计算机网络技术 教育部高职高专计算机类专业教学指导委员会优秀教材 教学课件 徐立新 第3章 计算机网络体系结构

在线教务辅导网：,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,,第3章 计算机网络体系结构,OSI参考模型机各层基本功能,学习内容,网络标准化组织,网络体系结构基本概念,1,2,3,TCP/IP体系结构及各层协议,4,3.1 计算机网络的标准化组织,1.标准化组织与机构国际标准化组织ISO：OSI参考模型电气电子工程师协会IEEE：局域网标准IEEE802.3国际电信联盟ITU：V系列建议和X系列建议电子工业协会EIA：通信和布线标准美国国家标准协会ANSI：FDDI标准,2RFC文档和Internet协议标准3. Internet管理机构Internet协会ISOCInternet体系结构委员会IAB：下设IETF和IRTF Internet网络信息中心InterNICWWW联盟,3.1 计算机网络的标准化组织,1.协议：通信双方为实现通信而设计的约定或对话规则。网络协议主要由语义、语法和时序三个要素组成：（1）语义：指对构成协议的协议元素含义的解释，即定义“做什么”。（2）语法：对所表达的内容的数据结构形式的一种规定，即定义“怎么做”。（3）时序：规定了事件的执行顺序，即定义“何时做”。,3.2 计算机网络的层次结构,2.层次：网络体系结构按层次的方式来组织，每一层都建立在它的下层之上，每一层的目的都是向上一层提供服务。一台机器上的第n层和另一台机器上的第n层进行对话，对话的规则就是第n层的协议。 3.接口：每一对相邻层之间都有一个接口，同一结点的相邻层之间通过接口交换信息，低层向高层通过接口提供服务。例如，在邮政系统中，邮箱就是发信人与邮递员之间的接口。,3.2 计算机网络的层次结构,4.网络体系结构：计算机网络协议就是按照层次结构模型来组织的。将网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义，至于这些功能是用什么样的硬件与软件去完成的是具体的实现问题，体系结构是抽象的。,3.2 计算机网络的层次结构,5.网络体系结构的分层原理：计算机网络采用层次化的体系结构，层次的划分按照层内功能内聚，层间耦合松散的原则。将功能相近的模块放置在同一层，使层次间的信息流动尽量最小。这种层次结构具有以下优越性：（1）各层之间相互独立：只享受服务，不管实现细节。（2）灵活性好：各层实现技术的改变不影响替他层次。（3）易于实现和维护：化繁为简，各层功能相对简单。（4）有利于网络标准化：各层的功能和所提供的服务有了精确的说明，所以标准化变得较为容易。,3.2 计算机网络的层次结构,1.OSI参考模型概述1）OSI参考模型的提出20世纪70年代，国际标准化组织为适应网络向标准化发展的要求，成立了SC16委员会，在研究、吸取了各计算机厂商网络体系结构标准化经验的基础上，制定了开放系统互联（Open Systems Interconnection OSI）参考模型，从而形成了网络体系结构的国际标准。OSI参考模型是一个概念性的框架，并非指一个现实的网络。,3.3 ISO/OSI参考模型,2）OSI参考模型的结构OSI参考模型从低到高顺序的7层为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。按照OSI参考模型，网络中各结点都有相同的层次；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层通过接口进行通信；不同结点的同等层通过协议实现通信。参教材P55图3-2,3.3 ISO/OSI参考模型,3）OSI参考模型各层的基本功能（1）物理层利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接，实现比特流的传输，为数据链路层提供数据传输服务。（2）数据链路层在物理层提供服务的基础上，在通信实体间建立和维护数据链路连接，传输以帧为单位的数据，并通过差错控制、流量控制等实现点到点之间的无差错的数据传输。,3.3 ISO/OSI参考模型,（3）网络层实现在通信子网内源结点到目标结点分组的传送。其基本内容包括路由选择、拥塞控制和网络互连等，是网络体系结构中核心的一层。（4）传输层向用户提供可靠的端到端的数据传送。它屏蔽了下层数据传送的细节，是网络体系结构中关键的一层。,3.3 ISO/OSI参考模型,（5）会话层负责建立和维护两个结点间的会话连接和数据交换。 （6）表示层负责有关数据表示的问题，主要包括数据格式的转换、数据加密和解密、数据压缩与恢复等功能。（7）应用层为用户的应用程序提供网络服务，是用户使用网络功能的接口。,3.3 ISO/OSI参考模型,2.OSI环境中数据的传输1）OSI环境在研究OSI 参考模型时，我们首先要清楚它所描述的范围，这个范围就是OSI环境。一般来说，物理层、数据链路层和网络层的大部分功能可以用硬件来实现，而高层基本上是通过软件方式来实现的。2）接口和服务对等层协议之间交换的信息叫做协议数据单元（PDU),PDU加上协议控制信息（PCI）组成服务数据单元（SDU）,相邻层传递的是服务数据单元信息。相邻层通过服务访问点（SAP)来提供服务，它是一个逻辑接口。,3.3 ISO/OSI参考模型,3）数据的封装与解封当数据需要通过网络从一个结点传送到另一个结点时，必须在数据的头部（和尾部）加入特定的协议头（和协议尾）。这种增加数据头部（和尾部）的过程叫做数据的封装。同样，当数据到达接收方时，接收方要识别和提取协议信息，这个过程叫做数据的解封，图3-3显示了数据的封装与解封过程。网络中数据的封装与解封过程和生活中信件的发送接收过程十分相似。,3.3 ISO/OSI参考模型,网络中数据的封装与解封,3.3 ISO/OSI参考模型,生活中信件的封装、传递与解封,3.3 ISO/OSI参考模型,4）完整的OSI数据流动过程,段,分组,帧,比特,3.3 ISO/OSI参考模型,3.物理层1）物理层的基本概念在物理信道实体之间合理的通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的建立、保持和释放提供机械的、电气的、功能特性和规程特性的手段。物理层为数据链路层实现无差错的数据传输创造环境，但不负责传输的检错和纠错任务。物理层协议规定了为此目的进行建立、维持和拆除物理信道的有关功能和特性。2）物理层的功能（1）物理连接的建立和拆除 （2）物理层数据的传输,3.3 ISO/OSI参考模型,3）物理层的特性（1）机械特性：规定了接口所用接线器的形状和尺寸，接口引脚的个数、功能和排列，固定装置等等。（2）电气特性：主要规定了每种信号的电平、信号的脉冲宽度、允许的数据传输速率和最大传输距离等。（3）功能特性：规定了接口电路各个引脚的功能和作用。（4）规程特性：反映了利用接口进行传输比特流的全过程及事件发生的可能顺序，它涉及到信号的传输方式，主要规定的是接口电路信号发出的时序、应答关系和操作过程。,3.3 ISO/OSI参考模型,4）物理层的标准DTE（Data terminal equipment）数据终端设备：处理用户数据的设备，它发出的信号往往不能直接送到传输介质上，要借助于DCE设备来实现。典型的DTE设备有计算机。DCE（Data circuit terminating equipment）数据电路端接设备：将DTE设备发出的信号变为适合在介质上传输的形式。典型的DCE设备是调制解调器。我们需要对DTE和DCE接口进行标准化，这种接口的标准就是物理层协议。（1）EIA-232-E接口标准（2）CCITT的DTE/DCE接口标准,3.3 ISO/OSI参考模型,4.数据链路层1）数据链路层的基本概念将实现控制数据传输协议的软硬件加到物理链路上，就构成了数据链路。因此，数据链路是一个逻辑链路。2）数据链路层的功能数据链路层的功能就是实现实体间信息的正确传输，通过进行必要的同步控制、差错控制、流量控制，为网络层提供可靠的、无错的数据信息。（1）链路管理：指的是对数据链路层连接的建立、维持和释放。,3.3 ISO/OSI参考模型,（2）帧同步：接收方应当从收到的比特流中准确的区分出一帧的开始和结束。 （3）流量控制:控制发送方发送数据的速率,避免超过接收方接受能力。（4）差错控制：常用的差错控制方法有前向纠错、检错重发，并利用计时器等控制技术。（5）透明传输：无论传输数据是由什么样的比特组合起来的，都能在数据链路上传送，这就是透明传输。 （6）寻址：基于帧的目标MAC地址，有别于网络层基于数据包的目标网络地址。,3.3 ISO/OSI参考模型,3）数据链路层的协议面向字符的通信控制规程：以字符为传输信息的基本单位，通过控制字符来控制信息传输，控制字符要避免与用户信息混淆，在早期的通信中应用较广泛。 典型的协议有IBM公司的BSC协议。面向比特的通信控制规程：数据和控制信息独立，统一以帧为传输单位，传输效率高，可靠性强。典型的协议有高级数据链路控制（HDLC)协议。,3.3 ISO/OSI参考模型,5.网络层1）网络层的功能网络层是通信子网的最高层，它的主要用途是实现通信子网内源结点和目标结点之间网络连接的建立、维持和终止，并通过网络连接传送分组。可以说，网络层是体系结构中的核心层次。2）网络层提供的服务及典型协议网络层提供的服务有两种类型：面向连接的网络服务和面向无连接的网络服务。面向连接的服务和电话系统的工作模式相似，典型的服务是虚电路，采用虚电路服务的典型三层协议是X.25协议。面向无连接的服务和邮政系统中信件的投递过程相似，典型的服务是数据报，采用数据报服务的典型三层协议是IP协议。,3.3 ISO/OSI参考模型,3）路由选择 路由选择就是根据一定的原则和算法，在传输路径上找出一条通往目的结点的最佳路径。路由选择是网络层最主要的功能，路由选择协议的核心是路由选择算法。路由选择算法必须满足如下要求：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性和最优化。路由选择算法大致上可分为两类：静态路由选择算法和动态路由选择算法。（详细内容见第7章）,3.3 ISO/OSI参考模型,6.传输层1）端对端通信的概念和网络层不同，传输层是为网络环境中主机的应用层应用进程提供端到端进程通信服务的，由物理层、数据链路层和网络层组成的通信子网则只提供主机之间点对点的通信，如源主机路由器、路由器路由器、路由器目的主机，不会涉及到程序或应用进程的概念。,3.3 ISO/OSI参考模型,3.3 ISO/OSI参考模型,2）传输层的功能传输层和网络层的接口既是层次间的接口，也是通信子网和资源子网的接口，所以，传输层是体系结构中的关键层次。传输层反映并扩展了网络层的服务功能，屏蔽掉了各类通信子网的差异，向用户提供一个统一的接口。对传输层来说，通信子网提供的服务越完善，传输层的协议就越简单；反之传输层的协议越复杂。因此，传输层的功能就是在网络层的基础上，完成端对端数据的可靠性传输。,3.3 ISO/OSI参考模型,3）传输层的协议在计算机网络中，服务质量简称QoS。它反映了传输质量及服务的可用性，它是用于衡量传输层性能的。服务质量主要包括：连接建立延迟、连接建立失败概率、吞吐量、传输延迟、残留差错率、安全保护。,3.3 ISO/OSI参考模型,7.会话层1）会话层的概念在OSI环境中，一次会话就是两个用户进程之间为完成一次通信而建立的会话连接。应用进程之间为完成某项处理任务而需进行一系列内容相关的信息交换，会话层就是为有序的、方便地控制这种信息交换提供控制机制。2）会话层的功能会话层位于传输层和表示层之间，其基本功能是在传输层提供服务的基础上再为表示层提供服务。包括会话方式、会话协调、会话同步等内容。,3.3 ISO/OSI参考模型,3）会话层提供的服务会话层提供的服务主要是会话连接的管理和会话数据交换两个方面。会话连接管理服务使得一个应用层的进程在一个完整的活动中，通过表示层提供的服务，与对等应用进程建立和维持一条畅通的通信信道。数据交换服务为两个应用进程提供在信道上交换会话单元的手段。会话单元是一次活动中数据的基本交换单位。此外，会话服务还包括会话活动的管理，隔离服务，会话同步管理、故障管理等内容。,3.3 ISO/OSI参考模型,8.表示层1）表示层的概念表示层是OSI的第6层，它的目的是处理有关被传送数据的表示问题。2）表示层的功能（1）数据语法转换 语法转换涉及代码转换和字符集的转换，数据格式的修改等。（2）数据语法的表示 表示层提供在连接初始选择一种语法，随后可选择另一种数据语法的方法。（3）连接管理 利用会话层服务建立表示连接，管理在这个连接上的数据传送和同步控制，以及连接的释放等。,3.3 ISO/OSI参考模型,（4）数据压缩 数据压缩是采用某种编码技术，在保持数据原意的基础上减少传送或存储的信息量，以满足通信带宽的要求。（5）数据加密 数据加密可以增加数据的安全性，对于网络的安全有十分重要的意义。（6）数据编码 不同的机器有不同的代码来表示字符串、整型数等。交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用标准的编码方式。表示层管理这些抽象数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。,3.3 ISO/OSI参考模型,9.应用层1）应用层的概念应用层是OSI参考模型的最高层，它直接与用户和应用程序打交道，为用户使用网络服务提供了接口。由于应用类型的复杂性和多样性，目前为止应用层还没有一套完整的标准，是一个范围很广的研究领域。应用层是直接为用户的应用进程提供服务的。但是需要注意，应用层并不等同于一个应用程序。,3.3 ISO/OSI参考模型,2）应用层的协议（1）虚拟终端协议（VTP）：虚拟终端协议就是在对等实体之间实施的一套通信约定，其目的就是把实际终端的特性变成标准的形式，即网络虚拟终端的形式。（2）文件传输协议（FTP）和简单文件传输协议（TFTP）：FTP是用于文件传输的Internet标准，它支持文本文件和面向二进制流的文件结构，适合于远距离、可靠性较差线路上的文件传输。TFTP通常用于比较稳定、可靠的局域网内部，进行文件传输。（3）其他常用应用层协议：简单邮件传输协议SMTP、简单网络管理协议SNMP、Telnet 、 HTTP 、WWW 、 DNS。,3.3 ISO/OSI参考模型,3.4 TCP/IP体系结构,1.TCP/IP体系结构的层次划分1）TCP/IP的产生和发展TCP/IP协议不是某一标准化组织提出的正式标准，但已经被公认为事实上的工业标准。TCP/IP协议从发展到现在，一共出现了6个版本，目前我们使用的主要是版本4 ，它的网络层IP协议一般记作Ipv4。版本5是基于OSI模型提出的，由于层次变化大，代价高，只是处于建议阶段，并未形成标准。版本6我们称为下一代的IP协议，记作IPv6。,2）TCP/IP的特点（1）开放的协议标准：可以免费使用，并且独立与特定的计算机硬件与操作系统。（2）统一分配网络地址：使整个TCP/IP设备在网络中具有唯一的IP地址。（3）适应性强：可同时适用于局域网、广域网以及互联网中。（4）标准化的高层协议：可为用户提供多种可靠的网络服务。,3.4 TCP/IP体系结构,3）TCP/IP参考模型的层次划分TCP/IP体系结构将网络划分为应用层、传输层、互连层、和网络接口层四层。,3.4 TCP/IP体系结构,TCP/IP体系结构与OSI参考模型的对应关系,3.4 TCP/IP体系结构,2.TCP/IP体系结构中各层的功能1）网络接口层网络接口层是最低层，它负责通过网络发送和接收IP数据报。TCP/IP体系结构并未对网络接口层使用的协议做硬性的规定，它允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，例如局域网协议或其他一些协议。2）互连层互连层是TCP/IP体系结构的第二层，它实现的功能相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务。互联层负