第3章计算机网络体系结构 (1)课件

第3章计算机网络体系结构本章内容3.1网络体系结构概述3.2OSI七层协议模型3.3TCP/IP的体系结构3.4IEEE802标准

本章要点：网络体系结构的概念物理层、数据链路层、网络层、传输层、高层的功能TCP/IP体系结构

世界上第一个网络体系结构是美国IBM公司于1974年提出的，名为SNA（SystemNetworkArchitecture，系统网络体系结构）。凡是遵循SNA的设备就称为SNA设备。这些SNA设备可以很方便地进行互连。在此之后，很多公司也纷纷建立了自己的网络体系结构，这些体系结构大同小异，都采用了分层技术，但各有其特点以适合由本公司生产的计算机组成的网络，这些体系结构也有其特殊的名称。

计算机网络体系结构的发展3.1.1网络体系结构的概述

高层不需要知道低层是如何实现的，只需要知道低层所提供的服务，以及本层向上层提供的服务，各层独立性强。当任何一层发生变化时，只要层间接口不发生变化，那么这种变化就不会影响到其他层，适应性强。

整个系统已被分解为若干易于处理的部分，这种结构使得一个庞大而又复杂的系统实现和维护起来更容易。每层的功能与所提供的服务都有精确的定义和说明，有利于促进标准化。邮政服务的层次模型两个不同系统上的相同的层次称为同等层或对等层；通信在对等层上的实体之间进行（实体泛指任何已发送或接收信息的软件或设备），双方实现第N层功能所遵守的共同规则，称为第N层协议。计算机网络按功能分层以及各层的协议的集合，称为网络的体系结构。也就是说计算机网络体系结构是各计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。03:28:253.1.2网络协议网络协议的定义为实现网络通信而建立的关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等方面的一组事先制定好的规则、标准或约定，统称为网络协议(Protocol)

网络协议的三要素语法：数据与控制信息的结构和格式、数据编码等。它确定了通信时采用的数据格式、编码和信号电平等。语义：用于确定协议元素的类型，即规定了通信双方需要发出何种控制信息，完成何种动作，以及做出何种应答。时序：用于确定通信速度的匹配和时序，即对事件实现顺序的详细说明。3.1.3其他相关概念1.系统和实体系统：是网络中有自治能力的计算机或交换设备，往往也把它叫做网络节点或简称节点。实体：是指每个层次中能够发送和接收信息的任何东西。实体既可以是软件实体，也可以是硬件实体。03:28:252.对等层和对等实体对等层：是两个不同系统的同名层次。

对等实体：是两个不同系统同名层次中的两个实体

03:28:253.接口和服务接口：是相邻两层之间的边界。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，即第N层通过接口为第N+1层提供服务。各层次间的关系：在同一网络体系的层次结构中，下层为上层提供服务，上层利用下层提供的服务完成自己的功能，同时再向更上一层提供服务。因此，上层可看成是下层的用户，下层是上层的服务提供者。上层叫做服务的使用者，低层叫做服务的提供者。服务的使用者和提供者通过服务访问点直接联系03:28:25接口协议：相邻层实体之间交换信息所遵守的规则。任何两相邻层间都存在接口问题。服务访问点(SAP)：是指相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务的联系点。如N层SAP就是N+1层可以访问N层的地方。03:28:254.面向连接的服务和无连接的服务面向连接的服务：所谓“连接”，是指在同等层的两个同等实体间所设定的逻辑通路。利用建立的连接进行数据传输的方式就是面向连接的服务。面向连接的服务过程可分为三部分：建立连接、传输数据和撤消连接。以电话系统为模式。03:28:25无连接服务：该类服务的过程类似于邮政系统的信件通信。无论何时，计算机都可以向网络发送想要发送的数据。通信前，无须在两个同等层实体之间事先建立连接，通信链路资源完全在数据传输过程中动态地进行分配。03:28:25

5.协议数据单元数据单元：是指传输数据的做小单位。协议数据单元（PDU)：是对等实体之间通过协议传送的数据单元

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6.接口数据单元接口数据单元：是相邻层次之间通过接口传递的数据单元。接口数据单元：控制信息+服务数据单元。03:28:253.2OSI参考模型1974年继IBM公司提出第一个网络体系结构SNA(系统网络体系结构)之后，几年中各公司推出了十几个网络体系结构方案。这些网络体系结构所构成的网络之间无法互通信和互操作。为了在更大范围内共享网络资源和相互通信，人们迫切需要一个共同的可以参照的标准，使得不同厂家的软硬件资源和设备能够互通信和互操作。国际标准化组织ISO于1977年成立了信息技术委员会TC97专门进行网络体系结构标准化的工作。在综合了已有的计算机网络体系结构的基础上，经过多次讨论研究，最后公布了网络体系结构的七层参考模型RM，简写为OSI/RM。1OSI参考模型概述OSI参考模型是标准化的、开放式的计算机网络层次结构模型。“开放”的含义是：任何两个遵守OSI参考模型和有关标准的系统都可以实现互连，互操作和可移植。这里的“系统”指的是计算机、终端或其他外部设备等。OSI参考模型将计算机网络分成了互相独立的7层，从下到上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层3.2.1OSI参考模型概述3.2.2

物理层物理层的主要功能是实现通信节点之间的物理连接，在物理传输介质上透明地传输原始比特流。物理层是OSI参考模型的最底层，起着数据链路层到物理传输介质之间的逻辑接口的作用。物理层的特性包括：机械特性规定物理连接器的尺寸、规格、形状，插针或插孔的数量和排列情况，相应通信介质的参数和特性等。例如，PC机上的COM1和COM2接口称为RS-232接口，使用的是典型的物理层协议RS-232C。RS-232C的全称是EIA-RS-232标准，EIA表示美国电子工业协会，RS表示推荐标准（RecommendedStandard),232为编号，C指修改的版次（在此之前有RS-232B，RS-232A）。RS-232C之后又经过两次修订，其版次分别为D和E，由于修改不多，所以普遍使用RS-232C这一名称。电气特性电气特性规定了在链路上传输二进制比特流有关的电路特性，如信号电平的高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等，通常包括发送器和接收器的电气特性以及与互连电缆相关的有关规则等。例如，RS-232C的电气特性规定：逻辑“1”的电平为-15~-5V，逻辑“0”的电平为+5～+15V；在码元畸变小于4％的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m，即电缆长度不超过15m；通信速率≤20Kb／s。

功能特性功能特性规定各信号线及接口引脚的功能或作用。信号线按功能可分为数据线、控制线、定时线和接地线等。例如，RS-232C的功能特性定义了25针标准连接器中的20根信号线，其中2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线、剩下的5根信号线没有定义(备用)。规程特性规程特性定义了信号时序、应答关系、操作过程等，如怎样建立、维持和拆除物理连接，全双工还是半双工操作等。物理层向数据链路层提供的服务包括“物理连接服务”、“物理服务数据单元服务”和“顺序化服务”等。

2.物理层提供的服务3.2.3数据链路层

数据链路层的主要功能是在物理层提供的比特服务基础上，在相邻节点之间提供简单的通信链路，传输以帧为单位的数据，还有数据链路的流量控制’差错检测和使用MAC地址访问介质的功能。03:28:25(2)数据链路层主要任务检测并校正物理层传输介质上产生的传输差错。该层负责数据链路信息从源点传输到目的点的数据传输与控制，如连接的建立、维护与拆除、异常情况处理、差错控制与恢复、信息格式等，检测和校正物理层可能出现的差错，使两系统之间构成一条无差错的链路。3.2.4网络层

1.网络层的功能网络层也叫通信子网层，负责网络中两台主机之间的数据交换。由于通信的两台计算机间可能要经过许多个节点，也可能经过多个通信子网，故网络层的任务之一是要选择合适的路径将信息送到目的站，这就是所谓的路由选择，即在多条通信路径中找一条最佳路径。网络层的另一个任务是进行拥塞控制和网络互连。03:28:25(3)

网络层的服务网络层所提供的服务有两大类：面向连接的网络服务和面向无连接的网络服务。面向连接的网络服务：是在数据交换前先建立连接，当数据交换结束后，再拆除这个连接。03:28:25面向无连接的网络服务：是两个实体之间分组的传输不需要先建立连接，通信所需的资源无需事先预定保留，而是在数据传输时动态地进行分配的。在网络层中，面向连接的网络服务与面向无连接的网络服务的具体实现分别是虚电路服务和数据报服务。03:28:252.网络层的功能：建立、维持和拆除网络连接：在网络层，要为传输层实体之间通信提供网络连接的建立、维持和拆除。路由选择：根据一定的原则和算法，在多节点的通信子网中，选择一条从源节点到目的节点的合适逻辑通路的控制过程。流量控制：网络层的流量控制是对进入整个通信子网内的数据流量及其分布进行控制和管理，以避免发生网络阻塞和死锁，提高网络传输效率和吞吐量。网络传输控制：网络层要对在通信子网中传输的数据进行控制：组包、拆包、包的按序重装，包信息的传输同步，差错控制和速率控制等。03:28:253.5传输层1.传输层的地位和作用OSI中1--3层面向数据通信，是由通信子网所完成的通信功能的集合，通信子网就是基于低三层通信协议构成的网络；5--7层是由端主机进程所完成的面向应用功能的集合。传输层是OSI中高层与低层之间的接口层。03:28:25对于网络中通信的两个主机，其端到端的可靠通信最后要靠传输层来完成。传输层是OSI中负责通信的最高层，是唯一总体负责数据传输和控制的层次。传输层还是OSI中用户功能的最低层。传输层及以上各层的数据传输单位均为报文。03:28:25传输层的任务：在网络层提供的网络连接(服务)基础上，补充和完善通信子网的服务，为源主机和目的主机进程之间提供可靠的、端到端数据的透明传输。通信子网提供的服务越多，传输层协议就可越简单，反之亦然。03:28:2503:28:252.传输层的功能传输层连接管理：传输连接的建立、维持和拆除；向会话层提供独立于通信子网的、可靠的、透明的数据传输服务：传输层向高层用户屏蔽掉下面各通信子网的具体细节，使其看不见子网及其互连情况，就好象在两传输实体之间有一条可靠的通路一样。03:28:253.2.6会话层会话层的主要任务：为用户提供特定应用进程的连接服务，并控制、管理和同步会话层实体之间的对话。会话层功能：会话连接管理、会话活动管理和数据交换管理。03:28:25会话连接管理：会话连接的建立、维持和拆除。①会话连接是建立在传输连接的基础上的。两种连接之间可有一对一、一对多和多对一三种连接关系。②会话连接的拆除包括正常有序拆除、用户异常拆除和服务者异常拆除三种方式。03:28:25会话活动管理：一次独立的数据传输就是一次会话活动，一个会话连接可包含几个会话活动，每个会话活动又包括几个会话单元。会话同步：在一次会话连接中设置一些同步点(有主同步点和次同步点)，在会话双方进展不一致时，让会话实体返回到前一个同步点进行恢复，而不是从头恢复会话。主同步点用于每个会话单元，次同步点用于单元内的同步控制。03:28:253.2.7表示层表示层任务：为在应用进程之间传输信息提供表示服务。表示服务就是处理与数据表示(语法)有关的问题，即语法转换和上下文控制服务。表示层功能：表示连接管理，语法转换和表示上下文控制。03:28:25表示服务即表示转换，包括数据格式转换，数据类型转换，数据压缩、数据加密等内容。表示连接管理：在会话连接基础上建立表示连接及正常或异常终止表示连接的管理。语法转换：抽象语法与传送语法的转换，可由通信任一方实现或双方协作实现。03:28:25①抽象语法：是对一般数据结构的描述，与具体的编码格式无关，是一种标准的数据描述方法。②传送语法：是同等表示实体之间交换信息时，对用户信息所作的描述。03:28:253.2.8应用层

应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。应用层通过支持不同应用协议的程序来解决用户的应用需求，如文件传输、远程操作和电子邮件服务等。应用层的作用不是把用户的各种应用进行标准化，而是将应用进程需要的服务、功能及实现这些功能所要求的协议进行标准化，即应用层是直接为用户程序的应用进程提供服务的。03:28:25应用层任务：为用户的应用进程访问OSI环境提供服务。因为用户的实际应用多种多样，这就要求应用层采用不同的应用协议来解决不同类型的应用要求，因此应用层是最复杂的一层，使用的协议也最多。03:28:25应用层元素：一个应用实体有多个元素组成，包括一个用户元素UE和一组应用服务元素ASE。用户元素UE是与用户有关的元素，而ASE是应用层中与实际应用有关的元素。3.2.9OSI参考模型中的数据传输在OSI参考模型中，不同主机对等层之间按相应协议进行通信，同一主机不同层之间通过接口进行通信。除了最底层的物理层是通过传输介质进行物理数据传输外，其他对等层之间的通信均为逻辑通信。在这个模型中，每一层将上层传递过来的通信数据加上若干控制位后再传递给下一层，最终由物理层传递到对方物理层，再逐级上传，从而实现对等层之间的逻辑通信，如图3-2所示

图3-2OSI参考模型中的数据传输过程03:28:25OSI参考模型各层的功能

(1)物理层(PhysicalLayer)

为建立、维护和拆除物理链路提供所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性在物理链路上传输非结构的位流并提供链路故障检测指示。

(2)数据链路层(DataLinkLayer)检测和校正物理链路产生的差错，将不可靠的物理链路变成可靠的数据链路提供数据链路的流量控制功能;

在网络层实体间提供传送数据的功能和过程。

03:28:25(3)网络层(NetworkLayer)为端到端传输数据提供面向连接的和无连接的服务提供控制通信子网传输的操作,如路由选择、拥塞控制以及网络互连等根据传输层的要求来选择服务质量和安全级向传输层报告未恢复的差错

03:28:25(4)传输层(TransportLayer)

为系统之间提供面向连接的和无连接的数据传输服务为面向连接的数据传输服务提供建立、维护和释放连接的操作;

提供端到端的差错恢复和流量控制，实现可靠的数据传输;

为传输数据选择网络层所提供的最合适的服务。

03:28:25(5)会话层(SessionLayer)

为两个进程之间的会话提供建立、维护和终止连接的功能;

提供交叉会话功能,并提供三种交叉会话控制模式：一路交叉、两路交叉和两路同时会话模式。03:28:25(6)表示层(PresentationLayer)

代表应用进程协商数据表示;

实现数据转换、格式化和文本压缩。(7)应用层(ApplicationLayer)

为网络应用提供协议支持和服务应用层服务和功能因网络应用而异，例如事务处理、文件传送、网络安全和网络管理等。3.3TCP/IP协议的体系结构3.3.1TCP/IP协议概述TCP/IP是指传输控制协议/网际协议，是针对Internet开发的一种体系结构和协议标准，其目的在于解决异种计算机网络的通信问题，使得网络在互连时把技术细节隐藏起来，为用户提供一种通用、一致的通信服务。通常所说的TCP/IP协议实际上包含了大量的协议和应用，并且由多个独立定义的协议组合在一起，因此更确切地说，TCP/IP是一个协议族而不是一种协议。1.TCP/IP体系结构

TCP/IP不是一个协议，它是一组协议，其中包含了许多通信标准，以便规范网络中计算机的通信和连接。TCP/IP体系结构可以分为四个层次，由下向上分别是：网络接口层、互联网络层、传输层和应用层。TCP/IP各层与协议的对应关系如图所示所示：

2.TCP/IP协议的特点TCP/IP是开放的协议标准。TCP/IP独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网等各种网络环境。TCP/IP使用统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网络中只有惟一的地址。TCP/IP是标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。（1）网络接口层网络接口层与OSI参考模型中的物理层和数据链路层相对应。TCP/IP由参与互连的各物理网络使用自己的物理层和数据链路层协议，然后与TCP/IP的网络接口层进行连接。网络接口层在发送端将上层的IP数据报封装成帧后发送到网络上；数据帧通过网络到达接收端时，该节点的网络接口层对数据帧拆封，并检查帧中包含的MAC地址。如果该地址就是本机的MAC地址或者是广播地址，则上传到网络层，否则丢弃该帧。（2）网际互联层

IP：用于传输IP数据报。ARP和RARP：实现IP地址和物理地址之间的映射。ICMP：用于网络互联层上控制信息的产生和接收分析。IGMP：用于实现组播功能。（3)传输层该层负责提供应用程序间(即端到端)的通信。源端的应用进程通过传输层，可以与目的端的相应进程进行直接会话。它包含了OSI传输层的功能和OSI对话层的某些功能。传输层的核心协议是传输控制协议（TCP）和用户数据报协议(UDP)。TCP协议是一个面向连接的数据传输协议，它提供数据的可靠传输。TCP负责TCP连接的确立，信息包发送的顺序和接收，防止信息包在传输过程中丢失。(4)应用层HTTP（超文本传输协议）FTP（文件传输协议）TELNET（远程登录协议）NNTP（网络新闻传输协议）DNS（域名