第二章网络体系结构与协议

1、第二章网络体系结构与协议考试大纲考试大纲v掌握协议的概念、组成及其功能掌握协议的概念、组成及其功能v熟练掌握熟练掌握OSI参考模型各层次名称及顺序参考模型各层次名称及顺序v了解参考模型中各层次的功能了解参考模型中各层次的功能v掌握掌握TCP/IP协议的核心及协议的各层功能协议的核心及协议的各层功能v了解了解TCP/IP协议中常用协议的功能（协议中常用协议的功能（HTTP、FTP、STMP、POP、DNS、DHCP、TCP/UDP等）等）2.1网络体系结构概述v网络体系结构就是为了完成计算机间的通信网络体系结构就是为了完成计算机间的通信合作，把计算机互联的功能划分成有明确定合作，把计算机互联的功

2、能划分成有明确定义的层次，规定了同层次实体通信的协议及义的层次，规定了同层次实体通信的协议及相邻之间的接口服务。将这些同层次实体通相邻之间的接口服务。将这些同层次实体通信协议及相邻接口统称为信协议及相邻接口统称为网络体系结构。网络体系结构。将将为进行网络中的数据交换而建立的规则、标为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准、约定称为准、约定称为网络协议。网络协议。2.1.1网络协议v组成：语法、语义、交换规则。组成：语法、语义、交换规则。v语法：以二进制形式表示的命令和相应的结构，语法：以二进制形式表示的命令和相应的结构，确确定协议元素的格式定协议元素的格式（规定数据与控制信息的结构和（规定数据

3、与控制信息的结构和格式）。格式）。v语义：由发送请求、完成的动作和返回的响应组成语义：由发送请求、完成的动作和返回的响应组成的集合，的集合，确定协议元素的类型确定协议元素的类型，即规定通信双方要，即规定通信双方要发送何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应发送何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答。答。v交换规则：规定事件实现顺序的详细说明，即交换规则：规定事件实现顺序的详细说明，即确定确定通信状态的变化和过程通信状态的变化和过程。2.1.2分层设计分层设计为什么要分层为什么要分层v协议分层与问题简化协议分层与问题简化硬件故障硬件故障 网络拥塞网络拥塞包延迟或丢失包延迟或丢失数据损坏数据损

4、坏数据重复或失序数据重复或失序v层次结构的特点层次结构的特点具有一定的层次具有一定的层次层次之间呈单向依赖关系层次之间呈单向依赖关系上层起着隐藏下层细节和统一下层差异的作用上层起着隐藏下层细节和统一下层差异的作用每一层的目的都是向它的上一层提每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务而把如何实现这一服供一定的服务而把如何实现这一服务的细节对上层加以屏蔽。务的细节对上层加以屏蔽。“分而治之分而治之”结构性特结构性特点点层次性特点层次性特点层次结构方法要解决的问题层次结构方法要解决的问题1.1.网络应该具有哪些层次？每一层的功能网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）是什么？（分层

5、与功能）2.2.各层之间的关系是怎样的？它们如何进各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）行交互？（服务与接口）3.3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则？通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）（协议）层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务与层间接口，协议与层间接口，协议。2.2开放系统互联参考模型OSIvOSI/RM从下向上的七个层次分别：物理层、从下向上的七个层次分别：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，示层、应用层，如图如图。v计算机之间通信时，只有两个物

6、理层之间才计算机之间通信时，只有两个物理层之间才通过媒体进行真正的数据通信，其他各层之通过媒体进行真正的数据通信，其他各层之间不存在直接的通信关系。间不存在直接的通信关系。v模型特点模型特点OSI参考模型参考模型链路层链路层协议协议物理层物理层协议协议网络层网络层协议协议分组流分组流比特流比特流帧流帧流报文流报文流应用层应用层7应用层应用层传输层传输层4传输层传输层网络层网络层3网络层网络层链路层链路层2链路层链路层物理层物理层1物理层物理层表示层表示层6表示层表示层会话层会话层5会话层会话层报文流报文流报文流报文流报文流报文流网络层网络层网络层网络层链路层链路层链路层链路层物理层物理层物理层

7、物理层子子网网内内部部协协议议转发节点转发节点转发节点转发节点通信子网通信子网接口（接口（interface）与服务（）与服务（Service）v接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点; ;v同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务低层向高层通过接口提供服务; ;v只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。工作。v服务是某一层及其以下各层的一种能

8、力，通过接服务是某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。口提供给其相邻上层。v每一层的功能是为它的上一层提供服务每一层的功能是为它的上一层提供服务v实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信。另一台主机的对应层通信。 上层使用下层提供的服务上层使用下层提供的服务Service userService user； 下层向上层提供服务下层向上层提供服务Service providerService provider。2.2.4 OSI环境中的数据传输过程1. OSI环境（OSI environment） 网 络 层数据

9、链路层物 理 层数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层 数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层传输介质传输介质传输介质C CC CP P网 络 层应用进程AO OS SI I环环境境应用进程B主主机机A A主主机机B BA AC CC CP PB B“你好你好”“Hello”传真传真中国中国教师教师翻译翻译秘书秘书“Hallo”“Hello”传真传真德国德国教师教师翻译翻译秘书秘书对交谈内容的共识对交谈内容的共识用英语对话用英语对话使用传真通信使用传真通信P3P2P1物理通信线路物理通信线路对等通信示例：中德教

10、师之间的对话对等通信示例：中德教师之间的对话问题：问题： 中国教师与德国教师之间、翻译之间，他们是在直接通信吗？中国教师与德国教师之间、翻译之间，他们是在直接通信吗？ 翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？ 中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务？中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务？2.2.2物理层1、物理层的主要功能：它为设备之间的数据、物理层的主要功能：它为设备之间的数据通信提供传输媒体及互联设备，为数据传输通信提供传输媒体及互联设备，为数据传输提供可靠的环境。提供可靠的环境。（1）为数据段设备提供传送数据的通路为数据段设备提供传送数据的通路：激：激活物理连接

11、、传送数据、终止连接。活物理连接、传送数据、终止连接。（2）传输数据传输数据：形成适合数据传输的实体。：形成适合数据传输的实体。实实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数现比特流的透明传输，为数据链路层提供数 据传输服务；物理层的数据传输单元是比特据传输服务；物理层的数据传输单元是比特（3）完成物理层的一些管理。完成物理层的一些管理。2、通信接口与传输媒体的物理特性、通信接口与传输媒体的物理特性v通信设备分类：通信终端设备（通信设备分类：通信终端设备（DTE）和数）和数据电路据电路端端接设备（接设备（DCE)v物理接口的四个特性：机械特性、电器特性、物理接口的四个特性：机械特性、电器特性、功能

12、特性、规程特性功能特性、规程特性3、物理层的一个重要接口标准、物理层的一个重要接口标准RS-232D2.2.3数据链路层v该层把物理层的原始数据打包成帧，并负责帧在计该层把物理层的原始数据打包成帧，并负责帧在计算机之间无差错进行传递。算机之间无差错进行传递。v数据链路层的主要功能：数据链路层的主要功能：（1）链路管理：数据链路的建立、维持和释放。）链路管理：数据链路的建立、维持和释放。（2）帧同步：接收方能够从收到的比特流中准确区）帧同步：接收方能够从收到的比特流中准确区分出一帧的开始和结束。分出一帧的开始和结束。（3）流量控制：发送等待方法、预约缓冲区法、滑）流量控制：发送等待方法、预约缓冲

13、区法、滑动窗口控制方法、许可证和限制管道容量方法。动窗口控制方法、许可证和限制管道容量方法。（4）差错控制：检错重发法。）差错控制：检错重发法。（5）透明传输：不管所传输的数据是什么样的比特）透明传输：不管所传输的数据是什么样的比特组合都应当能够在链路上传送。组合都应当能够在链路上传送。（6）寻址：在数据帧的头部加入一个控制信息，其）寻址：在数据帧的头部加入一个控制信息，其中包含了源节点和目的节点的地址。中包含了源节点和目的节点的地址。v数据链路协议数据链路协议（1）面向字符型：传输效率低）面向字符型：传输效率低（2）面向比特型：代表是高级数据链路协议）面向比特型：代表是高级数据链路协议HDL

14、C。（3）HDLC规定三种类型的通信站：主站、次站、组规定三种类型的通信站：主站、次站、组合站，规定了两种链路结构：不平衡链路结构和平合站，规定了两种链路结构：不平衡链路结构和平衡链路结构，有三种响应方式：平常响应方式、异衡链路结构，有三种响应方式：平常响应方式、异步响应方式及异步平衡方式。步响应方式及异步平衡方式。2.2.4网络层v网络层也称通信子网层，主要负责控制通信网络层也称通信子网层，主要负责控制通信子网的操作，实行数据从网络上的任一节点子网的操作，实行数据从网络上的任一节点准确无误地传输到目的节点。准确无误地传输到目的节点。v目的目的 ：为报文分组以最佳路径通过通信子网为报文分组以最

15、佳路径通过通信子网到达目的主机提高服务。到达目的主机提高服务。1、网络层的主要功能v路径选择：指通信子网中，源节点和中间节路径选择：指通信子网中，源节点和中间节点为将报文分组传送到目的节点而对后继节点为将报文分组传送到目的节点而对后继节点的选择。点的选择。v流量控制：对进入通信子网的数据量加以控流量控制：对进入通信子网的数据量加以控制，以防止拥塞现象的出现。制，以防止拥塞现象的出现。v数据的传输与中继数据的传输与中继v清除子网的质量差异清除子网的质量差异2、网络服务（1）虚电路服务：面向连接的网络服务，）虚电路服务：面向连接的网络服务，是网络层向传输层提供的一种使所以分是网络层向传输层提供的一

16、种使所以分组按顺序到达目的端系统的可靠的数据组按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式。传送方式。v面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；连接维护与释放连接的三个过程；v面向连接服务的在数据传输过程中，各分组可以不面向连接服务的在数据传输过程中，各分组可以不携带目的结点的地址；携带目的结点的地址；v面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；v面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠面

17、向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高性好，但是协议复杂，通信效率不高。（2）数据报服务v数据报服务一般仅由数据报交换网提供。数据报数据报服务一般仅由数据报交换网提供。数据报不是按顺序到达目的站的不是按顺序到达目的站的v无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；址，各分组在系统中是独立传送的；v无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；立、连接维护与释放连接的三个过程；v数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分

18、组数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；可能出现乱序、重复与丢失的现象；v无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。通信效率较高。（3）虚电路与数据报的对比2.2.5传输层（1）传输层的地位和作用）传输层的地位和作用 提供可靠的端到端（提供可靠的端到端（end-to-end）服务。传）服务。传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节。传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节。传输层只存在于端系统（主机）中。传输层的输层只存在于端系统（主机）中。传输层的数据传输单位是数据传输单位是数据段数据段，传输协议数据单元传输

19、协议数据单元（TPDU）。是）。是OSI/RM的整个协议层次的核的整个协议层次的核心。心。（2）传输层协议分类：第）传输层协议分类：第0类到第类到第4类，这类，这5类类都是面向服务的。都是面向服务的。（3）传输服务：是传输层向会话层提供的服务，它规定了传）传输服务：是传输层向会话层提供的服务，它规定了传输层和会话层的接口。输层和会话层的接口。寻址寻址传输层定义一组传输地址，该地址在全网是唯一的，由网络号、传输层定义一组传输地址，该地址在全网是唯一的，由网络号、主机号以及由主机分配的端口号组成。主机号以及由主机分配的端口号组成。建立连接建立连接一个传输实体要向目的机器发送一个连接请求，并等待对方

20、接一个传输实体要向目的机器发送一个连接请求，并等待对方接受连接的应答。受连接的应答。流量控制流量控制就是保证接收端的数据接收率高于发送端的发送率，以防数据就是保证接收端的数据接收率高于发送端的发送率，以防数据丢失。通常采用缓冲策略。丢失。通常采用缓冲策略。崩溃恢复崩溃恢复发送端向所有主机广播一个短文，宣告自己刚才以及崩溃并希发送端向所有主机广播一个短文，宣告自己刚才以及崩溃并希望得知其他主机的状态，一次为依据进行恢复。望得知其他主机的状态，一次为依据进行恢复。多路复用多路复用分为向上多路复用和向下多路复用。分为向上多路复用和向下多路复用。2.2.6其他各层简介v会话层。会话层。从从会话层会话层

21、开始开始不不参与参与具体的数据传输，只具体的数据传输，只是对传输的数据进行管理。会话层向互相合作的表是对传输的数据进行管理。会话层向互相合作的表示进程之间提供一套会话设施，组织和同步它们的示进程之间提供一套会话设施，组织和同步它们的会话活动，并管理它们的数据交换过程。会话活动，并管理它们的数据交换过程。v表示层。用于处理两个表示层。用于处理两个OSI系统中交换信息的表示系统中交换信息的表示方法，主要包括数据格式变换、数据的加密和解密、方法，主要包括数据格式变换、数据的加密和解密、数据压缩和恢复等。数据压缩和恢复等。v应用层。用于确定进程之间通信的性质以满足用户应用层。用于确定进程之间通信的性质

22、以满足用户的需要，负责为应用进程提供接口，从而使应用进的需要，负责为应用进程提供接口，从而使应用进程使用网络服务。应用层包括了大量人们普遍需要程使用网络服务。应用层包括了大量人们普遍需要的协议，例如文件传输协议，远程登录协议，电子的协议，例如文件传输协议，远程登录协议，电子邮件协议等等。邮件协议等等。OSIOSI参考模型将网络的不同功能划分为参考模型将网络的不同功能划分为7 7层层应用层应用层Application表示层表示层Presentation会话层会话层session传输层传输层transport物理层物理层Physical数据链路层数据链路层Data Link网络层网络层Networ

23、k7654321处理网络应用处理网络应用数据表示数据表示主机间通信主机间通信端到端的连接端到端的连接寻址和最短路径寻址和最短路径介质访问（接入）介质访问（接入）二进制传输二进制传输应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层通信通信子网子网面向通信面向通信面向面向服务服务面向应用面向应用应用协议：应用协议：HTTPHTTP、FTPFTP、TelnetTelnet数据结构表示、数据转换、加密、压缩数据结构表示、数据转换、加密、压缩进程管理、双工、半双工、单工、断点续发进程管理、双工、半双工、单工、断点续发为上层提供可靠的数据传输为上层提供可靠的数据

24、传输数据分组、路由选择、差错控制、流量控制数据分组、路由选择、差错控制、流量控制 数据组成可发送、接收的帧数据组成可发送、接收的帧传输物理信号、接口、信号形式、速率传输物理信号、接口、信号形式、速率OSIOSI参考模型参考模型各层功能各层功能2.3 TCP/IP的体系结构v1973年，斯坦福大学的两名研究人员提出了TCP/IP协议，它是一组协议，其中TCP是传输控制协议，提供面向连接的服务；IP是网际互联协议，提供无连接数据报服务和网际路由协议。2.3.1 TCP/IP的层次结构vTCP/IP协议把整个网络协议分为4个层次：网络接口层、网际层、传输层、应用层，它们都是建立在硬件基础之上。1、网

25、络接口层（网络访问层）v通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并且能够传输网络数据分组。v局域网采用IEEE802协议系列，如IEEE802.3以太网协议、IEEE802.5令牌环网协议；广域网采用PPP、帧中继、X.25等2、网络互联层v其主要功能是负责在互联网上传输数据分组，它是TCP/IP参考模型中最重要一层，它是通信的枢纽。v在该层，主要定义了网络互联协议，即IP协议及数据分组的格式。本层还定义了地址解析协议ARP，反向地址解析协议RARP及网际控制报文协议ICMP3、传输层v也被称为主机至主机层，它主要负责端到端的对等实体之间进行通信。v该层使用了两种协议支持数据的传输，它们是TCP

26、协议和UDP协议。vTCP协议是可靠的、面向连接的协议。vUDP协议是不可靠的、无连接协议4、应用层v简单邮件传输协议（SMTP）：主要负责互联网中电子邮件的传递。v超文本传输协议（HTTP）：提供Web服务。v远程登录协议（Telnet）：实行对主机的远程登录功能，常用的电子公告牌系统BBS。v文件传输协议（FTP）：用于交换式文件传输。v域名解析（DNS）：实行逻辑地址到域名地址的转换2.3.2 TCP/IP核心协议v网际协议（IP）v传输控制协议（TCP）v其他协议：UDP、ICMP、ARP、RARP1、网际协议IPv属于网络互联层，基本任务是通过互联网传输数据报，提供关于数据应如何传输

27、，以及传输到何处的信息，各个数据报之间是相互独立的。（1）数据报结构vIP数据报由报头（控制部分）和数据组成，总长度不能超过65535字节，其报头各部分如图（1）版 本 号：规定了数据报的格式。（2）头部长度：标识IP报头的长度，它向接收点指示了数据从何处开始。（3）服务类型：规定了数据的处理方式，即定义了此报文段的优先级、可靠性、网络时延等要求。（4）总 长 度：表示以字节为单位的IP数据报长度，包括报头和数据部分，216。（5）标 示 符：标识该数据段属于哪个数据报，（6）段偏移量：表示该分段在数据报中的位置。（7）生 存 期：该域指明数据报可以在互联网中生存的时间。（8）协 议：标识将接收数据报的传输层协议类型。（9）报头校验和：该域用于保证IP数据报报头的完整性。（10）源 地 址：标识发送方主机节点的完整IP地址。（11）目标地址：标识接收方主机节点的完整IP地址。（12）可 选 项：包含可选的路由和实时信息。（13）填 充 项：确保报头是32位的倍数。（14）数 据：由源节点发送的原始数据和TCP信息组成。（2）数据报的分段和重组v分段：先对上层协议提交的数据报文进行长度检查，根据物理网络所允许的最大长度把数据报文分成若干段发送，这就是数据报的分段，然后再将