第3章 计算机网络体系结构

第3章计算机网络体系结构3.1网络体系结构概述3.2OSI参考模型3.3TCP/IP体系结构3.1网络体系结构概述网络的体系结构是指这个计算机网络及其部件所要完成的功能的一组抽象定义，是描述计算机网络通信方法的抽象模型结构，一般是指网络的各层及其协议的集合。图3-1层次模型示意图图3-2计算机网络的层次模型分层处理所带来的好处是：每一层可以实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理得复杂问题分解为若干容易处理的较小的问题。计算机网络体系采用层次结构，可以使各层之间相对独立，灵活性好，易于实现和维护，而且各层结构上可以分割开，每层都可以采用最合适的技术来实现.3.1.1网络体系结构发展史国际标准化组织ISO的技术委员会于1983年提出了开放系统互连参考模型，即著名的ISO7498国际标准（我国相应的国家标准是GB9387），记为OSI/RM或者ISO/OSI/RM。开放系统互连的目的是使世界范围内的应用系统能够开放式（而不是封闭式）的进行信息交换。3.1.2网络分层的意义所谓分层设计方法，就是按照信息的流动过程将网络的整体图3-3邮政系统通信过程

分层设计方法将整个网络通信功能划分为垂直的层次集合后，在通信过程中下层将向上层隐蔽下层的实现细节。但层次的划分应首先确定层次的集合及每层应完成的任务。划分时应按逻辑组合功能，并具有足够的层次，以使每层小到易于处理。同时层次也不能太多，以免产生难以负担的处理开销。图3-4信息的逐层传递过程3.1.3层次结构的要点与层次划分的原则1、层次结构的要点（1）除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。（2）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。（3）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、层次结构划分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更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响。层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。3、网络的体系结构的特点以功能作为划分层次的基础。第n层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第n-1层提供的服务。第n层在向第n+1层提供的服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。3.2OSI参考模型ISO/OSI的七层模型OSI/OSI七层参考模型从下到上分别为：第1层：物理层(PhysicalLayer,PH)第2层：数据链路层(DataLinkLayer,DL)第3层：网络层(NetworkLayer,N)第4层：传输层(TransportLayer,T)第5层：会话层(SessionLayer,S)第6层：表示层(PresentationLayer,P)第7层：应用层(ApplicationLayer,A)

数据发送过程发送进程送给接收进程和数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体；通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。数据接收过程正好相反

图3-6数据的实际传递过程OSI参考模型对各个层次的划分遵循下列原则：1、网中各结点都有相同的层次，相同的层次具有同样的功能；2、同一结点内相邻层之间通过接口通信；3、每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；4、不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。1、物理层的功能特征（1）物理层主要负责在物理连接上传输二进制比特流。（2）物理层提供为建立、维护和释放物理连接所需要的机械、电气、功能与规程的特性。2.数据链路层3.网络层4.传输层5.会话层6.表示层7.应用层物理层的媒体包括：架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。物理层的特性：物理层是第一层，是整个放系统的基础，向下直接与物理传输媒质相连接。物理层协议是各种网络设备互连时必须遵守的底层协议，具有对数据链路层屏蔽物理传输介质的特征，以便对高层协议有更大的透明性。机械特性：物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等；电气特性：在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性；功能特性：接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系；规程特性：使用交换电路进行数据交换的控制步骤，使比特流传输得以完成。例：DTE（数据终端设备）-DCE（数据控制设备）的接口框如图所示，物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题。目的是为了便于不同的制造厂家能够根据公认的标准各自独立地制造设备。使各个厂家的产品都能够相互兼容。物理层的主要功能为数据终端设备提供传送数据的通路：数据通路可以是一个物理媒体,也可以是多个物理媒体连接而成.一次完整的数据传输包括激活物理连接、传送数据、终止物理连接.所谓激活,就是不管有多少物理媒体参与,都要在通信的两个数据终端设备间连接起来,形成一条通路.传输数据：物理层要形成适合数据传输需要的实体,为数据传送服务.一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽(每秒钟内能通过的比特数)，以减少信道上的拥塞.传输数据的方式能满足点到点、一点到多点、串行或并行、半双工或全双工、同步或异步传输的需要.2.数据链路层

把从物理层来的原始数据打包成帧Frame。一个帧是放置数据的、逻辑的、结构化的包。数据链路层负责帧在计算机之间的无差错传递。数据链路层最基本的功能是向该层用户提供透明的和可靠的数据传送基本服务。透明性是指该层上传输的数据的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释信息结构的意义；可靠的传输使用户免去对丢失信息、干扰信息及顺序不正确等的担心。transparent数据链路层的功能（1）数据链路建立、维护与释放；（2）数据链路层服务数据单元帧的传输；（3）差错检测与控制；（4）数据流量控制；（5）在多点连接或多条数据链路连接的情况下，提供数据链路端口标识的识别，支持网络层实体建立网络连接；（6）帧接收顺序控制，帧同步数据链路层的协议

数据链路层协议分为两类：面向字符型与面向比特型。早期的数据链路层协议多为面向字符型。典型的协议标准有：SLIP（SerialLineInternetProtocal）串行线路网际协议PPP(PorttoPortProtocal)点到点协议X.25:在公用数据网上以分组方式进行的数据终端设备(DTE)和数据电路终端设备(DCE)之间的接口ARP(AddressResolutionProtocal)地址解析协议RARP(RerserveAddressResolutionProtocal)反向地址转换协议FrameRelay帧中继数据链路层的主要设备（1）网桥（Bridge）网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络；网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信。网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；网桥有利于改善互连网络的性能与安全性。（2）交换机（Switch）同传统的网桥一样，交换机也是一种在数据链路层实现互连的存储转发设备。交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决定信息转发。交换机——硬件设备，网桥——可以用软件实现交换机的优点：交换机转发延迟较小，拥有更多的端口。三层交换机（工作在第3层）二层交换机（工作在第2层）1234交换机（3）集线器HUB：

外形与交换机相同，一般为4口集线器的每个端口中连接的所有主机均属于同一个冲突域（抢占资源）交换机的每个端口中连接的所有主机属于各自独立的冲突域（独占资源）举例：一个10M的Hub，所有的端口共享这10M的带宽，如果有4个端口同时使用，则每个端口的带宽为2.5M；而一个10M的交换机，则是每个端口单独拥有10M的带宽，各端口的带宽均为10M。3.网络层

第三层，介于运输层和数据链路层之间，它在数据链路层提供的两个相邻端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，将数据设法从源端经过若直干个中间节点传送到目的端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括：

1、寻址、路径选择2、流量控制3、网络连接建立与管理(1)为传输层提供服务

网络层提供的服务有两类：面向连接的网络服务和无连接的网络服务。

虚电路服务是网络层向传输层提供的一种使所有数据包按顺序到达目的结点的可靠的数据传送方式，进行数据交换的两个结点之间存在着一条为它们服务的虚电路；而数据报服务是不可靠的数据传送方式，源结点发送的每个数据包都要附加地址、序号等信息，目的结点收到的数据包不一定按序到达，还可能出现数据包的丢失现象。

典型的网络层协议是X.25，它是由ITU-T（国际电信联盟电信标准部）提出的一种面向连接的分组交换协议。(2)组包和拆包在网络层，数据传输的基本单位是数据包package（也称为分组）。在发送方，传输层的报文到达网络层时被分为多个数据块，在这些数据块的头部和尾部加上一些相关控制信息后，即组成了数据包（组包）。数据包的头部包含源结点和目标结点的网络地址（逻辑地址）。在接收方，数据从低层到达网络层时，要将各数据包原来加上的包头和包尾等控制信息去掉（拆包），然后组合成报文，送给传输层。(3)路由选择

路由选择也叫做路径选择，是根据一定的原则和路由选择算法在多结点的通信子网中选择一条最佳路径。确定路由选择的策略称为路由算法。在数据报方式中，网络结点要为每个数据包做出路由选择；而在虚电路方式中，只需在建立连接时确定路由。典型的路由选择方式有两种：静态路由和动态路由。静态路由是在路由器中设置的固定的路由表。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。动态路由是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。它能实时地适应网络结构的变化。(4)流量控制

流量控制的作用是控制阻塞，避免死锁。

网络的吞吐量（数据包数量/秒)与通信子网负荷（即通信子网中正在传输的数据包数量）有着密切的关系。

对防止出现阻赛和死锁，需进行流量控制，通常可采用滑动窗口、预约缓冲区、许可证和分组丢弃四种方法。网络层的网络连接设备(1)路由器（Router）在互联网中，两台主机之间传送数据的通路会有很多条，数据包从一台主机出发，中途要经过多个站点才能到达另一台主机。这些中间站点通常由称为路由器的设备担当，其作用就是为数据包选择一条合适的传送路径。路由器工作在OSI模型的网络层，是根据数据包中的逻辑地址（网络地址）而不是MAC地址来转发数据包的。路由器的主要工作是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据包有效地传送到目的站点。(2)第三层交换机具有路由功能的交换机要在网络层对数据包进行操作，因此被称为第三层交换机。网络层的主要协议

(1)IP协议：InternetProtocol网际协议，为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守IP协议就可以与因特网互连互通。IP地址具有唯一性。(2)路由协议：选择数据通过网络的最佳路径。(3)拥塞控制协议：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。4.传输层

传输层（TransportLayer）是OSI中最重要、最关键的一层，是唯一负责总体的数据传输和数据控制的一层，提供端到端的交换数据的机制，对会话层等高三层提供可靠的传输服务，对网络层提供可靠的目的地站点信息。

这一层负责错误的确认和恢复，以确保信息的可靠传递。在必要时，它也对信息重新打包，把过长信息分成小包发送；而在接收端，把这些小包重构成初始的信息。传输层的任务是根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。在这一层，信息传送的协议数据单元称为段或报文。网络层只是根据网络地址将源结点发出的数据包传送到目的结点，而传输层则负责将数据可靠地传送到相应的端口。基本功能(1)分割与重组数据(2)按端口号寻址(3)连接管理(4)

差错控制和流量控制、纠错主要协议TCP：TransmissionControlProtocol

传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层（Transportlayer）通信协议UDP：（UserDataProtocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去。

UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。SPX：序列分组交换协议（SPX）是Novell早期传输层协议，为NovellNetWare网络提供分组发送服务。

5.会话层

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。会话层同样要担负应用进程服务要求，而运输层不能完成的那部分工作,给运输层功能差距以弥补。就是对话和交谈会话层(Session)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。允许在不同机器上的两个应用建立、使用和结束会话，这一层在会话的两台机器间建立对话控制，管理哪边发送、何时发送、占用多长时间等。建立在传输层之上，利用传输层提供的服务，使两个会话实体之间不考虑它们之间相隔多远、使用了什么样的通信子网等网络通信细节，进行透明的、可靠的数据传输。主要功能：⑴为会话实体间建立连接将会话地址映射为运输地址选择需要的运输服务质量参数(QoS)对会话参数进行协商识别各个会话连接传送有限的透明用户数据⑵数据传输阶段：这个阶段是在两个会话用户之间实现有组织的，同步的数据传输。用户数据单元为SSDU，而协议数据单元为SPDU，会话用户之间的数据传送过程是将SSDU转变成SPDU进行的⑶连接释放：通过有序释放、废弃、有限量透明用户数据传送等功能单元来释放会话连接的6.表示层

表示层位于OSI分层结构的第六层，它的主要作用之一是为异种机通信提供一种公共语言，以便能进行互操作。这种类型的服务之所以需要，是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，便需要表示层来完成这种转换。就是表示为一种通用的数据格式。

它包含了处理网络应用程序数据格式的协议。表示层位于应用层的下面和会话层的上面，它从应用层获得数据并把它们格式化以供网络通信使用。该层将应用程序数据排序成一个有含义的格式并提供给会话层。主要功能1、语法转换2、上下文的表示3、数据的压缩、解压、加密、解密

在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理：如果在Internet上查询银行账户，使用的即是一种安全连接。账户数据在发送前被加密，在网络的另一端，表示层将对接收到的数据解密。除此之外，表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。

7.应用层

应用层（Applicationlayer）是OSI模型的第七层（最高层），直接和应用程序接口并提供常见的网络应用服务。应用层也向表示层发出请求。应用层是直接为应用进程提供服务，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。是最终用户应用程序访问网络服务的地方。它负责整个网络应用程序一起很好地工作。这里也正是最有含义的信息传过的地方。程序如电子邮件、数据库等都利用应用层传送信息。应用层的主要功能有：运输访问和管理电子邮件虚拟终端……应用层的主要协议HTTP：是一个客户端和服务器端请求和应答的标准（TCP）。客户端是终端用户，服务器端是网站。通过使用Web浏览器，客户端发起一个到服务器上指定端口（默认端口为80）的HTTP请求。通过HTTP或者HTTPS协议请求的资源由统一资源定位器（UniformResourceIdentifiers－URI）来标识。FTP：一般运行在20和21两个端口。端口20用于在客户端和服务器之间传输数据流，而端口21用于传输控制流，并且是命令通向ftp服务器的进口。EMAIL：邮件服务，如SMTP、POP33.3TCP/IP体系结构3.3.1TCP/IP简介TCP/IP模型是由美国国防部在ARPANET网络中创建的网络体系结构，是至今为止发展最成功的通信模型，它用于构筑目前最大的、开放的互联网络系统Internet，TCP/IP简化了层次模型，只有4层。IntranetTCP/IP协议使用范围极广，是目前异种网络通信使用的唯一协议体系，适用于连接多种机型，既可用于局域网，又可用于广域网，许多厂商的计算机操作系统和网络操作系统产品都采用或含有TCP/IP协议。TCP/IP协议已成为目前事实上的国际标准和工业标准。TCP/IP协议在硬件基础上分为四个层次，自下而上依次是：网络接口层、网际层、传输层和应用层

OSI体系结构｜TCP/IP结构｜常用协议Internet层（网际层）

负责将数据分组路由到正确的目的地。在发送方，将传输层提供的数据段封装到数据报中，并填入IP报头（包括源IP地址、目标IP地址、使用什么协议、校验和等等）；在接收方，通过读取IP报头中的信息决定如何处理数据报。如果是路由器收到数据报，它则通过校验和检验其有效性，决定是做本地处理还是转发该数据报；如果是目标主机收到该数据报，通过校验后，它会去掉IP报头交给传输层处理。Internet层（网际层）的主要协议网络层包括多个重要协