现代网络体系构造和参考模型

1、现代网络体系构造和参考模型基础知识02网络体系结构和参考模型本章主要内容3.1 计算机网路体系结构3.2 开放系统互连参考模型3.3 TIP/IP参考模型3.4 网络协议3.5 本章小结3.1 计算机网路体系结构3.1.1 网络体系结构的提出与发展3.1.2 网络体系结构的定义3.1.3 网络分层结构 3.1.4 网络协议3.1.5 网络体系结构中的基本概念3.1.1 网络体系结构的提出与发展1974年，美国IBM公司在网络实践中总结出世界上第一个网络体系结构系统网络体系结构(Systems Network Architecture，SNA)。1975年，DEC公司为了与IBM公司竞争，也发布

2、了自己的计算机网络体系结构数字网络体系结构(Digital Network Architecture，DNA)。后来，Novell公司推出的网络操作系统NetWare也实现了一种新的网络体系结构IPX/SPX。与此同时，Apple公司也推出了针对Macintosh计算机连网而设计的计算机网络体系结构。国际标准化组织(ISO) 在1984年公布了开放系统互连/参考模型(Open System Interconnection/Reference Model，OSI/RM)。 3.1.2 网络体系结构的定义网络体系结构(Network Architecture)是计算机网络的分层、各层协议、功能和层

3、间接口的集合。不同的计算机网络具有不同的体系结构，其层的数量、各层的名称、内容和功能以及各相邻层之间的接口都不一样。然而，在任何网络中，每一层都是为了向它相邻的上层提供一定的服务而设置的，而且每一层都对上层屏蔽实现协议的具体细节。这样，网络体系结构就能做到与具体的物理实现无关，哪怕连接到网络中的主机和终端的型号及性能各不相同，只要它们共同遵守相同的协议就可以实现互通信和互操作。3.1.3 网络分层结构基本的网络体系结构模型就是层次结构模型。网络分层结构中，每一层都由一些实体组成，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)。实体是通信时能发送和接收信息

4、的任何软硬件设施。系统的顶层执行用户要求做的工作，直接与用户接触，可以是用户编写的程序或发出的命令。除顶层外，各层都支持其上一层的实体进行工作，这就是服务。分层结构中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。 3.1.4 网络协议通信协议具有以下特性。 (1)层次性。 (2)可靠性和有效性。计算机网络协议主要由以下三个要素组成。 (1)语义 (2)语法 (3)定时3.1.5 网路体系结构中的基本概念1.层 层是指人们划分出

5、来的计算机网络中功能独立的一个子模块。从程序设计角度来说，层是指为了实现一个大功能而涉及的许多函数的集合。2.实体 所谓实体，是指某一层中具有数据收发能力(可以接受参数并且返回结果)的活动单元。3.服务 服务是指第N层的所有实体为N+1层的所有实体提供的一组功能集合4.服务原语服务原语 供用户实体访问该服务或者向用户实体报告某事件的发生。5.数据单元 为了实现某些功能，层与层之间、实体与实体之间都需要传递一些数据，通常将传递的数据的每一个单位叫做数据单元 。6. 协议数据单元 通常将不同计算机系统的对等层实体之间所交换的数据单位的每一部分称为协议数据单元。7.服务数据单元 服务数据单元是指下层

6、实体给上层实体返回结果的集合。 8.接口数据单元 在同一系统的相邻两层实体的一次交互中，将传递的参数和返回的结果称为接口数据单元。 3.2 开放系统互连参考模型3.2.1 分层通信3.2.2 物理层3.2.3 数据链路层3.2.4 网络层3.2.5 传输层3.2.6 高层协议3.2.1 分层通信在OSI参考模型(如图3-1所示)中，将整个通信功能划分为七个层次。每一层的目的是向相邻的上一层提供服务，并且屏蔽服务实现的细节。模型设计成多层，像是在与另一台计算机对等层通信。实际上，通信是在同一计算机的相邻层之间进行的。每一层都按照一组协议来实现某些网络的功能。七个层次之间的问题相对独立，而且易于分

7、开解决，也无需过多依赖于外部信息。七个层次自下而上分布，并具有不同的功能。应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议接口接口接口接口接口接口报文(M)报文(M)报文(M)报文(M)报文分组(P)帧(F)位(bit)主机X主机Y图3-1 OSI参考模型 3.2.2 物理层1.物理层的概念 物理层(Physical Layer)是OSI的最底层，它建立在物理通信介质的基础之上，作为系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体之间透明的比特流传输。 2.物理层的功能 (1)物理连

8、接的建立与拆除 (2)物理层服务数据单元传输 (3)物理层管理3. 物理层的特性 1)机械特性 2)电气特性 3)功能特性 4)规程特性3.2.3 数据链路层1.数据链路层的概念 数据链路层(Data Link Layer)的主要用途是在相邻网络实体(即相邻结点)之间建立、维持和释放数据链路连接，并且传输数据链路服务数据单元。 2.数据链路层提供的功能和服务 (1)数据链路管理功能 (2)差错控制功能 (3)相邻结点之间的流量控制3.数据链路层的主要协议 (1)面向字符的通信规程 (2)面向位的通信规程3.2.4 网络层1.网络层的功能 (1)建立和拆除网络连接 (2)路径选择 (3)对数据包

9、进行分段和组装 (4)传输和流量控制 (5)差错的检测和恢复2.网络层提供的主要服务 (1)无连接服务 (2)面向连接服务 (3)数据报服务 (4)虚电路服务3.2.5 传输层1.传输层提供的服务 传输层的主要任务是在优化网络层提供的服务的基础上，在源主机与目的主机之间提供可靠的透明数据传输，使高层服务用户在相互通信时不用关心通信子网的实现细节。2.传输层的主要功能 (1)将传输层的地址映射到网络地址 (2)多路复用和分割 (3)传输连接的建立与释放 (4)分段与重新组装 (5)组合与分解 (6)流量控制和缓存 (7)差错控制3.2.6 高层协议1.会话层 会话层(Session Layer)

10、负责在网络中的两结点之间建立和维持通信、建立会话、拆除会话等会话管理服务。 2.表示层 表示层(Presentation Layer)就像是应用程序与网络之间的翻译。 3.应用层 应用层为应用进程提供了访问OSI环境的手段，是应用进程使用OSI功能的唯一窗口。3.3 TIP/IP参考模型3.3.1 TCP/IP的层次结构3.3.2 TCP/IP协议集3.3.3 两种分层结构的比较3.3.4 TCP/IP协议族3.3.5 IP地址和子网掩码3.3.1 TCP/IP的层次结构 TCP/IP分为四个层次，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。 1.网络接口层 网络接口层是TCP/IP协议的最低层

11、，负责接收IP数据包并通过网络发送IP数据包，或者从网络上接收物理帧，取出IP数据包，并把它交给IP层。 2.网际层(IP) 网际层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组，将分组形成数据包(IP数据包)，并为该数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机。 3.传输层(TCP和UDP) 传输层提供应用程序间的通信通信，提供了可靠的传输(UDP提供不可靠的传输)。 4.应用层 在TCP/IP模型中，应用程序接口是最高层，它与OSI模型中的高三层的任务相同，用于提供网络服务。图3-2 信息在各层次之间的传递3.3.2 TCP/IP协议集1.网络接口层协议 网络接口层上的TCP/IP协议用

12、于使用串行线路连接主机与网络或连接网络与网络的场合，这就是SLIP协议和PPP协议。 2.网际层协议 网际层上包含五个协议：IP、ARP、RARP、ICMP和IGMP。 3.传输层协议 传输层有两个主要的协议：TCP协议和UDP协议。 4.应用层协议3.3.3 两种分层结构的比较相同点 它们都是层次结构的模型；其最低层都是面向通信子网的；它们都有运输层，且都是第一个提供端到端数据传输服务的层次，都能提供面向连接或无连接运输服务；其最高层都是向各种用户应用进程提供服务的应用层等。 不同点 两者所划分的层次数不同；TCP/IP中没有表示层和会话层；TCP/IP没有明确规定通信子网的协议，也不再区分

13、通信子网中的物理层、数据链路层和网络层；TCP/IP中特别强调了网际层，其中运行的IP协议是Internet的核心协议，且网际层向上只提供无连接的服务，而不提供面向连接的服务等。 3.3.4 TCP/IP协议族1.TCP/IP的数据链路层 (1)SLIP协议 (2)PPP协议2.TCP/IP网络层 (1)互联网协议IP (Internet Protocol) (2)互联网控制报文协议ICMP (3)地址转换协议ARP (4)反向地址转换协议RARP3.TCP/IP传输层 (1)传输控制协议 TCP (2)用户数据报协议 UDP4.TCP/IP的应用层 (1)文件传输协议 FTP (2)远程终端

14、访问 TELNET (3)域名服务 DNS (4)简单邮件传送协议 SMTP3.3.5 IP地址和子网掩码1.IP地址 IP地址是一个32位的二进制数，由地址类别、网络号和主机号三个部分组成。IP地址分成五类：A类、B类、C类、D类和E类，详细结构如图3-3所示。图3-3 IP地址分类2.子网的划分 在许多情况下，一个A类或B类地址的一个网络号，对应了很多的主机，一个组织或公司常常用不了。另一方面，C类地址的一个网络只有254台主机，又显得太少。因此，在实际应用中，常常将一个较大的网络分成几个部分，每一个部分称为一个子网。在外部，这几个子网依然对应一个完整的网络号。子网划分的方法就是将地址的主

15、机号部分进一步划分成子网号和主机号两个部分，其中，表示子网号的二进制位数(占用主机地址位数)取决于子网的个数，假设占用主机地址的位数为m，子网个数n，它们之间的关系是2m=n。 子网掩玛(Subnet Mask)也是一个“点分十进制”表示的32位二进制数，通过子网掩码，可以指出一个IP地址中的哪些位对应于网络地址(包括子网地址)、哪些位对应于主机地址。对于子网掩码的取值，通常是将对应于IP地址中网络地址(网络号和子网号)的所有位都设置为“1”，对应于主机地址(主机号)的所有位都设置为“0”。 3.几种特殊的IP地址形式 (1)网络地址 由一个有效的网络号和一个全“0”的主机号组成，用来表示某一

16、个具体的网络。 (2)广播地址 直接广播地址：由一个有效的网络号和一个全“1”的主机号构成，其作用是因特网的主机向网络号所指向的网络广播信息。 有限广播地址：32位全为“1”的IP地址(55)，用于本网(或本子网)广播。 (3)回环地址 A类网络的网络号为127(即01111111)的IP地址，是保留地址，可作为本地软件回环测试本主机之用，叫做回环地址。 (4)专用地址3.4 网络协议3.4.1 NETBEUI协议3.4.2 IPX/SPX协议3.4.3 常用网络通信协议的选择3.4.1 NETBEUI协议用户扩展接口NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface)由IBM于1985年开发完成，它是一种体积小、效率高、速度快的通信协议，在Windows 9X/Me/NT/Windows 2000 Server中，也是内置的网络通信协议。3.4.2 IPX/SPX协议1.SPX(顺序包交换) SPX是面向连接的协议，管理数据包传送并要求回复确认以保证包的传递。 2.NCP (N