1、1,本节学习目标,l 了解开放系统互连参考模型中的若干重要概念(分层、协议、网络体系结构) l 熟悉OSI/RM各层协议的功能及基本原理并掌握传输控制协议TCP/IP,2,网络体系结构概述,计算机网络系统是由各种各样的计算机和终端设备通过通信线路连接起来的复杂系统。在这个系统中，由于计算机类型、通信线路类型、连接方式、同步方式、通信方式等的不同，给网络各结点的通信带来诸多不便。要使不同的设备真正以协同方式进行通信是十分复杂的。要解决这个问题，势必涉及通信体系结构设计和各厂家共同遵守约定标准等问题，这也即计算机网络体系结构和协议问题。,3,网络体系结构的基本概念-协议,计算机网络是由多个互连的结
2、点组成的，结点之间需要不断地交换数据与控制信息； 要做到有条不紊地交换数据，每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则； 这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序； 这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议(Protocol)。,4,语法，语法是指构成应用数据的一组规则，是数据的表示形式，它涉及文字、图像、数据等的表示；语法实际上是一种对应用数据单元符号比特串的解释方法；语义，是指一个数据的特定内容及含义，语义是由应用层负责处理的，只有应用实体才能知道数据的意义；时序，即对事件实现顺序的详细说明。,网络协议的三个要素,5,网络体系结构的概念,一个功能完备的计算机网络需要制定一整套
3、复杂的协议集； 对于结构复杂的网络协议来说，最好的组织方式是层次结构模型，计算机网络协议就是按照层次结构模型来组织的； 网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构(Network Architecture)。,6,OSI开放系统互连参考模型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。OSI采用这种层次结构可以带来很多好处。如： （1）各层之间是独立的。 （2）灵活性好。当任何一层发生变化时（例如技术的变化），只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。 （3）结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。 （4）易于实现和维护。这种结构使得实现
4、和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。 （5）能促进标准化工作，因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。,分层的好处,7,网络体系结构的发展,1974年，美国IBM公司首先公布了世界上第一个计算机网络体系结构（SNA，System Network Architecture），凡是遵循SNA的网络设备都可以很方便地进行互连。 1977年3月，国际标准化组织ISO的技术委员会TC97成立了一个新的技术分委会SC16专门研究“开放系统互连”，并于1983年提出了开放系统互连参考模型，即著名的ISO 7498国际标准（我国相应的国家标准是
5、GB 9387），记为OSI/RM。,8,五. ISO将整个通信功能划分为七个层次，划分层次的原则是：,1.网中各结点都有相同的层次；2.不同结点的同等层具有相同的功能；3.同一结点内相邻层之间通过接口通信；4.每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；5.不同结点的同等层按照协议来实现对等层之间的通信；,9,每一对相邻层之间都有一个接口。接口定义下层向上层提供服务。,层、协议和接口,10,服务访问点,服务访问点（SAP，Service Access Point）是指同一系统中相邻两层实体之间进行交换信息之处，即（N）层实体和（N1）层实体之间的逻辑接口，也称为插口（Socket）或端
6、口（Port）。,11,这一模型被称作ISO的OSI开放系统互连参考模型,它是关于如何把开放式系统连接起来的模型，常简称它为OSI模型,OSI参考模型,12,13,OSI/RM特点分析,OSI/RM的概念比较抽象，它并没有规定具体的实现方法和措施，更未对网络的性能提出具体的要求，它只是一个为制定标准用的概念性框架。OSI/RM七层协议模型上、下大，中间小，这是因为最高层要和各种类型的应用进程接口，而最低层要和各种类型的网络接口，因此上、下两头标准特别多，而中间几层标准就稍简单些。有些层的任务过于繁重，如数据链路层和网络层，有些层的任务又太轻，如会话层和表示层。,14,OSI参考模型各层,15,
7、物理层,通过物理传输比特（bit）流中继器和集线器建立、维护和取消物理连接,16,数据链路层,将比特信息加以组织封装成数据帧（Frame）通过使用接收系统的硬件地址或物理地址来寻址 硬件地址或物理地址（即MAC地址） 两个子层 媒体访问控制（MAC） 逻辑链路控制（LLC） 网卡、网桥和交换机,17,网络层,基于网络层地址进行不同网络系统间的路径选择 网络层地址（IP地址） 分割和重新组合数据包、分组（Packet） 差错检验和可能的修复 可能的数据流量控制 路由器,18,传输层,在不同物理节点上的应用程序间建立连接以： 传输数据 将数据组织成数据段（Segment） 连接类型类型 面向连接(
8、Connection-oriented) 无连接(Connectionless) 用一个寻址机制来标识一个特定的应用程序 传输层地址（即端口号）,19,57层,会话层 建立、管理和终止会话 表示层 系统的应用层送出的信息可被另一个系统的应用层所读取 利用一种公用的信息表示格式翻译多种信息 数据表示、数据安全、数据压缩 应用层 网络服务与使用者应用程序间的一个接口,20,数据传输的封装和解封,封装过程segmentpacket frameBit 解封过程bitframepacketsegment,21,TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet P
9、rotocol的简写，中文为传输控制协议/互联网络协议） TCP/IP是20世纪70年代中期，美国国防部为其ARPANET广域网开发的网络体系结构和协议标准。到80年代它被确定为因特网的通信协议。 TCP/IP是一组通信协议的代名词，是由一系列协议组成的协议簇。它本身指两个协议集：TCP为传输控制协议，IP为互连网络协议。,TCP/IP简介,22,协议栈概述,什么是协议栈 在网络中，为了完成通信，必须使用多层上的多种协议。这些协议按照层次顺序组合在一起，构成了协议栈(Protocol Stack)，也称为协议族(Protocol Suite)。 常用的协议栈 TCP/IP、IPX/SPX、Ap
10、pleTalk,23,TCP/IP虽不是国际标准，但它是为全世界广大用户和厂商接受的网络互连的事实标准。 是目前最流行的商业化的协议，并被公认为当前的工业标准或“事实上的标准”。 TCP/IP协议特点：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，更适用于互连网中；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;,24,TCP/IP参考模型与层次,25,TCP/IP参考模型的各层,第1层：网络接口层(Network Interface) 网
11、络接口层对应OSI物理层和数据链路层并实现与它们相同的功能，其中包括LAN和WAN的技术细节。这一层也称为主机到网络层(Host-to-Network)。,26,TCP/IP参考模型的各层,第2层：互联网络层(internet)互联网络层的目的是运送数据包，将数据从任何在相连的网络上送到目的地，而不在乎走的是哪个路径或网络。管理这层的特定协议称为互联网络协议(IP)。最佳的路径选定和数据包交换都发生在这层。,27,TCP/IP参考模型的各层,第3层：传输层(Transport) 传输层负责处理有关服务质量等事项，如可靠度、流量控制和错误校正。该层可以提供不同服务质量、不同可靠性保证的传输服务，
12、并且协议发送端和目标端的传输速度差异。这一层也称为主机到主机层(Host-to-Host)。,28,TCP/IP参考模型的各层,第4层：应用层(Application)应用层包括会话层和表示层的功能，用来建立应用层来处理高层协议、有关表达、编码和会话控制。TCP/IP将所有应用程序相关的内容都归为一层，并保证为下层适当的将数据封装成数据包。,29,TCP/IP协议栈,30,31,计算机的通信协议精确地定义了计算机在彼此通信过程的所有细节。例如，每台计算机发送的信息格式和含义，在什么情况下应发送规定的特殊信息，以及接收方的计算机应做出哪些应答等等。 网际协议IP协议提供了能适应各种各样网络硬件的
13、灵活性，对底层网络硬件几乎没有任何要求，任何一个网络只要可以从一个地点向另一个地点传送二进制数据，就可以使用IP协议加入 Internet 了。 如果希望能在 Internet 上进行交流和通信，则每台连上 Internet 的计算机都必须遵守IP协议。为此使用 Internet 的每台计算机都必须运行IP软件，以便时刻准备发送或接收信息。,32,尽管计算机通过安装IP软件，从而保证了计算机之间可以发送和接收资料，但IP协议还不能解决资料分组在传输过程中可能出现的问题。因此，若要解决可能出现的问题，连上 Internet 的计算机还需要安装TCP协议来提供可靠的幷且无差错的通信服务。 TCP协
14、议被称作一种端对端协议。这是因为它为两台计算机之间的连接起了重要作用：当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时，TCP协议会让它们建立一个连接、发送和接收资料以及终止连接。 传输控制协议TCP协议利用重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供可靠的通信连接，使它能够自动适应网上的各种变化。即使在 Internet 暂时出现堵塞的情况下，TCP也能够保证通信的可靠。 众所周知， Internet 是一个庞大的国际性网络，网络上的拥挤和空闲时间总是交替不定的，加上传送的距离也远近不同，所以传输资料所用时间也会变化不定。TCP协议具有自动调整“超时值“的功能，能很好地适应 Internet 上各种各样的
15、变化，确保传输数值的正确。,33,从上面我们可以了解到：IP协议只保证计算机能发送和接收分组资料，而TCP协议则可提供一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务。 综上所述，虽然IP和TCP这两个协议的功能不尽相同，也可以分开单独使用，但它们是在同一时期作为一个协议来设计的，幷且在功能上也是互补的。只有两者的结合，才能保证 Internet 在复杂的环境下正常运行。凡是要连接到 Internet 的计算机，都必须同时安装和使用这两个协议，因此在实际中常把这两个协议统称作TCP/IP协议。,34,在TCP/IP的主机网络层中，它包括各种物理网协议，如局域网的Ethernet、Token Rin
16、g、X.25的分组交换网等; 地址解析协议ARP/RARP并不属于单独的一层，它介于物理地址与IP地址间，起着屏蔽物理地址细节的作用; IP可以建立在ARP/RARP上，也可以直接建立在网络硬件接口协议上; IP协议横跨整个层次，TCP、UDP协议都要通过IP协议来发送、接收数据;,35,应用层协议可以分为以下三类：依赖TCP协议的主要有远程登陆协议TELNET、电子邮件协议SMTP、文件传送协议FTP;依赖UDP协议的主要有简单网络管理协议SNMP、简单文件传输协议TFTP;既依赖TCP又依赖UDP协议的是域名服务DNS等;,36,七.OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,OSI参考模
17、型与TCP/IP 参考模型的共同之处是：它们都采用了层次结构的概念，在传输层中二者定义了相似的功能。但是，二者在层次划分与使用的协议上，有很大区别; 无论是OSI参考模型与协议，还是TCP/IP 参考模型与协议都不是完美的，对二者的评论与批评都很多。在80年代几乎所有专家都认为OSI参考模型与协议将风靡世界，但事实却与人们预想的相反;,37,TCP/IP协议在70年代诞生以来已经成功地赢得了大量的用户和投资； TCP/IP协议的成功促进了Internet的发展，同时Internet的发展又进一步扩大了TCP/IP协议的影响； TCP/IP首先在学术界争取了一大批用户，同时也越来越受到计算机产业
18、界的青睐； OSI 参考模型与协议迟迟没有成熟的产品推出，妨碍了第三方厂家开发相应的硬件和软件，从而影响了OSI 产品的市场占有率与今后的发展；,38,一种建议的参考模型,Andrew S.Tanenbaum建议的5层的参考模型： 5层的参考模型； 它与OSI参考模型相比少了表示层与会话层； 用数据链路层与物理层取代了主机与网络层； 建议的参考模型的结构,39,1.5 复 习,1. 什么是网络？ 2. 如何从不同角度对网络进行分类？ 3. 常见的网络拓扑结构有哪些？ 4. 什么是协议？列举常用的协议。 5. 为什么要分层？分层的原则？ 6. OSI参考模型共有几层？每层的功能是什么？ 7. TCP/IP参考模型共有几层？每层的功能是什么？ 8. 什么是协议栈？列举常用的协议栈。 9. 对比电路交换和分组交换。 10.TCP/IP协议栈中有哪些常用的协议，分别属于哪一层？,
