第3章 网络体系结构与协议

全国高等专科教育计算机系列实用规划教材计算机网络技术与应用授课人：解瑞云1第3章网络体系结构与协议2本章学习目标1）了解网络标准化组织2）理解并识记网络体系结构基本概念3）掌握OSI参考模型及各层的基本功能4）掌握TCP/IP参考模型及各层的基本功能5）理解OSI和TCP/IP参考模型的比较6）理解IPv4标准与IPv6标准的比较33.1计算机网络的标准化组织

1.标准化组织与机构

国际标准化组织ISO：OSI参考模型

电气电子工程师协会IEEE：局域网标准IEEE802.3

国际电信联盟ITU：V系列建议和X系列建议

电子工业协会EIA：通信和布线标准

美国国家标准协会ANSI：光纤分布式数据接口

(FDDI)标准

4ISO(InternationalOrganizationforStandard)

成立于1947年,是世界上最大的国际标准化专门机构，是联合国甲级咨询机构。它的成员是89个成员国的国家标准化组织。

美国在ISO中的代表是ANSI:美国国家标准学会(AmericanNationalStandardInstitute,ANSI)

，大家所熟悉的ASCII和C语言的工业界标准，就是由ANSI所制定的。

ISO在网络领域的最突出贡献就是提出OSI参考模型，该模型是网络发展史上的一个重要里程碑。3.1计算机网络的标准化组织5IEEE（InstituteofElectricalandElectronicEngineers）

电气和电子工程师协会IEEE是世界上最大的专业技术团体，由计算机和工程学专业人士组成。它创办了许多刊物，定期举行研讨会，还有一个专门负责制定标准的下属机构。IEEE在计算机网络界的最大贡献就是制定了802标准系列，802.3标准将局域网的各种技术进行了标准化。3.1计算机网络的标准化组织6

2．RFC文档和Internet协议标准3.Internet管理机构

Internet协会ISOCInternet体系结构委员会IAB：下设IETF和IRTF

Internet网络信息中心InterNICWWW联盟

3.1计算机网络的标准化组织7RFC文档

请求评价RFC文档从1969年ARPANET出现时就开始存在；它们是用于Internet开发团体的最初的技术文档系列；任何人都可以提交RFC文档，但它并不是一定会成为标准，事实上很多RFC文档都没有实现；RFC文档草案对于从事Internet技术研究与开发的技术人员是获得技术发展状况与动态的重要信息来源；读者可以很方便地从相关主机使用FTP、Web和其他的检索方式获取这些文档。3.1计算机网络的标准化组织83.2计算机网络体系结构简介3.2.1协议和体系结构的概念协议原为外交辞令，据说是为了在国与国之间进行顺利交流而规定的约束事项(规则)。我们平时进行交流时都要遵循一定的规则:在法庭，双方必须按照一定的次序轮流发言；开车时，转弯必须打出信号来通知周围的车辆；93.2计算机网络体系结构简介协议和体系结构的概念计算机网络中，协议的定义是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合。协议有三个要素，即：（1）语义（Semantics）：控制信息的内容，需要做出的动作及响应。（2）语法（Syntax）：数据与控制信息的格式、数据编码等。（3）时序（Timing）：事件先后顺序和速度匹配。10层次（layer）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层次中；对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；不同的系统分成相同的层次；不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；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。

3.2计算机网络体系结构简介11接口（interface）接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点;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;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工作。3.2计算机网络体系结构简介12网络体系结构（networkarchitecture）一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集;网络协议是按层次结构来组织的；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。3.2计算机网络体系结构简介13网络体系结构的分层原理：

计算机网络采用层次化的体系结构，层次的划分按照层内功能内聚，层间耦合松散的原则。将功能相近的模块放置在同一层，使层次间的信息流动尽量最小。这种层次结构具有以下优越性：（1）各层之间相互独立：只享受服务，不管实现细节。（2）灵活性好：各层实现技术的改变不影响替他层次。（3）易于实现和维护：化繁为简，各层功能相对简单。（4）有利于网络标准化：各层的功能和所提供的服务有了精确的说明，所以标准化变得较为容易。3.2计算机网络体系结构简介14社会上存在的邮政系统151.OSI参考模型概述

1）OSI参考模型的提出

20世纪70年代，国际标准化组织为适应网络向标准化发展的要求，成立了SC16委员会，在研究、吸取了各计算机厂商网络体系结构标准化经验的基础上，制定了开放系统互联（OpenSystemsInterconnectionOSI）参考模型，从而形成了网络体系结构的国际标准。

OSI参考模型是一个概念性的框架，并非指一个现实的网络。3.3OSI参考模型162）OSI参考模型的结构

OSI参考模型从低到高顺序的7层为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。按照OSI参考模型，网络中各结点都有相同的层次；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层通过接口进行通信；不同结点的同等层通过协议实现通信。

3.3OSI参考模型17ISO将整个通信功能划分为七个层次，划分层次的主要原则是：⑴网中各节点都有相同的层次。⑵不同节点的同等层具有相同的功能。⑶一个节点内相邻层之间通过接口通信。⑷每一层可以使用下一层提供的服务，并向其上层提供服务。⑸不同节点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。3.3OSI参考模型18协议说明OSI标准中的各种协议明确地定义了：应该发送什么样的控制信息；如何解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。

3.3OSI参考模型19OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定；在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。

3.3OSI参考模型20OSI参考模型各层的功能

物理层的主要功能：利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；实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。3.3OSI参考模型21数据链路层的主要功能：在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；传输以“帧”为单位的数据包；采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。3.3OSI参考模型22网络层的主要功能：通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；是计算机通信体系结构中最核心的一层。为数据在结点之间传输创建逻辑链路；传输包。实现拥塞控制、网络互连等功能。传输层的主要功能：向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务；处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；传输段。传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。3.3OSI参考模型23会话层的主要功能：负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到点传输不中断；管理数据交换。表示层的主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换；数据加密与解密；数据压缩与恢复。3.3OSI参考模型24应用层的主要功能:为应用程序提供了网络服务;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。3.3OSI参考模型25OSI参考模型应用层表示层会话层传输层数据链路层物理层网络层网络应用软件数据表示

主机间通信端到端的连接路径选择及逻辑寻址帧和介质访问控制信号和介质关键词3.3OSI参考模型26OSI参考模型应用层表示层会话层传输层数据链路层物理层网络层较高层：与应用有关较低层：与数据传输有关3.3OSI参考模型27应用层表示层会话层传输层数据链路层物理层网络层应用层表示层会话层传输层数据链路层物理层网络层PDU协议数据单元数据流数据段数据包数据帧比特3.3OSI参考模型282.OSI环境中数据的传输

1）OSI环境在研究OSI参考模型时，我们首先要清楚它所描述的范围，这个范围就是OSI环境。一般来说，物理层、数据链路层和网络层的大部分功能可以用硬件来实现，而高层基本上是通过软件方式来实现的。

2）接口和服务对等层协议之间交换的信息叫做协议数据单元（PDU),PDU加上协议控制信息（PCI）组成服务数据单元（SDU）,相邻层传递的是服务数据单元信息。相邻层通过服务访问点（SAP)来提供服务，它是一个逻辑接口。3.3OSI参考模型29

3）数据的封装与解封当数据需要通过网络从一个结点传送到另一个结点时，必须在数据的头部（和尾部）加入特定的协议头（和协议尾）。这种增加数据头部（和尾部）的过程叫做数据的封装。同样，当数据到达接收方时，接收方要识别和提取协议信息，这个过程叫做数据的解封。网络中数据的封装与解封过程和生活中信件的发送接收过程十分相似。3.3OSI参考模型30网络中数据的封装与解封3.3OSI参考模型31生活中信件的封装、传递与解封3.3OSI参考模型32

4）完整的OSI数据流动过程段分组帧比特3.3OSI参考模型33分层的好处：使网络变得更简单将网络部件标准化有利于模块化设计保证不同类型部件的互操作性加快了技术发展的速度简化了教育和学习3.3OSI参考模型343.物理层

1）物理层的基本概念在物理信道实体之间合理的通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的建立、保持和释放提供机械的、电气的、功能特性和规程特性的手段。物理层为数据链路层实现无差错的数据传输创造环境，但不负责传输的检错和纠错任务。物理层协议规定了为此目的进行建立、维持和拆除物理信道的有关功能和特性。

注意：物理层不是指连接计算机的具体的物理设备或传输介质。

2）物理层的功能（1）物理连接的建立和拆除（2）物理层数据的传输3.3OSI参考模型35

3）物理层的特性（1）机械特性：规定了接口所用接线器的形状和尺寸，接口引脚的个数、功能和排列，固定装置等等。

（2）电气特性：主要规定了每种信号的电平、信号的脉冲宽度、允许的数据传输速率和最大传输距离等。

（3）功能特性：规定了接口电路各个引脚的功能和作用。

（4）规程特性：反映了利用接口进行传输比特流的全过程及事件发生的可能顺序，它涉及到信号的传输方式，主要规定的是接口电路信号发出的时序、应答关系和操作过程。

3.3OSI参考模型36

4）物理层的标准

DTE（Dataterminalequipment）数据终端设备：处理用户数据的设备，它发出的信号往往不能直接送到传输介质上，要借助于DCE设备来实现。典型的DTE设备有计算机。

DCE（Datacircuitterminatingequipment）数据电路端接设备：将DTE设备发出的信号变为适合在介质上传输的形式。典型的DCE设备是调制解调器。我们需要对DTE和DCE接口进行标准化，这种接口的标准就是物理层协议。（1）EIA-232-E接口标准（2）CCITT的DTE/DCE接口标准

3.3OSI参考模型374.数据链路层

1）数据链路层的基本概念将实现控制数据传输协议的软硬件加到物理链路上，就构成了数据链路。因此，数据链路是一个逻辑链路。

2）数据链路层的功能

数据链路层的功能就是实现实体间信息的正确传输，通过进行必要的同步控制、差错控制、流量控制，为网络层提供可靠的、无错的数据信息。

（1）链路管理：指的是对数据链路层连接的建立、维持和释放。

3.3OSI参考模型38

（2）帧同步：接收方应当从收到的比特流中准确的区分出一帧的开始和结束。

（3）流量控制:控制发送方发送数据的速率,避免超过接收方接受能力。

（4）差错控制：常用的差错控制方法有前向纠错、检错重发，并利用计时器等控制技术。

（5）透明传输：无论传输数据是由什么样的比特组合起来的，都能在数据链路上传送，这就是透明传输。

（6）寻址：基于帧的目标MAC地址，有别于网络层基于数据包的目标网络地址。

3.3OSI参考模型39

3）数据链路层的协议

面向字符的通信控制规程：以字符为传输信息的基本单位，通过控制字符来控制信息传输，控制字符要避免与用户信息混淆，在早期的通信中应用较广泛。

典型的协议有IBM公司的BSC协议。

面向比特的通信控制规程：数据和控制信息独立，统一以帧为传输单位，传输效率高，可靠性强。典型的协议有高级数据链路控制（HDLC)协议。

3.3OSI参考模型405.网络层

1）网络层的功能网络层是通信子网的最高层，它的主要用途是实现通信子网内源结点和目标结点之间网络连接的建立、维持和终止，并传送分组。网络层是体系结构中的核心层次。

2）网络层提供的服务及典型协议

网络层提供的服务有两种类型：面向连接的网络服务和面向无连接的网络服务。面向连接的服务和电话系统的工作模式相似，典型的服务是虚电路，采用虚电路服务的典型三层协议是X.25协议。面向无连接的服务和邮政系统中信件的投递过程相似，典型的服务是数据报，采用数据报服务的典型三层协议是IP协议。

+3.3OSI参考模型41

3）路由选择

路由选择就是根据一定的原则和算法，在传输路径上找出一条通往目的结点的最佳路径。路由选择是网络层最主要的功能，路由选择协议的核心是路由选择算法。路由选择算法必须满足如下要求：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性和最优化。路由选择算法大致上可分为两类：静态路由选择算法和动态路由选择算法。（详细内容见第7章）

3.3OSI参考模型426.传输层

1）端对端通信的概念传输层是为网络环境中主机的应用层应用进程提供端到端进程通信服务的，由物理层、数据链路层和网络层组成的通信子网则只提供主机之间点对点的通信，如源主机－路由器、路由器－路由器、路由器－目的主机，不会涉及到程序或应用进程的概念。3.3OSI参考模型433.3OSI参考模型44

2）传输层的功能

传输层和网络层的接口既是层次间的接口，也是通信子网和资源子网的接口，所以，传输层是体系结构中的关键层次。传输层反映并扩展了网络层的服务功能，屏蔽掉了各类通信子网的差异，向用户提供一个统一的接口。在网络层的基础上，完成端对端数据的可靠性传输。3.3OSI参考模型

3）传输层的协议在计算机网络中，服务质量简称QoS。它反映了传输质量及服务的可用性，它是用于衡量传输层性能的。服务质量主要包括：连接建立延迟、连接建立失败概率、吞吐量、传输延迟、残留差错率、安全保护。

457.会话层

1）会话层的概念在OSI环境中，一次会话就是两个用户进程之间为完成一次通信而建立的会话连接。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，会话层就是为有序的、方便地控制这种信息交换提供控制机制。

2）会话层的功能会话层位于传输层和表示层之间，其基本功能是在传输层提供服务的基础上再为表示层提供服务。包括会话方式、会话协调、会话同步等内容。

3.3OSI参考模型46

3）会话层提供的服务

会话层提供的服务主要是会话连接的管理和会话数据交换两个方面。会话连接管理服务使得一个应用层的进程在一个完整的活动中，通过表示层提供的服务，建立和维持一条畅通的通信信道。数据交换服务为两个应用进程提供在信道上交换会话单元的手段。会话单元是一次活动中数据的基本交换单位。3.3OSI参考模型478.表示层

1）表示层的概念表示层是OSI的第6层，它的目的是处理有关被传送数据的表示问题。

2）表示层的功能（1）数据语法转换（2）数据语法的表示（3）连接管理（4）数据压缩（5）数据加密（6）数据编码3.3OSI参考模型489.应用层

1）应用层的概念

应用层是OSI参考模型的最高层，它直接与用户和应用程序打交道，为用户使用网络服务提供了接口。应用层是直接为用户的应用进程提供服务的。但是需要注意，应用层并不等同于一个应用程序。

3.3OSI参考模型492）应用层的协议（1）虚拟终端协议（VTP）：虚拟终端协议就是在对等实体之间实施的一套通信约定，其目的就是把实际终端的特性变成标准的形式，即网络虚拟终端的形式。（2）文件传输协议（FTP）和简单文件传输协议（TFTP）：FTP是用于文件传输的Internet标准，它支持文本文件和面向二进制流的文件结构，适合于远距离、可靠性较差线路上的文件传输。TFTP通常用于比较稳定、可靠的局域网内部，进行文件传输。（3）其他常用应用层协议：简单邮件传输协议SMTP、简单网络管理协议SNMP、Telnet、HTTP、WWW、DNS。3.3OSI参考模型501.TCP/IP体系结构的层次划分

1）TCP/IP的产生和发展

TCP/IP协议不是某一标准化组织提出的正式标准，但已经被公认为事实上的工业标准。

TCP/IP协议从发展到现在，一共出现了6个版本，目前我们使用的主要是版本4，它的网络层IP协议一般记作Ipv4。版本5是基于OSI模型提出的，由于层次变化大，代价高，只是处于建议阶段，并未形成标准。版本6我们称为下一代的IP协议，记作IPv6。

3.4TCP/IP体系结构51

2）TCP/IP的特点（1）开放的协议标准：可以免费使用，并且独立与特定的计算机硬件与操作系统。（2）统一分配网络地址：使整个TCP/IP设备在网络中具有唯一的IP地址。（3）适应性强：可同时适用于局域网、广域网以及互联网中。（4）标准化的高层协议：可为用户提供多种可靠的网络服务。3.4TCP/IP体系结构52

3）TCP/IP参考模型的层次划分

TCP/IP体系结构将网络划分为应用层、传输层、互连层、和网络接口层四层。3.4TCP/IP体系结构53TCP/IP体系结构与OSI参考模型的对应关系3.4TCP/IP体系结构542.TCP/IP体系结构中各层的功能

1）网络接口层网络接口层是最低层，它负责通过网络发送和接收IP数据报。TCP/IP体系结构并未对网络接口层使用的协议做硬性的规定，它允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，例如局域网协议或其他一些协议。

2）互连层互连层是TCP/IP体系结构的第二层，它实现的功能相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务。互联层负责把源主机的数据报发送到目的主机，并可以实现跨网传输。3.4TCP/IP体系结构55互连层的主要功能包括：（1）处理来自传输层的分组发送请求。在收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择路径，然后将数据报发送到相应的网络接口。（2）处理接收的数据报。在收到其他主机发送的数据报后，检查目的地址，需要转发则选择路径转发出去；如目的地址为本结点IP地址，则除去报头送交传输层处理。（3）处理互联网络中，路径、流量控制、拥塞控制等问题。3.4TCP/IP体系结构56

3）传输层传输层是TCP/IP参考模型的第三层，在互联层之上，主要处理应用进程之间的端到端的通信。这和OSI参考模型中的传输层的功能是相似的。

4）应用层

TCP/IP参考模型省略了会话层和表示层，应用层位于传输层之上，是其最高层，它通过使用传输层所提供的服务，直接向用户（用户的应用程序）提供服务。它包括了所有的高层协议，并不断有新的协议加入，基于这些协议，应用层向用户提供众多的网络应用。3.4TCP/IP体系结构573.TCP/IP体系结构中的协议栈

计算机网络的层次结构使网络中的各个层次的协议形成了一种从上到下的依赖关系。在计算机网络中，从上至下相互依赖的各种协议就形成了网络中的协议栈。3.4TCP/IP体系结构58TCP/IP参考模型TCP/IP协议栈3.4TCP/IP体系结构59OSI和TCP/IP的比较：1.共同点层次化的结构。2.OSI的主要问题定义复杂，实现困难，有些功能在每一层重复出现，效率低下。3.TCP/IP的主要问题网络接口层并不是实际的一层，各层的功能定义与实现方法没能区分开来等。3.4TCP/IP体系结构60对OSI参考模型的评价层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；严格按照层次模型编程的软件效率很低。3.4TCP/IP体系结构61对TCP/IP参考模型评价在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其他非TCP/IP协议族；TCP/IP参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而TCP/IP参考模型却没有做到这点。

3.4TCP/IP体系结构62一种建议的参考模型

3.4TCP/IP体系结构634.IPv4标准概述

1）IP协议的特点（1）IP协议是一种不可靠的、面向无连接的数据报传送服务的协议。

（2）IP协议向传输层隐藏了低层物理网络细节。（3）IP协议可以实现信息的跨网传输。

（4）IP协议使用统一的、全局的地址描述法。

3.4TCP/IP体系结构64

2）IP数据报格式

IP数据报是IP协议使用的数据单元，互联层数据信息和控制信息的传递都需要通过IP数据报进行。

IP数据报的格式可分为报头区和数据区两大部分，如下页图所示。3.4TCP/IP体系结构653.4TCP/IP体系结构版本(4bit)头部长度(4bit)服务类型(8bit)总长度(16bit)标识(16bit)标志(3bit)片偏移(13bit)生存时间(8bit)协议(8bit)头部校验和(16bit)源地址(32bit)目的地址(32bit)

选项数据区IPv4数据报格式66IP数据报报头中各字段的主要功能：（1）版本和协议版本表示该数据报对应的IP协议的版本号，目前是IPv4。协议指的是使用此数据报的高层协议类型，如TCP或UDP等。（2）长度报头长度：报头区的长度（以32bit为单位），总长度：整个IP数据报的长度（以8bit为单位）。（3）服务类型用于规定转发过程中对该数据报的处理方式。3.4TCP/IP体系结构67（4）生存时间

IP数据报在网络中的生存时间。（5）头部校验和头部校验和字段用来保证IP数据报报头的完整性。（6）地址地址字段包括源地址和目的地址，表示发送数据报的主机和接收数据报的主机的地址。3.4TCP/IP体系结构68（7）标识、标志和片偏移这3个字段和数据报的分片重组有关，我们在后面单独介绍。（8）选项选项字段主要用于控制和测试两个目的，用户可以根据需要来选择是否使用该字段。3.4TCP/IP体系结构693）IP数据报的分片和重组（1）最大传输单元MTU和IP数据报的分片

MTU：网络规定的一个帧最多能够携带的数据量。

IP数据报的长度只有小于或等于网络的MTU，才能在这个网络传输。与路由器连接的各个网络的MTU可能不同，若数据报来自一个MTU值较大的局域网，要发往一个MTU值较小的局域网，我们就必须把它分成多个较小的部分，使它们小于局域网的MTU值继续传送，这个过程就叫做数据报的分片。3.4TCP/IP体系结构70（2）分片重组数据报分片像正常的IP数据报一样经过独立的路由选择处理，最终到达目的主机。IP协议规定，目的主机负责对分片进行重组。3.4TCP/IP体系结构71（3）分片控制①标识标识是源主机赋予IP数据报的标识符，是分片识别的标记，分片时该字段需不加修改的复制到各分片的报头中。②标志该字段由3个标志位组成。用来表示该数据报能否被分片，若已被分片，则该分片是否是最后一个分片。③片偏移指出本片数据在初始IP数据报数据区的相对位置，偏移量以8B为单位。3.4TCP/IP体系结构725.IPv6标准概述

1）IPv4的局限性随着Internet规模和网络技术的发展，IPv4暴露出它的不足和局限性：地址数量的不足；报头复杂，不易扩充；缺少安全与保密方法等，其中最主要的问题是32位的IP地址不够用。要解决IP地址枯竭的问题，可以有三方面的措施：采用无分类编址CIDR，使IP地址的分配更加合理；采用网络地址转化NAT技术，节省IP地址的使