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1、第2章 网络体系结构,第1讲,教学内容与要求,主要内容 网络体系结构概述（约30分钟） 物理层（约20分钟） 数据链路层（约50分钟） 重点与难点 了解网络体系结构概念及TCP/IP体系结构 了解物理层的主要功能 掌握数据链路层的功能及主要协议,2.1 网络体系结构概述,网络体系结构发展的背景网络的状况 多种通信媒介有线、无线。 不同种类的设备通用、专用。 不同的操作系统Unix、Windows 。 不同的应用环境固定、移动。 不同种类业务分时、交互、实时。 宝贵的投资和积累有形、无形。 用户业务的延续性不允许出现大的跌宕起伏 它们互相交织，形成了非常复杂的系统应用环境。,2.1.1 概述,在
2、计算机网络中，不同系统的实体间应该能够进行通信，实体是指各种应用程序、文件传输软件、数据库管理系统及终端等。 两个实体要想实现通信，首先要有一条传送数据的通路，其次还要有一些互相遵守的规则协议。 “分层”可将庞大而复杂的问题转化为比较容易处理和研究的若干较小的局部问题。,一、分层,每一个层次的内部结构，对于上下层都是不可见的，每一层都建立在它的下层之上，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而这种服务的实现细节对上层是屏蔽的。,层次结构方法要解决的问题 1.网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能） 2.各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口） 3.通信双方
3、的数据传输要遵循哪些规则？（协议）,层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务与层间接口，协议。,二、协议,为网络数据交换而制定的规则、标准或约定称为网络协议。 网络协议主要有三部分组成： 语义：对协议元素的含义进行解释，规定通信双方彼此“讲什么” 。 语法：将若干个协议元素和数据组合在一起，用来表达一个完整的内容所应遵循的格式，也就是对信息的数据结构做一种规定，规定通信双方“如何讲”。 时序：对事件实现顺序的详细说明。,层次结构方法的优点 把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于实现和维护 定义并提供了具有兼容性的标准接口 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块 独立性强上层只
4、需了解下层通过层间接口提供什么服务黑箱方法 适应性强只要服务和接口不变，层内实现方法可任意改变 一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络，因此每个区域的网络可单独升级或改造,三、服务,服务是各层向其上层提供的一组原语（操作）。 服务定义了该层能够代表它的上层完成的操作，但丝毫未涉及这些操作是如何完成的。 服务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。,2.1.2 TCP/IP的体系结构,开放系统互联参考模型（OSI/RM）,OSI参考模型将网络的不同功能划分为7层,数据封装 一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程成为封装。 封装就是在数据前面加上特定
5、的协议头部。,发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，还要写明用航空或挂号。,数 据,数据,数据 段 数据包 帧 比特 电脉冲,011101000011000010100101111010110,数据多层封装,OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)。 而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称： 传输层数据段（Segment） 网络层分组（数据报）（Packet） 数据链路层数据帧（Frame） 物理层比特（Bit）,TCP/IP模型,TCP/IP起源于美国国防部高级研究规划署(DARPA)的一项研
6、究计划实现若干台主机的相互通信。 现在TCP/IP已成为Internet上通信的标准。 TCP/IP模型包括4个概念层次： 应用层（application） 传输层（transport） 网际层（internet） 网络接口（network interface）,一、TCP/IP模型的各层功能,网络接口层 通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。 它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。,一、 TCP/IP模型的各层功能,网际层 对应于OSI参考模型的网络层。 处理数据报文在网络中的活动，如报文的路由选择。 在TCP/IP协议组件中，网际层协议包括IP协议（
7、网际协议）、ICMP协议（Internet控制报文协议）、ARP协议（地址解析协议）、RARP协议（逆向地址解析协议）以及IGMP协议（Internet组管理协议）。,TCP/IP与OSI参考模型的对应关系,7 6 5 4 3 2 1,OSI参考模型,TCP/IP概念层次,Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等,TCP/IP与与应用层,应用层协议支持了文件传输、电子邮件、远程登录、网络管理、Web浏览等应用。,TCP头,应用层数据,应用层数据,TCP头,应用层数据,IP头,帧头,TCP头,应用层数据,IP头,帧尾,实际例子：TCP/IP协议的封装,应用层,传输层,网际层,数链层
8、,一、 TCP/IP模型的各层功能,传输层 对应OSI参考模型的传输层，主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 在TCP/IP协议组件中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议），这两种传输层协议在不同的应用程序中有不同的用途。,一、 TCP/IP模型的各层功能,应用层 对应OSI参考模型的应用层、表示层和会话层。 负责处理特定的应用程序细节。 应用层协议包括超文本传输协议(HTTP)、文件传输协议(FTP)、远程登录协议(Telnet)、简单网络管理协议（SNMP)、域名系统(DNS)等。,二、TCP/IP与OSI的比较,OSI的七层协议体系结构复杂但
9、不实用，不过其概念清楚，体系结构理论较完整。 TCP/IP的协议在Internet中得到广泛应用，成为事实标准。 TCP/IP只定义了三层具体内容，即应用层、传输层、网际层，而最下面的网络接口层并没有定义具体内容。,2.2 物理层,2.2.1 概述,物理层负责在相互通信的计算机之间传递数据比特位，建立物理媒体上传输比特位流的规则，定义线缆如何连接到网络适配器上，以及需要用何种传输技术在线缆上传输数据。 数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）通常是指具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据能力的设备，它既是信源，又是信宿。 数据电路端接设备DCE（Data Circ
10、uit-terminating Equipment），介于DTE与传输介质之间，其作用是完成数据信号的变换。,2.2.1 概述,物理层的功能包括： 提供建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性。 实现实体间的按位传输。保证按位传输的正确性，实现数据链路实体之间比特流的透明传输。 物理层管理，如功能的激活及差错控制。,2.2.2 接口标准,物理接口标准定义了物理层与物理传输介质之间的边界与接口，包括四个特性： 机械特性：规定了物理连接时接口所用连接器的形状和尺寸，引脚的数量、功能、规格、引脚的分布，电缆的长度及所含导线的数目等。 电气特性：规定了在接口电缆的哪条线上出现的电压应为
11、什么范围，即什么样的电压，表示为1或0。,2.2.2 接口标准（续）,物理接口标准定义了物理层与物理传输介质之间的边界与接口，包括四个特性： 功能特性：规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为：数据线、控制线、定时线和地线。 规程特性 ：定义了信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。,2.3 数据链路层,2.3.1 概述,数据链路层是OSI模型中下数第二层，数据链路层传输数据的单位是数据帧。 数据链路层通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。 采用的方法是接收方对收到的帧进行校验、发回应答帧，发送方对错误帧
12、进行重发。,2.3.2 数据链路层的功能,链路管理 负责数据链路层连接的建立、维持和释放。 帧同步 指接收方应当能从收到的比特流中准确地区分帧的开始和结束。,2.3.2 数据链路层的功能（续）,流量控制 发送方发送数据的速率必须使接收方来得及接收。 检测和校正差错 差错的出现一般都是突发性的，系统必须对差错进行及时的控制及恢复。,2.3.2 数据链路层的功能（续）,区分数据和控制信息 由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，而且通常数据和控制信息处于同一帧中，因此要有相应的措施使收方能够将它们区分开来。,2.3.2 数据链路层的功能（续）,透明传输 不管所传数据是什么比特组合，都应当能够在链路
13、上传输。 寻址 进行数据传输时，要保证每一帧被送到正确的地方，接收方也要知道发送方是谁。,2.3.3 数据链路层协议,数据链路层协议分为两类：面向字符型的通信规程与面向比特型的通信规程。 面向字符型的通信规程是指在链路上传送由规定字符集中的字符所组成的数据，而且在链路上传送的控制信息也必须由同一字符集中的若干指定的控制字符构成。,2.3.3 数据链路层协议（续）,数据链路层协议分为两类：面向字符型的通信规程与面向比特型的通信规程。 面向比特的通信规程要求以帧为单位传输数据。帧分为控制帧和信息帧。将信息帧的数据字段（即正文）看作比特流，所以称为面向比特的通信规程，高级数据链路控制HDLC就是一个
14、面向比特的协议。,2.3.4 IEEE 802标准,在20世纪80年代初期，美国电气和电子工程师协会IEEE 802委员会首先制订出局域网的体系结构，即著名的IEEE 802参考模型。之后随着网络技术的不断进步，扩充和制订了不少新的标准。 IEEE 802标准中只涉及OSI模型最低的两个层次，即物理层和数据链路层。,2.3.4 IEEE 802标准（续）,为了使局域网中的数据链路层不致于太过复杂，IEEE 802参考模型将其数据链路层划分为两个子层： 逻辑链路控制子层（简称LLC子层） 媒体访问控制子层（简称MAC子层）,2.3.4 IEEE 802标准（续）,MAC子层：定义了局域网中与接入
15、各种传输媒体有关的问题，MAC子层负责在物理层的基础上实现无差错的通信。 其主要功能是： MAC帧的封装与拆卸； 实现和维护各种MAC协议； 比特差错检测；寻址等。,2.3.4 IEEE 802标准（续）,LLC子层：数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在LLC子层。 其主要功能是： 数据链路的建立和释放； LLC帧的封装和拆卸； 差错控制； 提供与高层的接口，即服务访问点SAP等。,2.3.4 IEEE 802标准（续）,LLC帧封装在MAC帧中，所以LLC帧中没有标志字段和帧校验序列字段，只有四个字段，即目的服务访问点（DSAP）、源服务访问点（SSAP）、控制和数据字段。 服务访问点SAP实际上是LLC子层的逻辑地址，简称SAP地址。 一个主机的LLC子层上设有多个SAP，以便向多个进程提供服务。,2.3.4 IEEE 802标准（续）,2.3.4 IEEE 802标准（续）,在局域网中，通过MAC地址标识进行通信的计算机，网卡每收到一个MAC帧，首先检查其MAC地址，若是发往本站的帧就收下，然后进行处理；否则忽略该帧。 局域网中有三种特殊帧： 单播帧发送给指定MAC地址站点的帧； 广播帧发送给所有站的帧（MAC地址为全“1”）； 多播帧发送给一部分站点的帧。,
