第2章 计算机网络体系结构及其协议

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1、第第2章章 计算机网络体系结构及其协议计算机网络体系结构及其协议u2.1 网络体系结构定义网络体系结构定义u2.2 OSI/RM模型模型u2.3 TCP/IP协议协议u小结小结2.1 网络体系结构定义网络体系结构定义 网络体系结构=层，协议，接口 。 层是指能提供某一种或某一类服务功能集合的逻辑构造（后面将会具体论述）；网络协议是计算机网络的基本要素，是实现网络中计算机之间通信的必要条件 接口是指两个相邻协议层之间交换信息的连接点 2.1.1 网络协议网络协议 为了使两台通信设备能顺利地进行通信，它们必须“讲相同的语言”。这是通过采用通信设备可以相互接受的一整套规则和约束来完成的，这套规则和协

2、议就叫做网络协议 2.1.2 网络结构分层网络结构分层层次结构的划分都应遵守以下的原则 （1）网络中每一个结点都具有相同的层次结构，即各结点的层次划分一致。（2）各层独立稳定 （3）各层功能明确、界限分明 （4）接口简洁，层次数量适中 （5）着眼于标准化 2.1.3 网络体系结构的基本分析网络体系结构的基本分析1. 基本层次的划分基本层次的划分 1）点-点通信与端-端通信 2）用户服务层和通信服务层 当两个相邻计算机互相实现点-点通信时，在两台计算机上需有相应的通信软件。通信软件显然必须有与各自操作系统的接口，但此外还必须考虑两个接口：面向用户应用的接口和面向通信线路的接口 2. 各层服务关系

3、分析和接口关系分析各层服务关系分析和接口关系分析1）各层服务关系分析2）接口关系分析 （1）层间模块调用 （2）共享数据结构及数据缓冲区 3. 数据传递模型数据传递模型 在任意两个实端之间的通信都可以分解为网络各层对等实体之间的分层通信。除了在物理传输介质上进行的是实通信外，其余各层之间进行的都是虚拟通信 两个用户进程之间的数据传输过程如图2.2 OSI/RM模型模型 1977年，国际化标准组织ISO（International Standard Organization）的技术委员会TC97充分认识到了制定一个计算机网络体系结构的国际标准的重要性，于是成立一个分委员会进行专门研究 CCITT

4、（Consultative Committee for International Telegraph and Telephone，国际电报电话咨询委员会），是专门开发通信标准的国际组织，它隶属于联合国的ITU（International Telecommunication Union，国际通信联盟），X25就是该组织制定的标准 2.2.1 OSI/RM简介简介 国际化标准组织ISO制定的开放系统互联标准，除OSI/RM外，还有其他很多标准，物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层都有相应的服务和协议，如文件传送、虚拟终端服务和协议、访问与管理服务和协议等，这些都统称为OSI

5、标准 1.OSI/RM中的一些重要概念 1）实体（entity） 2）协议数据单元 3）服务访问点 4）服务原语2.OSI环境下的数据流向 1）数据传输单元 2）数据流动过程 在传输层，PDU又称为报文。报文传送到网络层，加上网络层的控制信息后，叫做分组。分组传到数据链路层后，数据链路层的控制信息加在SDU的前后两端，构成的PDU称为帧（Frame） 3. 对OSI/RM的评价 OSI/RM是国际标准化组织ISO制定的一个国际标准，但是它并没有成为事上的国际标准，取而代之的是TCP/IP协议 2.2.2 OSI/RM各层分析各层分析1. 物理层物理层 物理层是OSI/RM的最低一层，是开放系统

6、互联的基础 1）物理层模型及功能 主要是为了解决网络结点物理链路如何连接的问题。DTE与DCE之间是经常有大批信息进行交换的，这就意味着必须对它们的接口进行标准化，而这种接口标准也就是物理层协议 物理层主要包含了三个基本功能 ： （1）物理连接的建立、连接和拆除：当上层的数据链路层要求建立链路进行传输时，物理层应该使用有关的协议和标准来促使连接的建立，在数据传输过程中要维护这个连接，而当数据传输完毕后要负责拆除这个连接。 （2）数据传输：在物理连接的维护过程中，在物理层相关协议的控制下要完成物理层数据单元比特的传输。而数据的传输方式则可以选用同步传输或者异步传输。 （3）物理层管理：对物理层内

7、的所有活动进行管理2. 数据链路层数据链路层1）数据链路层的功能 （1）数据链路管理 （2）帧同步 实现帧同步的方法主要有4种 ： 字节计数法 字符填充法 比特填充法 违法编码法 （3）差错控制 （4）流量控制 （5）寻址2）完成数据传输控制功能的过程 （1）建立物理连接 （2）建立数据链路 （3）数据传送 （4）释放数据链路 （5）拆除物理连接3）数据链路控制规程 根据帧格式，数据链路控制规程有两种：面向字符型和面向比特型 （1）面向字符型的传输控制规程 基本特征 面向字符型控制规程最基本的特征是以字符为最小控制单位，它规定了10个控制字符用于传输控制 报文格式 报文分为两类：信息报文和监控

8、报文 （2）面向比特型的传输控制规程 3. 网络层网络层 1）网络层的主要功能 （1）网络连接 （2）路由选择 （3）流量控制 （4）数据传输控制 2）网络层服务 （1）面向连接的网络服务 （2）面向无连接的网络服务 （3）虚电路服务和数据报服务的对比 3）路由选择 路由选择可分为两大类：静态路由算法和动态路由算法 （1）静态算法 所谓静态，就是指在路由选择的时候，不是根据当时的具体流量分步、连通情况来决定，而是一开始就确定了固定的方案 （2）动态路由算法 4. 传输层传输层1）传输层的功能 （1）为会话层提供的服务 （2）服务质量 （3）支持多个进程连接 （4）其他功能 2）运输层的标准 A

9、类：可靠的服务，分组在网络中传输不会丢弃也不会乱序，可接受的低差错率。 B类：服务质量中等，多数的X.25分组交换网提供此类服务。 C类：服务质量差，不可接受的差错率 3）运输层的连接管理 （1）寻址 （2）建立连接 （3）释放连接 5.会话层会话层 会话层位于OSI参考模型的第五层，是面向信息处理的OSI应用用户的入网接口。会话层最主要的目的就是提供一个面向用户的连接服务，为终端的对话和活动提供组织和同步所必须的手段，对数据传送提供控制和管理使用户的一次会话业务得到完整执行 1）会话层的功能 （1）会话过程管理 （2）会话活动管理 （3）权标管理 2）会话层协议 （1）连接建立阶段 （2）连

10、接维持阶段 （3）连接释放阶段6. 表示层表示层 在OSI参考模型中，表示层位于第六层，应用进程之间传送的数据还涉及到两个方面的问题：一是语义问题，即有关数据的内容和意义；其二是语法问题，即有关数据的表示形式。表示层解决的是语法问题，而语义问题是由应用负责处理的 功能 ：1）语法转换 2）加密与解密 3）压缩与解压 数据压缩有两大类，一是冗余度压缩，又称为无损压缩、无失真压缩、可逆压缩等；另一类是有损压缩，又称为不可逆压缩。冗余度压缩就是去掉或减少数据中的冗余，而这些冗余是可以重新插入到数据中去的。比较典型的冗余度压缩方法有：Huffman编码、Fano-Shannon编码、算术编码、游程长度

11、编码和Lempel-Ziv编码等，其中Lempel-Ziv编码是目前各种Modern和计算机数据压缩软件ZIP常采用的算法，应用最为广泛 7. 应用层应用层 应用层位于OSI参考模型的最顶层，是应用进程操作网络的接口，它为用户服务，是惟一直接为用户应用进程访问OSI环境提供手段和服务的层，它为用户提供了许多操作环境，如文件传输协议（FTP）、虚终端协议（VTP）、电子邮件等 应用层提供的功能核心是公共应用服务和特定应用服务 ：1）公共应用服务元素 （1）联系控制服务元素 （2）可靠传输服务元素 （3）远程操作服务元素 （4）提交、并发与恢复元素2）特定应用服务元素 （1）虚拟终端协议 （2）文

12、件的传送、访问和管理 （3）报文处理系统 （4）作业传送与操作2.3 TCP/IP协议 TCP/IP是用来互联计算机网络的协议，通常称为网络互联协议 ，包括了TCP、IP、用户数据报协议UDP及互联网络控制报文协议ICMP；另一些是为完成特定的任务，包括文件传送、邮件发送等 2.3.1 TCP/IP参考模型参考模型 TCP/IP与OSI参考模型的对比如图 1. 网络接口层网络接口层 该层包括各种逻辑链路控制协议和介质访问控制协议，能够传送IP数据报的网络的相应层协议，都可视为这层的内容，用于处理具体的硬性物理接口2. 互联层互联层 TCP/IP的第二层是互联层，又称为网间互联层，是网络互联的基

13、础，提供无连接的分组交换服务 3. 传输层传输层 传输层提供端到端的通信，其中最重要的协议是TCP协议，它的作用是提供一种可靠的面向连接的数据流服务 4. 应用层应用层 应用层是TCP/IP的最高层，它包括了一组常用的应用协议，可以实现电子邮件、文件传输、远程登录等应用 2.3.2 IP地址地址 前面已经介绍，IP是TCP/IP参考模型的主要协议，它的主要功能是将相互独立的多个网络互联起来；除此之外，IP还要提供以标识网络及主机结点地址的功能，即通常所说的IP地址 1. IP地址的分类和表示 由于在IP地址中表示不同类别的标志都集中在前四位，即处在“点分十进制表示法”中的第1个十进制数中，所以

14、，我们可以根据第1个十进制数的大小，来判断该地址为何类IP地址 IP地址类别与对应的第1个十进制数的范围 地址类别 数字范围 A类 1126 B类 128191C类 192223 D类 224239 E类 240255 2. 特殊的特殊的IP地址地址（1）网络地址（2）广播地址（3）其他类型的特殊地址 表示了特殊的IP地址的形式 如图：3. 子网地址 表示的是在A类地址中用主机地址的高12位作为子网地址，主机地址的低12位作为每个子网的主机地址的方案 如图： 子网地址的位数并没有强行规定（但显然不能是1位，主机地址也不能只保留1位），可由网络管理人员根据子网的个数和子网中主机的数目来确定 4.

15、 网络掩码 网络掩码的作用是在进行路由选择时，用网络掩码与目的IP地址按二进制位作“与”运算，这样，就可保留IP地址中的网络地址部分，而屏蔽主机地址部分。例如，若B类IP地址为128.12.2.21，它与B类地址的网络掩码“与”运算后的结果是：5. IP地址的分配 国际性的网络信息中心（NIC，Network Information Center）负责A类网络地址的分配，而B类网络地址由以下3个组织负责分配： InterNIC负责北美地区； ENIC负责欧洲地区； APNIC负责亚太地区。 C类地址通常由国家级网络信息中心进行分配 6. 静态IP地址和动态IP地址 IP地址可以分为静态IP地址

16、和动态IP地址两大类。 静态IP地址是分配给某个主机的固定的IP地址，由这个主机一直占用而不管这个主机是否与Internet进行通信，因此不能再分配给其他主机 2.3.3 TCP协议和协议和IP协议协议1. TCP协议协议 1）TCP的报文格式 TCP报文格式如图 2 ）TCP的连接管理2. IP协议协议 IP协议在TCP/IP协议族中处于中心位置，数据的传输必须使用IP协议，TCP协议通过IP协议传送数据报 ，典型的IP头部如图 2.3.4 域名系统域名系统 域名系统DNS（Domain Name System）采用了层次化的、分布式的、面向客户机/服务器模式的名字管理来代替原来的集中管理，

17、并允许命名管理者在较低的结构层次上管理它们自己的名字 1. 域名的结构 2. 域名解析 :域名解析主要包括了域名转换和域名缓存两方面的内容 . 1）域名转换 2）域名缓存小结小结 首先学习了网络体系结构的发展情况，随后介绍了其定义、网络分层的原则及好处；这有助于读者对网络体系结构有个初步的概念，为下面重点介绍的例子提供基础。 接着学习的是OSI/RM模型，这是国际标准组织制定的，它的分层思想对于深入了解网络通信的实现是非常有帮助的，其各层功能清晰，还提供了一些常用的参考建议，这对于实践的指导意义是较高的。最后，重点介绍世界通用的标准TCP/IP协议；它虽不是国际标准制定的建议，却得到了世界各大计算机生产商及用户的认可并普遍使用，特别是Internet采用了此标准，进一步推广了其广泛应用