計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)-課件第3章-網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議

第3章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議學(xué)習(xí)目標(biāo)：理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念理解層次化的概念理解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的概念掌握OSI參考模型分層結(jié)構(gòu)掌握OSI參考模型中數(shù)據(jù)流動(dòng)方式掌握七層結(jié)構(gòu)中各層的基本功能掌握TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)理解OSI/RM與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的區(qū)別3.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中有許多互相連接的結(jié)點(diǎn)，在這些結(jié)點(diǎn)之間經(jīng)常需要不斷地交換數(shù)據(jù)和控制信息。要做到在結(jié)點(diǎn)之間有條不紊地交換數(shù)據(jù)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。這些為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)被稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（NetworkProtocol）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包含三個(gè)要素：（1）語(yǔ)義：指構(gòu)成協(xié)議的協(xié)議元素的含義，不同類型的協(xié)議元素規(guī)定了通信雙方所要表達(dá)的不同內(nèi)容。（2）語(yǔ)法：即用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)和格式。（3）時(shí)序：對(duì)事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明。3.1.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為了減少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，最好的組織方式是分層模型，也就是將通信問(wèn)題分為幾個(gè)小問(wèn)題（層次）的方法，每個(gè)小問(wèn)題對(duì)應(yīng)于一層。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)的有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）各層之間相互獨(dú)立。各層只要知道通過(guò)接口所提供的服務(wù)，而不需要了解其他層中實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。（2）靈活性好。若某層發(fā)生變化，只要接口關(guān)系不變，則上、下層均不受影響。便于修改、取消某層的服務(wù)。3.1.2層次化的概念（3）各層都可以選擇最合適的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，各層實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改變不影響其他層。（4）整個(gè)系統(tǒng)被分解為若干個(gè)較小的部分，便于實(shí)現(xiàn)、調(diào)試和維護(hù)。（5）每一層的功能和所提供的服務(wù)都有精確的說(shuō)明，有利于促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化。

為了便于理解分層的思想，我們以快遞服務(wù)為例進(jìn)行說(shuō)明。快遞公司為客戶提供的服務(wù)是將物品從一個(gè)地方通過(guò)中轉(zhuǎn)運(yùn)送到目的地，這一過(guò)程類似于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將用戶的數(shù)據(jù)通過(guò)多個(gè)結(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)送到目的主機(jī)。我們把甲乙雙方通過(guò)快遞公司寄送包裹的過(guò)程分為三個(gè)層次：“通信人”層、“快遞公司”層和“運(yùn)輸”層。其中最高一層是“通信人”層，甲乙雙方必須對(duì)快遞單的格式和內(nèi)容達(dá)成共識(shí)，必須采用雙方都懂的語(yǔ)言和文字，包括寄件人信息和收件人信息等；中間一層是“快遞公司”層，它為投遞人提供不同傳遞速率、保密級(jí)別的快遞服務(wù)，對(duì)包裹進(jìn)行收件、打包、分撿、派送和差錯(cuò)處理等，然后交付有關(guān)運(yùn)輸部門(mén)進(jìn)行運(yùn)輸；下層是“運(yùn)輸”層，它負(fù)責(zé)對(duì)打包的包裹進(jìn)行運(yùn)輸管理，在運(yùn)輸中可能經(jīng)過(guò)許多站點(diǎn)的裝卸和轉(zhuǎn)接，也可能使用不同的交通工具。

在上例中，“通信人”層只需關(guān)心快遞單的格式和內(nèi)容，而不需要關(guān)心“快遞公司”層如何處理包裹，更不必關(guān)心“運(yùn)輸”層如何將包裹送達(dá)目的地。同樣道理，“快遞公司”層只需完成收件、派送的功能，“運(yùn)輸”層只要按要求完成傳輸任務(wù)即可。很明顯，這種分層的做法，可以使每一層實(shí)現(xiàn)一種相對(duì)獨(dú)立的功能，從而將一個(gè)難以處理的復(fù)雜問(wèn)題分解為若干較容易處理的小任務(wù)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)中分層模型以及各層功能的精確定義。世界上第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是IBM公司于1974年提出的，命名為“系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA（SystemNetworkArchitecture）”。在此之后，許多公司紛紛提出了各自的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，如Digital公司的DNA、ARPANET的ARM等。這些網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的共同之處在于它們都采用了分層技術(shù)，但層次的劃分、功能的分配與采用的技術(shù)術(shù)語(yǔ)均不相同。隨后，為了對(duì)不同的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行同一，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型。

3.1.3網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連網(wǎng)和各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)成為人們迫切需要解決的課題。開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型就是在這樣背景下提出的。ISO在1977年3月召開(kāi)的第九次全會(huì)上決定成立一個(gè)新的技術(shù)委員分會(huì)(ISO/TC97/SC16)專門(mén)研究此課題。經(jīng)過(guò)幾年的努力，1983年ISO（InternationalOrganizationforStandardization）提出了開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（OpenSystemInterconnection/ReferenceMode），即著名的ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。3.2OSI參考模型3.2.1OSI參考模型的制定

1.物理層（physicallayer）物理層保證在通信信道上傳輸原始比特流。物理層協(xié)議被設(shè)計(jì)用來(lái)控制傳輸媒體，以提供傳輸媒體對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的獨(dú)立性。物理層協(xié)議規(guī)定傳輸媒體本身及機(jī)械、電氣、功能、規(guī)程特性。2.數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）負(fù)責(zé)建立、維持、釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接，在兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)間的線路上，無(wú)差錯(cuò)地傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層加強(qiáng)物理層原始比特流的傳輸功能，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層呈現(xiàn)為一條無(wú)差錯(cuò)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層把數(shù)據(jù)分裝在不同的數(shù)據(jù)幀中發(fā)送，并處理接收端送回的確認(rèn)幀。每一幀中必須攜帶同步、地址、差錯(cuò)控制、流量控制等信息。3.2.2各層的主要功能

3.網(wǎng)絡(luò)層（networklayer）網(wǎng)絡(luò)層完成對(duì)通信子網(wǎng)的運(yùn)行控制，提供源站（或源主機(jī)）和目標(biāo)站（或目標(biāo)主機(jī)）間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)的單位是“分組”或“包”。負(fù)責(zé)選擇從發(fā)送端傳輸數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端的路由。另外，網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)通信子網(wǎng)中的分組、擁塞控制和記帳等。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議有面向連接和無(wú)連接兩種服務(wù)，它們分別向高層提供連接方式的和無(wú)連接方式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。4.傳輸層（transportlayer）傳輸層為OSI網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中最核心的一層，它把實(shí)際使用的通信子網(wǎng)與高層應(yīng)用分開(kāi)，提供發(fā)送端和接收端之間的高可靠、低成本的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸層協(xié)議必須完成尋找接收端用戶地址、提供面向連接服務(wù)時(shí)的建立連接、拆除連接以及流量控制和多路復(fù)用等工作。5.會(huì)話層（sessionlayer）會(huì)話層使用傳輸層提供的可靠的端到端通信的服務(wù)，并增加一些用戶所需要的附加功能和建立不同機(jī)器上的用戶之間的會(huì)話聯(lián)系。會(huì)話層協(xié)議為表示層提供同步服務(wù)，使得低層協(xié)議在發(fā)生了某種錯(cuò)誤之后，會(huì)話層協(xié)議能返回到一個(gè)已知狀態(tài)。會(huì)話層還為表示層提供活動(dòng)管理功能。這里，活動(dòng)是一個(gè)由用戶確定的具有邏輯意義的信息單位。會(huì)話層協(xié)議的另一個(gè)重要功能是數(shù)據(jù)交換。6.表示層（presentationlayer）表示層完成被傳輸數(shù)據(jù)的解釋工作，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)壓縮等。表示層向應(yīng)用進(jìn)程提供信息的語(yǔ)法表示，對(duì)不同語(yǔ)法表示進(jìn)行轉(zhuǎn)換管理，使采用不同語(yǔ)法表示的系統(tǒng)之間能進(jìn)行通信，而不必考慮對(duì)方使用什么語(yǔ)言。7.應(yīng)用層（applicationlayer）應(yīng)用層是開(kāi)放系統(tǒng)與用戶應(yīng)用進(jìn)程的接口，提供OSI用戶服務(wù)、管理和分配網(wǎng)絡(luò)資源。應(yīng)用層包含用戶普通需要的應(yīng)用，例如虛擬終端、文件傳送、遠(yuǎn)程用戶登錄和電子數(shù)據(jù)交換以及電子郵件等。1．OSI中的數(shù)據(jù)流動(dòng)過(guò)程3.2.3OSI/RM中的基本概念

2.協(xié)議、服務(wù)與服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)在同一開(kāi)放系統(tǒng)上、下層之間存在著“服務(wù)”與“被服務(wù)”的關(guān)系，而在不同開(kāi)放系統(tǒng)中的對(duì)等實(shí)體之間存在著“協(xié)議”的關(guān)系。兩個(gè)對(duì)等實(shí)體之間的通信規(guī)則就是該層使用的協(xié)議，有關(guān)第N層的通信規(guī)則的集合，就是第N層的協(xié)議，記為“（N）協(xié)議”。在（N）協(xié)議控制下兩個(gè)對(duì)等（N）層實(shí)體之間的通信，使得（N）能夠向上一層（即（N＋1））提供服務(wù)，這種服務(wù)叫做（N）服務(wù)。接受（N）服務(wù)的（N＋1）實(shí)體叫做（N）服務(wù)用戶，而（N）同樣需要服務(wù)提供者（N－1）提供的服務(wù)。因此對(duì)于（N）來(lái)說(shuō)，它是（N＋1）的服務(wù)提供者又是（N－1）的服務(wù)用戶。每一層只有依賴下一層為它提供的服務(wù)并且實(shí)現(xiàn)本層的協(xié)議才能為它的上一層提供服務(wù)。但要注意，每一層只接受下一層的服務(wù)，而不關(guān)心下一層的協(xié)議，即（N）協(xié)議對(duì)于（N）服務(wù)用戶是透明的。在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實(shí)體交換信息的地方稱為服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)SAP（ServiceAccessPoint），它是相鄰兩層實(shí)體的邏輯接口。在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實(shí)體交換信息的方式是通過(guò)交換服務(wù)原語(yǔ)進(jìn)行的。3．服務(wù)原語(yǔ)“服務(wù)”在形式上是用一組原語(yǔ)來(lái)描述的，這些原語(yǔ)供用戶實(shí)體訪問(wèn)該服務(wù)或向用戶實(shí)體報(bào)告某事件的發(fā)生。RequestConfirm(N+1)層(N)PDU(N)PDU(N)及其以下各層IndicationRespons(N+1)層系統(tǒng)A系統(tǒng)A、B系統(tǒng)B服務(wù)有“有確認(rèn)”和“無(wú)確認(rèn)”之分。有確認(rèn)服務(wù)，包括“請(qǐng)求”、“指示”、“響應(yīng)”和“確認(rèn)”4個(gè)原語(yǔ)。無(wú)確認(rèn)服務(wù)只有“請(qǐng)求”和“指示”兩個(gè)原語(yǔ)。建立連接的服務(wù)總是有確認(rèn)服務(wù)，可用“連接響應(yīng)”作肯定應(yīng)答，表示同意建立連接；或者用“斷連請(qǐng)求”表示拒絕建立連接。TCP/IP協(xié)議組實(shí)際上是由以傳輸控制協(xié)議TCP和因特網(wǎng)協(xié)議IP為代表的許多協(xié)議組成的協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA開(kāi)發(fā)，是早期ARPANET上采用的一個(gè)通信協(xié)議。后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為Internet，TCP/IP協(xié)議成為Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也是全世界使用最廣泛的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3.3TCP/IP體系結(jié)構(gòu)3.3.1TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP模型各層各有不同的協(xié)議，這些分層的協(xié)議形成了一組從上到下單向依賴關(guān)系的協(xié)議系列，各層協(xié)議如圖所示。1.網(wǎng)絡(luò)接口層為了使TCP/IP與具體的物理傳輸媒體無(wú)關(guān)，在TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層作出規(guī)定，只將最低的一層取名為網(wǎng)絡(luò)接口層。網(wǎng)絡(luò)接口層的接口有兩種：一種是局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口，為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；另一種是X.25網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)接口，則為包含數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（如HDLC協(xié)議）的復(fù)雜子系統(tǒng)。2.網(wǎng)際層網(wǎng)際層的主要協(xié)議是無(wú)連接的網(wǎng)際協(xié)議IP。與網(wǎng)際協(xié)議配合使用的還有地址解析協(xié)議ARP、逆地址解析協(xié)議RARP和因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議ICMP等。由于網(wǎng)際協(xié)議是用來(lái)使互連起來(lái)的許多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行通信，因此TCP/IP體系中的網(wǎng)絡(luò)層常稱為網(wǎng)際層或IP層。網(wǎng)際層負(fù)責(zé)主機(jī)之間的通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是IP數(shù)據(jù)報(bào)。它的功能有三個(gè)：（1）將傳輸層送來(lái)的報(bào)文段或用戶數(shù)據(jù)報(bào)裝人IP數(shù)據(jù)報(bào)，填完報(bào)頭，選擇到達(dá)目的主機(jī)的路由，將IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口。（2）對(duì)從網(wǎng)絡(luò)接口收到的IP數(shù)據(jù)報(bào)，首先檢查其合理性，然后進(jìn)行尋徑，若該數(shù)據(jù)報(bào)已到達(dá)目的地（本機(jī)），則去掉報(bào)頭，將剩下的數(shù)據(jù)部分交給傳輸層；否則，轉(zhuǎn)發(fā)該IP數(shù)據(jù)報(bào)。（3）處理網(wǎng)際層差錯(cuò)與控制報(bào)文ICMP，處理路徑、流控、擁塞等問(wèn)題。3.傳輸層TCP/IP的傳輸層，提供端到端（應(yīng)用進(jìn)程間）的通信服務(wù)。其功能為：（1）格式化信息流。（2）提供端到端可靠傳輸。（3）解決不同應(yīng)用程序的識(shí)別問(wèn)題。傳輸層傳送的數(shù)據(jù)單位是報(bào)文段（segment）或用戶數(shù)據(jù)報(bào)。傳輸層有TCP和UDP兩個(gè)協(xié)議，它們都是建立在IP協(xié)議的基礎(chǔ)上。其中傳輸控制協(xié)議TCP提供可靠的面向連接服務(wù)，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP提供無(wú)連接服務(wù)。

4.應(yīng)用層

TCP/IP的應(yīng)用層對(duì)應(yīng)于OSI/RM的會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層，向用戶提供一組常用的應(yīng)用協(xié)議。應(yīng)用層協(xié)議可分為3類：（1）依賴于TCP的應(yīng)用協(xié)議，如遠(yuǎn)程終端協(xié)議Telnet，文件傳輸型的電子郵件協(xié)議SMTP，文件傳輸協(xié)議FTP，超文本傳輸協(xié)議HTTP，外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP等。（2）依賴于UDP的協(xié)議，例如單純文件傳輸協(xié)議TFTP，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP，域名系統(tǒng)DNS，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議RIP，動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP和引導(dǎo)程序協(xié)議BOOTP等。（3）依賴于TCP和UDP的協(xié)議，如通信用管理信息協(xié)議CMOT當(dāng)然，一些沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的建立在TCP/IP協(xié)議簇之上的用戶應(yīng)用程序（或?qū)Ｓ贸绦颍┮矊儆趹?yīng)用層。

在研究TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)涉及到數(shù)據(jù)鏈路層的功能，因此專家們提出了研究問(wèn)題時(shí)使用的原理體系結(jié)構(gòu)，原理體系結(jié)構(gòu)由五層構(gòu)成。原理體系結(jié)構(gòu)僅適用于分析原理時(shí)使用。3.3.2原理體系結(jié)構(gòu)雖然OSI/RM是ISO制定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但在應(yīng)用中實(shí)際采用的是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，這和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)背景有一定的關(guān)系。TCP/IP模型和ISO/OSI模型有許多相似之處。兩種模型中都包含能提供可靠的進(jìn)程之間端到端傳輸服務(wù)的傳輸層，而在傳輸層之上是面向用戶應(yīng)用的傳輸服務(wù)。3.3.3OSI/RM與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)TCP/IP模型和OSI模型也有許多不同之處，它們之間的差別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在OSI參考模型中，有3個(gè)基本概念：服務(wù)、協(xié)議和接口。服務(wù)的概念描述了該層所做的工作，并不涉及服務(wù)的實(shí)現(xiàn)以及上層實(shí)體如何訪問(wèn)的問(wèn)題。TCP/IP模型并不十分清晰地區(qū)分服務(wù)、接口和協(xié)議這些概念。OSI參考模型是在其協(xié)議被開(kāi)發(fā)之前設(shè)計(jì)出來(lái)的。而TCP/IP模型