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1、第 2 章 计算机网络体系结构2.1 网络体系结构及协议 2.1.1 网络通信要解决的主要问题 2.1.2 体系结构及网络协议的概念 2.1.3 接口和服务 2.1.4 网络通信协议的制定2.2 开放系统互联参考模型 2.2.1 OSI/RM结构 2.2.2 OSI/RM各层基本功能2.3 TCP/IP参考模型 2.3.1 TCP/IP历史 2.3.2 TCP/IP模型 2.3.3 TCP/IP各层功能 2.3.4 TCP/IP和OSI/RM模型的比较第一讲网络体系结构及协议第二讲开放系统互联参考模型第三讲TCP/IP参考模型网络通信要解决的主要问题体系结构及网络协议的概念接口和服务网络通信协
2、议的制定2.1 网络体系结构及协议目前计算机网络最大的特点之一是网络通信What How When电话通信的过程计算机网络通信的主要功能计算机网络通信中的焦点问题2.1.1 网络通信要解决的主要问题工作工作内容内容网络通信功能网络通信功能电话线路电话线路建立通信子网建立通信子网通信节点和连接设备通信节点和连接设备电话局及交换机电话局及交换机通信网络节点通信网络节点物理连接、网络拓扑物理连接、网络拓扑装装机机、申申请请电电话话号码号码连连网网设设备备、资资源源子网子网建立用户站点、地址确定建立用户站点、地址确定拨号拨号开始开始确确定定目目标标地地址址、同同步步、申申请请建建立连接立连接呼叫呼叫接
3、通接通建立逻辑连接建立逻辑连接交流交流语语言言、表表达达、内内容容应用、会话管理应用、会话管理挂机挂机停止停止终止连接终止连接付费付费电电话话网网络络使使用用成成本本网络管理网络管理计算机网络通信的主要功能数据通信与语音通信的区别信息传输的两个基本要求及时 准确 有效数据经网络到达目的地后，能被用户识别计算机网络通信中的焦点问题寻址差错控制流量控制分段及装配路由选择编码转换n信息的表达n同步问题n数据安全相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。 2.1.2 体系
4、结构及网络协议的概念划分层次的概念举例 计算机 1 向计算机 2 通过网络发送文件。 可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。两个计算机交换文件 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块再设计一个通信服务模块 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层
5、模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入模块 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层的好处 各层之间是独立灵活性好结构上可分割开易于实现和维护能促进标准化工作层数多少要适当 原则结构清晰，易于设计，层数应适中每层功能明确且相互独立层间接口清晰，跨越接口的信息量应尽可能的少每一层都使用下层的服务，并为上层提供服务网中个节点都有相同的层次，不同节点的同等层次按照协议实现对等层之间的通信划分层次的必要
6、性计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。 网络协议的组成要素 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 同步 事件实现顺序的详细说明。 计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implementation)是遵循这种
7、体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。 2.1.3 接口和服务 实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。 端口(套接字)接口协议和服务的关系
8、协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。N层实体向N+1层实体能提供的服务:N层实体提供的某些功能从N-1层及其以下各层实体及本地系统得到的服务通过与对等的N层实体的通信得到的服务协 议交换原语交换原语服 务 用 户提 供 服 务服 务 提 供 者第 n 层第 n + 1 层服 务 用 户SAPSAP数据单元协议数据单元PDUPCI接口数据单元IDUSDU + ICI服务数据单元SDU分段与合并 ICI SDUICISDUSAPIDUn+1n服务原语服务是各层向它上层提供的一组原语(操作)，实体利用协议来实现它们的服务定义
9、。4类服务原语原语(primitive)含 义请求(request)一个实体希望得到完成某些操作的服务指示(indication)通知一个实体有某个事件发生响应(response)一个实体希望响应一个事件证实(confirm)返回对先前请求的响应服务原语举例:一个简单的面向连接服务的例子 它使用了下述8个服务原语：连接请求:服务用户请求建立一个连接连接指示:服务提供者向被呼叫方示意有人请求建立连接连接响应:被呼叫方用来表示接受或拒绝建立连接的请求连接确认:服务提供者通知呼叫方建立连接的请求已被接受或拒绝数据请求:请求服务提供者把数据传至对方数据指示:表示数据的到达断连请求:请求释放连接断连指示
10、:将释放连接请求通知对等端服务原语举例:打电话邀请姑姑来喝茶1. 拨姑姑家的电话号码连接请求2. 她家的电话铃响了连接指示3. 她拿起电话连接响应4. 你听到响铃停止连接确认5. 你邀请她来喝茶数据请求6. 她听到了你的邀请数据指示7. 她说她很高兴来数据请求8. 你听到她接受邀请数据指示9. 你挂断电话断连请求10. 她听到了，也挂断电话断连指示你姑姑面向连接服务与无连接服务面向连接服务(connection-oriented)又称“虚电路”服务，是一种“电话通信系统模式” 具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。 无连接服务(connectionless) 两个实体之间的通信不需要先建
11、立好连接。是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”。 2.1.4 网络通信协议的制定协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。 著名的协议举例占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打
12、不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定使得蓝军能实现协同作战因而一定( (即即100 %)100 %)取得胜利？取
13、得胜利？明日正午进攻，如何？明日正午进攻，如何？同意收到收到“ “同意同意” ”收到：收到“同意”这样的协议无法实现！结论这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。没有一种协议能够蓝军能 100% 获胜。1制定网络通信协议和标准的主要组织（1）IEEE 电气和电子工程师协会（2）ISO国际标准化组织（3）ITU国际电信联盟，前身是国际电报电话咨询委员会（CCITT）（4）其他国际电子技术委员会IEC、电子工业协会EIA、国际商用机器公司IBM。2模型的发展和类型IBM公司1974年提出的SNA ，数字设备公司DEC提出DNA 。ISO于1997年开始研究，1
14、983年正式批准的网络体系结构参考模型开放系统互连（OSI）。两种国际标准法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。2.2 开放系统互联参考模型OSI/RM只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面 OSI 却失败了。OSI 的专家们在完成OSI 标准时没有商业驱动力；OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI 标准的制定周期太长，因而使得按OSI 标准生产的设备无法及时进入
15、市场；OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。 2.2.1 OSI/RM结构及功能物理层（physical layer）物理层功能通过规定物理设备和物理媒体之间的接口技术，实现物理设备之间的比特流透明传输物理层服务建立、维持和释放物理连接，并涉及数据传输模式、采用何种信号、信号编码等设计物理层主要涉及领域 机械、电气、物理传输介质数据链路层（data link layer）基于物理层的问题物理连接是有差错和不可靠的物理设备之间可能存在传输速度不匹配的问题数据链路层功能 加强物理层传输原始比特的功能，在数据链路上无差错地传输数据，使得它能够为网络层显现出一条无错的线路 数据
16、链路层服务标识和维护数据链路传输数据链路层数据单元，定义数据帧格式、 施行流量控制、进行差错通知提供流量控制，解决速度不匹配的问题提供差错处理，将不可靠的物理连接为可靠的数据链路 网络层（network layer）基于数据链路层的问题数据链路层仅支持相邻节点的数据链路数据链路层无法提供拥塞控制网络层功能路由选择拥塞控制实现异种网络的互联网络层服务提供编址和路由技术提供拥塞控制算法，进行拥塞控制提供数据分组和分组的排序及重新组装功能传输层（transport layer）基于网络层的问题 由于网络的性能不同，用户的要求不同，网络的性能和用户的要求之间存在差异 传输层功能屏蔽网络传输细节，实现端
17、到端的数据报文端到端的数据报文传输面向用户,使其获得相对稳定的数据传输服务(差错控制、流量控制、连接控制等) 会话层（session layer）会话层功能 组织和同步不同主机上各进程间的通信，并对其进行控制和管理 会话层服务令牌管理分段和拼接技术同步技术表示层（presentation layer）表示层功能 屏蔽不同计算机在信息表示方面的差异 表示层服务协商传输语法,实现抽象语法和传输语法的转换 数据压缩/解压缩、加密/解密表示层服务举例 应用层（application layer）应用层功能 直接面向用户,为用户提供使用网络服务的接口.例如网络浏览、电子邮件、不同类文件系统的文件传输、虚
18、拟终端和其它各种通用的和专用的功能等。应用程序的规范属于此层。 应用层协议FTAM（File Transfer Access and Management Protocol ）MHS（Message Handling Systems ）VTP（Virtual Terminal Protocol）2.3 TCP/IP参考模型 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。 网络接口层TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议一般各物理网络可
19、以使用自己的数据链路层协议和物理层协议使用串行线路连接主机与网络，或连接网络与网络时，需运行专门的串行线路网际协议（SLIP）或点到点（PPP）协议网际层主要功能消息寻址把逻辑地址和名称转换成物理地址 主要协议互联网协议IP寻址互联网控制报文协议ICMP传送信息、错误报告Internet组管理协议IGMP 多播传输地址转换协议ARP把逻辑地址和名称转换成物理地址 反向地址转换协议RARP把物理地址转换成逻辑地址传输层提供从一个应用程序到另一个应用程序的通信，常称为端对端端对端的通信 主要协议 传输控制协议（TCP）面向连接的通信 用户数据报协议（UDP）无连接的通信应用层集合了OSI参考模型的
20、会话层、表示层和应用层3层的功能常用协议文件传输协议（FTP）远程登录协议（Telnet）域名服务（DNS）简单邮件传输协议（SMTP）超文本传输协议（HTTP）TCP/IP 四层协议的表示方法举例 应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络 2网络 1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层43212.3.4 TCP/IP与OSI的比较应用层传输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI 的体系结构应用层网络接口层网际层 IP (各种应用层协议，如：TELNET, FTP, SMTP 等)传输层(TCP 或 UDP)TCP/IP 的体系结构无连接分组交付服务运输服务
21、 (可靠或不可靠)各种应用服务TCP/IP 的三个服务层次OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较相同点均以协议栈的概念为基础，协议之间彼此独立模型中各个层的功能基本相似不同点OSI模型有7层； TCP/IP模型则仅有4层OSI模型区分了服务，接口和协议的概念；TCP/IP模型没有明确的区分OSI区分了物理层与数据链路层；TCP/IP甚至没有分别提及这两层TCP/IP模型中网际层是一个接口，处在网络层和数据链路层之间OSI模型出现在协议发明之前，因此模型与协议间存在不符合要求的服务规范。但是由于它不偏向任何一种协议，通用性更好；TCP/IP模型则相反，先出现协议，模型与协议匹配良好但不适用于
22、其他协议栈OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，传输层仅支持面向连接的通信；TCP/IP模型在网络层仅支持无连接的服务，在传输层支持两种类型的服务 五层协议的体系结构应用层(application layer) 传输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer) 数据链路层5 应用层4 传输层3 网络层2 数据链路层1 物理层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU计
23、算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到
24、物理媒体计算机 1 向计算机 2 发送数据 应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机 2计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部
25、分上交给运输层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察
26、加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据
27、部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 P
28、DU 首部后把应用程序数据交给应用进程计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！客户进程和服务器进程使用 TCP/IP 协议进行通信数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层 客户发起连接建立请求 服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户客户服务器服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用 TCP 和 IP）功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程 数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 3服务器服务器11服务器服务器22数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 1客户 1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机 2客户 2因特网
