第3章 计算机网络体系结构

1、第3章 计算机网络体系结构熟练掌握：计算机网络协议和分层体系结构 。掌握：OSI分层模型 和TCP/IP体系结构。 了解：计算机网络体系结构的发展过程 。3.1 网络体系结构概述 3.1.1 网络体系结构的发展 世界上第一个网络体系结构是美国IBM公司于1974年提出的，名为SNA（System Network Architecture，系统网络体系结构）。凡是遵循SNA的设备就称为SNA设备。这些SNA设备可以很方便地进行互连。在此之后，很多公司也纷纷建立了自己的网络体系结构，这些体系结构大同小异，都采用了分层技术，但各有其特点以适合由本公司生产的计算机组成的网络，这些体系结构也有其特殊的名

2、称。 3.1.2 网络协议和分层体系结构 1网络协议 在计算机网络中，为了使网络设备之间能成功地发送和接收信息，必须制定相互都能接受并遵守的语言和规范，这些规则的集合就称为网络通信协议（protocol），如TCP/IP、SPX/IPX、NetBEUI协议。 语法（syntax）：定义数据与控制信息的结构或格式，即做什么（What to do ?）。语义（semantics）：定义需要发出何种控制信息、完成何种协议以及做出何种应答，即怎么做（How to do ?）。同步（timing）：规定事件实现顺序的详细说明，确定通信状态的变化和过程，如通信双方的应答关系，即何时做（When to do

3、 ?）。 网络协议主要由以下3个要素组成：2分层网络体系结构 计算机网络是一个十分复杂的系统，将其分解为若干个容易处理的层次（layer），然后“分而治之”，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。层次是人们对复杂问题处理的基本方法，将总体要实现的很多功能分配在不同的层次中，每个层次要完成的服务及服务实现的过程有明确规定，不同的系统具有相同的层次，不同系统的同等层具有相同的功能，高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。 3.1.3 层次结构的要点与划分原则 1层次结构的要点 计算机网络都采用层次化的体系结构，由于计算机网络涉及多个实体间的通信，其层次结构一般以教材中图3

4、-1所示的垂直分层模型来表示。这种层次结构的要点可归纳如下：除了在物理介质上进行的是实通信外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。对等层的虚通信必须遵循该层的协议。N层的虚通信是通过N/N-1层间接口处N-1层提供的服务，以及N-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。 2层次结构的划分原则 层次结构的划分，一般要遵循以下的原则：每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法改变时，只要保持上下层的接口不变，便不会对相邻层产生影响。层间接口必须清晰，接口包含的信息量应尽可能少，以利于标准化。层的数量应适中。若层次太少，则多种功能混杂在一层中，造成每一层的协议太复杂；若层次太多，则体

5、系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。 3.2.1 OSI参考模型概述 3.2 OSI参考模型 1协议和服务的区别和联系 在OSI模型中，协议（protocol）和服务（service）是两个非常重要的概念。控制两个N层对等实体进行通信的规则的集合称为N协议。两个N层实体间的通信在N协议的控制下，能够使N层向上一层提供服务，这种服务就称为N服务，接受N服务的N层服务用户是N+1层实体。 2服务访问点 服务访问点SAP（Service Access Point）是指同一系统中相邻两层实体之间进行交换信息之处，即N层实体和N+1层实体之间的逻辑接口，也称为端口。一个N层服务是由一个N层实体

6、作用在一个N层SAP上完成的，虽然两层之间可以允许有多个SAP，但一个N层SAP只能被一个N层实体所使用，并且也只能为一个N+1层实体所使用；但一个N层实体却可以向多个N层SAP提供服务，这称为连接复用；一个N+1层实体也可以使用多个N层SAP，这称为连接分裂。 3数据单元 在OSI模型中，数据单元是数据传送的单位，可分为3种：服务数据单元、协议数据单元和接口数据单元。服务数据单元SDU（Service Data Unit）：是N层实体为完成用户请求的N服务向接口提供的用户数据。协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）：是由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息PCI

7、（Protocol Control Information）组成，提交给对等实体的数据。接口数据单元IDU（Interface Data Unit）：是由上层的服务数据单元SDU和接口控制信息ICI（Interface Control Information）组成，它通过SAP进行层间信息传送。 4OSI中的数据流动过程 在OSI参考模型中，当一台主机需要传送用户的数据（data）时，如下图（教材中图3-3）所示。数据首先通过应用层的接口进入应用层。在应用层，用户的数据被加上应用层的报头（Application Header，AH），形成应用层协议数据单元（Protocol Data Unit

8、，PDU），然后被递交到下一层表示层。表示层并不“关心”上层应用层的数据格式而是把整个应用层递交的数据包看成是一个整体进行“封装”，即加上表示层的报头（Presentation Header，PH）。然后，递交到下层会话层。同样，会话层、传输层、网络层、数据链路层也都要分别给上层递交下来的数据加上自己的报头。 3.2.2 物理层 物理层是OSI参考模型中的最底层，也是最重要、最基础的一层。物理层既不是指连接计算机的具体物理设备，也不是指负责信号传输的具体物理介质，而是指物理介质上为上一层（数据链路层）提供传输比特流的一个物理连接。 1物理层接口与协议 物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道

9、所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性。其作用是确保比特流能在物理信道上传输。 2物理层协议举例 EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口（RS即Recommended Standard，意思是“推荐标准”，232是标识号码，而后缀“C”则表示该推荐标准已被修改过的次数）。 3.2.3 数据链路层 数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物理层和网络层之间，在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务。数据链路层的作用是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提

10、供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。数据链路层的基本功能是向网络层提供透明的和可靠的数据传送服务。 1数据链路层功能 数据链路层最基本的服务是：将源主机网络层来的数据可靠地传输到相邻结点的目标主机网络层。为达到这一目的，数据链路层必须具备一系列相应的功能，主要包括：帧同步、差错控制、帧同步、差错控制、流量控制和链路管理流量控制和链路管理。 2数据链路控制协议举例 典型的面向比特型的数据链路控制规程是高级数据链路控制协议HDLC。它是在IBM公司于20世纪70年代提出的同步数据链路控制规程SDLC基础上，经ISO修改后得到的，已作为国际标准广

11、泛应用。 3.2.4 网络层 网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层和数据链路层之间。它在数据链路层提供的两个相邻结点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源结点经过若干中间结点传送到目的结点，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务。 1网络层控制方式和服务 端点之间的通信是依靠通信子网中结点间的通信来实现的，在OSI模型中，网络层是网络结点中的最高层，所以网络层将体现通信子网向端系统所提供的网络服务。在分组交换方式中，通信子网向端系统提供虚电路虚电路（virtual circuit）和数据报数据报（datagram）两种网络服务，而通信子网内部的操作也

12、有虚电路和数据报两种方式。 2网络层路由选择 通信子网为网络源结点和目的结点提供了多条传输路径的可能性。网络结点在收到一个分组后，要确定向下一结点传送的路径，这就是路由选择。在数据报方式中，网络结点要为每个分组路由做出选择；而在虚电路方式中，只需在连接建立时确定路由。确定路由选择的策略称路由算法。 3网络层拥塞控制 拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。 常用的拥塞控制方法有4种：滑动窗口法、滑动窗口法、预约缓冲区法、许可证法和丢弃分组法预约缓冲区法、许可证法和

13、丢弃分组法。 3.2.5 传输层 OSI七层模型中的物理层、数据链路层和网络层是面向网络通信的低三层协议。传输层负责端到端的通信，既是七层模型中负责数据通信的最高层，又是面向网络通信的低三层和面向信息处理的高三层之间的中间层。传输层位于网络层之上、会话层之下，它利用网络层子系统提供给它的服务去开发本层的功能，并实现本层对会话层的服务。 1传输服务 传输层的服务包括的内容有：服务类型、服务等级、数据传输、用户接口、连接管理、安全保密等。 2服务质量 服务质量QoS（Quality of Service）是指在传输两结点之间看到的某些传输连接的特征，是传输层性能的度量，反映了传输质量及服务的可用性

14、。 根据用户要求和差错性质，网络服务按质量可分为以下3种类型：A型网络服务：具有可接受的残留差错率和故障通知率。B型网络服务：具有可接受的残留差错率和不可接受的故障通知率。C型网络服务：具有不可接受的残留差错率。 3传输层协议等级 传输层的功能按级别划分，OSI定义了5种协议级别，即级别0（简单级）、级别1（基本差错恢复级）、级别2（多路复用级）、级别3（差错恢复和多路复用级）和级别4（差错检测和恢复级）。服务质量划分较高的网络，仅需要较低的协议级别；反之，服务质量划分较低的网络，则需要较高的协议级别。 4传输服务原语 服务在形式上是一组原语（primitive）来描述的。原语被用来通知服务提

15、供者采取某些行动，或报告某同层实体已经采取的行动。在OSI参考模型中，服务原语划分为以下4种类型：请求（request）：用户利用它要求服务提供者提供某些服务，如建立连接或发送数据等。指示（indication）：服务提供者执行一个请求以后，用指示原语通知接收方的用户实体，告知有人想要与之建立连接或发送数据等。响应（response）：收到指示原语后，利用响应原语向对方做出响应，如同意或不同意建立连接等。确认（confirm）：把一个实体的服务请求加以确认并通知它。 3.2.6 网络高层功能及协议 网络高层包括会话层、表示层和应用层，它们属于计算机网络中的资源子网，不同于通信子网，高层主要由软

16、件和协议组成。 1会话层 会话层在传输层提供的服务上，加强了会话管理、同步和活动管理等功能。会话层的主要任务是为用户提供特定应用进程的连接服务，并控制、管理和同步会话层实体之间的对话。 2表示层 OSI参考模型的低五层提供透明的数据传输，应用层负责处理语义，而表示层则负责处理语法。由于各种计算机都可能有各自的数据描述方法，所以不同类型计算机之间交换的数据，一般需经过格式转换才能保证其意义不变。表示层要解决的问题是如何描述数据结构并使之与具体的机器无关，其作用是对源站内部的数据结构进行编码，使之形成适合于传输的比特流，到了目的站再进行解码，转换成用户所要求的格式。 3应用层 应用层是OSI参考模

17、型的最高层，直接面向用户。它为用户访问OSI提供手段和服务。目前已经成为OSI标准的一些应用层协议有：报文处理系统MHS（Message Handling System）协议。文件传送、存取和管理FTAM（File Transfer、Access and Management）协议。虚终端协议VTP（Virtual Terminal Protocol）。目录服务DS（Directory Service）协议。事务处理TP（Transaction Processing）协议。远程数据访问RDA（Remote Data Access）协议 。3.3 TCP/IP体系结构 3.3.1 TCP/IP体

18、系结构的层次 TCP/IP参考模型分为4个层次，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。TCP/IP的层次结构与OSI层次结构的对照关系如图所示。3.3.2 TCP/IP协议簇 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）最早由斯坦福大学的两名研究人员于1973年提出。1983年，TCP/IP被UNIX 4.2BSD系统采用。随着UNIX的成功，TCP/IP逐步成为UNIX的标准网络协议。Internet的前身ARPANET最初使用NCP（Network Control Protocol）协议，由于TC

19、P/IP协议具有跨平台特性，ARPANET的实验人员在经过对TCP/IP的改进以后，规定连入ARPANET的计算机都必须采用TCP/IP协议。随着ARPANET逐渐发展成为Internet，TCP/IP协议就成为Internet的标准连接协议。 TCP/IP各层与协议的对应关系如图所示所示： 1TCP/IP网络接口层 网络接口层提供了TCP/IP与各种物理网络的接口，使TCP/IP协议与具体的物理传输介质无关，体现了TCP/IP协议的包容性和适应性，为异构网和Internet之间的互连奠定了基础。这些异构网可以是局域网（如以太网Ethernet、令牌环网token-ring等）和广域网（帧中继

20、FR、ATM网等）。 2TCP/IP网际层协议 TCP/IP网际层其主要功能是解决主机到主机的通信问题，以及建立互连网络。网际层的核心协议是网际协议IP。与网际协议配合使用的还有地址解析协议ARP、反向地址解析协议RARP、网际主机组管理协议IGMP和因特网控制报文协议ICMP等。 3TCP/IP传输层协议 TCP/IP的传输层相当于OSI的传输层，提供从信源应用进程到信宿应用进程的报文传送服务。该层的协议主要有传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）和用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol），它们都建立在IP协议的基础上。传输控制协议TCP