计算机通信网课件d2要点

第2章计算机通信协议与网络体系结构

2.1概述2.2OSI参考模型功能简述2.3OSI-RM分层结构的重要概念2.4因特网TCP/IP协议栈和分层结构2.5标准化组织与机构7/21/202312.1通信协议与分层体系结构

随着计算机系统网络化互连业务的需求不断增长，世界上一些大的计算机公司在20世纪60年代率先开发出了自己的计算机网络体系结构、协议(Protocol，也称规程)和通信设备。

IBM公司的系统网络体系结构(SNA)DEC公司的数字网络体系结构(DNA)

这些公司的产品自成系列，能够方便地实现同类计算机系统互连成网。然而，各公司设计的计算机专有系统所用的体系结构，控制机理和信息格式彼此不同、互不兼容，使不同的计算机系统之间的通信变得相当复杂。7/21/202321976年，ITU―T正式公布了基于分组交换技术的公用数据通信网的重要标准——X.25接口规程，国际标准化组织(ISO)吸取了SNA、DNA以及ARPA网等网络体系结构的成功经验，参照X.25开放互连结构特性，于1984年5月，提出了开放系统互连的参考模型(OSI―RM)，即ISO7498，被批准为国际标准。2.1.1通信协议三个基本要素计算机通信实质上是计算机进程之间的通信，我们将计算机通信网中为正确传输数据信息而设立的通信规则称为通信协议。（网络协议）是指网络中应用进程之间相互通信所必须共同遵守的约定的集合。7/21/20233(1)语义(Semantics)：定义了用于协调通信双方和差错处理的控制信息，是对构成协议的协议元素含义的解释，即“讲什么”。ACK(2)语法(Syntax)：规定了通信所用的数据格式、编码与信号电平等；是对所表达内容的数据结构形式的一种规定，即“怎么讲”。

(3)定时规则(Timing)：明确实现通信的顺序、速率适配及排序。通信协议实质上是实体间通信时所使用的一种语言。7/21/202347/21/202352.1.2ISO的OSI—RM参考模型

ISO7498标准定义了描述网络体系结构的对象的类型、关系及约束，还定义了七层功能的开放系统互连(OSI，OpenSystemInterconnection)参考模型（RM，ReferenceModel），用于异种计算机应用进程间通信。

OSI参考模型的特征为：（1）采用有利于异构计算机系统互连、互通的层次化结构。（2）是一种抽象的标准框架，也是OSI中最高一级的抽象，而不是具体实现的描述。7/21/20236(3)在不同开放实系统的对等(Peer)层之间的通信由此层的协议管理。(4)在同一开放实系统的相邻层间的接口定义了服务关系和操作原语。(5)可提供的服务为面向连接的或无连接的数据服务。(6)每层实体执行所定义的功能，修改某层的功能不应影响其他层。7/21/202377/21/20238

实系统表示一台或多台计算机、相关的软件以及信息处理过程等的集合，是能独立运行和处理信息的自治整体。

开放实系统是指遵循互连协议标准的实系统。

开放系统是指所有符合抽象开放互连特性的实系统。

OSI―RM标准是抽取实系统中与互连有关的公共属性所构成的模型系统，在此基础上研究模型系统的互连标准，以避免涉及具体的机型、技术细节。7/21/202392.1.3结构化分层功能

OSI标准所采用的方法是将复杂的通信过程分解为若干个层次,即结构化功能分层的方法。其分层原则是：

(1)设置合理的层数，确保各层的功能相对独立，使每一层的功能单一化，允许采用最佳技术来实现。

(2)确保灵活性，只要接口关系保持不变，某一层技术上的变化不应影响其他层次。

(3)有利于促进标准化。由于分层结构使每一层功能及提供的服务可规范执行，其层间边界的信息流通量应尽可能少。

(4)为了满足各种通信业务的需要，在一层内可形成若干子层，也可以合并或取消某层。7/21/202310依据上述分层原则，OSI参考模型采用了七层体系结构。

低三层为：物理层(PH)、数据链路层(DL)、网络层(NT)，构成了开放的网络通信平台，实现OSI参考模型面向通信(含传输和交换)的功能。通信子网内的交换设备仅包括下三层功能。

高三层为：会话层(S)、表示层(P)、应用层(A)，主要面向用户的应用进程，进行分布的信息处理。中间的第四层为传输层(T)，它是计算机通信的关键层次，为高低层间提供接口与服务，起与通信两端桥接的作用。

7/21/2023112.2OSI参考模型功能简述

OSI参考模型的每一层都是一种类型功能的集合，由许多基本功能模块组成。每一个基本功能模块执行规程所确定的相应功能，它具有相对独立性，常称之为实体(Entity)。一、物理层(PhysicalLayer，缩写为PH)

物理层是OSI七层模型的最低层，其主要功能是为计算机等开放系统之间建立、保持和断开数据电路的物理连接，并确保在通信信道上传输可识别的透明比特流信号和时钟信号。

物理层四个基本特性：

机械特性、电气特性、功能特性、过程特性7/21/202312物理层协议的目标是使所有厂家的计算机和通信设备在接口上按规定互相兼容。常用的物理层协议有：

ITU―TV系列建议、X.21建议和I系列的I.411/I.412接口规范等。二、数据链路层(DataLinkLayer，缩写为DL)

数据链路层的目标是屏蔽物理层的特征，面向网络层提供几乎无差错、高可靠传输的数据链路，确保数据通信的正确性。数据链路层的主要功能是：数据链路的建立和释放，数据链路服务单元的定界、同步、定址、差错控制和数据链路层管理。7/21/202313数据链路层主要解决两个问题：(1)数据传输管理,包括信息传输格式、差错检测与恢复、收发之间的双工传输，争用信道等。(2)流量控制，协调主机与通信设备之间的数据传输速率失配。数据链路层的协议分两大类：

面向字符和面向比特数据链路控制规程（DLC）。常用的数据链路层协议有：高级HDLC、同步SDLC、ITU―TX.25的LAPB(平衡链路访问协议)、NISDNI.440/I.441的LAPD、帧中继的LAPF等。7/21/202314三、网络层(NetworkLayer，缩写为NT)

网络层是管理和控制通信子网的重要层次。其主要功能是：路由选择流量控制拥塞控制中继、激活和终止网络连接数据的分段与合段差错的检测和恢复、排序一条数据链路上复用多条网络链接网络层管理。7/21/202315

网络层的主要协议有：分组交换公用数据网(X.25网)的分组型终端设备入网接口规程ITU―TX.25分组级；网间互通的控制信令ITU―TX.75建议；最广泛流行的因特网(Internet)互联子层IP协议；Novell网的IPX协议等。

网络服务可分为下列三种类型：

A型网络服务：具有小的残留差错率和小的可通告差错率。

B型网络服务：具有小的残留差错率和大的可通告差错率。

C型网络服务：具有大的残留差错率。残留差错率表示在网络连接上传输出错的网络服务数据单元与所有传输的网络服务数据单元总数的比值。

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可通告的故障率表示不可恢复的差错数在可检测出的差错中所占的比例。四、传输层(TransportLayer，缩写为T)

传输层汇集下三层的功能向高层提供完整的、无差错的、透明的、寻址的端到端的通信服务，起到承上启下的作用。传输层的主要功能：传输连接的建立和释放，分段与合段，拼接与分割，数据单元(TPDU)的传输、编号，及重同步等。传输层协议按照传输实体是否提供分流、合流、复用/分解、差错检测和恢复等要求，可分为5类，如下表所示。同等传输实体必须协商选用同一类型或兼容类的协议操作。7/21/202317OSI传输协议的类别7/21/202318五、会话层(SessionLayer,缩写为S)

会话是指两个用户按已协商的规程，为面向应用进程的信息处理而建立的临时联系。会话层提供交互会话、协商所必需的措施，并对信息传输进行控制与管理。有三种数据流方向控制模式：单路交互、两路交替、两路同时会话模式。六、表示层(PresentationLayer,缩写为P)

表示层主要解决不同开放实体系统互连时的信息表示问题，并描述对等实体共享的数据。信息的表示约定称为语法。表示层的功能就是定义应用实体的语法表示，并实现其语法转换。7/21/202319局部语法：应用实体可根据具体的应用，选用不同的语法。公共语法：在应用实体之间传输的信息具有公共的信息表示方法。抽象语法是对数据一般结构的描述。传送语法是对等表示实体之间通信时对用户信息的描述，用于信息交换。七、应用层(ApplicationLayer，缩写为A)

应用层是开放体系中直接向用户提供服务的惟一层次。应用层负责用户信息的语义表示，并对应用进程间的通信进行语义适配。它通过应用实体、应用协议和表示服务进行信息交换，并给应用进程访问OSI提供惟一的窗口。7/21/2023202.3OSI―RM分层结构的重要概念

2.3.1服务和服务访问点

在OSI环境中，每一层都可称为开放系统的一个子系统。一个子系统内可以包括一个或多个实体。不同开放系统的对等的第N层实体进行通信的规则的集合称为第N层规程，简写为(N)规程。N层与(N)表示的含义不同，带括号的(N)表示第N层，而不带括号的N表示有N层。若要叙述传输层，可用(N)来表示(其中N=4)，则(N+1)表示第五层，(N-1)表示第三层。7/21/2023217/21/202322两个第N层实体之间用虚线连接，表示第N层的逻辑连接。在第N层规程的控制下，两个第N层实体分别可向其第N+1层提供服务，这种服务称之为第N层服务。受到服务的是第N+1层的实体，称它为第N层的“用户”。同理，(N)实体要执行(N)规程，还需要(N-1)实体为其提供服务。同一系统上下相邻两层实体之间可有联系，联系的交接点出现在层接口上，称之为服务访问点(SAP)。

(N)服务是由一个(N)实体作用在一个(N)的SAP上来提供的。

(N)-SAP实际上就是(N)实体与(N+1)实体间的逻辑接口，有时也可称之为端口(Port)。7/21/202323服务访问点和服务连接端7/21/202324

(1)相邻层实体间允许有多个SAP，一个(N)-SAP只能被一个(N)实体所使用，也只能为一个(N+1)实体提供服务。一个(N)实体可向多个(N)-SAP提供服务，称“连接复用”，向上复用。

(2)一个(N+1)实体可使用多个(N)-SAP，称“连接分离”，向下复用。

(3)两个不同系统(N+1)实体之间的信息交换是通过各自对应的(N)-SAP利用(N)协议建立一个(N)连接来实现的。

(4)一个SAP中可有多个连接端点，每个连接的两端必须使用不同的连接端点。7/21/202325综上所述，分层结构的实质是每一层应向其上邻层提供具有增值的服务，即利用下邻层提供的服务，并加上本层的功能特性，以满足上邻层提出的某种要求。7/21/2023262.3.2数据单元

在OSI参考模型中，数据单元(DU，DataUnit)是通信双方信息传递的单位。在各个层次(除第一层外)中，都由通信双方协议来规定数据单元格式。数据单元可归纳为下列几种类型

(1)PDU在不同的开放系统的对等实体间交换信息，是在相关层的通信规程控制下完成的，这类信息传送单元称为协议数据单元(PDU)。它由下列两部分组成：上一层的服务数据单元(SDU)；本层的协议控制信息(PCI)。

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PCI一般作为头标(也称为标题、报头)，加在SDU之前，用于指示一个实体执行一种服务控制功能。在数据链路层，常将PCI头标置于SDU之前，而PCI尾标则放在SDU之后。

(2)IDU在同一开放系统的相邻层间实体的一次交互中，通过SAP的信息传递单元成为接口数据单元(IDU)。

PDU在通过层间接口时，还需加上一定的控制信息，这些控制信息称为接口控制信息(ICI)。这些ICI仅在PDU通过接口时有用，对下一层的PDU并无影响。因此，接口数据单元IDU是一个PDU加上适当的ICI，经过SAP后，可将原先加上的ICI去掉。

7/21/202328SDU

为实现(N+1)实体所请求的功能，(N)实体服务所需设置的数据单元称为服务数据单元(SDU)。

SDU是一个供接口调用的数据，只需要在(N)连接的两端保持其大小一致即可，与传送过程中所产生的变化无关。7/21/2023297/21/202330

2.3.3数据传输流程

OSI环境中对等实体间通信数据封装与解封的传送流程图。实体A在源端，系统的应用进程APA将用户数据送入应用层，在此层加封AH(应用层协议的头标)作控制作用，组成APDU。通过P-SAP传到表示层，同样加封PH，组成PPDU。依此类推，直到第二层，控制信息分别加在数据单元的头(LH)、尾(LT)，形成LPDU，亦称帧。第一层只是比特流的传送，所以不必再加任何控制信息。7/21/202331系统A作发送端时，对用户数据逐层加封。当一连串比特流经传输媒体送到系统B后，从低层到高层，由每一层实体来分析控制信息头标的内容并作出必要的操作，然后再去封，将数据单元上交到高一层，依次处理，直到应用进程APB.

源端：自上而下—

宿端：自下而上—层层处理加封(Encapsulation)洋葱皮式封装拆封(Unencapsulation)分析头标标题7/21/2023322.3.4通信原语

通信原语定义OSI规定了每一层可使用的下列4个通信原语：请求(Request,

或简写为Req);指示(Indication,

或简写为Ind);响应(Response,

或简写为

Resp);确认(Confirm,

或简写为Conf)。一个完整的服务原语是由三部分组成：原语名字原语类型原语参数7/21/2023337/21/2023342.4因特网TCP/IP协议栈和分层结构2.4.1TCP/IP分层体系结构

TCP/IP协议栈由四个层次组成，自上而下为应用层、传输层（TCP层）、网间互连层(IP层)、网络接口层。应用层应用层对应于OSI―RM的高三层(应用层、表示层、会话层)。用户通过API(应用进程接口)调用应用程序来运用TCP/IP因特网提供的多种服务。应用程序负责收、发数据，并选择传输层提供的服务类型，如连续的字节流、独立的报文序列，然后按传输层要求的格式递交。7/21/2023352.传输层传输层提供端到端应用进程之间的通信，常称为端到端(EndtoEnd)通信。该层的通信协议有：传输控制协议(TCP，TransportControlProtocol)用户数据报协议(UDP，UserDatagramProtocol)IP电话数字话音协议(NVP，NumericalVoiceProtocol)

传输控制协议(TCP)提供可靠的信息流传输服务，确保信息流无差错地按序到达对端。7/21/202336

3.网间互连层（IP层）负责异构网或同构网的计算机进程之间的通信。它将传输层的分组封装为数据报(Datagram)格式进行传送，每个数据报必须包含目的地址、源地址。在因特网中，路由器是网间互连的关键设备。主要协议有：网络互连协议IP、互联网控制报文协议ICMP、地址转换协议ARP、反向地址转换协议RARP等。

4.网络接口层负责与物理网络的连接，是TCP/IP协议栈的最下层。网络接口包含各种设备驱动程序，支持现有网络的各种接入标准：如广域网的X.25分组交换网、DDN、ATM网，局域网的以太网(Ethernet)、标记环网(TokenRing)、FDDI等。7/21/2023372.4.2TCP/IP模型的工作机理7/21/202338主机A通过应用层、传输层、网间互连层(IP层)到网络接口层进入网络1，按帧1格式传送和处理；路由器收到网络1的帧1，在IP层加以识别数据报头，选择转发路径，形成帧2，流经网络2；主机B在网络2中获取帧2，经网络接口层、IP层、传输层、应用层到达主机B。主机B到主机A的通信过程与此类似。在因特网中，软件一般分为操作系统软件和非操作系统软件。应用层程序是非操作系统软件。在IP层之上的所有协议软件只使用IP地址。在网络接口层使用具体网络的物理地址。7/21/2023392.5标准化组织与机构

1.国际电信联盟ITU(InternationalTelecommunicationUnion)

最早成立于1865年。1947年联合国成立时，国际电信联盟是联合国下设的电信专门机构，是一个政府间的组织。国际电报电话咨询委员会(CCITT，ConsulativeCommitteeInternat