网络体系结构1讲课文档

网络体系结构1第1页，共54页。1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA(SystemNetworkArchitecture)。为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，简称为OSI。一、计算机网络体系结构的形成第2页，共54页。二、与网络层次体系结构相关的常见概念网络的体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合称为.体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。一个网络协议主要由以下三个要素组成：（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；（3）同步，即事件实现顺序的详细说明。第3页，共54页。协议、层次、接口与体系结构的概念

层次（layer）协议（protocol）接口（interface）体系结构（architecture）第4页，共54页。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。

第5页，共54页。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。第6页，共54页。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。第7页，共54页。实体这一名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件服务是网络中各层向其相邻上层提供的一组功能集合，是单向的，在形式上是由一组原语（或操作）来描述的。有面向连接服务与无连接服务之分。服务原语提供用户实体访问该服务或向用户实体报告某事件的发生。分四类请求、指示、响应、确认。可以带参数。其中有确认的服务包括了完整的四步，服务与协议的关系协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。实体、服务、服务原语的概念第8页，共54页。

在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方，通常称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。

OSI将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU(ServiceDataUnit)

在对等层次上传送的数据，其单位都称为该层的协议数据单元PDU(ProtocolDataUnit)。 在任何相邻两层之间的关系可概括为下图所示的那样。在服务提供者的上一层的实体，也就是“服务用户”，它使用服务提供者所提供的服务。服务访问点、服务数据单元、协议数据单元的概念第9页，共54页。第10页，共54页。三、分层的好处（1）各层之间是独立的。（2）灵活性好。（3）结构上可分割开。（4）易于实现和维护。（5）能促进标准化工作。社会上存在的邮政系统第11页，共54页。网中各结点都具有相同的层次；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层之间通过接口通信；每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。层次的划分应该有助于制定网络协议的国际标准。

四、网络层次划分的原则（可参考P67OSI分层原则）第12页，共54页。五、常见的网络层次模型1.OSI/RM参考模型

OSI标准中采用体系结构、服务定义、协议规格说明三级抽象，将网络分成：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。2.TCP/IP参考模型

TCP/IP参考模型将网络分成：网络接口层、网络层、传输层、应用层。３．LAN参考模型

LAN参考模型是IEEE制定的标准。它将网络分成：逻辑链路控制层、介质访问控制层、物理层。(1)逻辑链路控制（LLC，LogicalLinkContral）层(2)介质访问控制（MAC，MediaAccessContral）层(3)物理层第13页，共54页。3.2OSI参考模型

1977年国际标准化组织(ISO)的技术委员会专门研究开放系统互连，直到1983年，终于形成了开放系统互连基本参考模型的正式文件，即著名的ISO7498国际标准。在OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信；OSI标准中，采用的是三级抽象：体系结构（architecture）服务定义（servicedefinition）协议说明（protocolspecification）第14页，共54页。

OSI体系结构(architecture)具体地定义了一个七层模型，用来进行进程之间的通信。这七层模型自下而上为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

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ISO/OSI网络模型

第16页，共54页。完整的OSI数据传递与流动过程第17页，共54页。3.2.1物理层一、物理层的功能和特性1、物理层的功能实现两个网络设备之间二进制位流的透明传输，对上层（数据链路层）屏蔽物理传输介质的差异；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；2、物理层的特性物理层涉及机械、电气、功能、过程接口四个方面的特性。1）机械特性机械特性规定了物理连接时所使用接插式连接的形状和尺寸，引脚数与排列方式。2）电气特性电气特性规定了在物理层传输二进制比特流信号电平的高低，阻抗匹配，传输速率，传输距离。第18页，共54页。3）功能特性功能特性说明接口信号引脚的功能分配和确切定义。4）过程特性过程特性规定了利用信号线进行二进制比特流传输的操作过程。二、物理层的协议两种最常用的接口标准：RS-232-C/V.24和X.21。

1.模拟传输的DTE/DCE标准RS-232-C/V.24RS-232-C是美国电子工业协议EIA1969年发布的标准，它与CCITT推荐的V.24安全兼容，它规定了计算机或终端设备与MODEM之间的物理层标准。第19页，共54页。1）机械特性

RS-232-C为25芯连接器。2）电气特性信号电平：-15~-5V，表示逻辑“1”；+5~+15V，表示逻辑“0”；传送距离：15m；3）功能特性定义21根接口线，分五类：

A类：地线；B类：数据线；C类：控制线；D类：定时线；S类：辅助信号线。4）规程特性整个过程：主叫端拨号，建立连接过程；发送数据；线路拆除。第20页，共54页。下图画的是EIA-232最常用的10根引脚的作用，括弧中的数目为引脚的编号。第21页，共54页。3.2.2数据链路层的基本概念链路(link)就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。数据链路(datalink)则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要通信协议来控制这些数据的传输。 也有人采用另外的术语。这就是将链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路，而逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。第22页，共54页。链路层向下与物理层连接，向上与网络层连接，完成的任务是实现与“相邻节点“的无差错透明通信。一、数据链路层的主要功能归纳如下：（1）链路管理数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。（2）信息的帧化以帧位单位进行传送。（3）流量控制(flowcontrol)

不允许出现发送速度超过接收能力的现象。（4）差错控制重发、校验机制。

（5）透明传输零比特填充（6）帧同步（7）寻址第23页，共54页。3.2.3网络层

网络层模型网络层是通信子网的最高层，对上层用户屏蔽了子网通信的细节，如子网类型、拓扑结构、子网数目，向上层提供一致的服务、统一的地址主机A主机B结点1结点2结点3网络连接数据链路连接数据链路连接传输层数据链路层网络层第24页，共54页。1、指定通讯对象：寻址网络层利用数据链路层提供的在相邻节点间进行数据传输的功能，在终端系统间进行数据交换。2、决定路由：路径选择网络层完成的是终端系统之间的通信，终端系统不是相邻点，而是经过多个节点，甚至可能分属不同的子网。所以必须决定通过什么样的路径进行联系。路由选择算法要求：正确、简单、健壮、稳定、公平、最优化3、流量控制对进入通信子网的数据量加以控制，以防止拥塞的出现4、数据的传输、中继数据链路层保证各相邻节点间的数据传输，网络层进行中继。5、清除子网的质量差异一、网络层的基本功能第25页，共54页。1、面向连接的服务—虚电路服务典型的网络协议—X.25。适于传输要求高可靠性、连接大量传输的应用。2、无连接的服务—数据报典型的网络协议为互联网协议IP。适于传送信息不太长的应用，但效率高，可靠性差，随着通讯条件的提高，应用广泛。二、网络服务第26页，共54页。传输层的功能（传输层是整个网络体系结构中的关键部分）传输层的主要功能是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、流控，以及其他一些关键传输问题；具体如下：1、映射传输层地址到网络地址传输层要在用户进程之间提供可靠和有效的端到端服务，必须把一个目标用户进程和其他的用户进程区分开来，这是由传输地址来实现的。传输地址的构成有两种办法：（1）层次地址该地址由一系列的域组合而成，把它们在空间上分开来。例如（地址）=<国家><网络><主机><端口>（2）平面地址空间3.2.4传输层第27页，共54页。传输层的功能2、多路复用与分割1）一对一2）多对一（向上多路复用）3）一对多（分割或向下多路复用）3、传输连接的建立与释放4、分段与重组5、组合与分解第28页，共54页。3.2.5会话层会话层的主要任务是在传输连接的基础上提供增值服务，对端用户间的对话进行协调和管理。会话层的功能：a、会话连接到传输连接的映射。b、数据传送。c、会话连接的恢复和释放。d、会话管理。e、令牌管理。第29页，共54页。表示层如同应用程序和网络之间的“翻译官”完成信息格式的转换。表示层的主要功能：1、用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；2、数据格式变换；3、数据加密与解密；4、数据压缩与恢复。3.2.6表示层第30页，共54页。3.2.7应用层

它是OSI/RM的最高层，是直接面向用户的一层，是计算机网络与最终用户间的界面。目的是作为用户使用OSI功能的唯一窗口。从功能划分看，OSI的下面6层协议解决了支持网络服务功能所需的通信和表示问题，而应用层则提供完成特定网络服务功能所需的各种应用协议。OSI应用层协议主要有：1、文件传递、存取和管理FTAM2、虚拟终端协议VTP3、报文处理系统MHS4、作业传递与操作JTM5、事务处理TP第31页，共54页。层次功能实际应用中对应的实例协议应用层用户接口HTTPTelnet表示层数据的表现形式、特定功能的实现如-加密ASCII、EBCDICJPEG会话层对应用会话的管理、同步操作系统/应用读取传输层可靠与不可靠的传输、传输前的错误检测、流控TCP、UDPSPX网络层提供逻辑地址、选路IPIPX数据链路层成帧、用MAC地址访问媒介、错误检测与修正802.3/802.2HDLC物理层设备之间的比特流的传输、物理接口、电气特性等EIA/TIA-232

V.35第32页，共54页。3.3TCP/IP参考模型

OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概念清楚，体系价格低廉，理论较完整。TCP/IP的协议现在得到了全世界的承认，但它实际上并没有一个完整的体系结构。TCP/IP是一个四层的体系结构，它包含应用层、传输层、互联网层和网络接口层。第33页，共54页。3.3TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型的发展在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP参考模型进一步的研究；TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本4、版本5与版本6；目前我们使用的是版本4，一般被称为IPv4；IPv6被称为下一代的IP协议。第34页，共54页。TCP/IP协议的特点

开放的协议标准;独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。第35页，共54页。应用层传输层（网络层）互联网层网络接口层TCP/IP4层模型第36页，共54页。TCP/IP协议栈第37页，共54页。网络接口层，它是TCP/IP的最底层，但是TCP/IP协议并没有严格定义该层，它只是要求主机必须使用某种协议与网络连接，以便能在其上传递IP分组。

一、网络接口层第38页，共54页。俗称IP层，互联网层(internetlayer)是整个体系结构的关键部分。它的功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立地传向目标(可能经由不同的网络)。路由选择处理上层发送请求处理输入数据报处理ICMP报文在网络层，数据的传送单位是IP数据报，或简称为数据报。其核心IP协议是一种无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。二、互联网层(networklayer)第39页，共54页。1、传输的功能1）建立传输连接在两个传输用户之间建立一种逻辑关系。2）提供流量控制手段保证接收端的数据接收率高于发送端的发送速率。3）差错控制和崩溃恢复差错控制：与链路层相似。崩溃恢复：发送端向所有主机广播一个短报文，宣告自己刚才已崩溃并希望得知其它主机的状态，以此为依据进行恢复。4）对数据进行透明传输（端到端）不必关心数据传输的具体方法和过程。5）多路复用向下多路复用：一个传输连接使用多个网络连接。向上多路复用：多个传输连接使用同一个网络连接。三、传输层第40页，共54页。2、传输控制协议TCPTCP是一个可靠性的面向连接的传输层协议。1）TCP可靠性的获得（1）面向连接在数据传输之前，必须在源端和目的端之间建立一个连接。（2）确认与超时重传确认：接收端以字节为单位进行确认。超时重传：设定一个时间片，如果某个字节在时间片内得不到确认，发送端就认为该字节除了故障，再次发送。（3）拥塞控制拥塞控制的实现方法TCP是通过限制发送端向互联网注入报文的速率而达到的，或者说通过控制发送窗口的大小控制拥塞。用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。第41页，共54页。TCP/IP模型没有会话层和表示层。传输层的上面是应用层(applicationlayer)。它包含所有的高层协议。处理高层协议对表达、编码和对话控制四、应用层第42页，共54页。在下图中描述使用路由器的TCP／IP分层工作，图中报文经历了两种结构不同的网络，也使用了两种不同的网络帧，即一个是从主机A到路由器R，另一个是从路由器R到主机B。主机A发出的数据报和路由器R接收到的数据报相同，但不同于路由器R和主机B之间传送的数据报。与此形成对照的是应用层和传输层处理端到端的事务，因此发送方的软件能和最终的接收方的对等层软件进行通信。也就是说，分层原则保证了最终的接收方的传输层所收到的分组与发送方的传输层送出的分组是一样的。五、TCP/IP分层工作原理第43页，共54页。图1-4使用路由器的TCP/IP分层工作原理第44页，共54页。TCP/IP的概念性层次包含两个重要的分界线，一个是协议地址分界线，以区分高层和低层的寻址，另一个是操作系统分界线，以区分系统与应用程序。六、TCP/IP模型的分界线第45页，共54页。在整个层次结