计算机网络技术与设备VIP

第3章网络体系结构 3 1网络体系结构概述3 2ISO OSI互连参考模型3 3LAN参考模型3 4TCP IP参考模型 计算机通信 发送方的计算机对数据打包 通过网络传送 接收方的计算机拆开数据包 接收数据 计算机通信必需一系列的规则 为计算机进行数据通信而建立的规则 标准或约定一般称为计算机通信的协议 网络协议有三个要素 1 语法 规定数据与控制信息的结构和格式 2 语义 规定信息的动作和应答 3 时序 规定事件执行的顺序 3 1网络体系结构概述 为了完成计算机间的通信合作 把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次 规定了同层进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务 将这些层 同层进程通信的协议及相邻层之间的接口统称为网络体系结构 下面是几个重要的网络体系结构 1 IBMSNA SystemNetworkArchitecture 分7层 2 DECDNA DigitalNetworkArchitecture 分5层 3 ISOOSI OpenSystemInterconnectionReferenceModel 分7层 国际标准化组织ISO于1983年制定了异种网络互连的标准ISO OSIRM参考模型 为网络设计供了统一的规范 如图3 1所示 规定每个层次完成特定的功能 同层进程之间进行相互通信 这种通信是通过调用下层功能来实现的 下面分别叙述各层的功能 3 2ISO OSI互连参考模型 图3 1OSI七层参考模型 1 物理层物理层的基本功能 1 利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接 用于透明地二进制传输比特流 2 提供建立 维持和释放物理连接的机械的 电气的 功能的和过程的特性 物理层涉及四个特性 机械特性 连接器尺寸 引线数 排列方式等 电气特性 信号的连接方式 驱动器和接收器的电气参数 电平 阻抗等 功能特性 接口连线的功能 数据 控制 时钟等 过程特性 使用接口线实现数据传输的操作过程 2 数据链路层数据链路层把物理层来的数据进行封装形成数据帧 数据帧是逻辑的格式化数据包 链路层应用差错控制 流量控制等方法 使一个有差错的物理线路变成一个无差错的数据链路 链路层是为网络层提供数据传送服务的 链路层应具备如下功能 1 链路连接的建立 拆除 分离 2 帧定界和帧同步 链路层的数据传输单元是帧 协议不同 帧的长短和界面也有差别 因此必须对帧进行定界 3 顺序控制 指对帧的收发顺序的控制 4 差错检测和恢复 还有链路标识 流量控制等等 3 网络层网络层负责在通信子网内把报文从源节点传送到目标节点 网络层是通信子网的最高层 因此网络层提供的服务就是通信子网向用户提供的服务 网络层的传输方法有虚电路和数据报两种 网络层为建立网络连接和为上层提供服务 应具备以下功能 1 路由选择和中继 2 激活 终止网络连接 3 在一条数据链路上复用多条网络连接 4 差错检测与恢复 5 排序 流量控制 6 服务选择 7 网络管理 4 传输层传输层具有建立 维护 拆除连接的功能 提供可靠的端到端的通信 透明传输数据 提供和网络独立的传输服务给会话层 传输层只存在于端开放系统中 是介于低3层通信子网系统和高3层之间的一层 但是很重要的一层 因为它是源端到目的端对数据传送进行控制从低到高的最后一层 世界上各种通信子网在性能上存在着很大差异 对于会话层来说 却要求有一性能恒定的界面 传输层就承担了这一功能 它采用分流 合流 复用 介复用技术来调节上述通信子网的差异使会话层感受不到 传输层还可进行复用 即在一个网络连接上创建多个逻辑连接 此外传输层还要具备差错恢复 流量控制等功能 以此对会话层屏蔽通信子网在这些方面的细节与差异 传输层面对的数据对象已不是网络地址和主机地址 而是和会话层的界面端口 上述功能的最终目的是为会话提供可靠的 无误的数据传输 传输层服务分成5种类型 基本可以满足对传送质量 传送速度 传送费用的各种不同需要 传输层的协议标准有以下几种 ISO8072称为 面向连接的传输服务定义 ISO8072称为 面向连接的传输协议规范 5 会话层在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 会话层就是为有序地 方便地控制这种信息交换提供机制 会话层提供的服务可使应用建立和维持会话 并能使会话获得同步 会话层使用校验点可使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信 这种能力对于传送大的文件极为重要 会话层 表示层 应用层构成开放系统的高3层 面对应用进程提供分布处理 对话管理 信息表示 恢复最后的差错等 现将会话层主要功能介绍如下 为会话实体间建立连接 为给两个对等会话服务用户建立一个会话连接 应该做如下几项工作 1 将会话地址映射为运输地址 2 选择需要的运输服务质量参数 QOS 3 对会话参数进行协商 4 识别各个会话连接 5 传送有限的透明用户数据 6 表示层处理有关被传送数据的表示问题 具体任务是数据码制转换 数据加密 数据压缩 数据的表示有语法和语义两方面的内容 表示层只涉及语法 因为不同的计算机体系结构使用的数据表示法不同 例如 IBM主机使用EBCDIC编码 而大部分PC机使用的是ASCII码 在这种情况下 便需要会话层来完成这种转换 7 应用层应用层作为用户使用OSI功能的唯一窗口 为应用进程提供访问OSI环境的手段 应用层是开放系统的最高层 是直接为应用进程提供服务的 其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时 完成一系列业务处理所需的服务 应用层向应用程序提供服务 这些服务按其向应用程序提供的特性分成组 并称为服务元素 有些可为多种应用程序共同使用 有些则为较少的一类应用程序使用 IEEE学会下属的IEEE802委员会专门从事局域网协议的标准化工作 它制定的许多协议已经受到了广泛认可 图3 4给出了由IEEE802委员会给出的基于OSI RM的局域网参考模型 由于局域网网络结构简单 在单一的局域网内不存在复杂的中转 路由等网络控制 故网络层变得非常简单 IEEE802委员会的标准化工作只涉及OSI RM中的数据链路层及物理层 3 3LAN参考模型 图3 4IEEE802协议关系图 802协议规定如下内容 IEEE802 1 通用网络概念及网桥等IEEE802 2 逻辑链路控制等IEEE802 3 CSMA CD访问方法及物理层规定IEEE802 4 ARCnet总线结构及访问方法 物理层规定IEEE802 5 TokenRing访问方法及物理层规定等IEEE802 6 城域网的访问方法及物理层规定IEEE802 7 宽带局域网IEEE802 8 光纤局域网 FDDI IEEE802 9 ISDN局域网IEEE802 10 网络的安全IEEE802 11 无线局域网 TCP IP TransmissionControlProtocol InternetProtocol 传输控制协议和网际协议 是目前Internet广泛使用的协议 起源ARPANET网 1977年 1979年 推出TCP IP体系结构和协议规范 1983年 UnixBSD4 1集成了TCP IP 1986年发展为Unix4 3BSD 发展至今 TCP IP已成为Internet使用的标准通讯协议 TCP IP体系结构 TCP IP的分4层 如图3 5所示 3 4TCP IP参考模型3 4 1TCP IP简介 图3 5TCP IP体系结构 TCP IP协议族如图3 6所示 1 应用层协议 比如电子邮件简单信传递协议SMTP 文件传送协议FTP等 2 传输层协议 比如传输控制协议TCP等 3 网际层协议 比如网际协议IP等 4 网络接口层协议 比如以太网协议 TCP IP协议不包含物理层和数据链路层协议 只定义了物理网络与TCP IP之间的网络接口 包括多种广域网络和局域网络 如以太网 ATM FDDI等 图3 6TCP IP协议族 1 IP协议的主要功能IP协议负责传送分组 并完成主机寻址和路由选择 但不保证传输的可靠性 是一种数据报服务 IP数据传输过程中负责完成数据报封装 数据报分片 片重组 片控制 2 IP数据报结构IP数据报结构如图3 7所示 3 4 2网际层IP 04816182431图3 7IP数据报结构 1 版本 Version 指明IP协议版本 目前使用的协议是IPv4 2 报头长度 IHL 以32位字为单位给出数据报报头长度 3 服务类型 TypeofService 服务类型规定了数据报的处理方式 选项分别是 优先级 时延 Delay 吞吐量 Throughput 可靠性 Reliability 4 总长度 Totallength 以字节表示整个数据报的长度 报头和报文 其上限为65 535字节 5 数据报标识 Identification 标识分组属于哪个数据报 目的端由此重组数据报 6 标志字段FlagDF为1 表示数据报不分片 MF为1 表示还有属于同一数据报的数据报片 7 片偏移 Fragmentoffset 共13比特 表示本报片在原始数据报数据区中的位置 8 生存时间段 TimetoLive 是一个计数器 用来限定分组在网内存活的时间 9 上层协议类型 ProtocolField 给出传输层所用的协议 例如TCP UDP等 实质表示数据区数据格式 10 报头校验和 HeaderChecksum 用来验证报头 11 源地址和目地地址给出发送端和接收端的网络地址和主机地址 即IP地址 12 可选项 Option 主要用于控制和测试 13 数据区 用于封装IP用户数据 3 ARP和RARP协议ARP AddressResolutionProtocol 地址解析协议 用于IP地址 物理地址的转换 RARP ReverseAddressResolutionProtocol 逆向地址解析 用于物理地址 IP地址的转换 4 ICMP协议ICMP InternetworkControlMessageProtocol 用于网络中传送各种控制信息 ICMP报文用于传送差错报文和控制报文 ICMP差错报文的主要功能是报告差错 ICMP控制报文的主要功能是拥塞控制和路由控制 TCP TransmissionControlProtocol 传输控制协议 TCP协议提供可靠的虚电路服务和面向数据流的传输服务 用户数据可以进行有序 可靠的传输 主要通过套接字 Socket 为高层协议提供面向连接的传输服务 传输层工作过程如下 支持TCP的每个机器都有一个TCP传输层入口 管理TCP数据流 并将其送到IP层 3 4 3传输层TCP TCP入口接收用户数据流 分成多个不大于64K字节的小块 通常1500字节 作为一个个分离的IP数据报传送 当含有TCP数据的IP数据报到达后 再把这些小块按顺序收集起来 重构成用户原来的字节流 发送时IP层不保证数据报传输的可靠性 而由TCP根据需要实施超时 重发等管理 IP数据报的到达也不保证原来的顺序 也由TCP重新组装成合适的顺序 TCP数据报结构如图3 8所示 048162431图3 8TCP数据报结构 1 源端口 目的端口 Sourceport Destinationport 各包含一个TCP端口编号 分别标识连接两端的两个应用程序 本地的端口编号与IP主机的IP地址 32位 形成一个唯一的套接字 双方的套接字唯一定义了一次连接 2 序列号 应答号 Sequencenumber Acknowledgementnumber 前者为用户数据的开始字节 后者为下一次希望收到的开始字节 3 TCP头部长度 TCPheaderlength 说明TCP头部长度 该字段指出用户数据的开始位置 4 保留部分6个比特作为将来使用 5 比特标志位 code 表示TCP数据包的目的和内容 6 窗口尺寸 Windowsize 在窗口中指明自己一方缓存器尺寸 用于流量控制 7 校验和 Checksum 用于校验头部 数据和伪头部 8 紧急数据指针 Urgentpointer 以序列号为准给出字节流中的一个位置 紧急数据在这个位置结束 9 选项 options 提供常规头部不包含的额外特性 10 数据区用于封装上层数据 下面简述TCP IP数据传输过程 假设应用层的应用程序要发送的信息 比如发送电子邮件 利用TCP IP协议 其数据传输过程如图3 9所示 图3 9TCP IP数据包传输过程示意图 在每一层数据封装时 各层并不关心上层数据内容是什 只是接协议添加本层头部 接受端进行相反的过程 TCP采用滑动窗口技术进行拥塞控制 即通过限制发送端向因特网发送报文的速率来控制拥塞 具体地说 TCP通过控制发送窗口大小来控制网络拥塞 发送方每发出一个帧 窗口的后沿向前推进一格 每收到一个应答 窗口前沿向前推进一格 当发送方的窗口前 后沿重叠时将停止发送 直到前沿推进 接收方每收到一个帧 窗口的后沿向前推进一格 每处理完一帧 向发送方返回一个应答 并且窗口前沿向前推进一格 当接收方的窗口前 后沿重叠时将拒绝接收新的帧 直到前沿推进 TCP使用三次握手协议来建立连接 1 客户机发出建立连接请求 连接请求给定了所要连接的对方的IP地址和端口号 本身所能接受的最大数据报长度 并等待应答 2 当该数据段到达服务器后 服务器的TCP决定是接受还是拒绝客户机方建立连接的请求 如接受请求则发送建立连接应答分组 3 客户机收到建立连接应答 回送确认连接的数据段 UDP是一种无连接的服务 不保证分组的正确传送 也不进行顺序控制 是对IP的简单扩充 可以区分一台主机中的多个接收者 UDP格式如图3 10所示 1 源端口