1、,第3章 计算机网络体系结构, 【学习目标】,计算机网络体系结构是计算机网络课程中的重要内容，通过本章的学习我们将掌握计算机网络的层次结构理论和两种层次模型：开放式系统互连（OSI）参考模型和TCP/IP参考模型，进一步理解和掌握计算机网络的概念和基本原理。, 【学习要点】,1理解网络体系的概念 2理解网络协议的概念 3掌握ISO/OSI参考模型的层次结构和各层功能 4掌握TCP/IP体系结构的各层功能 5了解OSI与TCP/IP参考模型的区别 6了解TCP/IP主要的功能及特点,3.1 网络体系结构的基本概念,随着计算机网络技术的不断发展，出现了多种不同结构的网络系统，如何实现这些异构系统的
2、互连？采取什么样的有效方法来分析这些复杂的网络系统？,？,3.1.1 网络体系结构的形成,计算机网络的体系结构采用了层次结构的方法来描述复杂的计算机网络，把复杂的网络互连问题划分为若干个较小的、单一的问题，并在不同层次上予以解决。,3.1.2 网络体系的分层结构,1层次结构的概念(如邮局) 2划分层次结构的优越性,各层之间相互独立。某层只要知道下一层所提供的服务，不需了解其实现的细节。（如：邮局通信邮局层不需要知道通信人层的写信内容） 灵活性好。若某层发生变化，只要接口关系不变，则上、下层均不受影响，便于修改、取消某层提供的服务。 结构上可分割开，各层都可以选择最合适的实现技术。如：邮局分拣信
3、件。 整个系统被分割为若干个范围较小的部分，便于实现调试和维护。 每一层的功能和所提供的服务都有精确的说明，有助于标准化。,3.1.2 网络体系的分层结构,3层次结构的主要内容 4层次结构划分原则,每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层具体实现方法更新时，只要保持与上、下层接口不变，那么就不会对邻层产生影响。 层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。 层数应适中。若层数太少，则层间功能的划分会不明确，多种功能混杂在一层中，造成每一层的协议太复杂。若层数太多，则体系结构过于复杂，各层组装时的任务要变得困难。,3.1.2 网络体系的分层结构,5层次结构模型,图3-1 网络体系的层次
4、结构模型,3.1.3 层次结构中的相关概念,1实体能够发送和接收信息的任何东西。它并不是指一台计算机、电话或交换机，而往往是进程、用户程序、网管系统等。对等实体 指处于不同节点的相同层次的实体。,3.1.3 层次结构中的相关概念,2协议网络协议指的是通信实体之间的各种约定的集合，而实体间不是谁和谁都可以直接通信的，对等实体之间才可以通信。 一个网络协议主要由以下3个要素组成： （1）语法，指数据与控制信息的结构或格式，如数据格式、编码及信号电平等； （2）语义，指用于协调与差错处理的控制信息，如需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答； （3）定时，指事件的实现顺序，如速度匹配、排序
5、等。,3.1.3 层次结构中的相关概念,3接口 定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。 4服务,服务原语 服务用户与服务提供者之间要进行交互，交互的信息称为服务原语。 如： 请求：表示某实体希望开始调用服务做事。 指示：表示某实体被通知有事件发生。 响应：表示某实体对事件做出响应。 确认：表示对发回响应的确认。 服务原语由原语名字、原语类型和原语参数组成。,面向连接的服务和无连接服务 服务分为： 面向连接的服务 无连接服务 面向连接的服务 在数据交换之前必须经过建立连接、维护连接和拆除连接三步工作。 特点：可靠性高，保证数据顺序传输。 无连接服务 在数据交换之前不需要建立连接，按目的地址一
6、步步传输数据。 特点：不需要维持连接的额外开销，但可靠性较低，也不保证数据的传输顺序。,3.1.3 层次结构中的相关概念（续）,5层间通信 实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信，这包含了下面两方面的通信。 （1）相邻层之间通信 （2）对等层之间通信,图3-4 对等实体通信实例,3.2 开放系统互连参考模型,采用不同网络体系结构的网络系统有没有办法实现互连？如果可以，有什么要求？,？,3.2.1 OSI参考模型,OSI参考模型采用了层次结构，将整个网络的通信功能划分成七个层次，每个层次完成不同的功能。这七层由低层至高层分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、
7、表示层和应用层，如图3-5所示。,图3-5 OSI参考模型,3.2.2 OSI/RM各层的主要功能,1物理层 物理层（Physical Layer）处于OSI参考模型的最低层。物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明地传送“比特”流。物理层传输的单位是比特（Bit），不去考虑比特流的意义和结构。,工作方式：,物理层的功能,物理连接的建立、维护与释放 一个数据链路层实体请求另一个数据链路层实体建立连接时，物理层应能立即为它们建立相应的物理连接，在通信时，要维持这个连接，通信结束时，要立即释放连接。 物理服务数据单元的传输 在物理连接上，一般采用 串行传输 一个一个比特
8、按时间顺序传输； 并行传输 几个比特的并行传输。 串行传输方式可采用 异步（群同步）方式 系统要配置异步适配器 同步（位同步）方式 系统要配置同步适配器 物理层的管理 指完成某些管理事务，如：何时发送、接收、异常情况处理、故障情况报告等。,物理层的特性,四个特性： 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性,物理层的主要任务 描述为确定与传输媒体的接口的一些特性。,1. 机械特性,规定接口所用接线器的形状、几何尺寸、引线数目和排列方式、固定和锁定装置等。,如规定：25芯接头、34芯、9芯；固定螺丝中心之间的距离；引脚分上下排列等。,2. 电气特性,DTE(数据终端设备)与DCE(数据通讯设备)之间
9、有多条信号线，除地线外，每条信号线都有其发送器和接收器。电气特性规定了这些信号的连接方式、发送器和接收器的电气参数。如：阻抗、电压范围等。,3. 功能特性,对接口连线的功能给出确切的定义。,4. 规程特性,使用接口线实现数据传输的操作过程，即在物理连接的建立、维持和解释时，DTE/DCE双方在各电路上的动作序列。规定了事件发生的合法顺序。如：哪根针请求发送，哪根针允许发送，哪根针发送。,物理层协议举例,EIA-RS-232-C接口标准。 机械特性： 规定使用25芯的标准连接器，并对该连接器的尺寸及针和孔芯的排列位置等作了详细说明。 电气特性： 规定逻辑“1”的电平为5至15伏； 规定逻辑“0”
10、的电平为5至15伏。 功能特性： 定义了25芯标准连接器中的20根信号线。,3.2.2 OSI/RM各层的主要功能,2数据链路层 在物理层提供比特流传输服务的基础上，数据链路层（Data Link Layer）通过在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以“帧”为单位的数据，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，保证点到点（point-to-point）可靠的数据传输。,数据链路层,负责将数据组成帧及怎样在网络中传输帧，并负责检测和纠正错误。 工作方式：,数据链路层的主要功能,链路管理功能 流量控制功能 差错控制功能 帧同步功能,1链路管理功能,数据链路层连接的建立、维持和释放称为链路管理。链
11、路管理功能主要用于面向连接的服务。 通信前：确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息，以对帧序号初始化，建立连接。 通信中：在传输过程中维持该连接。 通信完：释放连接。,2流量控制功能,由于收发双方各自使用的设备工作速率和缓冲存储的空间的差异，可能出现发送方发送能力大于接收方接收能力的现象，所以要进行流量控制。,3差错控制功能,一个实用的通信系统必须具备检错和纠错的能力，使差错控制在所能允许的尽可能小的范围内，数据链路层具有这个功能。 差错检测方法： CRC码，即循环冗余码。 如何检测： 接收方每收到一帧数据，便检查是否出错，若错了，要求发方重发，直至收到正确的帧为止。,4帧同步功能,接收
12、端能从收到的比特流中准确地识别一个帧的开始和结束。 如：采用曼彻斯特编码等。,3.2.2 OSI/RM各层的主要功能（续）,3网络层 网络层（Network Layer）是OSI参考模型中的第三层，它建立在数据链路层所提供的两个相邻节点间数据帧的传送功能之上，将数据从源端经过若干中间节点传送到目的端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。 （1）网络层的信息传输单位是分组（Packet）。 （2）逻辑地址寻址。 （3）路由功能。 （4）拥塞控制。 （5）流量控制,3.2.2 OSI/RM各层的主要功能（续）,4传输层 传输层（Transport Layer）的主要目的是向用户提供无差错
13、可靠的端到端（end-to-end）服务，透明地传送报文，提供端到端的差错恢复和流量控制。 传输层关心的主要问题是建立、维护和中断虚电路、传输差错校验和恢复以及信息流量控制等。 传输层提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”（数据报）两种服务。,3.2.2 OSI/RM各层的主要功能（续）,5.会话层 实现建立、管理和终止应用程序进程之间的会话和数据交换，会话层在两种功能间起连接作用。 会话层对会话用户之间的对话和活动进行协调管理。即：进行会话管理与会话同步。 如：两人讲话：协调好发言权（权标），听、说同步，没听清从何处重讲，讲完后结束。,3.2.2 OSI/RM各层的主要功能（续）,6表示层
14、表示层（Presentation Layer）保证一个系统应用层发出的信息能被另一个系统的应用层读出。,不同的机器采用不同的编码方法来表示数据类型和数据结构（如ASCII、反码或补码等）。为了让采用不同编码方法的计算机通信交换后能相互理解数据的值，可采用抽象的标准方法来定义数据结构，并采用标准的编码表示形式。 作用：数据格式转换、数据加密、解密等。,3.2.2 OSI/RM各层的主要功能（续）,7应用层,应用层是七层协议的最高层，底层所有的协议的最终目的都是为应用层提供可靠的传输手段。 负责管理应用程序之间的通信。 主要功能：文件传输、虚拟终端、事务处理、网络管理等。,3.2.3 OSI/RM
15、数据流向,层次结构模型中数据的实际传输过程如图3-9所示。图中发送进程传输给接收进程数据，实际上是经过发送方各层从上到下传输到物理传输介质；通过物理传输介质传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。,图3-9 OSI参考模型的数据流向,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层 PDU 再传送到运输层,加上运输层首部，成
16、为运输层报文,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,IP 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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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物理媒体,计算机 1 向计算机 2 发
17、送数据,应用层(application layer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,计算机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1
18、,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,计算机 1
19、 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,10100110100101 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,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计
20、算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,H3,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,H4,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层
21、剥去应用层 PDU 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,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,3.2.4 对等层之间的通信,数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程，到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程，如图3-10所示。,图3-10 数据的封装与拆封,3.3 TCP/IP参考模型,我们在给计算机设置IP地址的时候，可以在本地连接的【状态】/【属性】/【常规】中看到有一个项目为“Internet协议（TCP/IP）”。究竟什么是TCP/IP体系？TCP/IP
22、与OSI/RM有什么样的对应关系？,？,TCP/IP工作原理源主机的应用层将一串字节流传递给传输层。 传输层将字节流分成TCP段，添加TCP包头交给网络层。 网络层生成一个包，将TCP段放入其数据域并添加源和目的主机的IP地址，将IP包交给数据链路层。 数据链路层在其帧的数据部分组装IP包，发往到目的主机或IP路由器。 目的主机中的数据链路层删除数据链路层帧头，将IP包交给网络层。,TCP/IP工作原理网络层检查IP包头，如果包头中的检查和与计算结果不一致，则丢弃该包。 如果检查一致，网络层删除IP头。将TCP段交给传输层，传输层检查顺序号判断是否为正确的TCP段。 传输层为TCP包头计算TC
23、P头和数据。如果不对，传输层丢弃这个包；否则向源主机发送确认。 目的主机中的传输层删除TCP头,将字节流传递给应用程序。,3.3.1 TCP/IP参考模型的层次划分,1TCP/IP的特点 （1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。 （2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，以及互联网中。 （3）统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址。 （4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,3.3.1 TCP/IP参考模型的层次划分（续）,2TCP/IP参考模型的层次,图3-11 OSI/RM与TCP/IP对应关系,3.
24、3.2 TCP/IP参考模型各层的功能,1)网络接口层 对应于OSI的最下两层 主机用某种协议与网络连接，以便通过网络传递IP分组。 接口类型 设备驱动程序 如LAN的接口（网卡驱动程序）,以太网、令牌网、无线介质、设备等都在此层工作。,3.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能,2)网际层 网际层又称互联层，是TCP/IP参考模型的第二层.,对应于OSI的网络层 有效地解决异种网络互连问题 屏蔽异种网络 全网统一标识 （IP地址标识所有主机和路由器） 设计思想高效、简洁 提供不可靠的无连接服务，“尽力传递” 假设物理信道的传输质量可以保障，由传输层纠错 典型协议：网际协议IP,3.3.2 T
25、CP/IP参考模型各层的功能,3)传输层 传输层位于网际层之上，它的主要功能是负责应用进程之间的端到端通信。,对应于OSI的传输层 典型协议 传输控制协议TCP 可靠、面向连接、字节流，有流量控制 把应用层提供的字节流划分成块传输 用户数据报协议UDP 不可靠、无连接、数据报，无流量控制,3.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能,4)应用层 应用层是最高层。它与OSI模型中的高3层的任务相同，用于提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。,对应于OSI的最高三层 典型协议： 远程登录协议Telnet 文件传输协议FTP 简单邮件传输协议SMTP 超文本传输协议HTTP
26、简单网络管理协议SNMP 域名服务DNS,TCP/IP模型的重要分界线,TCP/IP数据流,在源端的数据封装（Encapsulation） 头部（Header）说明 在宿端的数据解封,69,数据封装,应用,TCP,IP,以太网 驱动程序,用户数据,用户数据,App头,TCP头,TCP头,IP头,TCP头,IP头,Eth头,Eth尾,应用数据(块),TCP分节,IP分组,以太网帧,以太网电缆,发送方,App头,App头,App头,用户数据,用户数据,用户数据,70,应用数据（块）,数据解封,应用,TCP,IP,以太网 驱动程序,用户数据,用户数据,App头,TCP头,IP分组,Eth头,Eth尾
27、,以太网帧,以太网电缆,接收方,IP头,TCP 分节,IP分组,TCP分节,应用数据(块),TCP/IP网络体系结构,3.4 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,虽然OSI参考模型与TCP/IP参考模型存在着不少共同点，但是它们的区别还是相当大的。OSI参考模型与TCP/IP参考模型两者之间有什么区别呢,？,OSI参考模型与TCP/IP的比较,OSI模型有7层，TCP/IP协议模型4层 OSI模型支持无连接和面向连接的通信，但传输层仅有面向连接的通信； TCP/IP模型在Internet层只有一种通信模式，在传输层支持两种模式，两者的协议标准是不同的。,OSI 与 TCP/IP 体系结构的比较,3.4 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,（1）法律上的国际标准OSI并没有得到市场的认可，非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用，TCP/IP常被称为事实上的国际标准。 （2）OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力。 （3）OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低。 （4）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市场。 （5）OSI的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。 （6）OSI引入了服务、接口、协议、分层的概念，TCP/IP借鉴了OSI的这些概念建模。,
