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第三章 计算机网络体系结构 本章学习要点： 网络体系结构与协议的概念 OSI参考模型 OSI与TCP/IP两种模型的比较 TCP/IP参考模型 3.1 网络体系结构与协议的概念 3.1.1 什么是网络体系结构 计算机网络体系结构是指整个网络系统的逻辑组成和功能分配，它 定义和描述了一组用于计算机及其通信设施之间互连的标准和规范的 集合。 3.1.2 什么是网络协议 从最根本的角度上讲，协议就是规则。网络协议，就是为进行网络中 的数据交换而建立的规则、标准或约定。连网的计算机以及网络设备之 间要进行数据与控制信息的成功传递就必须共同遵守网络协议。 网络协议主要由以下三要素组成： l 语法 语法确定了用户数据与控制信息的结构与格式。 l 语义 语义规定了控制信息的内容，完成何种动作以及做出何种应答。 l 同步 同步规定了事件实现顺序与速度匹配的详细说明。 3.1.3 网络协议的分层 计算机网络是一个非常复杂的系统，因此网络通信也比较复杂。为了 减少计算机网络的复杂程度，计算机网络将其功能划分为若干个层次， 这种方法就是结构化设计方法。实践证明，它是解决复杂问题的一种有 效手段，其核心思想就是将系统模块化，并按层次组织各模块。 1.分层的好处 计算机网络中采用分层体系结构，主要有以下一些好处: l 各层之间可相互独立 某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该 层间的接口（即界面）所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独 立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处 理的更小一些的问题。这样，整个问题的复杂程度就下降了。 l 灵活性好 当任何一层发生变化时（例如技术的变化），只要层间接口关系保 持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。 l 易于实现和维护 网络的这种分层体系结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统 变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统 。 l 有利于促进标准化 因为每一层的协议已经对该层的功能与所提供的服务做了明确的说 明，因此能促进标准化工作。 2. 各层次间的关系 l 每一层都由一些实体（Entity）组成，这些实体抽象地表示了通信时 的软件元素（如进程或子程序）或硬件元素（如智能I/O芯片等）。不 同机器上同一层的实体叫做对等实体（Peer Entity）。计算机网络中， 正是对等实体利用该层的协议在互相通信。 l 各相邻层之间要有一个接口，它定义了较低层向较高层提供的原始 操作和服务。相邻层通过它们之间的接口交换信息，高层并不需要知 道低层是如何实现的，仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务 ，这样使得两层之间保持了功能的独立性。 l 对于网络结构化层次模型，其特点是每一层都建立在它的下一层之 上，每一层都是向它的上一层提供一定的服务，而上一层根本不需要 知道下一层是如何实现服务的。这样每一层在实现自身功能时，直接 使用较低一层提供的服务，而间接地使用了更低层提供的服务，并向 较高一层提供更完善的服务，同时屏蔽了具体实现这些功能的细节。 返回本节首页返回本章首页 3.2 OSI参考模型 3.2.1 OSI参考模型的概念 为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据 通信，国际标准化组织ISO对各类计算机网络体系结构进行了研究，并 于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，它定义了 网络互连的七层框架，这就是开放系统互连参考模型（OSI/RM），也 称为ISO/OSI。 这里的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上 任何地方、同样遵循OSI标准的其它任何系统进行通信。 OSI参考模型的最高层为应用层，面向用户提供网络应用服务；最低 层为物理层，与通信介质相连实现真正的数据通信，如图3-1所示。除 物理层之外，其余各对等层之间均不存在直接的通信关系，而是通过 各对等层的协议来进行通信。只有两个物理层之间通过通信介质进行 真正的数据通信。 图3-2 OSI参考模型的结构示意图 3.2.2 OSI参考模型各层的功能 ISO已经为各层制定了标准，各个标准作为独立的国际标准公布。下 面我们以从低层到高层的顺序，依次介绍OSI参考模型的各层。 1. 物理层（Physical Layer） 物理层的主要任务就是透明地传送二进制比特流，但是物理层并不 关心比特流的实际意义和结构，只是负责接收和传送比特流。物理层 的另一个任务是定义网络硬件的特性，包括使用什么样的传输介质， 以及与传输介质连接的接头等物理特性。 注意：传送信息所利用的传输介质，如双绞线、同轴电缆、光缆等， 并不在物理层之内而是在物理层之下。 2. 数据链路层（Data Link Layer） 数据链路层传输数据的单位是帧，其主要任务是通过数据链路层 协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。由于物理层 仅仅接收和传送比特流，并不关心比特流的意义和结构，所以数据 链路层要产生和识别数据帧的边界。另外，数据链路层还提供了差 错控制与流量控制的方法，保证在物理线路上传送的数据无差错。 3. 网络层（Network Layer ） 网络层传送的数据单位是报文分组或包。网络层的关键问题是如何 进行路由选择，使发送站的传输层所传下来的报文能够正确无误地交 付给目的站的传输层。路由选择的好坏在很大程度上决定了网络的性 能，如网络吞吐量、平均延迟时间、资源的有效利用率等。 另外如果在子网中同时出现的数据分组太多，它们将互相阻塞，影 响数据的正常传输。因此，拥塞控制也是网络层的功能之一。 4. 传输层（Transport Layer ） 传输层所传送的数据单位是报文。传输层是通信子网（下面3层） 和资源子网（上面3层）的分界线，它屏蔽了传输层以下的数据通信 细节 ，使高层用户感觉不到通信子网的存在。运输层的主要功能是 从会话层接收数据报文，并且在当所发送的报文较长时，在传输层先 要把它分割成若干个报文分组，然后再交给它的下一层（即网络层） 进行传输。另外，这一层还负责报文错误的确认和恢复，以确保信息 的可靠传递。 5. 会话层（Session Layer ） 会话层允许不同机器上的用户建立会话关系，它主要是针对远程访问 目的是完成正常的数据交换，并提供了对某些应用的增强服务会话。会 话层的主要任务包括会话管理、传输同步以及数据交换管理等。会话一 般都是面向连接的，例如，当文件传输到中途时建立的连接突然断了， 是从文件的开始重传还是断点续传，这个任务由会话层来完成。 6. 表示层（Session Layer ） 表示层关心的是所传输的信息的语法和语义，但其仅完成语法的处理 而语义的处理是由应用层来完成的。其主要功能有：用于处理在多个通 信系统之间交换信息的表示方式，包括数据格式的变换、数据加密与解 密、数据压缩与恢复等。 7. 传输层（Transport Layer ） 应用层是OSI网络体系结构的最高层，是计算机网络与最终用户的界 面，为网络用户之间的通信提供专用的程序。OSI的7层协议从功能划 分来看，下面6层主要解决支持网络服务功能所需要的通信和表示的问 题，而应用层则提供完成特定网络功能服务所需要的各种应用协议， 如文件传输（FTP）、电子邮件（E-mail）、网络管理、远程登录等。 3.2.3 OSI参考模型中的数据传输过程 图3-3 OSI模型中的数据传输过程 从图3-3中可以看出，OSI参考模型中的数据传输过程包括以下5步： l 应用进程A将要发送的数据传送到应用层、表示层直至物理层。 l 物理层通过连接该主机系统与通信控制处理机CCPA的传输介质， 将数据传送到通信控制处理机CCPA 。 l 通信控制处理机CCPA的物理层接收到主机A传送的数据后，通过 数据链路层检查是否存在传输错误，然后通过网络层的路由选择， 确定下一个结点是通信控制处理机CCPB。 l 通信控制处理机CCPA将数据传送到通信控制处理机CCPB，CCPB 采用相同的方法将数据传送到主机B。 l 主机B将接收到的数据从物理层向高层传送直至应用层。最后再 将数据传送给主机B的应用进程B。 返回本节首页返回本章首页 3.3 TCP/IP参考模型 3.3.1 TCP/IP协议的特点 OSI参考模型研究的初衷是希望为网络体系结构与协议的发展提供一 种国际标准，但由于Internet在全世界的飞速发展，使得TCP/IP协议得 到了广泛的应用，虽然TCP/IP不是ISO标准，但广泛的使用也使TCP/IP 成为一种“实际上的标准”，并形成了TCP/IP参考模型。 TCP/IP在不断 发展的过程中也吸收了OSI标准中的许多概念及特征。 TCP协议的特点： l 开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与 操作系统。 l 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互 连网中。 l 统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一 的地址。 l 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务 3.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能 1. OSI与TCP/IP层次对应关系 TCP/IP参考模型是在TCP协议是在IP协议出现之后才提出来的，它们 两者之间的层次对应关系如图3-4所示： 图3-4 OSI与TCP/IP的层次对应关系 2. 各层的功能 l 互连层（Internet Layer） l 主机网络层 （Host to Network Layer） 主机网络层与OSI参考模型的物理层和数据链路层相对应，它不是 TCP/IP协议的一部分，但它是TCP/IP赖以存在的与各种通信网之间的接 口。所以，TCP/IP对网络接口层并没有给出具体的规定。 在主机网络层中包含了多种网络层协议，如以太网协议（Ethernet） 令牌环网协议（Token Ring）、分组交换网协议（X.25）等。 互连层是整个TCP/IP参考模型的关键部分，它提供的是无连接的服 务主要负责将源主机的数据分组（Packet）发送到目的主机。 网络层上有四个主要的协议：互联网络协议（IP）、Internet控制报 文协议（ICMP）、地址解析协议（APR）和反向地址解析协议（ RARP）。 l 传输层（Transport Layer） 与OSI的传输层类似，TCP/IP参考模型中传输层主要负责主机到主机 之间的端对端通信。该层定义了两个端到端的协议即TCP协议和UDP 协议。其中TCP是面向连接的服务，用户数据协议是无连接的服务。 所谓面向连接服务，就是在数据交换之前，必须先建立连接，当数 据交换结束后，则应终止这个连接。面向连接服务具有建立连接、数 据传输和释放连接三个阶段，数据在传送时是按序传送的。 在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个 连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留，而是在数据 传输时动态地进行分配。 l 应用层（Application Layer） 在TCP/IP体系结构中并没有OSI的会话层和表示层，TCP/IP把它都 归结到应用层。应用层负责向用户提供一组常用的应用程序，如电子 邮件、远程登录、文件传输等。应用层包含了所有TCP/IP协议组中的 高层协议，如文件传输协议（FTP），电子邮件协议（SMTP）、超文 本传输协议（HTTP）、域名系统（DNS）等。 2. TCP/IP协议栈 图3-5 TCP/IP协议栈示意图 返回本节首页返回本章首页 3.4 OSI与TCP/IP两种模型的比较 3.4.1 OSI与TCP/IP的相似之处 l 都采用了协议分层方法，将庞大且复杂的问题划分为若干个较容易处 理的小问题。 l 各协议层次的功能大体上相同，都存在网络层、传输层和应用层。两 者都可以解决异构网的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的 通信。 l 都是计算机通信的国际性标准。OSI是国际通用的，而TCP/IP则是当 前工业界使用最多的。 l 都基于一种协议集的概念，协议集是一簇完成特定功能的相互独立 的协议。 l OSI模型定义了服务、接口和协议三个主要的概念，并将它们严格区 分，而 TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议。后来， 人们试图改变它以便接近于OSI。因此，OSI模型中的协议比TCP/IP的 协议具有更好的隐藏性。 l OSI模型共分为7层，而TCP/IP只有4层，除网络层、传输层和应用层 外，其它各层都不相同。另外，TCP/IP虽然也分层次，但层次之间的 调用关系也不像OSI那么严格。 l OSI参考模型是在具体协议制定之前设计的，这意味着该模型没有 偏向于任何特定的协议，因此非常通用。但却造成了在模型设计时考 虑不很全面，有时不能完全指导协议某些功能的实现，从而反过来导 致对模型的修修补补。TCP/IP正好相反，协议在先，模型在后。模型 实际上只不过是对已有协议的抽象描述，因此不会出现协议不能匹配 模型的情况 。 3.4.2 OSI与TCP/IP的差别 l OSI最初只考虑到用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连在 一起。 而TCP/IP在设计之初就着重考虑不同网络之间的互连问题，并 将网际协议IP作为一个单独的重要的层次。 l OSI认为数据传输的可靠性应该由点到点的数据链路层和端到端的传 输层来共同保证。而TCP/IP分层思想认为，可靠性是端到端的问题， 应该由传输层解决。它允许单个的链路或机器丢失或损坏数据，网络 本身不进行数据恢复，可靠性的工作是由主机完成。 l OSI 作为国际标准由多个国家共同努力而制定的，不得不照顾到各个 国家的利益，有时不得不走一些折衷路线，造成标准大而全，效率却 低。而TCP/IP