《计算机网络技术》课件-第3章 计算机网络体系结构

3.1网络体系结构概述网络体系结构提出的背景计算机网络即庞大又复杂不同的通信介质——有线、无线、……不同种类的设备——主机、路由器、交换机、复用设备、……不同的操作系统——Unix、Windows、……不同的软/硬件、接口和通信约定（协议）不同的应用环境——固定、移动、……不同种类业务——分时、交互、实时、……宝贵的投资和积累——有形、无形、……用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏解决办法：分而治之——分层对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结构，以达到：结构清晰简化设计与实现便于更新与维护较强的独立性和适应性网络体系结构提出的背景网络分层计算机网络中采用了分层的方法。把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题，并在不同层上予以解决。网络的层次结构要解决的问题：网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。网络分层分层举例计算机

1

向计算机

2

通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。两个计算机交换文件文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块再设计一个通信服务模块文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入模块文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。层数多少要适当原则结构清晰，易于设计，层数应适中每层功能明确且相互独立层间接口清晰，跨越接口的信息量应尽可能的少每一层都使用下层的服务，并为上层提供服务网中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层次按照协议实现对等层之间的通信分层的好处各层之间是独立灵活性好结构上可分割开易于实现和维护能促进标准化工作协议计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换数据的格式以及有关的同步问题。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(networkprotocol)，简称为协议。你好你好请问现在几点了？2:00请求连接传送文件：xxxxx.xxx<文件>time连接确认人相互交流的协议和通信协议之间的对比通信协议的三要素语义对协议中各协议元素的含义的解释，例如：在HDLC协议中，标志Flag表示报文的开始和结束在BSC协议中，SOH表示报文的开始，STX表示报文正文的开始，ETX表示报文正文的结束，BCC表示校验字段语法协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：时序通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则FlagAddressCtrlDataFCSFlagSOHHEADSTXTEXTETXBCCBSCHDLC确认释放连接释放确认释放确认连接确认数据连接请求连接确认tt时序举例：释放连接数据传输建立连接网络协议主要要素为（）A、数据格式、编码、信号电平B、数据格式、控制信息、速度匹配C、语法、语义、时序D、编码、控制信息、同步答案：C网络协议主要要素为（）A、数据格式、编码、信号电平B、数据格式、控制信息、速度匹配C、语法、语义、时序D、编码、控制信息、同步计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是计算机网络及其部件所应完成功能的精确定义。实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。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。实体和服务

实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。位于不同主机上相同层次的实体被称为对等实体

(peerentities).协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。每一对相邻层之间都有一个接口同一结点的相邻层之间通过接口交换信息低层向高层通过接口提供服务。接口协议和服务的关系协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。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。N层实体向N+1层实体提供服务协议交换原语交换原语服务用户提供服务服务提供者第n层第n+1层服务用户SAPSAP在OSI环境中，不同开放系统对等实体之间的通信，需要（N）实体向相邻的上一层（N+1）实体提供一种能力，这种能力称为（）A、（N）协议B、（N）服务C、（N）用户D、（N）功能答案：B在OSI环境中，不同开放系统对等实体之间的通信，需要（N）实体向相邻的上一层（N+1）实体提供一种能力，这种能力称为（）A、（N）协议B、（N）服务C、（N）用户D、（N）功能本讲小结基本概念有：分层协议计算机网络体系结构接口服务26

3.2ISO/OSI参考模型标准化组织：为确保发送方和接受方能协调工作，相关标准化组织不断推进通信标准化的发展。

ANSI：美国国家标准协会（AmericanNationalStandardInstitute）

ITU：国际电信联盟（InternationalTelecommunicationUnion）

EIA：电子工业协会（ElectronicIndustriesAssociation）

IEEE：电气和电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）

ISO：国际标准化组织（InternationalStandardOrganization）

开放系统互连参考模型的制定：全球经济的发展使得不同网络体系结构的用户迫切要求能够互相交换信息。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此问题。不久，ISO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参考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，简称为OSI。OSI参考模型的体系结构，由低层至高层分别称为物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。OSI/RM的体系结构分为7层应用层Application表示层Presentation会话层Session传输层Transport物理层Physical数据链路层DataLink网络层Network7654321为网络应用提供服务数据表示在用户间建立会话关系不同主机进程间的通信在主机间传输分组在节点间可靠地传输帧位流的透明传输物理层（physicallayer）任务：在物理媒体(介质)上正确地、透明地传送比特流。协议(标准)：规定了物理接口的各种特性：机械：物理连接器的尺寸、形状、规格电气：信号电平，信号的脉冲宽度和频率，数据传送速率，最大传输距离等功能：接口引（线）脚的功能和作用规程：信号时序，应答关系，操作过程功能：建立和拆除物理连接、位流传输和管理例：RS-232、RS-449、V.24、V.35、G.703/G.704RS-232-C接口：外形为25针或9针的D型连接器（机械特性）信号电平（电气特性）：逻辑“1”：-3V～-15V逻辑“0”：+3V～+15V引脚定义（功能特性）信号时序——接收数据（规程特性）H：Host（DTE），M：Modem（DCE）设备握手DTR：H→M（保持，表示H已可以工作）DSR：H←M（保持，表示M已可以工作）监视载波信号DCD：H←M←载波（表示数据链已建立）接收数据RD：H←M←数据调制信号断开连接DCD消失、H撤除DTR、M撤除DSR信号时序——发送数据（规程特性）设备握手DTR：H→M（保持）DSR：H←M（保持）请求发送RTS：H→M（保持），M→载波，在对方产生DCDCTS：H←M（保持）发送数据TD：H→M→数据调制信号断开连接H撤除RTS/DTRM撤除CTS/DSR，停止发送载波数据链路层（datalinklayer）任务：在两个相邻节点间可靠地传输数据，使之对网络层呈现为一条无差错的链路。功能与服务：建立与拆除数据链路连接组帧：帧封装，按顺序传送，处理返回的确认帧；定界与同步：产生/识别帧边界；差错检测/恢复：可靠的传输，CRC，ARQ；流量控制：抑制发送方的传输速率，使接收方来得及接收。数据链路协议：两类面向字符的：数据以字符为单位传输，用控制字符控制通信IBM的BSC规程BSC：二进制同步控制规程(BinarySynchronousCommunication,BSC)面向比特的：数据以位为单位传输，用帧中的控制字段控制通信ISO的HDLC规程HDLC：高级数据链路控制规程（high-leveldatalinkcontrolprocedures）HDLC的帧格式标志F：标志帧的开始和结尾，用以解决帧的同步。标志为01111110。在两个标志字段之间的比特串中，如果碰巧出现了和标志F一样的比特串，则HDLC采用零比特填空法使之不会出现连续6个“1”。地址A控制字段C：内容取决于帧的类型信息字段I帧校验序列：采样CRC循环冗余编码进行校验网络层（networklayer，internetlayer）任务：选择合适的路由，把分组从源端传送到目的端。功能与服务：在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接路由选择和分组中转流量控制和拥塞控制多路复用：为多个传输层实体提供网络连接服务分段与组合：大数据块分段，小数据块组合差错检测与恢复流量统计和记账IP协议：提供无连接的数据报服务路由选择如何在多条通信路径中找一条最佳路径？依据：速度,距离(步跳数),价格,拥塞程度路由器——路由表建立与维护静态：人工设置，只适用于小型网络动态：运行过程中根据网络情况自动地动态维护路由算法——建立与维护路由表的方法距离向量算法：RIP、CGP等链路状态算法：OSPF等数据链路层的任务两节点间可靠的数据传输网络层的任务沿两端点间的最佳路由传输数据（主机间的逻辑通信）传输层（transportlayer）任务：在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输，使上层服务用户不必关心通信子网的实现细节。传输层的特点以上各层：面向应用，本层及以下各层：面向传输；与网络层的部分服务有重叠交叉，功能取舍取决于网络层功能的强弱；只存在于端主机中；实现源主机到目的主机“端到端”的连接；功能：地址映射：源端进程地址映射到网络地址，或反之；多路复用与分割：多个传输连接共用一条网络连接；一条传输连接使用多个网络连接；进行数据分段并在目的端重新组装；传输连接的建立与释放；提供“面向连接”和“无连接”两种服务：TCP/IP协议：TCP和UDP传输差错校验与恢复；流量控制，防止数据传输过载。网络层的任务沿两端点间的最佳路由传输数据（主机间的逻辑通信）传输层的任务……两端点间可靠的透明数据传输（应用进程间的逻辑通信）通信子网网络层：为主机之间提供逻辑传输传输层：为应用进程之间提供逻辑传输会话层：会话层为进行通信的应用进程间提供一套会话机制，组织和同步它们的会话活动并管理它们的数据交换过程。应用进程间的一次连接成为一次“会话”。比如，网络中用户端计算机（客户机）远程登录到一台服务器并访问后台数据库，客户方提出查询请求，服务器方给出查询结果，从开始连接到访问结束即为一次会话。会话连接与传输连接是一种逻辑到物理的映射。45会话层基本任务：向表示层实体或用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据，这就是会话。46表示层：OSI中，从物理层到会话层逐层实现了进程间的数据传输，最高层应用层负责处理语义，表示层的任务是处理语法。由于各种计算机采用的数据表示方式可能不同，另外由于传输的需要，如数据压缩、加密等处理，需要对传输的数据格式进行转换，这些功能由表示层来完成。表示层的功能是对源站内部的数据结构进行编码，形成适合于传输的比特流，到了目的站再进行解码，转换成用户所要求的格式。47表示层基本任务：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。48应用层任务：为用户的应用进程提供网络通信服务。功能：提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求；识别并证实目的通信方的可用性；使协同工作的应用进程之间进行同步；为通信过程申请资源。应用层协议的例子：OSI:VTP、MHS、FTAM、DS、…TCP/IP:Telnet、SMTP、FTP、DNS、HTTP、…

应用层基本任务：为用户的应用进程访问OSI环境提供服务。50物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层OSI模型的七层结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysicalOSI参考模型总结：只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面OSI却失败了。OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

在OSI参考模型中能实现路由选择、拥塞控制与互联功能的层是（）A．传输层 B．应用层 C．网络层 D．物理层在OSI参考模型中能实现路由选择、拥塞控制与互联功能的层是（）A．传输层 B．应用层 C．网络层 D．物理层答案：C3.3TCP/IP体系结构TCP/IP体系结构TCP/IP不是指两个协议，而是由数十个具有层次结构的协议组成的一个协议集。TCP和IP是该协议集中的两个最重要的核心协议。TCP/IP是美国国防部高级研究计划局DARPA为实现ARPANET而开发的。它是很多大学和研究所经过多年的研究及商业化的结果。全球最大的网际网Internet采用的就是TCP/IP协议。众多的网络产品和厂家都支持TCP/IP协议，TCP/IP协议已成为一个事实上的工业标准。TCP/IP体系结构有四层：应用层、传输层、网际层和网络接口层。最下面的网络接口层并没有具体内容。往往采取折中的办法，即综合

OSI和

TCP/IP

的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。TCP/IPOSI/RMTCP/IP五层结构

网际层网络接口层没有定义任何实际协议，仅定义了网络接口任何已有的数据链路层协议和物理层协议都可以用来支持TCP/IP。典型的例子：Ethernet、TokenRing、X.25、ATM……网际层网络层：其作用是负责将源主机的报文分组发送到目的主机。主要的协议有：IP：网际协议，网络层的功能主要由IP协议来提供。ICMP：Internet控制报文协议ARP：正向地址解析协议RARP：反向地址解析协议网络层的另一个重要任务是在互相独立的局域网上建立互连网络，即互联网。网间的报文分组交换根据它的目的IP地址通过路由器传到另一网络。应用层传输层网络接口网际层●IP●ICMP●ARP●RARP传输层主要功能是提供两台主机之间端─端数据传输，即在源主机和目的主机的对等实体之间建立端─端连接。主要有两个协议：传输控制协议TCP：提供可靠的字节流信道；用户数据报协议UDP：提供不可靠的数据包传送信道。应用层传输层网络接口网际层面向连接的

●TCP无连接的

●UDP应用层主要功能是使应用程序、应用进程与协议相互配合，发送或接收数据。常用协议文件传输协议（FTP）远程登录协议（Telnet）域名服务（DNS）简单邮件传输协议（SMTP）超文本传输协议（HTTP）应用层传输层网络接口层网际层文件传输

●FTP、TFTP、NFS电子邮件

●SMTP、POP3WWW应用

●HTTP远程登录

●Telnet、rlogin网络管理

●SNMP名字管理

●DNSOSI参考模型与TCP/IP体系结构的比较相同点均为层次结构存在相似的传输层和网络层均有应用层，但其所提供的服务有所不同均是一种基于协议数据单元的包交换网络作为概念上的模型和事实上的标准，具有同等的重要性OSI参考模型与TCP/IP体系结构的比较不同点TCP/IP将OSI中的上三层合并成了一个应用层TCP/IP将OSI中的下两层合并成了一个网络接口层TCP/IP由于层次更少显得比OSI更简洁TCP/IP作为从Internet上发展起来的协议，已成了网络互连的事实标准目前还没有按OSI实现的网络产品，OSI仅作为理论的参考模型被广泛使用TCP/IP协议的封装过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层

PDUTCP/IP协议的封装过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层PDU再传送到传输层加上传输层首部，成为传输层报文TCP/IP协议的封装过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2传输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）TCP/IP协议的封装过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧TCP/IP协议的封装过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体TCP/IP协议的封装过程5432154321物理传输媒体计算机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机

2TCP/IP协议的解封过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层TCP/IP协议的解封过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层TCP/IP协议的解封过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给传输层TCP/IP协议的解封过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2传输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层TCP/IP协议的解封过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程TCP/IP协议的解封过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！TCP/IP协议的封装和解封过程5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H