第3章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

第3章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

【本章內(nèi)容簡(jiǎn)介】本章系統(tǒng)介紹計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的概念和內(nèi)容，包括分層原理和通信協(xié)議、開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM），以及OSI/RM各層的功能及各層服務(wù)。同時(shí)，在介紹TCP/IP的基本概念和分層模型的基礎(chǔ)上，對(duì)OSI/RM與TCP/IP兩種模型進(jìn)行比較分析。

【本章重點(diǎn)難點(diǎn)】重點(diǎn)掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的概念、OSI/RM各層的功能以及TCP/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。3.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

3.1.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的定義和發(fā)展

網(wǎng)絡(luò)體系就是為了完成計(jì)算機(jī)間的通信合作，人們把計(jì)算機(jī)互聯(lián)的功能劃分成定義明確的層次，并規(guī)定了同層次進(jìn)程通信的協(xié)議以及相鄰層之間的接口與服務(wù)，將這些同層進(jìn)程間通信的協(xié)議以及相鄰層接口統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（NetworkArchitecture）。即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的層次、各層次的功能、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各層協(xié)議和相鄰層接口的總稱。

1．網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的定義3.1.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的定義和發(fā)展2．網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展（1）各計(jì)算機(jī)制造廠商網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化（2）國(guó)際網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA—SystemNetworkArchitecture開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM3.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層模型（1）實(shí)體Entity（2）服務(wù)Service（3）接口Interface（4）服務(wù)原語ServicePrimitive（5）數(shù)據(jù)單元DataUnit1．OSI/RM模型的相關(guān)概念3.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層模型2、分層原理圖3-1郵政系統(tǒng)分層模型3.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層模型圖3-2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)A應(yīng)用進(jìn)程系統(tǒng)B應(yīng)用進(jìn)程

P1

P2Pn-1

Pn

Pn+1N+1NN－121物理通信線路N+1NN－1213.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層模型3、分層的好處（1）獨(dú)立性強(qiáng)（2）靈活性好（3）易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)（4）能夠促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化3.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層模型4、分層的原則（1）層次不能太多，也不能太少。（2）應(yīng)在接口服務(wù)描述工作量最小、穿過相鄰邊界相互作用次數(shù)最少或通信量最小的地方建立邊界。（3）每層應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)定義明確的功能。（4）每一層的功能要盡量局部化。（5）每層功能的選擇應(yīng)該有助于制定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。（6）同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層次之間通過接口通信，每一層只與它的上、下鄰層產(chǎn)生接口，規(guī)定相應(yīng)的業(yè)務(wù)。（7）不同節(jié)點(diǎn)的同等層按照協(xié)議實(shí)現(xiàn)同等層之間的通信。3.1.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)通信雙方能正確而自動(dòng)地進(jìn)行通信，針對(duì)通信過程中的各種問題，制定了一整套約定，這就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（NetworkProtocol）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由三個(gè)要素組成：1、語義Semantics2、語法Syntax3、時(shí)序Timing3.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RMOSI構(gòu)造了堆棧式的七層模型：

1、物理層

2、數(shù)據(jù)鏈路層

3、網(wǎng)絡(luò)層

4、傳輸層

5、會(huì)話層

6、表示層

7、應(yīng)用層3.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM系統(tǒng)B通信線路及中繼設(shè)備應(yīng)用層應(yīng)用層表示層表示層會(huì)話層會(huì)話層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層通信子網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議表示層協(xié)議會(huì)話層協(xié)議傳輸層協(xié)議物理層系統(tǒng)A圖3-3OSI參考模型3.2.1物理層PhysicalLayer2、物理層的特性（1）機(jī)械特性（2）電氣特性（3）功能特性（4）規(guī)程特性3、物理層的功能（1）物理連接的建立、維持與拆除（2）數(shù)據(jù)傳輸（3）物理層管理1、DTE和DCE3.2.1物理層PhysicalLayer4、物理層提供的服務(wù)（1）物理連接圖3-4物理連接形式

(a)點(diǎn)到點(diǎn)連接(b)多點(diǎn)連接3.2.1物理層PhysicalLayer4、物理層提供的服務(wù)（2）物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（3）順序化（4）數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)識(shí)（5）服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)（6）故障情況報(bào)告3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer1、鏈路與數(shù)據(jù)鏈路圖3-5鏈路與數(shù)據(jù)鏈路3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer圖3-6從層次結(jié)構(gòu)上看數(shù)據(jù)的傳送高層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層系統(tǒng)A網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層高層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層系統(tǒng)B路由器1路由器23.2.2數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer2、數(shù)據(jù)鏈路層的功能（1）數(shù)據(jù)鏈路管理（2）幀同步（3）差錯(cuò)控制（4）流量控制（5）將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開（6）透明傳輸（7）物理尋址3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層DataLinkLayer3、數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)（1）無確認(rèn)、無連接服務(wù)

UnacknowledgedConnectionlessService（2）有確認(rèn)、無連接服務(wù)

AcknowledgedConnectionlessService（3）有確認(rèn)、面向連接服務(wù)

AcknowledgedConnection-OrientedService3.2.3網(wǎng)絡(luò)層NetworkLayer1、網(wǎng)絡(luò)層的功能（1）網(wǎng)絡(luò)連接的建立與拆除（2）路由選擇和中繼（3）擁塞控制和流量控制（4）網(wǎng)絡(luò)連接多路復(fù)用（5）差錯(cuò)檢測(cè)與恢復(fù)（6）分段和組塊（7）協(xié)議轉(zhuǎn)換3.2.3網(wǎng)絡(luò)層NetworkLayer2、網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)（1）數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)CDABGHFE網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)（2）虛電路服務(wù)GHFECDAB網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)圖3-7數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)的通信過程圖3-8虛電路的通信過程3.2.3網(wǎng)絡(luò)層NetworkLayer3、路由選擇路由選擇是指網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)（可用的數(shù)據(jù)鏈路、各條鏈路中的信息流量），按照一定的策略（傳輸時(shí)間最短、傳輸路徑最短等）為分組選擇一條可用的傳輸路由，將其發(fā)往目的主機(jī)。路由選擇是通信網(wǎng)絡(luò)最重要的功能之一，它與網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能密切相關(guān)。3.2.4傳輸層TransportLayer應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層面向應(yīng)用面向通信面向通信子網(wǎng)面向資源子網(wǎng)圖3-9傳輸層在OSI模型中的地位3.2.4傳輸層TransportLayer1、傳輸層的功能（1）傳輸連接的建立與釋放（2）尋址（3）提供多路復(fù)用機(jī)制（4）提供分段機(jī)制2、傳輸層提供的服務(wù)（1）服務(wù)類型（2）服務(wù)等級(jí)（3）數(shù)據(jù)傳輸（4）用戶接口（5）連接管理（6）快速數(shù)據(jù)傳輸（7）狀態(tài)報(bào)告（8）安全保密3.2.5會(huì)話層SessionLayer1、會(huì)話層的功能（1）立通信連接，保持會(huì)話過程中通信鏈路的暢通（2）同步兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)話（3）確定通信是否被中斷并在通信中斷時(shí)確定從何處重新發(fā)送2、會(huì)話層提供的服務(wù)會(huì)話連接管理服務(wù)會(huì)話數(shù)據(jù)交換服務(wù)3.2.6表示層PresentationLayer1、表示層的功能（1）表示連接的建立與釋放（2）表示上下文的管理（3）數(shù)據(jù)傳送（4）語法轉(zhuǎn)換（5）語法協(xié)商2、表示層的服務(wù)（1）主要服務(wù)（2）主要手段（3）主要業(yè)務(wù)3.2.7應(yīng)用層ApplicationLayer1、應(yīng)用層功能和模型圖3-10應(yīng)用層模型3.2.7應(yīng)用層ApplicationLayer2、應(yīng)用層協(xié)議類型（1）虛擬終端協(xié)議（2）文件傳輸、訪問和管理協(xié)議（3）報(bào)文處理系統(tǒng)協(xié)議（4）公共管理信息協(xié)議（5）目錄服務(wù)協(xié)議（6）事務(wù)處理協(xié)議（7）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫訪問協(xié)議（8）制造業(yè)報(bào)文規(guī)范協(xié)議3.3TCP/IP參考模型

TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層網(wǎng)絡(luò)接口層圖3-11（a）TCP/IP四層參考模型分層結(jié)構(gòu)圖3-11（b）沙漏形狀的TCP/IP協(xié)議簇3.3TCP/IP參考模型

TCP/IP模型的特點(diǎn)：（1）TCP/IP應(yīng)用層的功能包含了OSI/RM模型中會(huì)話層和表示層的功能。（2）在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到要與具體的物理傳輸無關(guān)，沒有對(duì)最低兩層做出規(guī)定。（3）TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口層并不是一個(gè)層次，而是一個(gè)接口。（4）TCP/IP一開始就考慮到多種異構(gòu)網(wǎng)互聯(lián)，并將IP協(xié)議作為TCP/IP的重要組成部分，定義了各種網(wǎng)絡(luò)的分組交換共同的方法。（5）TCP/IP可以越層使用更低層提供的服務(wù)，有更高的協(xié)議效率。3.3.1網(wǎng)絡(luò)接口層

TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口層（相當(dāng)于OSI的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層）包括用于物理連接、傳輸?shù)乃泄δ?。它?fù)責(zé)把IP分組發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上以及從網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上接收IP分組。3.3.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層1、IP層的主要功能（1）處理來自傳輸層的分組發(fā)送請(qǐng)求（2）處理輸入數(shù)據(jù)報(bào)（3）處理ICMP報(bào)文3.3.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層2、IP層協(xié)議（1）IP協(xié)議（2）地址解析協(xié)議（3）逆向地址解析協(xié)議（4）互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（5）互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議

3.3.3傳輸層

TCP/IP的傳輸層作用與OSI/RM參考模型中傳輸層的作用是一樣的，即在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)進(jìn)程實(shí)體之間提供可靠的端到端的數(shù)據(jù)傳輸。

該層主要使用了如下兩個(gè)協(xié)議：（1）傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol，TCP）（2）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）3.3.4應(yīng)用層