、報文不可達的目的地、數據報的流量控制、路由器路由改變請求等。地址轉換協議ARP的任務是查找與給定IP地址相對應主機的網絡物理地址。反向地址轉換協議RARP主要解決物理網絡地址到IP地址的轉換。（4）運輸層在TCP/IP參考模型中，傳輸層是參考模型的第3層，它負責在應用進程之間的端到端通信。傳輸層的主要目的是在互聯網中源主機與目的主機的對等實體間建立用于會話的端到端連接。從這點上來說，TCP/IP參考模型與OSI參考模型的傳輸層功能是相似的。在TCP/IP參考模型中的傳輸層，定義了以下這兩種協議。①傳輸控制協議（transmissioncontrolprotocol,,TCP）TCP協議是一種可靠的面向連接的協議，它允許將一臺主機的字節(jié)流(bytestream)無差錯的傳送到目的主機。TCP協議將應用層的字節(jié)流分成多個字節(jié)段(bytesegment),然后將一個個的字節(jié)段傳送到互聯網絡層，發(fā)送到目的主機。當互聯網絡層將接收到的字節(jié)段傳送給傳輸時，傳輸層再將多個字節(jié)段還原成字節(jié)流傳送到應用層。TCP協議同時要完成流量控制功能，協調收發(fā)雙方的發(fā)送與接收速度，達到正確傳輸的目的。②用戶數據協議（userdatagramprotocol,UDP）UDP協議是一種不可靠的無連接協議，它主要用于不要求分組順序到達的傳輸中，分組傳輸順序檢查與排序由應用層完成。（5）應用層

在TCP/IP參考模型中，應用層是參考模型的最高層。應用層包括了所有的高層協議，并且總是不斷有新的協議加入。目前，應用層協議主要有以下幾種：（1）遠程登錄協議（Teln