网络体系结构与协议课件

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1、第3章 网络体系结构与协议,学习目标,掌握计算机网络体系结构的基本概念 熟悉ISO/OSI开放系统互连参考模型各层的功能，熟悉OSI中相邻层之间通信的过程，不同计算机上同等层之间的通信过程，ISO/OSI数据封装与解封装的过程 熟悉OSI模型中每一层数据的名称 熟悉TCP/IP体系结构及各层协议，熟悉数据封装过程 熟悉常见物理层传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤以及无线传输介质等），熟悉线缆规范和连接方式，学会制作和测试双绞线 掌握数据链路层的功能，掌握HDLC协议和PPP协议的主要内容,任务1：理解网络体系结构,本任务将学习网络体系结构、网络协议以及协议分层模型这3个计算机网络中最基本的概念，

2、在此基础上，理解ISO/OSI开放系统互连参考模型和TCP/IP参考模型，为后续学习打下基础,3.1.1 网络协议,为进行网络中数据交换而制定的规则、约定和标准，称为网络协议（Network Protocol）或通信协议（Communication Protocol）。简单地说，协议是通信双方必须遵循的控制信息交换的规则集合。 一般来说，网络协议主要由语法、语义和同步3要素组成。 （1）语法：规定通信双方“如何讲”，即确定协议元素的格式，如数据和控制信息的结构或格式。 （2）语义：规定通信双方“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方发出何种控制信息、执行何种动作以及做出何种应答等。 （

3、3）同步(又称语序、变化规则或定时)：规定通信双方之间“讲的顺序”，即通信过程中的应答关系和状态变化关系。同步定义了通信双方何时进行通信，先讲什么，后讲什么，讲话的速度等。,3.1.2 网络的分层模型,网络层次结构模型包含两个方面的内容： 一是将网络功能分解到若干层次，在每一个功能层次中，通信双方共同遵守该层次的约定和规程，这些约定和规程称为同层协议； 二是层次之间逐层过渡，上一层向下一层提出服务要求，下一层完成上一层提出的要求，上一层必须做好进入下一层的准备工作，这两个相邻层次之间要完成的过渡条件称为接口协议。接口协议可以通过硬件实现，也可以采用软件实现。,1实体与同等层实体,在网络分层体系

4、结构中，每一层都由一些实体组成。实体是各层中用于实现该层功能的活动元素，这些实体抽象地表示了通信时的软件元素（如进程或子程序）或硬件元素。实体除了是一些实际存在的物体和设备外，还可以是客观存的与某一应用有关的事物，如含有一个或多个程序、进程或作业之类的成分。 不同终端上位于同一层次且完成相同功能的实体，称为同等层（对等层）实体。例如，系统A的第N层和系统B的第N层是同等层。不同系统同等层之间存在的通信称为同等层通信，不同系统同等层上的两个正在通信的实体称为同等层实体。,2服务与接口,在网络分层结构模型中，每一层为相邻的上一层提供的功能称为服务。在同一系统中，相邻两层实体进行交互的地方称为服务访

5、问点。 服务访问点（SAP，Service Access Point）是同一个节点相邻两层实体的接口(Interface)，也可说第N层SAP是第N+1层可访问第N层的地方。低层通过接口向高层提供服务，相邻层通过它们之间的接口交换信息。高层不需要知道低层是如何实现的，仅需要知道该层通过层间接口提供的服务即可，这使得两层之间保持了功能的独立性。,3服务类型,（1）面向连接服务 面向连接服务的工作方式像电话系统。数据交换之前必须先建立连接，数据交换结束后终止连接，传送数据时按序传送。通信过程分为3部分：建立连接、传输数据、撤销连接。 面向连接服务比较适合在一定时期内向同一目的地发送许多报文的情况。

6、 （2）无连接服务 无连接服务的工作方式像邮政系统。每个报文（信件）带有完整的目的地址，并且每一个报文都独立于其他报文，由系统选定传递路线发送报文。计算机随时可以向网络发送数据，在两台通信的计算机间无须事先建立连接。,3.1.3 网络体系结构,网络体系结构从体系结构的角度来研究和设计计算机网络体系，其核心是网络系统的逻辑结构和功能分配的定义，即描述实现不同计算机系统之间互连和通信的方法以及结构。 网络体系结构将计算机网络功能划分为若干个层次，较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能。 网络体系结构是计算机网络的分层、各层协议、功能和层间接口的集合。 网络体系结构与具体的

7、物理实现无关，即使连接到网络中的主机和终端型号、性能各不相同，只要共同遵守相同的协议，就可以实现互通信和互操作。,3.1.4 典型案例：理解ISO/OSI开放系统互连参考模型,1背景分析 国际标准化组织于20世纪70年代成立了信息技术委员会，专门进行网络体系结构标准化的工作。在综合了已有的计算机网络体系结构的基础上，经过多次讨论研究，最后公布了网络体系结构的7层参考模型RM，即开放系统互连参考模型（OSI/RM，Open System Interconnection/ Reference Model）。此后，又分别为OSI的各层制定了协议标准，从而使OSI网络体系结构更为完善。,3.1.4 典

8、型案例：理解ISO/OSI开放系统互连参考模型,2OSI参考模型的结构 开放系统互连参考模型是分层体系结构的一个实例，采用分层的结构化技术，共分7层，从低到高为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。,3.1.4 典型案例：理解ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.1.4 典型案例：理解ISO/OSI开放系统互连参考模型,图3-3 考虑通信子网的OSI参考模型结构,3OSI参考模型各层的功能,（1）物理层。物理层是OSI参考模型的最底层，建立在传输介质的基础上，利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，主要任务是在通信线路上传输二进制数据比特流，数据传输单元是比特。物理层

9、提供为建立、维护和拆除物理连接所需的机械、电气和规程方面的特性，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。,3OSI参考模型各层的功能,（2）数据链路层。数据链路层是OSI参考模型的第二层，在物理层提供的服务基础上，负责在通信实体之间建立数据链路连接，数据传输单元是帧。数据链路层采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理链路改造成无差错的数据链路，确保实体之间可靠的数据传输。,3OSI参考模型各层的功能,（3）网络层。网络层是OSI参考模型的第三层，负责向传输层提供服务，为传输层的数据传输提供建立、维护和终止网络连接的手段，把上层来的数据组织成数据包在节点之间进

10、行传送。网络层的数据传输单元是包（又称分组）。,3OSI参考模型各层的功能,（4）传输层。传输层是OSI参考模型的第四层，功能是保证不同子网的两台设备间的数据包可靠、顺序、无差错地传输。传输层的数据传输单元是段。传输层负责处理端到端通信，提供建立、维护和拆除传输连接的功能。,3OSI参考模型各层的功能,（5）会话层。会话层是OSI参考模型的第五层，利用传输层提供的端到端的服务，向表示层或会话层提供会话服务。会话层的主要功能是在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传送。,3OSI参考模型各层的功能,（6）表示层。表示层是OSI参考模型的第六层，专门负

11、责处理有关网络中计算机信息表示方式的问题。表示层提供不同信息格式和编码之间的转换，以实现不同计算机系统间的信息交换。除了编码外，表示层还可以处理数组、浮点数、记录、图像、声音等多种数据结构。表示层用抽象的方式来定义交换中使用的数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。表示层还提供数据压缩和数据加密功能。,3OSI参考模型各层的功能,（7）应用层。应用层是OSI参考模型的第七层，直接与用户和应用程序打交道，提供使程序能够使用网络的接口。应用层不为任何其他OSI层提供服务，而只为OSI模型以外的应用程序提供服务，例如，电子表格程序和文字处理程序。应用层可以为相互通信的应用程序

12、或进程之间建立连接、进行同步，建立关于错误纠正和控制数据完整性过程的协商等。,3OSI参考模型各层的功能,（7）应用层。应用层是OSI参考模型的第七层，直接与用户和应用程序打交道，提供使程序能够使用网络的接口。应用层不为任何其他OSI层提供服务，而只为OSI模型以外的应用程序提供服务，例如，电子表格程序和文字处理程序。应用层可以为相互通信的应用程序或进程之间建立连接、进行同步，建立关于错误纠正和控制数据完整性过程的协商等。,4OSI参考模型的数据传输,（1）OSI模型各层的数据,4OSI参考模型的数据传输,（2）数据传输过程,4OSI参考模型的数据传输, 发送方逐层进行数据封装 通信子网数据封

13、装与解封装 接收方数据解封装,3.1.5 典型案例：理解TCP/IP参考模型,1背景分析 20世纪90年代初期，虽然整套的OSI标准已经制定出来，但Internet已在全世界飞速发展，在网络体系结构得到广泛应用的并不是国际标准OSI参考模型，而是TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）参考模型。虽然TCP/IP不是ISO标准，但广泛的使用使TCP/IP成为一种“实际上的标准”，并形成了TCP/IP参考模型。实际上，ISO制定OSI参考模型的过程中，也参考了TCP/IP簇及其分层体系结构的思想；TCP/

14、IP在不断发展的过程中，也吸收了OSI标准中的概念与特征。,3.1.5 典型案例：理解TCP/IP参考模型,TCP/IP主要有以下特点。 （1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。 （2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于互连网络中。 （3）统一的网络地址分配方案，所有网络设备在Internet中都有唯一的地址。 （4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,3.1.5 典型案例：理解TCP/IP参考模型,2TCP/IP参考模型的层次,3.1.5 典型案例：理解TCP/IP参考模型,3TCP/IP模型各层的功能 （1）网络接口层

15、网络接口层又称网络访问层，是TCP/IP参考模型的最底层，功能对应OSI的物理层和数据链路层的功能。网络接口层负责接收从网络层发来的IP数据包，并将IP数据包通过底层物理网络发送出去，或者从底层物理网络上接收数据帧，抽取出IP数据包交给网络层。,3.1.5 典型案例：理解TCP/IP参考模型,（2）网络层 网络层又称网际层，是在TCP/IP中正式定义的第一层。网络层的主要功能是处理来自传输层的报文，将报文形成数据分组（IP数据包），并为该数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机。在网络层中，最常用的协议是IP，其他一些协议用来协助IP的操作。网络层在功能上非常类似于OSI参考模型

16、的网络层。,3.1.5 典型案例：理解TCP/IP参考模型,（3）传输层 传输层又被称为主机至主机层，与OSI的传输层类似，主要负责主机到主机之间的端对端通信。传输层定义了两种协议来进行数据传送，即TCP和UDP。 （4）应用层 应用层是TCP/IP参考模型的最高层，与OSI模型中高三层的任务相同，用于提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。应用层为用户提供了一组常用的应用程序，应用程序和传输层协议相配合，完成发送或接收数据。,TCP/IP参考模型各层的主要功能,4TCP/IP各层主要协议,任务2：物理层及其应用,【任务描述】 物理层是OSI参考模型的最底层，是构成计算机网络的基础。物理层既不是指连接计算机的具体物理设备，也不是指负责信号传输的具体物理介质，而是建立在通信介质基础上的、实现设备之间连接的物理接口。在计算机网络组建、管理和维护工作中，需要直接与物理层打交道，例如，双绞线网络线缆的制作与测试，连接头、连接插座、转换器等组件的使用，中继器、集线器等物理层设备的使用。为此，有必要理解物理层的功能、常见传输介质以及接口规范。,3.2.1 物理层的功能,