第二章 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議

第二章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議考試大綱掌握協(xié)議的概念、組成及其功能熟練掌握OSI參考模型各層次名稱及順序了解參考模型中各層次的功能掌握TCP/IP協(xié)議的核心及協(xié)議的各層功能了解TCP/IP協(xié)議中常用協(xié)議的功能（HTTP、FTP、STMP、POP、DNS、DHCP、TCP/UDP等）2.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是為了完成計(jì)算機(jī)間的通信合作，把計(jì)算機(jī)互聯(lián)的功能劃分成有明確定義的層次，規(guī)定了同層次實(shí)體通信的協(xié)議及相鄰之間的接口服務(wù)。將這些同層次實(shí)體通信協(xié)議及相鄰接口統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。將為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)、約定稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。2.1.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成：語(yǔ)法、語(yǔ)義、交換規(guī)則。語(yǔ)法：以二進(jìn)制形式表示的命令和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，確定協(xié)議元素的格式（規(guī)定數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)和格式）。語(yǔ)義：由發(fā)送請(qǐng)求、完成的動(dòng)作和返回的響應(yīng)組成的集合，確定協(xié)議元素的類型，即規(guī)定通信雙方要發(fā)送何種控制信息、完成何種動(dòng)作以及做出何種應(yīng)答。交換規(guī)則：規(guī)定事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明，即確定通信狀態(tài)的變化和過(guò)程。2.1.2分層設(shè)計(jì)為什么要分層協(xié)議分層與問題簡(jiǎn)化硬件故障網(wǎng)絡(luò)擁塞包延遲或丟失數(shù)據(jù)損壞數(shù)據(jù)重復(fù)或失序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)具有一定的層次層次之間呈單向依賴關(guān)系上層起著隱藏下層細(xì)節(jié)和統(tǒng)一下層差異的作用每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務(wù)而把如何實(shí)現(xiàn)這一服務(wù)的細(xì)節(jié)對(duì)上層加以屏蔽?！胺侄沃苯Y(jié)構(gòu)性特點(diǎn)層次性特點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)方法要解決的問題1.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有哪些層次？每一層的功能是什么？（分層與功能）2.各層之間的關(guān)系是怎樣的？它們?nèi)绾芜M(jìn)行交互？（服務(wù)與接口）3.通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸要遵循哪些規(guī)則？（協(xié)議）層次結(jié)構(gòu)方法包括三個(gè)內(nèi)容：分層及每層功能，服務(wù)與層間接口，協(xié)議。2.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSIOSI/RM從下向上的七個(gè)層次分別：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層，如圖。計(jì)算機(jī)之間通信時(shí)，只有兩個(gè)物理層之間才通過(guò)媒體進(jìn)行真正的數(shù)據(jù)通信，其他各層之間不存在直接的通信關(guān)系。模型特點(diǎn)OSI參考模型鏈路層協(xié)議物理層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分組流比特流幀流報(bào)文流應(yīng)用層7應(yīng)用層傳輸層4傳輸層網(wǎng)絡(luò)層3網(wǎng)絡(luò)層鏈路層2鏈路層物理層1物理層表示層6表示層會(huì)話層5會(huì)話層報(bào)文流報(bào)文流報(bào)文流網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層鏈路層物理層物理層子網(wǎng)內(nèi)部協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)通信子網(wǎng)接口（interface）與服務(wù)（Service）接口是同一結(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層之間交換信息的連接點(diǎn);同一個(gè)結(jié)點(diǎn)的相鄰層之間存在著明確規(guī)定的接口，低層向高層通過(guò)接口提供服務(wù);只要接口條件不變、低層功能不變，低層功能的具體實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)的變化不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。服務(wù)是某一層及其以下各層的一種能力，通過(guò)接口提供給其相鄰上層。每一層的功能是為它的上一層提供服務(wù)實(shí)際上，每一層必須依靠相鄰層提供的服務(wù)來(lái)與另一臺(tái)主機(jī)的對(duì)應(yīng)層通信。上層使用下層提供的服務(wù)——Serviceuser；下層向上層提供服務(wù)——Serviceprovider。2.2.4OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

1.OSI環(huán)境（OSIenvironment）

“你好”“Hello”傳真中國(guó)教師翻譯秘書“Hallo”“Hello”傳真德國(guó)教師翻譯秘書對(duì)交談內(nèi)容的共識(shí)用英語(yǔ)對(duì)話使用傳真通信P3P2P1物理通信線路對(duì)等通信示例：中德教師之間的對(duì)話問題：中國(guó)教師與德國(guó)教師之間、翻譯之間，他們是在直接通信嗎？翻譯、秘書各向誰(shuí)提供什么樣的服務(wù)？中德教師、翻譯各使用誰(shuí)提供的什么服務(wù)？2.2.2物理層1、物理層的主要功能：它為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互聯(lián)設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。（1）為數(shù)據(jù)段設(shè)備提供傳送數(shù)據(jù)的通路：激活物理連接、傳送數(shù)據(jù)、終止連接。（2）傳輸數(shù)據(jù)：形成適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)體。實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸，為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；物理層的數(shù)據(jù)傳輸單元是比特（3）完成物理層的一些管理。2、通信接口與傳輸媒體的物理特性

通信設(shè)備分類：通信終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備（DCE)物理接口的四個(gè)特性：機(jī)械特性、電器特性、功能特性、規(guī)程特性3、物理層的一個(gè)重要接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232D2.2.3數(shù)據(jù)鏈路層該層把物理層的原始數(shù)據(jù)打包成幀，并負(fù)責(zé)幀在計(jì)算機(jī)之間無(wú)差錯(cuò)進(jìn)行傳遞。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：（1）鏈路管理：數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放。（2）幀同步：接收方能夠從收到的比特流中準(zhǔn)確區(qū)分出一幀的開始和結(jié)束。（3）流量控制：發(fā)送等待方法、預(yù)約緩沖區(qū)法、滑動(dòng)窗口控制方法、許可證和限制管道容量方法。（4）差錯(cuò)控制：檢錯(cuò)重發(fā)法。（5）透明傳輸：不管所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是什么樣的比特組合都應(yīng)當(dāng)能夠在鏈路上傳送。（6）尋址：在數(shù)據(jù)幀的頭部加入一個(gè)控制信息，其中包含了源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地址。數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（1）面向字符型：傳輸效率低（2）面向比特型：代表是高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議HDLC。（3）HDLC規(guī)定三種類型的通信站：主站、次站、組合站，規(guī)定了兩種鏈路結(jié)構(gòu)：不平衡鏈路結(jié)構(gòu)和平衡鏈路結(jié)構(gòu)，有三種響應(yīng)方式：平常響應(yīng)方式、異步響應(yīng)方式及異步平衡方式。2.2.4網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層也稱通信子網(wǎng)層，主要負(fù)責(zé)控制通信子網(wǎng)的操作，實(shí)行數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。目的：為報(bào)文分組以最佳路徑通過(guò)通信子網(wǎng)到達(dá)目的主機(jī)提高服務(wù)。1、網(wǎng)絡(luò)層的主要功能路徑選擇：指通信子網(wǎng)中，源節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)為將報(bào)文分組傳送到目的節(jié)點(diǎn)而對(duì)后繼節(jié)點(diǎn)的選擇。流量控制：對(duì)進(jìn)入通信子網(wǎng)的數(shù)據(jù)量加以控制，以防止擁塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。數(shù)據(jù)的傳輸與中繼清除子網(wǎng)的質(zhì)量差異2、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（1）虛電路服務(wù)：面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是網(wǎng)絡(luò)層向傳輸層提供的一種使所以分組按順序到達(dá)目的端系統(tǒng)的可靠的數(shù)據(jù)傳送方式。面向連接服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程必須經(jīng)過(guò)連接建立、連接維護(hù)與釋放連接的三個(gè)過(guò)程；面向連接服務(wù)的在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，各分組可以不攜帶目的結(jié)點(diǎn)的地址；面向連接服務(wù)的傳輸連接類似一個(gè)通信管道，發(fā)送者在一端放入數(shù)據(jù)，接收者從另一端取出數(shù)據(jù)；面向連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā)數(shù)據(jù)順序不變，傳輸可靠性好，但是協(xié)議復(fù)雜，通信效率不高。（2）數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)一般僅由數(shù)據(jù)報(bào)交換網(wǎng)提供。數(shù)據(jù)報(bào)不是按順序到達(dá)目的站的無(wú)連接服務(wù)的每個(gè)分組都攜帶完整的目的結(jié)點(diǎn)地址，各分組在系統(tǒng)中是獨(dú)立傳送的；無(wú)連接服務(wù)中的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程不需要經(jīng)過(guò)連接建立、連接維護(hù)與釋放連接的三個(gè)過(guò)程；數(shù)據(jù)分組傳輸過(guò)程中，目的結(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)分組可能出現(xiàn)亂序、重復(fù)與丟失的現(xiàn)象；無(wú)連接服務(wù)的可靠性不好，但是協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，通信效率較高。（3）虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的對(duì)比2.2.5傳輸層（1）傳輸層的地位和作用

提供可靠的端到端（end-to-end）服務(wù)。傳輸層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)。傳輸層只存在于端系統(tǒng)（主機(jī)）中。傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸單位是數(shù)據(jù)段，傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元（TPDU）。是OSI/RM的整個(gè)協(xié)議層次的核心。（2）傳輸層協(xié)議分類：第0類到第4類，這5類都是面向服務(wù)的。（3）傳輸服務(wù)：是傳輸層向會(huì)話層提供的服務(wù)，它規(guī)定了傳輸層和會(huì)話層的接口。①尋址傳輸層定義一組傳輸?shù)刂?，該地址在全網(wǎng)是唯一的，由網(wǎng)絡(luò)號(hào)、主機(jī)號(hào)以及由主機(jī)分配的端口號(hào)組成。②建立連接一個(gè)傳輸實(shí)體要向目的機(jī)器發(fā)送一個(gè)連接請(qǐng)求，并等待對(duì)方接受連接的應(yīng)答。③流量控制就是保證接收端的數(shù)據(jù)接收率高于發(fā)送端的發(fā)送率，以防數(shù)據(jù)丟失。通常采用緩沖策略。④崩潰恢復(fù)發(fā)送端向所有主機(jī)廣播一個(gè)短文，宣告自己剛才以及崩潰并希望得知其他主機(jī)的狀態(tài)，一次為依據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。⑤多路復(fù)用分為向上多路復(fù)用和向下多路復(fù)用。2.2.6其他各層簡(jiǎn)介會(huì)話層。從會(huì)話層開始不參與具體的數(shù)據(jù)傳輸，只是對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行管理。會(huì)話層向互相合作的表示進(jìn)程之間提供一套會(huì)話設(shè)施，組織和同步它們的會(huì)話活動(dòng)，并管理它們的數(shù)據(jù)交換過(guò)程。表示層。用于處理兩個(gè)OSI系統(tǒng)中交換信息的表示方法，主要包括數(shù)據(jù)格式變換、數(shù)據(jù)的加密和解密、數(shù)據(jù)壓縮和恢復(fù)等。應(yīng)用層。用于確定進(jìn)程之間通信的性質(zhì)以滿足用戶的需要，負(fù)責(zé)為應(yīng)用進(jìn)程提供接口，從而使應(yīng)用進(jìn)程使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。應(yīng)用層包括了大量人們普遍需要的協(xié)議，例如文件傳輸協(xié)議，遠(yuǎn)程登錄協(xié)議，電子郵件協(xié)議等等。OSI參考模型將網(wǎng)絡(luò)的不同功能劃分為7層應(yīng)用層Application表示層Presentation會(huì)話層session傳輸層transport物理層Physical數(shù)據(jù)鏈路層DataLink網(wǎng)絡(luò)層Network7654321處理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)表示主機(jī)間通信端到端的連接尋址和最短路徑介質(zhì)訪問（接入）二進(jìn)制傳輸應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層通信子網(wǎng)面向通信面向服務(wù)面向應(yīng)用應(yīng)用協(xié)議：HTTP、FTP、Telnet數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、加密、壓縮進(jìn)程管理、雙工、半雙工、單工、斷點(diǎn)續(xù)發(fā)為上層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)分組、路由選擇、差錯(cuò)控制、流量控制

數(shù)據(jù)組成可發(fā)送、接收的幀傳輸物理信號(hào)、接口、信號(hào)形式、速率OSI參考模型——各層功能★2.3TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)1973年，斯坦福大學(xué)的兩名研究人員提出了TCP/IP協(xié)議，它是一組協(xié)議，其中TCP是傳輸控制協(xié)議，提供面向連接的服務(wù)；IP是網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，提供無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和網(wǎng)際路由協(xié)議。2.3.1TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為4個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層、應(yīng)用層，它們都是建立在硬件基礎(chǔ)之上。1、網(wǎng)絡(luò)接口層（網(wǎng)絡(luò)訪問層）通信主機(jī)必須采用某種協(xié)議連接到網(wǎng)絡(luò)上，并且能夠傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組。局域網(wǎng)采用IEEE802協(xié)議系列，如IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議、IEEE802.5令牌環(huán)網(wǎng)協(xié)議；廣域網(wǎng)采用PPP、幀中繼、X.25等2、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層其主要功能是負(fù)責(zé)在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)分組，它是TCP/IP參考模型中最重要一層，它是通信的樞紐。在該層，主要定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，即IP協(xié)議及數(shù)據(jù)分組的格式。本層還定義了地址解析協(xié)議ARP，反向地址解析協(xié)議RARP及網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP3、傳輸層也被稱為主機(jī)至主機(jī)層，它主要負(fù)責(zé)端到端的對(duì)等實(shí)體之間進(jìn)行通信。該層使用了兩種協(xié)議支持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，它們是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。UDP協(xié)議是不可靠的、無(wú)連接協(xié)議4、應(yīng)用層簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）：主要負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)中電子郵件的傳遞。超文本傳輸協(xié)議（HTTP）：提供Web服務(wù)。遠(yuǎn)程登錄協(xié)議（Telnet）：實(shí)行對(duì)主機(jī)的遠(yuǎn)程登錄功能，常用的電子公告牌系統(tǒng)BBS。文件傳輸協(xié)議（FTP）：用于交換式文件傳輸。域名解析（DNS）：實(shí)行邏輯地址到域名地址的轉(zhuǎn)換2.3.2TCP/IP核心協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議（IP）傳輸控制協(xié)議（TCP）其他協(xié)議：UDP、ICMP、ARP、RARP1、網(wǎng)際協(xié)議IP屬于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層，基本任務(wù)是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)報(bào)，提供關(guān)于數(shù)據(jù)應(yīng)如何傳輸，以及傳輸?shù)胶翁幍男畔ⅲ鱾€(gè)數(shù)據(jù)報(bào)之間是相互獨(dú)立的。（1）數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)IP數(shù)據(jù)報(bào)由報(bào)頭（控制部分）和數(shù)據(jù)組成，總長(zhǎng)度不能超過(guò)65535字節(jié)，其報(bào)頭各部分如圖（1）版本號(hào)：規(guī)定了數(shù)據(jù)報(bào)的格式。（2）頭部長(zhǎng)度：標(biāo)識(shí)IP報(bào)頭的長(zhǎng)度，它向接收點(diǎn)指示了數(shù)據(jù)從何處開始。（3）服務(wù)類型：規(guī)定了數(shù)據(jù)的處理方式，即定義了此報(bào)文段的優(yōu)先級(jí)、可靠性、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等要求。（4）總長(zhǎng)度：表示以字節(jié)為單位的IP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度，包括報(bào)頭和數(shù)據(jù)部分，2∧16。（5）標(biāo)示符：標(biāo)識(shí)該數(shù)據(jù)段屬于哪個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，（6）段偏移量：表示該分段在數(shù)據(jù)報(bào)中的位置。（7）生存期：該域指明數(shù)據(jù)報(bào)可以在互聯(lián)網(wǎng)中生存的時(shí)間。（8）協(xié)議：標(biāo)識(shí)將接收數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議類型。（9）報(bào)頭校驗(yàn)和：該域用于保證IP數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭的完整性。（10）源地址：標(biāo)識(shí)發(fā)送方主機(jī)節(jié)點(diǎn)的完整IP地址。（11）目標(biāo)地址：標(biāo)識(shí)接收方主機(jī)節(jié)點(diǎn)的完整IP地址。（12）可選項(xiàng)：包含可選的路由和實(shí)時(shí)信息。（13）填充項(xiàng)：確保報(bào)頭是32位的倍數(shù)。（14）數(shù)據(jù)：由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和TCP信息組成。（2）數(shù)據(jù)報(bào)的分段和重組分段：先對(duì)上層協(xié)議提交的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行長(zhǎng)度檢查，根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)所允許的最大長(zhǎng)度把數(shù)據(jù)報(bào)文分成若干段發(fā)送，這就是數(shù)據(jù)報(bào)的分段，然后再將每一段獨(dú)立進(jìn)行發(fā)送。重組：在目的端收到一個(gè)IP報(bào)文時(shí)，可以根據(jù)其分段位移和標(biāo)志位判斷其是否是一個(gè)分段。如果標(biāo)志位是0，則表明是一個(gè)完整的報(bào)文，不需要進(jìn)行重組；如果標(biāo)志位是1，則表明它是一個(gè)分段，目的端需要重組。（3）IP協(xié)議的主要功能IP所在的網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口層與物理網(wǎng)絡(luò)接口。在局域網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)接口層統(tǒng)常為網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。IP協(xié)議主要承擔(dān)了在網(wǎng)際進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)無(wú)連接的傳送、數(shù)據(jù)報(bào)尋址和差錯(cuò)控制，向上層提供IP數(shù)據(jù)報(bào)和IP地址，并以此統(tǒng)一各種網(wǎng)絡(luò)的差異性。2、傳輸控制協(xié)議TCP位于傳輸層，是一種面向連接的子協(xié)議。通過(guò)提供校驗(yàn)和、流控制和序列信息彌補(bǔ)IP協(xié)議可靠性上的缺陷。（1）TCP報(bào)文結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)中面向連接的傳送服務(wù)的