第3章计算机网络体系结构

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1、第第 3 章章 计算机网络体系结构计算机网络体系结构 3.1 3.1 网络体系结构及协议网络体系结构及协议 计算机网络作为一个复杂系统，有一个核心问题是：如何从整体上描述其框架，形成各方共同遵守的参照标准，尽可能为用户提供通信和资源共享服务，同时，又使不同厂商各自开发和生产的产品相互兼容。 网络体系结构就是研究如何构建网络的结构？以及如何根据网络结构来制定网络通信的规范和标准等问题。 网络体系结构是分析、研究和实现当代计算机网络的基础，具有一般地指导性和原则性，也是贯穿计算机网络整个学科的一根主线。 3.1.13.1.1问题的提出问题的提出 网络的规模越来越大，增值应用不断增多，网络也因此变得

2、更加复杂。面对复杂的计算机网络系统。关键问题是： （1）如何将计算机网络系统合理地分层； （2）如何构建网络体系结构（抽象化描述）； （3）如何将其模型化。 美国ARPA网（Internet的前身）就是采用了分层结构构建的，它确立了通信子网和资源子网两层逻辑网络和网络层次结构等概念。 随着各种广域网和公用分组交换网的出现，各计算机系统产商纷纷设计和开发出自已的网络体系结构和计算机网络产品，但随之而来的是网络系统结构与网络协议的标准化问题，即不同网络产品如何实现互联互联（或如何兼容兼容问题）。 国际标准化组织ISO在1984年颁布了“开放系统互联基本参考模型”(Open System Inter

3、connection Basic Reference Model，简称OSI)。 OSI模型统一统一了各种网络体系结构的功能标准标准，为网络理论体系的形成与网络技术的发展做出了重大贡献。 3.1.2 3.1.2 体系结构及网络协议的概念体系结构及网络协议的概念 计算机网络系统要完成复杂的各种功能，不可能只制定一个规则就能描述所有问题，应分层来制定规则。 关键问题：如何分层次的问题。 1.1.分层分层( (层次层次) )结构结构 分层结构使每一层实现一个独立的功能，层与层之间是独立的。通过划分多个层次，使每一层只关注和解决本层通信中的规则问题，低层不影响高层所执行的功能。图图3-1 分层结构示意

4、图分层结构示意图分层结构易于实现和维护，并利于交流、理解和标准化。2.2.分层的原则分层的原则 （1)每层的功能应当明确，并且是相互独立的; （2)同一节点相邻层之间，可通过接口通信； （3)层数应适中。 （4）每一层都使用其下一层的服务，并为上一层提供服务。 （5）网中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。3.3.网络的协议网络的协议 节点间通信（数据交换）的规则、标准或约定的集合统称为网络协议（Network Protocol），它是同等层实体之间通信的规则。网络协议的三要素： （1）语义-需要发出何种控制信息、完成何种动作及得到的响应等。 （2）语法-数据与

5、控制信息的格式、结构、编码及信号电平等。 （3）交换规则（也称时序关系)-通信事件的执行顺序、速度匹配及对事件实现顺序的说明。 协议实质上是网络通信时的一种语言。不同结构的网络，不同厂家的网络产品，所使用的协议可能不一样。但都遵循一些协议标准，使不同厂家的网络产品能够互联。4.4.网络的体系结构网络的体系结构 网络体系结构（Network Architecture）是指计算机网络各层次及其协议的集合。两个网络的体系结构不完全相同称为“异构网络”，异构网络之间的通信需要特殊连接设备进行协议转换。 网络体系结构规定了每一层须完成的功能。可见，网络体系结构是关于计算机网络设几层？有哪些层次？以及每层

6、应提供哪些功能的精确定义。 但注意，它只是从功能上描述计算机网络的结构，而不涉及每层硬件和软件的组成，也不涉及这些硬件或软件的实现问题。因此，网络体系结构是抽象的。图图3-2层次结构模型图层次结构模型图 3.1.33.1.3接口、实体与服务接口、实体与服务 1. 1.接口接口(Interface)(Interface) 层次化网络体系结构中，每一层中活动的元素被称为实体实体(Entity)(Entity)。实体可以是软件实体，如一个进程或子程序；也可以是硬件实体，如智能I/O芯片等。 服务通过各相邻层之间的接口完成，接口接口是上层实体和下层实体交换数据的地方，也称为服务访问点SAP，它定义了较

7、低层向较高层提供的原始操作和服务。 每一个SAP都有一个惟一的标识，称为端口（Port）或套接字（Socket），相邻层之间通过它们的接口交换信息。 2. 2.协议和服务的关系协议和服务的关系 协议和服务是两个不同的概念。协议是“水平”的，即协议协议是不同系统对等层实体之间的通信规则。服务则是“垂直”的，即服务服务由同一系统中下层实体向上层实体通过层间的接口提供。 n层实体向n+1层实体提供的服务，包括三部分： （1）n层实体的某些功能与服务。 （2）从n-1层及以下各层实体及本地系统得到的服务。 （3）通过与对等的n层实体的通信得到的服务。3.2 OSI3.2 OSI参考模型参考模型 开放系

8、统互联（Open System Interconnection）参考模型（简称OSI/RM），是1983年正式批准的、标准化、开放式的网络体系结构模型。“开放”表示任何两个遵守OSI的系统都可以互联，当一个系统能按OSI与另一个系统通信时，就称该系统为“开放系统”。 3.2.1 OSI/RM 3.2.1 OSI/RM的结构的结构 OSI是不同制造厂商的设备和应用软件，在网络中进行通信的标准，是计算机网络的主要结构模型。目前使用的大多数网络通信协议的结构都是基于OSI模型的。 OSI包括：体系结构、服务定义和协议规范三级抽象。OSI的体系结构定义了一个七层模型。 1.OSI/RM1.OSI/RM

9、的的结构结构 OSI/RM采用七层的体系结构，即将网络通信过程定义为七层。每一层都是独立存在的，分配到各层的任务独立执行，这样，变更其中某层提供的方案时不影响其他层。 OSI/RM七层体系结构，从下到上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 在实际当中，只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能，而在通信子网中的节点机，一般只需要低三层甚至低二层的功能即可。图图3-3 OSI参考模型参考模型 2.OSI/RM2.OSI/RM层次间数据的传递层次间数据的传递 发送进程送给接收进程和数据，实际上是经过发送方各层,从上到下传递到物理介质；通过物理介质传输到接收方后，再经过

10、从下到上各层的传递，最后到达接收进程。 在发送方从上到下逐层传递的过程中，每层都要加上适当的控制信息，H7、H6、H1统称为报头（Head）。报头的内容和格式就是该层协议的表达、功能和控制方式的表述,这个过程称为报头封装过程报头封装过程。 到最底层成为由“0”或“1”组成的数据比特流，然后,再转换为电信号在物理介质上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息，此过程称为报头剥离过程。 因接收方的某一层只阅读和去除本层的控制信息，并进行相应的协议操作。发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的，就好像这些信息“直接直接”传给对方一样。图图3-4 层间数据传

11、递过程层间数据传递过程 3.2.2 OSI/RM3.2.2 OSI/RM各层的基本功能各层的基本功能 1.1.物理层物理层 物理层是OSI参考模型的最低层，任务是为它的上一层（数据链路层）提供一个物理连接，以便传送比特（bit）流。物理层的数据传输单位：比特bit。 （1 1）物理层的基本功能）物理层的基本功能 CCITT(国际电报电话咨询委员会)，现为国际电信联盟（ITU）对物理层做了如下定义：利用物理(机械)的、电气的、功能的和规程的特性在DTE(数据终端设备)和DCE(数据通信设备)之间,实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。 机械特性机械特性 规定了物理连接时,对插头和插座的几何尺寸、

12、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。 图图3-5 DCE连接器机械特性连接器机械特性 电气特性电气特性-规定了在物理连接上导线的电气连接及有关电路特性。包括接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明以及与互连电缆相关的规则等。此外，还规定了DTE-DCE接口线的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等参数。 功能特性功能特性-规定了接口信号的来源、作用以及与其他信号间的关系。 规程特性规程特性-规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用，使比特流传输得以完成。 （2 2）物理层的基本协议物理层的基本协议 物理层的基本协议规

13、定了接口的机械连接特性、电气信号特性、信号功能特性以及交换电路的规程特性，使不同的制造厂家，能够根据公认的标准各自制造设备，但产品都能相互兼容。 物理层的基本协议：美国EIA的RS-232C协议、RS-499协议和CCITT的X.21协议等。图图3-6 DTE-DCE接口框图接口框图 例如：RS-232C标准是EIA在1969年颁布的一种串行物理接口，RS-232C的机械特性规定使用一个25芯的标准连接器，并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置等做了详细说明。 图图3-7 RS-232C的远程连接和近地连接的远程连接和近地连接2.数据链路层数据链路层 在OSI参考模型中，数据链路层位于第二层。

14、数据链路是指传输数据的链路，表示一种逻辑连接。数据链路层数据传输单位是“帧”（Frame）。（1 1）数据链路层的基本功能）数据链路层的基本功能 数据链路层负责帧在计算机之间无差错地传递。为了将一条原始的、有差错的物理连接，变为对网络层无差错的数据链路，数据链路层应具有如下功能： 数据链路建立、维护与释放的管理工作； 数据链路层服务数据单元“帧”的传输； 差错检测与控制； 流量控制； 帧接收顺序的控制。（2）数据链路层的协议）数据链路层的协议 数据链路层可分为两个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。 LLC子层的基本协议有：ISO的高级数据链路控制协议HDLC。 MA

15、C子层的基本协议有：IEEE（美国电气电子工程师协会）802.3、IEEE 802.4、IEEE 802.5等多种协议。 3.3.网络层网络层 网络层是OSI参考模型中的第三层，它传送的数据单元是数据“分组”或称数据“包”（Packet）。它在数据链路层提供数据帧传送基础上，选择合适的路由和交换节点，使从源节点传输层得到的数据能准确、高效到达目的节点。 （1 1）网络层的基本功能）网络层的基本功能 1）通信子网的运行控制。 2）数据分组跨越通信子网，从源端传送到目的端。 （需通过路由算法进行数据分组传输路径的选择） 3）网际互联的问题。 网络层主要功能是：路由选择、阻塞控制和网际互联。 在网络

16、层因为要涉及不同网络之间的数据传送，所以，如何表示和确定网络地址和主机地址，也是网络层协议的重要内容之一。 （2）网络层的基本协议）网络层的基本协议 网络层的协议：CCITT的X.25协议、IP网际协议。 （3）网络层提供的服务）网络层提供的服务 1）虚电路服务-所谓虚电路是指端到端间的一种逻辑连接，故称“虚”电路。虚电路服务是网络层向传输层提供的，是使所有分组按顺序到达目的端的数据传送方式。 虚电路服务是网络层向传输层提供的服务，虚电路服务是一种面向连接的服务。 2）数据报服务 数据报服务由数据报交换网提供。端系统的网络层同网络节点的网络层之间，按照数据报方式交换数据。当端系统要发送数据时，

17、网络层给该数据附加上地址、序号等信息，然后，作为数据报发送给网络节点。 如：在ARPANET、DNA等网络中，都提供数据报服务。数据报服务是一种面向无连接的服务，它类似于邮政系统的邮件传递过程。 4. 4.传输层传输层 在OSI七层模型中，物理层、数据链路层和网络层通常称为面向通信子网的低三层。传输层是面向通信的低三层和面向信息处理的高三层之间的中间层，其上各层面向应用，是属于资源子网的问题；其下各层面向通信，主要解决通信子网的问题。 传输层是一个中间过渡层，起承上启下的作用，负责端到端的可靠传输。传输层数据传输的单位：报文（Message）。当报文较长时，先分成几个分组，然后再交给下一层（网

18、络层）进行传输。 传输层利用网络层提供给它的服务，开发本层的功能，并向它的上一层即会话层提供服务。 （1 1）传输层的基本功能）传输层的基本功能 寻址。传输层确定网络的目标地址。 完成连接的多路复用和解复用。为了利用网络连接，传输层必须执行多路复用和解复用的操作。 建立和释放传输连接。 对端对端的差错检测及对服务特性的监督。 端对端的分段、分组和接续。 单一连接上的端对端的流量控制。（2 2）传输层的基本协议）传输层的基本协议 传输层的主要协议：面向连接的传输服务定义-ISO 8072和面向连接的传输协议规范-ISO 8073及TCP协议。5.5.会话层会话层 会话层负责在网络中的两节点之间，

19、建立和维持通信。“会话”指在两个实体之间建立数据交换的连接，常用于终端与主机之间的通信。 会话层的功能：建立通信链接和保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时，从何处重新发送等。 6.6.表示层表示层 表示层负责对数据进行格式转化，管理数据的解密与加密，此外，还对图片和文件格式信息进行解码和编码等。 表示层的功能：通过编码规则，定义在通信中传送这些信息，所需要的传送语法。 表示层提供两类服务：相互通信的应用进程之间交换信息的表示方法，以及表示连接服务。7.7.应用层应用层 应用层是OSI模型的最高层，它负责对软件提供接口，使程序能享用网络服务。应用层

20、为用户的应用进程访问OSI环境提供服务。 应用层提供的服务：文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理等。 应用层的基本协议：文件传输协议FTP、超文本传输协议HTTP、简单邮件传输协议SMTP，域名服务协议DNS，远程过程调用协议RPC，简单网络管理协议SNMP等。 需要注意的是： 1）OSI参考模型只是一个为制定标准而设计的概念性框架，仅仅是功能参考模型。在OSI中，只有各种协议是可以实现的，网络中的设备只有与OSI和有关协议相一致时，才能互联。 2）在各种终端设备之间、计算机网络之间以及操作系统进程之间交换信息的过程中，参照OSI模型进行网络标准化的结果，就是使得各个系统之间都是“开放”的

21、，而不是封闭的。凡是遵守这一标准的系统之间都可以实现互联。 3.2.3 3.2.3 HDLCHDLC协议协议 高级数据链路控制（High-level Data Link Control，简称HDLC）协议是一个典型的数据链路层协议，广泛应用于X.25网及许多网络的数据链路层，数据单位为“数据帧”。 HDLC协议是一个面向位的协议，支持半双工和全双工通信。面向位的含义是：协议把帧当作位（bit）流，而不区分字节的值。 所有帧均采用CRC校验，对信息帧进行顺序编号，防止漏接收或重复，传输可靠性较高。网络设计常采用HDLC协议。 1.1.HDLCHDLC定义定义的工作站的工作站 HDLC定义了三种类

22、型的工作站：主站、从站和组合站。 （1）主站 链路上用于控制的站称为主站，主机一般是主站。 （2）从站 其他受主站控制的站称为从站，也称客户站。它不发送命令给其他站，但它能发送数据给其他站。由主站发往从站的帧称为命令帧，而由从站返回主站的帧称为响应帧。 （3）组合站 兼有主站和从站的功能，这种站称为组合站。图图3-8 三种工作站三种工作站 2.HDLC2.HDLC的帧格式的帧格式 在HDLC中，数据和控制信息均以帧的标准格式传送，命令和响应以统一的格式按帧传送。一个完整的HDLC帧由标志字段(F)、地址字段(A)、控制字段(C)、信息字段(I)及帧校验码字段(FCS)等组成。 表表3-1 HD

23、LC的帧格式的帧格式（1）标志字段（F）-标志字段是01111110，用以标志帧的起始和前一帧的终止。在不传送帧的时刻，标志字段可作为帧与帧之间的填充字符。此状态下，发送方不断地发送标志字段，接收方则检测每一个收到的标志字段，一旦发现某个标志字段后面不再是一个标志字段，便认为是一个新的帧传送开始。（2）地址字段（A）-在操作方式中，有主站、从站和组合站之分，每一个从站和组合站都分配有一个唯一的地址。命令帧中地址字段的地址是对方站的地址，响应帧中地址字段的地址是本站的地址。 全“1”地址表示包含所有站的地址，称为广播地址，含有广播地址的帧将传送给链路上所有站。（3）控制字段（C）-控制字段用于构

24、成各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制。发送方主站用控制字段通知被寻址的从站执行约定的操作；相反，从站用该字段作为对命令的响应，报告已完成的操作，该字段是HDLC的关键字段。 控制字段中的第1位或第1、2位表示传送帧的类型，第7位是P/K位，即轮询/终止位。为了进行连续传输，需要对帧进行编号，所以，控制字段中通常还包括帧的编号。（4）信息字段（I）-信息字段可以是任意的二进制比特串，长度未做严格限定，其上限由FCS字段或站点的缓冲容量确定。用得较多的是1000b2000b；而下限可以为0（即没有信息字段）。（5）帧校验码字段（FCS）-帧校验码字段可以使用16位CRC，对两个标志字段之间整

25、个帧的内容进行校验。根据CCITT V.41建议，FCS的生成多项式规定为：X16+X12+X5+1。3.3 基于基于OSI/RM体系结构体系结构的的实例实例 OSI参考模型只是定义了分层结构中每一层，向其高层所提供的服务和功能，并没有为互联结构的服务和协议提供详细的细节。即OSI参考模型并非是具体实现的协议的描述，它只是一个为制定标准而设计的概念性框架或功能参考模型。 对于实际的网络，其体系结构并不一定是七层，也许是四层或两层。也就是说，实际的网络体系结构并非具有OSI模型的全部七层功能。3.3.1 3.3.1 InternetInternet体系结构体系结构TCP/IPTCP/IP参考模型

26、参考模型 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）/IP（Internet Protocol，互联网协议）协议是一簇网络互联标准协议。众多厂家的网络产品都支持TCP/IP协议，并被广泛用于Internet连接的所有计算机上，实际上，TCP/IP已成为事实上的工业标准。 1.TCP/IP1.TCP/IP参考模型参考模型 TCP/IP模型采用四层的分层体系结构，将协议由下向上依次分成：网络-接口层、网际层、传输层和应用层。图图3-9 TCP/IP与与OSI各层的对比关系各层的对比关系 图图3-10 TCP/IP协议集协议集 2.TCP/IP 2.TCP/I

27、P各层次的协议（协议簇）各层次的协议（协议簇） 3.3.2 3.3.2 局域网体系结构局域网体系结构LANLAN参考模型参考模型 由于局域网只是一个计算机通信网，而且局域网不存在路由选择问题，因此，它不需要网络层，而只需最低的两个层次：物理层和数据链路层即可。 1. 1.物理层物理层 主要功能： （1）信号的编码和译码； （2）为进行同步，进行前同步码的产生与去除； （3）比特的传输与接收。 2. 2.数据链路层数据链路层 包括逻辑链路控制(LLC)和介质访问控制（MAC）二个子层。 其中LLC子层执行OSI数据链路协议的大部分功能和网络层的部分功能，并具有帧顺序控制、差错控制、流量控制等功能

28、。MAC子层（介质访问控制）提供CSMA/CD等访问控制协议。 MACMAC子层的主要功能：子层的主要功能： （1）将上层传下来的数据,封装成帧进行发送； （2）实现和维护MAC层的协议； （3）进行比特差错检测； （4）进行寻址。 3.LLC3.LLC子层与子层与MACMAC子层的区别：子层的区别： 1）在LLC子层上看不到具体的局域网，只有下到MAC子层，才看见所连接的是采用什么标准的局域网（是总线网、令牌总线网还是令牌环形网）。 2）与接入传输媒体有关的都放在MAC子层，MAC子层负责在物理层的基础上进行无差错的通信。而与接入传输媒体无关的部分，都放在LLC子层。 总之，局域网是一个通信

29、网，根据总之，局域网是一个通信网，根据OSIOSI模型，其通信模型，其通信子网只有低二层功能：子网只有低二层功能： 物理层物理层负责通信中的物理连接及传输媒质上的负责通信中的物理连接及传输媒质上的比特传送；比特传送； 数据链路层数据链路层负责对信息帧进行传送和控制；负责对信息帧进行传送和控制； 由于局域共享传输媒质，其拓扑结构简单，无需进由于局域共享传输媒质，其拓扑结构简单，无需进行路由选择和交换功能，而流量控制等功能又可放到数行路由选择和交换功能，而流量控制等功能又可放到数据链路层中实现，所以，据链路层中实现，所以，在局域网中可不设置网络层在局域网中可不设置网络层。 与计算机网络相关的国际标

30、准化组织：与计算机网络相关的国际标准化组织： 1 1、国际标准化组织、国际标准化组织 国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO） 美国电气电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE） 2 2、InternetInternet标准化组织标准化组织 因特网协会（Internet Society，ISOC） 因特网体系结构研究委员会（Internet Architecture Board，IAB） 因特网工程任务部（Internet Engineering Task Force，IETF） 3 3、电信标准化组织、电信标准化组织 国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union） 国际电报电话咨询委员会CCITT （Consultative Committee International Telegraph and Telephone）