第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)-郝春雷

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)掌握協(xié)議基本概念了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)理解OSI參考模型的基本結(jié)構(gòu)理解TCP/IP模型的基本組成本章內(nèi)容學(xué)習(xí)難點(diǎn)與重點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本概念OSI參考模型的基本結(jié)構(gòu)及意義TCP/IP模型的基本組成網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議

專(zhuān)題研討二網(wǎng)絡(luò)協(xié)議計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)OSI參考模型分層工作模式TCP/IP模型互動(dòng)問(wèn)答什么是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？舉例說(shuō)明協(xié)議三要素網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是什么？網(wǎng)絡(luò)為什么要分層？什么是OSI參考模型？簡(jiǎn)述OSI參考模型各層功能什么是幀？什么是TCP/IP？計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)體之間有關(guān)通信規(guī)則約定的集合。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議是通信雙方所遵循的規(guī)定與規(guī)程。它決定數(shù)據(jù)如何通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，以及數(shù)據(jù)如何進(jìn)行封裝和尋址。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行通信的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)必須使用相同的協(xié)議。郵政網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議處在不同地域的甲與乙均寫(xiě)信給丙，都需要將信裝入信封，并寫(xiě)明收信人的地址（目的地址）與自己的地址（源地址），丙才能正確收到信件。郵筒郵箱郵局郵局甲乙丙郵筒郵局計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要素協(xié)議有三個(gè)要素，即：

語(yǔ)法:數(shù)據(jù)與控制信息的格式、數(shù)據(jù)編碼等。

語(yǔ)義:控制信息的內(nèi)容,需要做出的動(dòng)作及響應(yīng)。

時(shí)序：事件先后順序和速度匹配。郵政網(wǎng)絡(luò)中的三要素郵票收信人寄信人語(yǔ)法定義了信封的格式語(yǔ)義定義了格式的含義及動(dòng)作時(shí)序定義了郵信的過(guò)程協(xié)議的外部特點(diǎn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟、硬件廠商在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品時(shí)，是按照協(xié)議規(guī)定的規(guī)則生產(chǎn)產(chǎn)品，使生產(chǎn)出的產(chǎn)品符合協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，但生產(chǎn)廠商選擇什么電子元件、使用何種語(yǔ)言是不受約束的。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一個(gè)功能完備的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)需要制定一整套復(fù)雜的協(xié)議集。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)說(shuō)，最好的組織方式是層次結(jié)構(gòu)模型。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是按照層次結(jié)構(gòu)模型來(lái)組織的。

分層優(yōu)點(diǎn)各層間相互獨(dú)立靈活性好各層可以運(yùn)用合適的技術(shù)實(shí)現(xiàn)易于實(shí)現(xiàn)與維護(hù)有利于促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化OSI參考模型的提出早期網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)多種多樣，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品互不兼容，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，影響了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。1977年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定了一套能在世界范圍內(nèi)將不同計(jì)算機(jī)互聯(lián)成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架：OSI/RM(OpenSystemInterconnect/ReferenceModel)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型。用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，各設(shè)備廠商根據(jù)這個(gè)模型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造自己的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。分層原則網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)都具相同的層次；不同結(jié)點(diǎn)的相同層具有相同的功能；同一結(jié)點(diǎn)內(nèi)各相鄰層之間通過(guò)接口通信；

每一層可以使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)；不同結(jié)點(diǎn)的同等層通過(guò)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)等層之間的通信。ISO/OSI參考模型組成應(yīng)用層表示層會(huì)話層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321為用戶提供服務(wù)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換進(jìn)程間的通信端到端的傳輸控制為分組選擇合適路由相鄰結(jié)點(diǎn)間準(zhǔn)確傳輸幀透明地傳輸比特流物理層利用傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，將二進(jìn)制流從一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳輸介質(zhì)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。它不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容,是面向硬件的。通過(guò)定義的接口規(guī)范與協(xié)議，將數(shù)據(jù)鏈路層提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能在物理信道上傳送的電信號(hào)，并有簡(jiǎn)單的差錯(cuò)處理功能。數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)鏈路層在通信的實(shí)體間建立數(shù)據(jù)鏈路連接，傳輸以“幀”為單位的數(shù)據(jù)包，并采用差錯(cuò)控制與流量控制方法，在不可靠的物理線路上進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。幀結(jié)構(gòu)舉例幀是用來(lái)在數(shù)據(jù)鏈路層保證準(zhǔn)確傳輸?shù)木哂刑厥飧袷降臄?shù)據(jù)包。典型的幀結(jié)構(gòu)如下圖所示。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)CRC控制信息源地址目的地址IP報(bào)文幀首部幀首部數(shù)據(jù)幀注：鏈路層地址習(xí)慣上稱(chēng)為物理地址即MAC地址網(wǎng)絡(luò)層在網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)間的通信可能要經(jīng)過(guò)許多中間節(jié)點(diǎn)、鏈路，甚至若干個(gè)子網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是在通信的源和目的節(jié)點(diǎn)間選擇一條最佳路徑，使傳送的數(shù)據(jù)分組（信息包）能正確、無(wú)誤地到達(dá)目的地，同時(shí)還要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制等。網(wǎng)絡(luò)層向運(yùn)輸層提供面向連接和無(wú)連接兩種服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層傳送的數(shù)據(jù)單位是分組或包。網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)H1H4H2H3ADBCGEFH4132123面向無(wú)連接服務(wù)面向連接服務(wù)面向連接服務(wù)H1H4H2H3ADBCGEFH1所有分組有序地按相同路徑傳送432首先建立一條邏輯連接面向無(wú)連接服務(wù)H1H4H2H3ADBCGEFH所有分組按不同路徑傳送，達(dá)到順序不定1432兩種服務(wù)面向連接：在H1與H3通信之前需要建立連接H1-A-E-G-H-H3。所有H1發(fā)送到H3的分組均按序地沿著這一條路由傳送。在傳輸過(guò)程中需要維持連接，傳輸結(jié)束要拆除連接。面向無(wú)連接：在H2與H4通信之前不需要建立連接，所有H2發(fā)送到H4的分組由網(wǎng)絡(luò)層按路由算法選取不同的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。傳輸結(jié)束沒(méi)有拆除連接的過(guò)程。運(yùn)輸層運(yùn)輸層提供兩個(gè)端系統(tǒng)之間可靠、透明的數(shù)據(jù)傳送。為此，它要進(jìn)行差錯(cuò)控制、順序控制和流量控制等。運(yùn)輸層傳送數(shù)據(jù)的單位是報(bào)文，一個(gè)大的報(bào)文可分為若干個(gè)分組傳送。會(huì)話層它在兩個(gè)互相通信的應(yīng)用進(jìn)程之間建立會(huì)話連接，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換的單位是報(bào)文，會(huì)話層還提供會(huì)話管理、令牌管理、同步管理等功能。會(huì)話層雖然不參與具體的數(shù)據(jù)傳送，但它對(duì)數(shù)據(jù)傳送卻要進(jìn)行管理。

表示層它將適合于用戶的信息表示（抽象語(yǔ)法）轉(zhuǎn)換為適合OSI內(nèi)部使用的傳送語(yǔ)法，即完成信息格式的轉(zhuǎn)換。完成計(jì)算機(jī)期望的數(shù)據(jù)格式與網(wǎng)絡(luò)需要的數(shù)據(jù)格式間的轉(zhuǎn)換。主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、壓縮與加密、字符集轉(zhuǎn)換、圖形命令的解釋等工作。應(yīng)用層包含了用戶應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的眾多協(xié)議，此外還有電子函件、目錄查詢等功能。OSI模型的七個(gè)層次中，應(yīng)用層是最復(fù)雜的，所包含的協(xié)議也最多，某些還正在研究和開(kāi)發(fā)之中。

OSI參考模型的工作模式除物理層以外，每層的功能均是建立在它的下層之上的。每層按一定的接口形式向上一層提供服務(wù)。不同設(shè)備間按同層協(xié)議進(jìn)行通信。發(fā)送時(shí)總是由高層將本層協(xié)議信息封裝為新數(shù)據(jù)信息提供給下層，直到變?yōu)殡娦盘?hào)發(fā)到傳輸介質(zhì)上。接收時(shí)總是由低層將本層協(xié)議信息拆除變?yōu)樾聰?shù)據(jù)提交到上層，直到變?yōu)橛脩粜畔?。網(wǎng)絡(luò)分層通信實(shí)例DATADATAH5DATAH5H4H3DATAH5H4H2H3DATAH5H4H1H3應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層比特流報(bào)文報(bào)文報(bào)文幀網(wǎng)絡(luò)分層發(fā)送數(shù)據(jù)H2H3DATAH5H4H5DATAH5H4DATAH5H4H3H3DATAH5H4H2發(fā)送報(bào)文HB應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層物理層HA應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層DATA網(wǎng)絡(luò)分層接收數(shù)據(jù)HB應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層物理層HA應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層發(fā)送報(bào)文H2H3DATAH5H4H2H3DATAH5H4H3DATAH5H4DATAH5H4DATAH5用戶信息用戶信息接收?qǐng)?bào)文網(wǎng)絡(luò)分層通信實(shí)例發(fā)送時(shí)：由高層將本層協(xié)議信息封裝為新數(shù)據(jù)信息提供給下層，直至變成電信號(hào)。接收時(shí)：由低層將本層協(xié)議信息拆除變?yōu)樾聰?shù)據(jù)提交到上層，直至變成用戶信息。發(fā)送報(bào)文接收?qǐng)?bào)文HB應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層物理層HA應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層在以太網(wǎng)上瀏覽網(wǎng)頁(yè)封裝過(guò)程以太網(wǎng)TCP/IP個(gè)人用戶WEB服務(wù)器個(gè)人用戶H3H1請(qǐng)求結(jié)果請(qǐng)求結(jié)果在以太網(wǎng)上瀏覽網(wǎng)頁(yè)封裝過(guò)程網(wǎng)頁(yè)網(wǎng)頁(yè)http網(wǎng)頁(yè)httptcpIP網(wǎng)頁(yè)httptcp以太I(xiàn)P網(wǎng)頁(yè)httptcpH1H3應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層比特流應(yīng)用報(bào)文TCP報(bào)文段IP數(shù)據(jù)報(bào)以太網(wǎng)幀原始數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送網(wǎng)頁(yè)封裝過(guò)程server應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層PC應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層網(wǎng)頁(yè)網(wǎng)頁(yè)httphttp應(yīng)用報(bào)文網(wǎng)頁(yè)httptcpTCP報(bào)文段網(wǎng)頁(yè)httptcpIPIP數(shù)據(jù)報(bào)IP網(wǎng)頁(yè)httptcp以太幀以太I(xiàn)P網(wǎng)頁(yè)httptcp客戶機(jī)接收網(wǎng)頁(yè)拆封過(guò)程server應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層PC應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層網(wǎng)頁(yè)http網(wǎng)頁(yè)httptcpIP網(wǎng)頁(yè)httptcp幀IP網(wǎng)頁(yè)httptcp幀IP網(wǎng)頁(yè)httptcp應(yīng)用報(bào)文TCP報(bào)文IP報(bào)文幀用戶數(shù)據(jù)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議的縮寫(xiě)，當(dāng)初是為美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，縮寫(xiě)為DARPA）設(shè)計(jì)的，一般稱(chēng)為ARPAnet，其目的在于能使各種各樣的計(jì)算機(jī)都能在一個(gè)共同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行。TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議成功地解決了不同網(wǎng)絡(luò)之間難以互連的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)互連通信。TCP/IP是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)互連的核心協(xié)議，可以說(shuō)沒(méi)有TCP／IP協(xié)議就沒(méi)有今天的網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，就沒(méi)有今天的以互連技術(shù)為核心建立起來(lái)的Internet。TCP/IP協(xié)議特點(diǎn)TCP/IP協(xié)議具有以下特點(diǎn)：

協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具有開(kāi)放性，其獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)；統(tǒng)一分配網(wǎng)絡(luò)地址，使得整個(gè)TCP/IP設(shè)備在網(wǎng)中都具有唯一的IP地址；實(shí)現(xiàn)了高層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，能為用戶提供多種可靠的服務(wù)。TCP/IP與OSI模型的關(guān)系TCP/IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議棧，可分為：應(yīng)用、傳輸、網(wǎng)際與網(wǎng)絡(luò)接口層。物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)輸層會(huì)話層表示層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)際層IP傳輸層TCPUDP應(yīng)用層TelnetFtpSMTP等TCP/IP協(xié)議簇網(wǎng)絡(luò)接口層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口層是TCP/IP協(xié)議的最低層，是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層與硬體設(shè)備間的聯(lián)系，這一層的協(xié)議非常多，包括邏輯鏈路控制和媒體訪問(wèn)控制。網(wǎng)際層協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層，主要定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議（IP）以及數(shù)據(jù)分組的格式。它的主要功能是路由選擇和擁塞控制。另外，本層還定義了地址解析協(xié)議ARP和反向地址解析協(xié)議RARP以及ICMP協(xié)議。傳輸層協(xié)議傳輸層的主要協(xié)議有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP協(xié)議是可靠的、面向連接的協(xié)議。它用于包交換的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、互連系統(tǒng)以及類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，保證通信主機(jī)之間有可靠的字節(jié)流傳輸。UDP是一種不可靠的、無(wú)連接協(xié)議。它最大的優(yōu)點(diǎn)是協(xié)議簡(jiǎn)單，額外開(kāi)銷(xiāo)小，效率較高；缺點(diǎn)是不保證正確傳輸，也不排除重復(fù)信息的發(fā)生。應(yīng)用層協(xié)議超文本傳輸協(xié)議（HTTP）：提供WWW服務(wù)；文件傳輸協(xié)議（