《计算机网络技术及应用(第二版)》第2章 计算机网络体系结构

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1、第2章 计算机网络体系结构计算机网络技术及应用（第2版）2.1 网络体系结构n2.1.1 网络体系结构基本概念n计算机网络由多个互联的结点组成，结点之间 要不断地交换数据和控制信息。要做到有条不 紊地交换数据，每个结点都必须遵守一些事先 约定好的规则。两台计算机通信时，对传送信 息内容的理解，信息表示形式以及各种情况下 的应答信号都必须遵循一个共同的约定规则， 这些规则精确地规定了所交换数据的格式和时 序。这些为网络数据交换而制定的规定、约束 与标准被称为网络协议（Protocol）。 一个网络协议主要由以下三个 要素组成：n1）语法：用户数据与控制信息的结构和 格式。n2）语义：需要发出何种

2、控制信息以及完 成的动作和做出的响应。n3）时序：对事件实现顺序的详细说明。n我们将计算机网络层次结构模型和各层 协议的集合定义为计算机网络体系结构 （Network Architecture）。网络体系结 构是对计算机网络应完成的功能的精确 定义，而这些功能是用什么样的硬件和 软件实现的，则是具体的实现问题。体 系结构是抽象的，而实现是具体的，其 具体实现是通过特定的硬件和软件来完 成的。2.1.2 计算机网络层次体系结 构n将多台位于不同地点的计算机设备通过 各种通信信道和设备互连起来，使其能 协同工作，以便于计算机的用户应用进 程交换信息和共享资源，这是一个复杂 的工程设计问题。将一个比

3、较复杂的问 题分解成若干个容易处理的子问题，尔 后“分而治之”逐个加以解决，这种结构化 设计方法是工程设计中常用的手段。分 层就是系统分解的最好方法之一。2.1.3 计算机网络层次模型分层可以遵守以下几个主要原 则：n1）每层功能应是明确的并且相互独立。当某 一层具体实现方法更新时，只要保持层间接口 不变，就不会对邻层造成影响。n2）接口层清晰，跨越接口的信息量应尽可能 少。n层数应当适中。若太少，则层间功能划分不明 确，多种功能混杂在一层中，造成每一层的协 议太复杂。若太多，则体系结构过于复杂，各 层组装时的任务会困难得多。计算机网络中采用层次结构， 可以有以下好处：n1）各层之间相互独立。

4、n2）灵活性好。n3）各层都可以采取最合适的技术来实现 ，各层实现技术的改变不影响其它层。n4）易于实现和维护。n5）有利于促进标准化。2.2 开放系统互连参考模型n2.2.1 开放系统互连基本参考模型n开放系统互连基本参考模型是由ISO制定 的，这是一个标准化开放式的计算机网 络层次结构模型，又称为ISOs OSI模型 ，如图2-3所示。该图中从下到上分别是 物理层、数据链路层、网络层、运输层 、会话层、表示层和应用层这七个层次 。 图2-3 ISO/OSI 层次模型n不同开放系统对等层之间的虚通信必须遵循相应层的 协议，如有运输层协议（即图中T层协议）、会话层协 议（即图中S层协议）等。在

5、该模型中仅规定了各层的 功能，而没有规定每层的具体协议，每层的协议由OSI 基本标准集中的其他国际标准给出。在同一开放系统 中，相邻层次间的界面称为接口，在接口处由低层向 高层提供服务。比如说，在会话层和表示层的接口处 由会话层向表示层提供会话服务。具体每层应向高层 提供怎样的服务也由OSI基本标准集中的其他国际标准 给出。在相邻层提供服务过程中以及对等层虚通信过 程中都涉及信息的交换。信息的基本单位在OSI中统称 为数据单元（Data Unit）。2.1.2 层次模型中各层功能n1.物理层n物理层的作用是在物理媒体上传输原始的数据 比特流。 n常用的EIA-RS-232C就是一个物理层协议的

6、例 子。n归结为一句话，物理层是为在物理媒体上建立 、维持和终止传输数据比特流的物理连接提供 机械、电气、功能和规程的手段。n物理层负责在网络上传输数据比特流。这与数 据通信的物理或电气特性有关。 2.数据链路层n数据链路层的一个主要功能就是通过校验、确认和反 馈重发等手段，将原始的物理连接改造成无差错的数 据链路。 n另外，数据链路层还要解决流量控制的问题 n数据链路层还管理数据格式。数据通常被组合成帧加 以传输。帧是按某种特定格式组织起来的字节集合。 数据链路层用唯一的比特组合对将要发送的每一帧的 开始和结束进行标识，对接收进来的每一帧进行判断 ，然后把无错的帧送往上一层，即网络层。n总之

7、，数据链路层解决的是相邻节点（结点）之间的 数据传输问题。3.网络层n网络层关心的是通信子网的运行控制，主要任 务是如何把网络协议数据单元（通常称为分组 ）从源传送到目标。这需要在通信子网中进行 路由（routing）选择。路由选择算法可以是简 单的、固定的，也可以是复杂的、动态适应性 的。如果同时在通信子网中出现过多的分组， 则会造成阻塞（congestion），因而要对其进 行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达 目标时，还要解决网际互连问题。nX.25分组协议和网际协议IP是网络层协议的例 子。n网络层拥有管理路由策略来处理路由中的一系 列问题。 n网络层控制着通信子网（Communi

8、cations Subnet）,网络层是针对子网的最高层次,这一 层也可能包含计费软件。总之，网络层解决的 是源节点到目标节点的路由问题。4.运输层n运输层是第一个端对端，即主机到主机 的层次。 n有运输层后，高层用户就可利用运输层 的服务直接进行端到端的数据传输，从 而不必知道通信子网的存在。通过运输 层的屏蔽，高层用户看不到通信子网的 更替和技术变化。n通常，在高层用户请求建立一条运输虚通信连 接时，运输层就通过网络层在通信子网中建立 一条独立的网络连接。若需要较高的吞吐量， 运输层也可以建立多条网络连接来支持一条运 输连接，这就是分流(splitting)（有些文献也称 之为分用）。或者

9、，为了节省费用，运输层也 可以让多个运输通信合用一条网络连接，称为 复用(multiplexing)。运输层还要处理端到端的 差错控制和流量控制问题。概括地说，运输层 为上层用户提供端对端的透明优化数据传输服 务。 n另一种方法是把数据划分成多个小的分组（数 据子集），再分别传送。在这种情况下，两点 间不需要稳定的连接。每一分组通过网络被独 立地传输。因此，当分组到达目的地时，必须 重新进行组装，然后才能送往上层用户。如果 各个分组经过不同的路由，那就无法保证分组 会按发送顺序到达目的地（正如我们无法保证 星期一发的信会比星期二发的信早到一样）， 甚至无法保证它们都会到达。所以，接收方不 仅要

10、对分组重新排序，还得验证所有的分组是 否都已收到。5.会话层n会话层允许不同主机上各种进程之间进 行会话。运输层是主机到主机的层次， 而会话层是进程到进程之间的层次。 n会话层组织并同步进程间的对话。n会话层也处理差错恢复。 n用户层次上的单一事务机制也是由会话 层来实现的。 6.表示层n表示层为上层用户提供共同需要的数据 或信息语法表示变换。 n表示层以用户可理解的格式为上层用户 提供必要的数据。 n表示层也提供数据的安全措施。 7.应用层n应用层是开放系统互连环境的最高层。 不同的应用层为特定类型的网络应用提 供访问OSI环境的手段 n应用层直接与用户和应用程序打交道。 n另外，应用层也定

11、义了一些协议集，以 支持通过全屏幕文字编辑器方式来模拟 各种不同类型的终端。 n总的来说，下面3层主要处理网络通信的细节 问题，它们一起向上层用户提供服务。上面4 层主要针对端对端的通信，它们定义用户间的 通信协议，但不关心数据传输的低层实现细节 nOSI协议模型的7个层次中，每一个层次都定义 了各自的计算机网络通信协议，使上层与下层 的实现细节隔离。它们一起将用户和数据通信 的具体细节隔离开来。如果充分实现的话，它 们将允许不兼容的设备互相通信。表2-1 OSI各层功能总结层 次功 能7. 应用层提供电子邮件、文件传输 等用户服 务 6. 表示层转换 数据格式，数据加密和解密5. 会话层通信

12、同步错误 恢复和事务操作4. 运输层网络决策实现 分组和重新组装3. 网络层路由选择计费 信息管理2. 数据链路层错误检测 和校正，组帧1. 物理层数据的物理传输2.3 TCP/IP参考模型n2.3.1 TCP/IP参考模型 nTCP/IP是美国政府资助的高级研究计划署 (ARPA)在二十世纪七十年代的一个研究成果， 用来使全球的研究网络联在一起形成一个虚拟 网络，这也就是国际互联网。原始的Internet 通过将已有的网络如ARPAnet转换到TCP/IP上 来而形成，而这个Internet最终成为如今的国 际互联网的骨干网。1975年，TCP/IP(传输控 制/网间互联)协议产生 ，198

13、3年1月1日成为 Internet的标准协议, 现在该标准协议已融入 UNIX、Linux、Windows等操作系统中。图2-4给出了TCP/IP参考模型及与 OSI参考模型的层次对应关系。 2.3.2 TCP/IP协议简介 nTCP/IP（传输控制协议/网间互联协议）是一 种网络通信协议，它规范了网络上的所有通信 设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数 据往来格式以及传送方式。TCP协议即传输控 制协议，是一种面向连接的传输层协议。通过 使用序列号和确认信息，TCP协议能够向发送 方提供到达接收方的数据包的传送信息。IP协 议位于Internet协议栈的第三层(互联层)，除了 可以提供网络

14、路由之外，IP协议还具有错误控 制以及网络分段等众多功能，是整个Internet 协议栈的核心。nTCP/IP是Internet的基础协议，也是一种电脑 数据打包和寻址的标准方法。在数据传送中， 可以形象地理解为有两个信封，TCP和IP就像 是信封，要传递的信息被划分成若干段，每一 段塞入一个TCP信封，并在该信封面上记录有 分段号的信息，再将TCP信封塞入IP大信封， 发送上网。在接受端，一个TCP软件包收集信 封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以 校验，若发现差错，TCP将会要求重发。因此 ，TCP/IP在Internet中几乎可以无差错地传送 数据。对于TCP/IP有许多技术值得讨

15、论，但这里仅讲三个关键点：n(1)TCP/IP是一族用来把不同的物理网络联在一起构成 网际网的协议。TCP/IP联接独立的网络形成一个虚拟 的网，在网内用来确认各种独立的网络地址（IP地址 ）。n(2)TCP/IP使用多层体系结构，该结构清晰定义了每个 协议的责任。TCP和UDP向网络应用程序提供了高层的 数据传输服务，并都需要IP来传输数据包。IP有责任 为数据包到达目的地选择合适的路由。n(3)在Internet主机上，两个运行着的应用程序之间传 送要通过主机的TCP/IP堆栈上下移动。在发送端 TCP/IP模块加在数据上的信息将在接收端对应的 TCP/IP模块上滤掉，并将最终恢复原始数据

16、。2.4 OSI参考模型与TCP/IP参 考模型的比较nOSI参考模型与TCP/IP参考模型的共同之 处是它们都采用了层次结构的概念，在 传输层中二者定义了相似的功能。但是 二者在层次划分、使用的协议上是有很 大区别的。造成OSI协议不能流行的原因 之一是模型与协议自身的缺陷 。n大多数人都认为OSI参考模型的层次数量与内容可能是最佳的选 择，其实并不是这样的。n会话层在大多数应用中很少用到，表示层几乎是空的。在数据链 路层与网络层有很多的子层插入，每个子层都有不同的功能。 OSI参考模型对“服务”与“协议”的定义结合起来，使得参考模型变 得格外复杂，将它实现起来是困难的。n同时，寻址、流控与差错控制在每一层里都有重复出现，必然要 降低系统效率。虚拟终端协议最初安排在表示层，现在安排在应 用层。关于数据安全性、加密与网络管理等方面的问题也在参考 模型的设计初期被忽略了。n有人批评参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，很多选择 不适合于计算机与软件的工作方式。很多“原语”在软件的很多高 级语言实现起来是容易的，但严格按照层次模型编程的软件效率