《計算機網(wǎng)絡技術基礎》項目2計算機網(wǎng)絡體系結構

項目2計算機網(wǎng)絡體系結構體系結構（Architecture）是研究系統(tǒng)各部分組成及相互關系的技術科學。計算機網(wǎng)絡體系結構是指整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的邏輯組成和功能分配，它定義和描述了一組用于計算機及其通信設施之間互聯(lián)的標準和規(guī)范的集合。研究計算機網(wǎng)絡體系結構的目的在于定義計算機網(wǎng)絡各個組成部分的功能，以便在統(tǒng)一的原則指導下進行計算機網(wǎng)絡的設計、建造、使用和發(fā)展。2025/2/212就目前計算機網(wǎng)絡的技術狀況來說，計算機網(wǎng)絡的體系結構具有兩大特征，這就是高度結構化和層次結構。所謂結構化，是將一個復雜的系統(tǒng)設計問題分解成為一個個容易處理的子問題加以解決，并協(xié)調好各個子問題之間關系，最終完成系統(tǒng)的整體規(guī)劃與設計。結構化方法是現(xiàn)代系統(tǒng)設計最重要的系統(tǒng)設計方法之一。所謂層次結構，是將一個復雜的系統(tǒng)設計問題劃分成—組組容易理解的子問題，每一組問題具有相似的功能，并具有前后或上下的層次關聯(lián)關系，承擔著各自的具體任務。層次結構設計是結構化系統(tǒng)設計中最常用的、最基本的方法之一。現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡體系結構的建立是層次結構化系統(tǒng)設計的典型范例。2025/2/213掌握網(wǎng)絡協(xié)議的概念。熟悉協(xié)議分層的原理和優(yōu)點。熟悉OSI各分層功能。熟悉TCP/IP各分層功能。了解IEEE802局域網(wǎng)模型。2025/2/214網(wǎng)絡協(xié)議與分層OSI參考模型TCP/IP模型IEEE802局域網(wǎng)模型2025/2/215網(wǎng)絡協(xié)議與分層

2025/2/216網(wǎng)絡協(xié)議，就是為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則或約定。聯(lián)網(wǎng)的計算機以及網(wǎng)絡設備之間要進行數(shù)據(jù)與控制信息的成功傳遞就必須共同遵守網(wǎng)絡協(xié)議。網(wǎng)絡協(xié)議主要由以下三要素組成。語法語法規(guī)定了通信雙方“如何講”，即確定用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結構與格式；語義語義規(guī)定通信的雙方準備“講什么”，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種應答；同步（時序）同步規(guī)定雙方“何時進行通信”，即事件實現(xiàn)順序的詳細說明。協(xié)議2025/2/217計算機網(wǎng)絡是一個非常復雜的系統(tǒng)，所以用于網(wǎng)絡的通信協(xié)議必然很多。實踐證明，結構化設計方法是解決復雜問題的一種有效手段。其核心思想就是將系統(tǒng)模塊化，并按層次組織各模塊。因此，在研究計算機網(wǎng)絡的結構時，通常也按層次進行分析。協(xié)議的分層2025/2/218各層之間可相互獨立高層并不需要知道低層是采用何種技術來實現(xiàn)的，而只需要知道低層通過接口能提供哪些服務。每一層都有一個清晰、明確的任務，實現(xiàn)相對獨立的功能，因而可以將復雜的系統(tǒng)性問題分解為一層一層的小問題。當屬于每一層的小問題都解決了，那么整個系統(tǒng)的問題也就接近于完全解決了。靈活性好，易于實現(xiàn)和維護當任何一層發(fā)生變化時（如技術的變化），只要層間接口保持不變，則其他各層都不會受到影響。另外，當某層提供的服務不再被其他層需要時，可以將這層直接取消。有利于促進標準化這主要是因為每一層的協(xié)議已經(jīng)對該層的功能與所提供的服務做了明確的說明。分層的好處2025/2/219在所有的網(wǎng)絡中，每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務，而上一層根本不需要知道下一層是如何實現(xiàn)服務的。每一對相鄰層次之間都有一個接口（Interface），接口定義了下層向上層提供的原語操作（即命令）和服務，相鄰兩個層次都是通過接口來交換數(shù)據(jù)的。低層通過接口向高層提供服務。只要接口條件不變，低層功能不變，低層功能的具體實現(xiàn)方法與技術的變化就不會影響整個系統(tǒng)的工作。各層間的關系2025/2/2110服務和協(xié)議是完全不同的概念。服務是各層向其上層提供的一組原語，盡管服務定義了本層能夠為其上層提供的支持操作，即下層能為上層做什么，但是沒有設計這些操作是如何完成的。即服務只定義了相鄰兩層下層面向上層的接口。協(xié)議是定義同層對等實體之間交換的幀、分組和報文的格式及意義的一組規(guī)則。實體利用協(xié)議來實現(xiàn)它們的服務定義。只要不改變提供給用戶的服務，實體可以任意改變它們的協(xié)議。服務（接口）與協(xié)議2025/2/2111服務（接口）與協(xié)議2025/2/2112OSI參考模型2025/2/2113國際標準化組織（InternationalStandardOrganization，ISO）于1979年成立機構專門研究網(wǎng)絡體系結構與網(wǎng)絡協(xié)議的國際標準化問題，經(jīng)過多年卓有成效的工作，提出了一個試圖使各種計算機在世界范圍內(nèi)互聯(lián)成網(wǎng)的標準框架，即著名的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel），簡稱為OSI。OSI是個抽象的概念，并不是一個具體的網(wǎng)絡。它將整個網(wǎng)絡的功能劃分成七個層次：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。最高層為應用層，面向用戶提供網(wǎng)絡應用服務。最低層為物理層，與通信介質相連實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)通信。兩個用戶的計算機通過網(wǎng)絡進行通信時，除物理層之外，其余各對等層之間均不存在直接的通信關系，而是通過各對等層的協(xié)議來進行通信。只有兩個物理層之間通過通信介質進行真正的數(shù)據(jù)通信。OSI2025/2/21142025/2/2115它是一種將異構系統(tǒng)互聯(lián)的分層結構，提供了控制互聯(lián)系統(tǒng)交互規(guī)則的標準框架，定義了一種抽象結構，而并非具體實現(xiàn)的描述；不同系統(tǒng)上的相同層的實體稱為同層實體，同層實體之間的通信由該層的協(xié)議管理；相鄰層間的接口定義了原語操作和低層向上層提供的服務；所提供的公共服務是面向連接的或無連接的數(shù)據(jù)服務；直接的數(shù)據(jù)傳送僅在最低層實現(xiàn)；每層完成所定義的功能，修改本層的功能并不影響其他層；OSI參考模型的主要特性2025/2/2116物理層是OSI參考模型的最低層。物理層的主要任務就是透明地、無差錯地傳送二進制比特流，但是物理層并不關心比特流的實際意義和結構。在物理層中的數(shù)據(jù)是以“bit”為單位的，其數(shù)據(jù)又稱為比特流。物理層（PhysicalLayer）2025/2/2117物理層定義網(wǎng)絡硬件的特性，包括使用的傳輸介質以及與傳輸介質連接的接頭等部件的物理特性。機械特性。規(guī)定所用接線器的形狀、幾何尺寸、引線數(shù)目、排列方式等。電氣持性。規(guī)定了與信號線的連接方式相關的電氣參數(shù)。主要內(nèi)容包括信號“0”或“1”的電平范圍、阻抗匹配、傳輸距離的限制等。功能特性。描述了某條連線上的某種電平所表示的含義。按功能可將接口信號線分為數(shù)據(jù)信號線、控制信號線、定時信號線、接地線和次信道信號線5種。規(guī)程特性。規(guī)程特性規(guī)定了使用接口線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時的控制過程和步驟。不同的接口標準，其規(guī)程特性也不同。物理層（PhysicalLayer）2025/2/2118與物理層有關的網(wǎng)絡互聯(lián)設備有：集線器、中繼器，其作用是為電子信號進行接收、放大，并重傳；傳輸介質連接器，其作用是向傳輸介質互聯(lián)的設備提供機械接口；調制解調器，其作用是完成數(shù)字信號與模擬信號之間的轉換。物理層（PhysicalLayer）2025/2/2119數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層與網(wǎng)絡層之間。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是實現(xiàn)節(jié)點與節(jié)點之間的連接。它利用物理層所建立的物理連接形成相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路，將具有一定意義和結構的信息正確地在實體之間進行傳輸，同時為其上面的網(wǎng)絡層提供有效的服務。數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)單位是幀。數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）2025/2/2120鏈路管理數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放就叫做鏈路管理。幀同步數(shù)據(jù)幀被封裝在物理層的比特流中傳送。幀同步是指接收方應當能從收到的比特流中正確地區(qū)分出一幀的開始和結束在什么地方。流量控制發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)必須使接收方來得及接收，當接收方來不及接收時，就必須控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。差錯控制差錯控制技術要使接收端能夠發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤，并能糾正傳輸錯誤。數(shù)據(jù)鏈路層實體將對幀的傳輸過程進行檢查，發(fā)現(xiàn)差錯可以用重傳方式解決。尋址在多點連接的情況下，要保證每一幀能傳送到正確的目的地址。數(shù)據(jù)鏈路層基本功能2025/2/2121在數(shù)據(jù)鏈路層所涉及到的地址是物理地址，即MAC地址。為了區(qū)分網(wǎng)絡中的不同設備，OSI要求每個連接于網(wǎng)絡的設備必須擁有一個物理設備地址。由于物理設備地址屬于數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層（參見IEEE802局域網(wǎng)模型）的功能要求，故而常把網(wǎng)絡設備的物理設備地址稱為MAC地址。在通常所使用網(wǎng)絡設備中，如路由器、交換機、集線器和網(wǎng)卡等均在出廠前，擁有一個MAC地址。世界上所有網(wǎng)絡設備的物理設備地址都是不同的。因為所有設備所使用的MAC地址均要得到國際標準化組織的批準，從而才能保證所有廠家的設備都具有不一樣的物理地址，因此，在計算機網(wǎng)絡設備的安裝與調試中，不需要設置物理地址，也無法改變其物理地址。MAC地址一般由12位十六進制數(shù)（二進制48位數(shù)）組成。如某網(wǎng)卡的地址是8E178F889922，其中前6位是制造商編號，后6位是產(chǎn)品序號。網(wǎng)絡設備制造商的編碼由IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）分配和管理。MAC地址2025/2/2122交換機是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的典型設備。網(wǎng)卡工作于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。如果單就硬件而言，網(wǎng)卡屬于物理層上的設備。部分具有智能管理的集線器也工作在數(shù)據(jù)鏈路層。工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設備還有網(wǎng)橋，現(xiàn)在已經(jīng)不多用了。數(shù)據(jù)鏈路層設備2025/2/2123網(wǎng)絡層是OSI參考模型的第三層。數(shù)據(jù)鏈路層解決了相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)幀的通信問題，實現(xiàn)了點到點的連接網(wǎng)路層要解決的問題是如何實現(xiàn)在數(shù)據(jù)所經(jīng)過的節(jié)點上選擇下一跳路徑，即路由選擇的問題。網(wǎng)絡層還具有擁塞控制、信息包順序控制及網(wǎng)絡記賬等功能。在網(wǎng)絡層交換的數(shù)據(jù)單位是包。使用的地址是IP地址。網(wǎng)絡層（NetworkLayer）2025/2/2124網(wǎng)絡層向傳輸層提供的服務主要有兩類：面向連接的服務就是在網(wǎng)絡層傳輸數(shù)據(jù)之前必須建立一條從源地址到目的地址的固定的數(shù)據(jù)傳輸通路，之后，數(shù)據(jù)分組將在這條通路上進行有序地傳輸。而在網(wǎng)絡層內(nèi)部采用分組交換技術，數(shù)據(jù)經(jīng)過通信子網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點時要存儲-轉發(fā)。因此，這條通路并不是一條真正的物理通路，而是一條邏輯連接通路，稱為虛電路。當分組傳輸結束后，還要拆除這種連接。無連接的服務是指網(wǎng)絡層在傳輸數(shù)據(jù)之前不需要建立從源地址到目的地址的連接，每個分組在傳輸時要加上網(wǎng)絡地址，根據(jù)地址分組在網(wǎng)絡上獨立地傳輸。當分組經(jīng)過轉發(fā)節(jié)點時都要進行路由選擇。這樣，到達接收端的分組順序就可能與發(fā)送順序不同。因此，傳輸層必須對這些分組重新排序，這種服務稱為數(shù)據(jù)報服務。所以面向無連接的服務是一種無序的服務。網(wǎng)絡層基本功能：為傳輸層提供服務2025/2/2125在網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)包（也稱為分組）。在發(fā)送方，傳輸層的報文到達網(wǎng)絡層時被分為多個數(shù)據(jù)塊，在這些數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部加上一些相關控制信息后，即組成數(shù)據(jù)包（打包）。數(shù)據(jù)包的頭部包含源節(jié)點和目標節(jié)點的網(wǎng)絡地址（邏輯地址）。在接收方，數(shù)據(jù)從低層到達網(wǎng)絡層時，要將各數(shù)據(jù)包原來加上的包頭和包尾等控制信息去掉（拆包），然后組合成報文，發(fā)送給傳輸層。網(wǎng)絡層基本功能：打包和拆包2025/2/2126路由選擇也叫做路徑選擇，是根據(jù)一定的原則和路由選擇算法在多節(jié)點的通信子網(wǎng)中選擇一條最佳路徑。確定路由選擇的策略稱為路由選擇算法。在數(shù)據(jù)報方式中，網(wǎng)絡節(jié)點要為每個數(shù)據(jù)包做出路由選擇；而在虛電路方式中，只需在建立連接時確定路由。網(wǎng)絡層基本功能：路由選擇2025/2/2127流量控制的作用是控制阻塞，避免死鎖。如果通信雙方不考慮網(wǎng)絡的擁擠情況直接發(fā)送數(shù)據(jù)，可能會造成數(shù)據(jù)包的丟失，甚至是網(wǎng)絡節(jié)點的癱瘓，即死鎖。為防止出現(xiàn)阻塞和死鎖，需進行流量控制，網(wǎng)絡層基本功能：流量控制2025/2/2128工作在網(wǎng)絡層上的最典型的設備就是路由器，另外具有路由功能的三層交換機也工作在網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層設備2025/2/2129傳輸層的任務是根據(jù)通信子網(wǎng)的特性，最佳的利用網(wǎng)絡資源，為兩個端系統(tǒng)的會話層之間提供建立、維護和取消傳輸連接的功能，負責端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸。在這一層，信息傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為報文。網(wǎng)絡層只是根據(jù)網(wǎng)絡地址將源地址發(fā)出的數(shù)據(jù)包傳送到目的地址，而傳輸層則負責將數(shù)據(jù)可靠地傳送到目的地址相應的端口。傳輸層（TransportLayer）2025/2/2130分割與重組數(shù)據(jù)。按端口號尋址。連接管理。流量控制和緩沖。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都能以一個特定的速率接收信息。這一速率由計算機的計算能力和其他因素決定。每個節(jié)點還有一定數(shù)量的用于存儲數(shù)據(jù)的處理器內(nèi)存。傳輸層確保在接收方節(jié)點有足夠的緩沖區(qū)，且保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾什恢猎斐山邮辗絹聿患敖邮铡鬏攲踊竟δ?025/2/2131在會話層及以上的高層中，數(shù)據(jù)傳送的單位不再另外命名，統(tǒng)稱為報文。會話層不參與具體的傳輸，它提供包括訪問驗證和會話管理在內(nèi)的建立和維護應用之間通信的機制。如服務器驗證用戶登錄便是由會話層完成的。會話層（SessionLayer）2025/2/2132（1）建立連接。建立連接的基本任務是使網(wǎng)絡上的實體互相識別，并執(zhí)行實體之間通信所需的相關任務。通常這些任務包括：①驗證用戶登錄名和口令；②建立連接識別碼；③批準哪些服務被請求，以及服務的時間范圍；④決定哪個實體開始這個對話；⑤協(xié)調回答連接編號次序以及重新傳送的過程。（2）數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳送的基本任務是維護數(shù)據(jù)傳輸雙方的連接或通信，并在兩個實體之間傳送數(shù)據(jù)。為此，數(shù)據(jù)傳輸必須完成：①實際的數(shù)據(jù)傳送；②數(shù)據(jù)收到的確認（包括當數(shù)據(jù)沒有收到時的否定的確認）；③恢復中斷的通信。（3）釋放連接。釋放連接的基本任務很簡單，就是結束這個連接。結束連接的方式，可以采用通信實體雙方都同意的方式實現(xiàn)，也可以單方面中斷連接的方式實現(xiàn)。會話層的根本任務2025/2/2133表示層位于OSI的第六層。表示層要完成某些特定的功能，主要有不同數(shù)據(jù)編碼格式的轉換，提供數(shù)據(jù)壓縮、解壓縮服務，對數(shù)據(jù)進行加密、解密。要解決的問題是：如何描述數(shù)據(jù)的結構并使之與機器無關。表示層（PresentationLayer）2025/2/2134應用層是OSI/RM的最高層，是網(wǎng)絡與用戶之間的窗口，直接面對網(wǎng)絡應用程序和用戶，為軟件提供接口以使應用程序使用網(wǎng)絡服務。目前，在應用層中已經(jīng)制訂了許多非常有用的應用層協(xié)議，其中包括文件傳輸、文件存取和管理以及電子郵件的信息處理等方面的協(xié)議。應用層（ApplicationLayer）2025/2/2135OSI/RM各層的對比與總結2025/2/2136TCP/IP模型2025/2/2137ARPAnet的初期運行情況表明，計算機廣域網(wǎng)絡應該有一種標準化的通信協(xié)議，于是在1973年TCP/IP協(xié)議簇誕生了。在TCP/IP協(xié)議簇中，除了TCP和IP之外，還包括其他一系列協(xié)議。起初人們認為OSI參考模型會發(fā)展成為一種國際標準，但由于Internet的飛速發(fā)展，使TCP/IP協(xié)議得到了廣泛的使用，雖然TCP/IP不是ISO標準，但它的廣泛應用卻使其成為“實際的網(wǎng)絡標準”。TCP/IP協(xié)議和開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型一樣，是一個分層結構。TCP/IP協(xié)議分為四層，由下至上分別是網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應用層，TCP/IP模型2025/2/2138TCP/IP與OSI/RM的對比及各層上的協(xié)議2025/2/2139網(wǎng)絡接口層是TCP/IP模型的最低層，也稱為網(wǎng)絡訪問層，該層對應著OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。其功能是接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幀，負責與網(wǎng)絡中的傳輸介質打交道。網(wǎng)絡接口層2025/2/2140網(wǎng)際層對應著OSI模型中的網(wǎng)絡層，它主要是負責處理分組，將分組形成IP數(shù)據(jù)包，并負責為IP數(shù)據(jù)包進行路由選擇。本層的網(wǎng)際協(xié)議（IP）和傳輸層的TCP協(xié)議是TCP/IP體系中兩個最重要的協(xié)議。與IP協(xié)議配套使用的還有3個協(xié)議：地址解析協(xié)議（ARP，AddressResolutionProtocol）、反向地址解析協(xié)議（RARP，ReverseAddressResolutionProtocol）、因特網(wǎng)控制報文協(xié)議（ICMP，InternetControlMessageProtocol）。網(wǎng)際層2025/2/2141傳輸層對應著OSI的傳輸層，其主要功能是對其上層應用層傳遞過來的用戶信息進行分段處理，然后在各段信息中加入一些附加的說明，如說明各段的順序等，保證對方收到可靠的信息。該層有兩個協(xié)議，一個是傳輸控制協(xié)議（TCP，TransmissionControlProtocol），另一個是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP，UserDatagramProtocol）。傳輸控制協(xié)議是一個面向連接的協(xié)議，它允許從源主機發(fā)出的字節(jié)流無差錯地傳送到網(wǎng)絡上的其他主機上。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議是一個不可靠的、無連接的協(xié)議。傳輸層2025/2/2142應用層是TCP/IP模型的最高層，對應著OSI的會話層、表示層和應用層，應用層負責向用戶提供一組常用的應用程序，如電子郵件、遠程登錄和文件傳輸?shù)?。應用層包含了所有TCP/IP協(xié)議簇中的高層協(xié)議，如文件傳輸協(xié)議（FTP）、電子郵件協(xié)議（SMTP）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）、簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP）和域名系統(tǒng)協(xié)議（DNS）等。應用層協(xié)議一般可以分為3類：—類是依賴于面向連接的TCP的，如文件傳輸協(xié)議（FTP）、電子郵件協(xié)議（SMTP）等：一類是依賴于無連接的UDP的，如簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP）；還有一類則既依賴于TCP，又依賴于UDP，如域名系統(tǒng)協(xié)議（DNS）。應用層2025/2/2143IEEE802局域網(wǎng)模型2025/2/2144IEEE是InstituteofElectricalandElectronicEngineers，即電氣和電子工程師協(xié)會（美國）的縮寫，它是定義網(wǎng)絡標準的專業(yè)組織。該組織中的IEEE802委員會負責規(guī)范局域網(wǎng)標準，這些標準我們稱之為IEEE802標準，是目前主要的局域網(wǎng)標準。局域網(wǎng)模型只對應OSI參考模型的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層，它將數(shù)據(jù)鏈路層劃分為介質訪問控制子層（MAC）與邏輯鏈路控制子層（LLC）。IEEE802局域網(wǎng)模型2025/2/2145IEEE802模型與OSI/RM的對比關系2025/2/21461.物理層（1）信號的編碼/解碼；（2）前導碼的生成/去除（前導碼僅用于接收同步）；（3）比特的發(fā)送/接收。2.介質訪問控制子層（MAC）（1）在發(fā)送時將要發(fā)送的數(shù)據(jù)組裝成幀，幀中包含有地址和差錯檢測等字段；（2）在接收時，將接收到的幀解包，進行地址識別和差錯檢測；（3）管理和控制對于局域網(wǎng)傳輸介質的訪問。3.邏輯鏈路控制子層（LLC）（1）為高層協(xié)議提供相應的接口，即一個或多個服務訪問點（SAP，ServiceAccessPoint），通過SAP支持面向連接的服務和復用能力；（2）端到端的差錯控制和確認，保證無差錯傳輸；（3）端到端的流量控制。IEEE802局域網(wǎng)模型各層功能2025/2/2147IEEE802.1：局域網(wǎng)概述、體系結構、網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡互聯(lián)；IEEE802.2：邏輯鏈