第2章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

第2章

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議1本章學習要求：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。了解：OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較。了解：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準組織，RFC文檔、Internet草案與Internet協(xié)議標準的制定過程。22.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念

2.1.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標準；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素：語義、語法與時序；語義：用于解釋比特流的每一部分的意義；語法：語法是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義；時序：事件實現(xiàn)順序的詳細說明。3社會上存在的郵政系統(tǒng)通信者活動郵局服務(wù)業(yè)務(wù)郵局轉(zhuǎn)送業(yè)務(wù)發(fā)信者收信者運輸部門的郵件運輸業(yè)務(wù)書寫信件貼郵票送郵箱收集信件蓋郵戳信件分揀信件打包送運輸部門路由選擇運輸轉(zhuǎn)送郵局接收郵包分發(fā)郵件郵件拆包信件投遞信件分揀閱讀信件通信者活動郵局服務(wù)業(yè)務(wù)郵局轉(zhuǎn)送業(yè)務(wù)42.1.2協(xié)議、層次、接口與體系結(jié)構(gòu)的概念

計算機網(wǎng)絡(luò)的四個重要的概念

層次（layer）協(xié)議（protocol）

接口（interface）

體系結(jié)構(gòu)（architecture）5層次（layer）不同的系統(tǒng)分成相同的層次；不同系統(tǒng)的最低層之間存在著“物理”通信；不同系統(tǒng)的對等層次之間存在著“虛擬”通信；對不同系統(tǒng)的對等層之間的通信有明確的通信規(guī)定；高層使用低層提供的服務(wù)時，并不需要知道低層服務(wù)的具體實現(xiàn)方法。

層數(shù)多少要適當

？？？現(xiàn)實生活中有哪些分層的例子？？？6協(xié)議（Protocal）

計算機網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題（同步含有時序的意思）。為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(networkprotocol)，簡稱為協(xié)議。

現(xiàn)實生活中有哪些協(xié)議的例子？？？7接口（interface）接口是同一結(jié)點內(nèi)相鄰層之間交換信息的連接點;同一個結(jié)點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，低層功能的具體實現(xiàn)方法與技術(shù)的變化不會影響整個系統(tǒng)的工作。現(xiàn)實生活中有哪些接口的例子？？？8網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（networkarchitecture）一個功能完備的計算機網(wǎng)絡(luò)需要制定一整套復雜的協(xié)議集;網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是按層次結(jié)構(gòu)來組織的；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)；網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)對計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該實現(xiàn)的功能進行了精確的定義；體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實現(xiàn)是指能夠運行的一些硬件和軟件。92.1.3網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究方法

層次結(jié)構(gòu)研究方法的優(yōu)點各層之間相互獨立;靈活性好;各層都可以采用最合適的技術(shù)來實現(xiàn);易于實現(xiàn)和維護;有利于促進標準化。

102.2OSI參考模型

2.2.1OSI參考模型的基本概念

在制定計算機網(wǎng)絡(luò)標準方面，起著很大作用的兩大國際組織是：

國際電報與電話咨詢委員會（ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone，CCITT）；

國際標準化組織（InternationalStandardsOrganization，ISO）。CCITT與ISO的工作領(lǐng)域是不同的：

CCITT主要是考慮通信標準的制定；

ISO主要是考慮信息處理與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。11在OSI中的“開放”是指只要遵循OSI標準，一個系統(tǒng)就可以與位于世界上任何地方、同樣遵循同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信；OSI標準中，采用的是三級抽象：

?體系結(jié)構(gòu)（architecture）；

?服務(wù)定義（servicedefinition）；

?協(xié)議說明（protocolspecification）。12OSI參考模型只是描述了一些概念，用來協(xié)調(diào)進程間通信標準的制定；在OSI的范圍內(nèi)，只有各種的協(xié)議是可以被實現(xiàn)的，而各種產(chǎn)品只有和OSI的協(xié)議相一致時才能互連；OSI參考模型并不是一個標準，而是一個在制定標準時所使用的概念性的框架。

132.2.2OSI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)點都具有相同的層次；不同結(jié)點的同等層具有相同的功能；同一結(jié)點內(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)點的同等層通過協(xié)議來實現(xiàn)對等層之間的通信。14OSI參考模型的結(jié)構(gòu)

152.2.4OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程

OSI環(huán)境（OSIenvironment）

162.2.5面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中討論的服務(wù)可以分為通信子網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所提供的服務(wù),與整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為用戶提供的服務(wù)；通信子網(wǎng)的服務(wù)是指通信子網(wǎng)對主機間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃运峁┑谋ＷC機制；通信服務(wù)可以分為兩大類：

面向連接服務(wù)（connect-orientedservice）；

無連接服務(wù)（connectlessservice）。

17

理解網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要注意的問題面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)對實現(xiàn)服務(wù)的傳輸可靠性與協(xié)議復雜性有很大的影響；根據(jù)主機間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蠛托实牟煌?，設(shè)計者可以選擇面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)的類型；在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鲗?，如物理層、?shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層都會涉及面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)的問題。18面向連接服務(wù)的特點面向連接服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸過程必須經(jīng)過連接建立、連接維護與釋放連接的三個過程；面向連接服務(wù)的在數(shù)據(jù)傳輸過程中，各分組可以不攜帶目的結(jié)點的地址；面向連接服務(wù)的傳輸連接類似一個通信管道，發(fā)送者在一端放入數(shù)據(jù)，接收者從另一端取出數(shù)據(jù)；面向連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā)數(shù)據(jù)順序不變，傳輸可靠性好，但是協(xié)議復雜，通信效率不高。19無連接服務(wù)的特點無連接服務(wù)的每個分組都攜帶完整的目的結(jié)點地址，各分組在系統(tǒng)中是獨立傳送的；無連接服務(wù)中的數(shù)據(jù)傳輸過程不需要經(jīng)過連接建立、連接維護與釋放連接的三個過程；數(shù)據(jù)分組傳輸過程中，目的結(jié)點接收的數(shù)據(jù)分組可能出現(xiàn)亂序、重復與丟失的現(xiàn)象；無連接服務(wù)的可靠性不好，但是協(xié)議相對簡單，通信效率較高。20確認和重傳機制的特點

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸话阃ㄟ^確認和重傳機制保證；確認是指數(shù)據(jù)分組的接收結(jié)點在正確地接收到每個分組后，要求向發(fā)送結(jié)點發(fā)回接收分組的確認信息；在規(guī)定的時間內(nèi)，如果發(fā)送結(jié)點沒有接收到接收結(jié)點的確認信息，就認為該數(shù)據(jù)分組發(fā)送失敗，發(fā)送結(jié)點重新發(fā)送該數(shù)據(jù)分組；確認和重傳機制可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕撬枰贫ㄝ^為復雜的確認和重傳協(xié)議，并且需要增加網(wǎng)絡(luò)額外的通信負荷，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬。21服務(wù)類型與服務(wù)質(zhì)量通信協(xié)議四種類型：面向連接與確認服務(wù)；面向連接與不確認服務(wù)；無連接與確認服務(wù)；無連接與不確認服務(wù)。設(shè)計者可以根據(jù)不同的通信要求，決定選擇不同的服務(wù)類型。

22思考哪一個給網(wǎng)絡(luò)帶來更大的流量負擔？哪一個給處于通信中的計算機帶來更大的處理負擔？232.3TCP/IP參考模型

2.3.1TCP/IP參考模型的發(fā)展

在TCP/IP協(xié)議研究時，并沒有提出參考模型；1974年Kahn定義了最早的TCP/IP參考模型；20世紀80年代Leiner、Clark等人對TCP/IP參考模型進一步的研究；TCP/IP協(xié)議一共出現(xiàn)了6個版本，后3個版本是版本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。24TCP/IP協(xié)議的特點

開放的協(xié)議標準;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(luò)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(luò)地址分配方案，使得整個TCP/IP設(shè)備在網(wǎng)中都具有惟一的地址；標準化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務(wù)。252.3.2TCP/IP參考模型各層的功能

應(yīng)用層（applicationlayer）傳輸層（transportlayer）互連層（internetlayer）主機-網(wǎng)絡(luò)層（host-to-networklayer）

26TCP/IP參考模型與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系

272.4OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較

2.4.1對OSI參考模型的評價層次數(shù)量與內(nèi)容選擇不是很好，會話層很少用到，表示層幾乎是空的，數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層有很多的子層插入；尋址、流控與差錯控制在每一層里都重復出現(xiàn)，降低系統(tǒng)效率；數(shù)據(jù)安全性、加密與網(wǎng)絡(luò)管理在參考模型的設(shè)計初期被忽略了；參考模型的設(shè)計更多是被通信的思想所支配，不適合于計算機與軟件的工作方式；嚴格按照層次模型編程的軟件效率很低。282.4.2對TCP/IP參考模型評價在服務(wù)、接口與協(xié)議的區(qū)別上不很清楚，一個好的軟件工程應(yīng)該將功能與實現(xiàn)方法區(qū)分開，參考模型不適合于其他非TCP/IP協(xié)議族；TCP/IP參考模型的主機-網(wǎng)絡(luò)層本身并不是實際的一層；物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的劃分是必要和合理的，而TCP/IP參考模型卻沒有做到這點。

29OSI與TCP/IP

體系結(jié)構(gòu)的比較

應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321OSI的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)層IP

(各種應(yīng)用層協(xié)議如TELNET,FTP,SMTP等)傳輸層(TCP

或

UDP)TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)無連接分組交付服務(wù)傳輸服務(wù)(可靠或不可靠)各種應(yīng)用服務(wù)TCP/IP

的三個服務(wù)層次30TCP/IP四層協(xié)議

的表示方法舉例

應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接口層主機A主機B路由器網(wǎng)絡(luò)

2網(wǎng)絡(luò)

1應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接口層432131沙漏計時器形狀的

TCP/IP協(xié)議族

HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接口層傳輸層應(yīng)用層………網(wǎng)絡(luò)接口

1網(wǎng)絡(luò)接口

2網(wǎng)絡(luò)接口

3EverythingoverIPIP

可為各式各樣的應(yīng)用程序提供服務(wù)IPoverEverythingIP

可應(yīng)用到各式各樣的網(wǎng)絡(luò)上322.5網(wǎng)絡(luò)與Internet協(xié)議標準組織及管理機構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準組織RFC文檔Internet草案Internet協(xié)議標準Internet管理機構(gòu)33因特網(wǎng)協(xié)會

ISOC因特網(wǎng)研究指導小組IRSG因特網(wǎng)研究部IRTF因特網(wǎng)工程部IETF因特網(wǎng)工程指導小組IESG…RGWG……RG…領(lǐng)域領(lǐng)域因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究委員會IAB

WGWGWG關(guān)于因特網(wǎng)的標準化工作342.6一種建議的參考模型

TCP/IP是四層的體系結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層。最下面的網(wǎng)絡(luò)接口層并沒有具體內(nèi)容。因此往往采取折中的辦法，即綜合OSI和TCP/IP的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。

35五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層(applicationlayer)傳輸層(transportlayer)網(wǎng)絡(luò)層(networklayer)數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)數(shù)據(jù)鏈路層5應(yīng)用層4傳輸層3網(wǎng)絡(luò)層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層36計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應(yīng)用進程數(shù)據(jù)先傳送到應(yīng)用層加上應(yīng)用層首部，成為應(yīng)用層

PDU37計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應(yīng)用層PDU再傳送到傳輸層加上傳輸層首部，成為傳輸層報文38計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2傳輸層報文再傳送到網(wǎng)絡(luò)層加上網(wǎng)絡(luò)層首部，成為IP數(shù)據(jù)報39計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2IP數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀40計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體41計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

應(yīng)用層(applicationlayer)5432154321物理傳輸媒體計算機

1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層計算機

242計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層43計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊咳〕鰯?shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡(luò)層44計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給傳輸層45計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2傳輸層剝?nèi)ナ撞浚〕鰯?shù)據(jù)部分上交給應(yīng)用層46計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應(yīng)用層剝?nèi)ナ撞?，取出?yīng)用程序數(shù)據(jù)上交給應(yīng)用進程47計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！48計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應(yīng)用程序數(shù)據(jù)應(yīng)用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝?nèi)ナ撞浚ㄎ膊浚┑膶哟螒?yīng)用程序數(shù)據(jù)H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4傳輸層首部H3網(wǎng)絡(luò)層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部49計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

210100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)50H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢蟀褞臄?shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡(luò)層H2T2H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)51H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)シ纸M首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給傳輸層52H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

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