计算机网络基础教程-第3章网络体系结构与协议

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1、1 第3章 网络体系结构与协议 问题 原由 计算机网络经过40年的发展, 使得计算机网络已经 成为一个海量、多样化的复杂系统。计算机网络的 实现需要解决很多复杂的技术问题: 支持多种通信 介质;支持多厂商和异种机互联;支持人机接口等。 本章重点讨论计算机网络体系结构的形成、OSI/RM 与TCP/IP模型、网络地址的形成、域名地址、子网 技术等。 教学 重点 能力 要求 掌握：计算机网络体系结构的基本概念、IP地址、 子网技术、域名地址的使用等。 熟悉：OSI/RM参考模型、TCP/IP模型。 了解：OSI/RM与TCP/IP的相同点和不同点。 2 3.1 体系结构的形成 3.5 IP地址和域

2、名 3.4 TCP/IP与OSI/RM的比较 3.3 TCP/IP参考模型 3.2 开放系统互连/参考模型 本章内容本章内容 3 知识结构 网 络 体 系 结 构 与 协 议 体系结构的 形成 IP地址与 域名 OSI/RM的层次结构 OSI/RM的基本概念 OSI/RM各层的功能 TCP/IP与OSI/ RM的比较 开放系统互连 /参考模型 域名系统 子网技术 IP编址 网络系统的体系结构 网络系统的层次结构 通信系统的层次结构 OSI/RM的数据传输 TCP/IP的层次结构 TCP/IP的基本概念 TCP/IP各层的功能 TCP/IP协议栈 TCP/IP参考模 型 TCP/IP与OSI/R

3、M的不同点 TCP/IP与OSI/RM的共同点 IPv6协议 4 3.1 网络体系结构的形成 网络体系结构是为了完成计算机间的协同工作，把计算机 间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程 通信的协议及相邻层之间的接口服务。网络体系结构是网络各 层及其协议的集合,所研究的是层次结构及其通信规则的约定。 公用电话网Internet LAN用户 服务器 LAN 防火墙 远程移动用户 路由器主交换机 部门交换机 5 3.1.1 通信系统的层次结构 为了便于理解，我们以邮政通信系统为例，以此引出计算 机网络通信和网络体系结构的概念，这一概念对计算机网络中 电子邮件的发送和接收有着重要的参考

4、意义。 图 3-1 实际邮政系统信件发送、接收过程示意图 发信者收信者 通信人活动 邮局转送业务 通信人活动 运输部门的邮件运输业务 邮局服务业务邮局服务业务 邮局转送业务 书写信件 贴邮票 送入邮箱 收集信件 盖邮戳 信件分拣 邮件打包 邮件运输 路邮选择 运输 阅读信件 信件投递 信件分拣 分发邮件 邮件拆包 转送邮局 接收邮包 6 3.1.2 网络系统的层次结构 1 1、网络层次概念、网络层次概念 计算机网络是将独立的计算机及其终端设备等实体通过通 信线路连接起来的复杂系统。为了实现彼此间的通信，采用的 基本方法是针对计算机网络所执行的各种功能，设计出一种网 络系统结构层次模型，这个层次

5、模型包括两个方面的内容： 将网络功能分解为许多层次,在每个功能层次中，通信 双方必须共同遵守许多约定和规程，以免混乱。 层次之间逐层过渡，前一层次做好进入下一层次的准 备工作。这个层次之间逐层过渡可以用硬件来完成,也可以采 用软件方式实现。 采用层次结构的目的是使各厂家在研制计算机网络系统时 由一个共同遵守的标准。 7 3.1.2 网络系统的层次结构 2 2、 网络分层结构网络分层结构 计算机之间相互通信涉及到许多复杂的技术问题，而解决 这一复杂问题十分有效的方法是分层解决。为此，人们把网络 通信的复杂过程抽象成一种层次结构模型，如图3-2所示。 图 3-2 层次结构模式工作示意图 用户2 用

6、户1 A：应用管理层A：应用管理层 B：对话管理层B：对话管理层 C：传输管理层 D：网络接口层（公用载波线路） C：传输管理层 8 3.1.2 网络系统的层次结构 3 3、通信规则约定、通信规则约定 从以上邮政通信过程与网络通信过程分析可知，在一定意 义上，它们两者的信息传递过程有很多相似之处。 （1）邮政通信与网络通信两个系统都是层次结构,可等价 成4层结构的系统。 （2）不同的层次有不同的功能任务,但相邻层的功能动作 密切相关。 （3）在邮政通信系统中,写信人要根据对方熟悉的语言， 确定用哪种语言；在书写信封时，国家不同规定也不同。 （4）计算机网络系统中,必须规定双方之间通信的数据格

7、式、编码、信号形式；要对发送请求、执行动作及返回应答予 以解释；事件处理顺序和排序。 9 3.1.3 网络系统的体系结构 1 1、网络体系结构的定义、网络体系结构的定义 计算机网络体系结构系统、实体、层次、协议 系统：是计算机网络构成的系统通常是包括一个或 多个实体的具有信息处理和通信功能的物理整体。 实体：在网络分层体系结构中，每一层都由一些实 体组成。在一个计算机系统中,能完成某一特定功能的进程 或程序都可成为一个逻辑实体。 层次：是人们对复杂问题的一种处理方法。通常将 系统中能提供某种或某类型服务功能的逻辑构造称为层。 协议：是指两个实体间完成通信或服务所必须遵循 的规则和约定。 10

8、3.1.3 网络系统的体系结构 协议通常分为对等层间对话协议和相邻层间的接口协议。 网络协议主要由以下三个要素组成： 语法。规定如何进行通信，即对通信双方采用的数据 格式、编码等进行定义。 语义。规定用于协调双方动作的信息及其含义，它是 发出的命令请求、完成的动作和返回的响应组成的集合,即对 发出的请求、执行的动作以及对方的应答做出解释。 时序。规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状 态的变化和过程,例如通信双方的应答关系、是采用同步传输 还是异步传输等。 由此可见:计算机网络体系结构是系统、实体、层次、协 议的集合，是计算机网络及其部件所应完成功能的精确定义。 11 灵活性好 易于实现 和

9、维护 各层之间 相互独立 易于实现 和维护 2 2、网络体系结构的优点、网络体系结构的优点 计算机网络系统采用层次化网络体系结构具有以下优点。 3.1.3 网络系统的体系结构 12 3.2 开放系统互联/参考模型 1 1、问题的提出、问题的提出 OSI是Open System Interconnection 的缩写，意为开放 式系统互联参考模型。在OSI出现之前，计算机网络中存在众 多的体系结构，其中以IBM公司的SNA和DEC公司的数字网络体 系结构最为著名。 为了解决不同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组 织ISO(注意不要与OSI搞混）于1981年制定了开放系统互连参 考模型。 OS

10、I/RM标准为连接分布式应用处理的“开放”系统提供 了基础,“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有 关标准的系统都具备互联的能力。 3.2.1 OSI/RM的基本概念 13 3.2.1 OSI/RM的基本概念 2 2、定义方法、定义方法 在OSI标准中，采用的是三级抽象： 体系结构（Architecture） 服务定义（Service Definition） 协议规格说明（Protocol Specification） OSI标准可分为三大类型： （1）总体标准：具有总的指导作用； （2）功能标准：为满足特定应用而从基本标准中选择接 口关系和通信规则等方面的汇集。 （3）应用标准：为基

11、本应用定义层与层之间的接口关系 和不同系统之间同层的通信规则。 14 3.2.2 OSI/RM的层次结构 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 通信介质（物理媒体） 开放系统A开放系统B 应用层协议 表示层协议 会话层协议 传输层协议 图 3-3 OSI/RM结构示意图 1 1、层次结构模型、层次结构模型 OSI/RM整个网络按照功能划分成7个层次，如图3-3所示。 15 3.2.2 OSI/RM的层次结构 2 2、层间通信关系、层间通信关系 OSI/RM的最高层为应用层，面向用户提供应用服务；最 低层为物理层，

12、连接通信媒体实现数据传输。层与层之间的 联系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层 提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。两个用户 计算机通过网络进行通信时,除物理层之外,其余各对等层之 间均不存在直接的通信关系，而是通过各对等层的协议来进 行通信。比如，两个对等的网络层使用网络层协议通信，只 有两个物理层之间才通过媒体进行真正的数据通信。 在实际中。当两个通信实体通过一个通信子网进行通信 时，必然会经过一些中间结点。一般来说，通信子网的结点 只涉及到低3层的结构。 16 3.2.3 OSI/RM各层的功能 OSI参考模型是一个在制定标准时所使用的概念性框架， 没有确切地描述用

13、于各层的协议和服务，也没有提供一个可 以实现的方法，它仅仅告诉我们每一层应该做什么，但其本 身不含网络体系结构的全部内容。不过，ISO已为各层制定了 标准，但它不是参考模型的一部分，而是作为独立的国际标 准公布的。 1 1、物理层、物理层 定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电 气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流 能在物理媒体上传输。具体涉及接插件的规格、“0”、“1”信 号的电平表示、收发双方的协调等内容。 17 3.2.3 OSI/RM各层的功能 2 2、数据链路层、数据链路层 比特流被组织成数据链路协议数据单元(帧)进行传输， 实现二进制正确的传输。将不可靠的

14、物理链路改造成对网络 层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的 数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处 理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。 3 3、网络层、网络层 数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。主要 解决如何使数据分组跨越各个子网从源地址传送到目的地址 的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避 免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入 的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达 目的地时，还要解决网际互连的问题。 18 3.2.3 OSI/RM各层的功能 4 4、传输层（、传输层（Transport La

15、yerTransport Layer） 传输层的主要任务是完成同处于资源子网中的源主机和 目的主机之间的连接和数据传输，具体功能是： 为高层数据传输建立、维护和拆除传输连接，实现透 明的端到端数据传送。 提供端到端的错误恢复和流量控制。 信息分段与合并，将高层传递的大段数据分段形成传 输层报文。 考虑复用多条网络连接，提高数据传输的吞吐量。 传输层主要关心的问题是建立、维护和中断虚电路、传 输差错校验和恢复以及信息流量控制等。它提供“面向连接” （虚电路）和“无连接”（数据报）两种服务。 19 3.2.3 OSI/RM各层的功能 5 5、会话层、会话层 会话层的主要任务是实现会话进程间通信的管理和同步, 允许不同机器上的用户建立会话关系，允许进行类似传输层 的普通数据的传输。会话层的具体功能是： 提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以 提供单方向会话或双向同时进行会话。 在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以 从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。 6 6、表示层、表示层 表示层的主要任务是完成语法格式转换，在计算机所处 理的数据格式与网络传输所需要的数据格式之间进行转换。 表示层的具体功能是： 20 3.2.3 OSI/RM各层