1、,第三章 网络体系结构,1,2019/4/9,网络应用基础,主要内容,基本概念 标准化组织 OSI参考模型 TCP/IP参考模型 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较 网络操作系统,2,2019/4/9,网络应用基础,3.1 基本概念,3,2019/4/9,网络应用基础,3.1 基本概念,计算机网络是一个复杂的计算机和通信系统的集合，处于网络中的计算机要不断地交换数据和控制信息，要做到有条不紊地交换数据，每台计算机就必须遵循一整套合理而严谨的结构化管理体系。 网络协议 实体 分层 接口 服务 网络体系结构,4,2019/4/9,网络应用基础,网络协议,我们把在计算机网络中用于规定信息的格
2、式以及如何发送和接收信息的规则的集合称为网络协议，简称协议。简单地说，协议就是通信双方的一种通信规约。 网络协议包括三个要素： 语义：用于确定协议元素的类型，即规定通信双方要发出何种控制信息、完成何种动作以及作出何种应答。 语法：确定协议元素的格式，即规定数据与控制信息的结构格式。 时序：规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信过程中通信状态的变化，如通信双方的应答关系。 在实际网络中，协议总是特指某一层的协议。,5,2019/4/9,网络应用基础,实体(Entity),客观存在并可相互区别的事物称之为实体。 在计算机领域中，利用“实体”这个抽象的名词表示任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。
3、 实体可以包括终端、路由中继设备、应用程序和数据库管理程序等。在网络中不同系统间的通信就是通过实体进行的。,6,2019/4/9,网络应用基础,分层(Layering),分层就是将一个复杂的系统设计问题分解成一个个相对容易处理的子问题，然后加以解决。 网络设计者把网络通信问题划分为多个小问题，并为每个小问题设计一个单独的协议。 采用分层方法构建网络结构化模型，具有如下优点： 各层之间相互独立 灵活性好 有利于效用最大化 有利于促进标准化,7,2019/4/9,网络应用基础,接口(Interface),同一计算机的不同功能层之间的连接点和通信规则的集合称为接口。 在第N层和第(N+1)层之间的接
4、口称为N/(N+1)层接口。邻层间要通过接口来实现信息交换，因此，计算机的不同层之间需要有明确规定的接口，上层通过接口调用下层提供的服务。 接口可以不唯一。 接口可以屏蔽下层服务的具体实现，上层只需通过接口调用下层提供的服务，而不需对服务的具体实现细节加以了解。只要接口不变，下层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的正常运作。,8,2019/4/9,网络应用基础,服务(Service),在网络体系结构中，服务就是网络中各层向其相邻上层提供的一组操作，是相邻两层之间的界面。 在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务。由于网络分层结构中的单向依赖关系，使得网络中相邻层之
5、间的服务也是单向性的：下层是服务提供者，上层是服务的用户。,9,2019/4/9,网络应用基础,网络体系结构,网络层次结构和各层网络协议的集合称为网络体系结构。网络体系结构对计算机网络所对应该实现的功能进行了明确定义，具体表现为：定义计算机设备和其他设备如何连接在一起，以形成一个允许用户共享信息和资源的网络。 网络体系结构的发展史 1974年，IBM提出的SNA（System Network Architecture）。 国际标准化组织ISO提出OSI参考模型。 目前应用最广的网络体系结构则是TCP/IP参考模型。,10,2019/4/9,网络应用基础,3.2 标准化组织,国际标准化组织（IS
6、O） 世界上最大的非政府性标准化专门机构。 电气和电子工程师协会（IEEE） 国际性的电子技术与信息科学工程师的协会。 美国国家标准协会（ANSI） 负责制定电子工业的标准。 国际电信联盟（ITU） 联合国专门机构，电信界最权威的标准制订机构。,11,2019/4/9,网络应用基础,3.3 OSI参考模型,OSI参考模型概述 OSI参考模型的结构及功能 OSI参考模型的数据传输过程,12,2019/4/9,网络应用基础,3.3.1 OSI参考模型概述,ISO组织在20世纪80年代提出的开放系统互连参考模型(Open System Interconnection/Reference Model,
7、 OSI/RM) 它将网络结构从下到上划分为七层，每一层均有自己的一套功能集，并与紧邻的上层和下层交互作用。,13,2019/4/9,网络应用基础,3.3.2 OSI参考模型的结构及功能,14,不同计算机之间的同等层通过协议进行交流：,2019/4/9,网络应用基础,物理层(The Physical Layer),物理层是OSI模型的最底层，它起到数据链路层和传输介质之间的逻辑接口作用，其接收数据链路层的数据，在两个通信设备间建立连接，并按顺序传输比特流，保证正确地利用传输介质进行数据传输。 物理层的功能 物理连接的建立、维持和拆除 屏蔽物理设备和介质的差异 同步信号,15,2019/4/9,
8、网络应用基础,物理层(The Physical Layer),DTE和DCE DTE即数据终端设备(Data Terminal Equipment)，是指网络中用于处理用户数据的连网设备或工作站的统称。DTE是数据的源节点或目的节点。 DCE (Data Communication Equipment)指数据通信设备，是对为用户提供入网连接点的网络设备的统称。物理层的特性 物理层定义了为建立、维持和拆除物理连接所需要的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。,16,2019/4/9,网络应用基础,数据链路层(The Data Link Layer),数据链路层是OSI模型的第二层，负责在相邻节
9、点之间可靠地、无差错地传送以帧为单位的数据。 数据链路层的功能 构建数据帧：即是数据分段组装成帧，以方便数据传输管理和差错控制。 数据链路管理：包括数据链路层的连接的建立、维持和释放操作。 流量控制：控制发送方的发送速率，保证接收方能顺利接收所有数据。 差错控制：包括两种，一种是向前纠错，另一种是检错重发。,17,2019/4/9,网络应用基础,网络层(The Network Layer),网络层是OSI模型的第三层。网络层是功能最丰富的一层。网络层的数据单位是数据包(Packet)。 网络层功能 构建数据包：即是将数据按预定义的格式分段组装成数据包。 路由：路由是网络层的核心功能，是指网络中
10、的结点根据网络的当前状况为数据包在多条路径中选择一条代价最小的路径来传输数据。路由算法可分为动态路由算法和静态路由算法两类。 流量控制：网络层的流量控制是对整个通信子网内的流量进行控制，是对进入通信子网的通信量进行控制，防止拥塞。 差错控制：差错控制主要由数据链路层负责，同时，在网络层定义了差错控制功能，有时也负责对出现错误的数据进行检测和恢复。,18,2019/4/9,网络应用基础,传输层(The Transport Layer),传输层是OSI模型的第四层，其主要功能是向用户提供可靠的端到端的服务。,19,2019/4/9,网络应用基础,传输层(The Transport Layer),数
11、据分段与组装 传输层服务 服务质量,20,2019/4/9,网络应用基础,传输层(The Transport Layer),数据分段与组装 传输层从其上层，即会话层接收数据，如果接收的数据过大，在传输层需要将该数据划分成较小的数据段，该操作称为数据分段。 分段后的数据沿层间接口传送给网络层，之后，网络层负责路由选择，将数据传送给接收端主机。 在接收端，网络层将接收到的较小数据段传递给传输层，传输层需要将数据段按照发送的顺序重新拼接报文，这个操作称为数据组装。组装后的数据交给接收端的会话层。 传输层服务 服务质量,21,2019/4/9,网络应用基础,传输层(The Transport Laye
12、r),数据分段与组装 传输层服务 服务类型 服务等级 数据运输 用户接口 连接管理 状态报告 服务质量,22,2019/4/9,网络应用基础,传输层(The Transport Layer),数据分段与组装 传输层服务 服务质量 服务质量(Quality of Service, QoS)是指传输连接点之间可以看到的某些传输、连接的特征，其反映了传输质量及服务的可用性。,23,2019/4/9,网络应用基础,会话层(The Session Layer),会话层是OSI模型的第五层，其主要功能是在两个节点间建立、维护和结束会话连接功能，并对会话进行管理和控制，保证会话数据的可靠传输。 会话层提供的
13、服务 对话管理：指在回话过程中，会话层可以决定是选择全双工通信还是半双工通信。 同步：建立和维持会话，并使会话保持同步。,24,2019/4/9,网络应用基础,表示层(The Present Layer),表示层是OSI模型的第六层，主要是解决用户信息的语法表示问题。 在两个节点间发生信息传递时，表示层负责将信息发送方的抽象语法转换成适合于OSI系统内部使用的传送语法，并在信息接收方实现相反的转换。 数据压缩与解压缩、数据加密与解密等工作由表示层完成。,25,2019/4/9,网络应用基础,应用层(The Application Layer),应用层是OSI模型的最高层，是最靠近用户的一层，其
14、负责为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。,26,2019/4/9,网络应用基础,3.3.3 OSI参考模型中的数据传输过程,27,2019/4/9,网络应用基础,3.4 TCP/IP参考模型,TCP/IP参考模型的起源与发展 TCP/IP参考模型的结构 TCP/IP参考模型中的数据传输过程 TCP/IP协议族,28,2019/4/9,网络应用基础,3.4.1 TCP/IP参考模型的起源与发展,TCP/IP参考模型是当今应用最广的网络体系结构，它是美国国防部为其高级研究计划局计算机网ARPANET开发的网络体系结构，而ARPANET最终发展成为了全球规模最大的互联网络Internet
15、。,29,2019/4/9,网络应用基础,3.4.2 TCP/IP参考模型的结构,TCP/IP参考模型使用范围极广，在20世纪90年代初就已在全世界覆盖了相当大的范围，成为事实上的网络互连标准。 TCP/IP参考模型是一个抽象的分层模型，所有TCP/IP系列网络协议都被归类到4个抽象的“层”中。每一个抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务。,30,2019/4/9,网络应用基础,3.4.2 TCP/IP参考模型的结构,网络接口层 网络接口层是TCP/IP模型的最底层，相当于OSI参考模型的物理层与数据链路层。 该层负责对实际的网络介质进行管理，定义如何使用实际网络（如以太网、FD
16、DI等）来传送数据。 网络互连层 传输层 应用层,31,2019/4/9,网络应用基础,3.4.2 TCP/IP参考模型的结构,网络接口层 网络互连层 网络互连层也称网络层或IP层，其作用与OSI模型中的网络层相类似。 该层主要解决主机到主机的通信问题，负责管理不同设备之间的数据交换。 该层有四个主要协议：网际协议(IP)、地址解析协议(ARP)、反向地址解析协议(RARP)和网际控制报文协议(ICMP)。 IP协议是网络互连层最重要的协议，它提供不可靠的、无连接的数据报传递服务。 传输层 应用层,32,2019/4/9,网络应用基础,3.4.2 TCP/IP参考模型的结构,网络接口层 网络互
17、连层 传输层 传输层也称TCP层，其作用与OSI模型中的传输层相类似。该层为源节点和目的节点的两个应用层实体之间提供端到端的通信服务。 该层定义了两个主要的协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。 TCP协议是一种可靠的、面向连接的数据传输协议；而UDP协议是不可靠的、无连接的数据传输协议。 应用层,33,2019/4/9,网络应用基础,3.4.2 TCP/IP参考模型的结构,网络接口层 网络互连层 传输层 应用层 应用层是TCP/IP模型的最高层，相当于OSI模型中的会话层、表示层和应用层。 该层为用户提供所需要的各种应用服务，例如：文件传输服务（FTP）、域名服务（DNS）
18、、电子邮件服务（E-mail）等。 该层为常见应用制定了相应协议标准，如FTP协议、SMTP协议、HTTP协议等。随着新应用的不断涌现，也不断地出现相应的应用层协议。,34,2019/4/9,网络应用基础,3.4.3 TCP/IP参考模型中的数据传输过程,35,2019/4/9,网络应用基础,3.4.4 TCP/IP协议族,TCP/IP实际上是一组协议，称为TCP/IP协议族，它包括上百个各种功能的协议。TCP协议和IP协议是其中最重要的两个协议， TCP/IP名称即源于此。,36,2019/4/9,网络应用基础,网络互连层协议,IP协议 ICMP协议 ARP协议 RARP协议,37,2019
19、/4/9,网络应用基础,网络互连层协议,IP协议 IP协议(网际协议，Internet Protocol)是TCP/IP最重要的协议，它主要涉及互联网上的数据包格式、编址规则和主机之间的数据包传递途径。IP协议与互联网层中的其他组件（如路由协议、控制报文协议以及地址解析协议）共同完成互联网中的结点编址和数据包转发功能。 IP协议是一个面向无连接、不可靠的数据包协议。 ICMP协议 ARP协议 RARP协议,38,2019/4/9,网络应用基础,网络互连层协议,IP协议 ICMP协议 ICMP协议(网际控制报文协议，Internet Control Message Protocol)用于在主机、
20、路由器之间传递控制消息。 这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。 Ping命令即是最常用的基于ICMP协议的技术。 ARP协议 RARP协议,39,2019/4/9,网络应用基础,网络互连层协议,IP协议 ICMP协议 ARP协议 地址解析就是网络主机在发送数据帧之前将目标主机的IP地址转换成目标主机的MAC地址的过程。 ARP协议（地址解析协议，Address Resolution Protocol）的基本功能就是进行地址解析，根据目标设备的IP地址，查询目标设备的物理地址（MAC地址），以保证通信的顺利进行。 RARP协议,40,2019/4/9,网络应用
21、基础,网络互连层协议,IP协议 ICMP协议 ARP协议 RARP协议 RARP协议（逆向地址解析协议，Reverse Address Resolution Protocol）的作用与ARP协议相反，用于将MAC地址转换为IP地址。,41,2019/4/9,网络应用基础,传输层协议,TCP协议 TCP协议是传输层的一个重要协议，它是基于IP协议的，采用面向连接的方式向高层提供可靠的端到端的数据传输服务。 所谓面向连接的可靠的传输服务，就是指TCP协议在数据传输之前会建立连接，在传输过程中会通过确认与超时重传机制、流量控制、拥塞控制和差错控制等手段来保证传输的可靠性。在传输结束后，会释放该连接，
22、以保证传输过程的完整性。 三次握手和四次挥手 UDP协议 UDP协议是传输层另一个重要协议，也是基于IP协议的，可以提供端到端的进程通信。 UDP协议只是一个简单的面向数据报的协议，采用无连接的方式向高层提供服务。它不能保证传输的可靠性。,42,2019/4/9,网络应用基础,三次握手,所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。,43,2019/4/9,网络应用基础,四次挥手,TCP的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(four-way handshake)。,44,返回,2019/4/9,网络应用基础,应用层协
23、议,FTP协议：互联网上使用最广泛的文件传输协议。它基于TCP协议实现。 HTTP协议：用于从Web服务器传送超文本到本地浏览器的传输协议。 DNS协议：Internet的一项核心服务，是一种分布式网络目录服务，用于域名和IP地址间的相互转换。 SMTP协议：在应用层为用户提供可靠、高效的邮件传输。 POP协议：一种允许用户从邮件服务器接收邮件的协议。 Telnet协议：Internet远程登陆服务的标准协议。 等,45,2019/4/9,网络应用基础,3.5 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,OSI参考模型的缺点 糟糕的时机 糟糕的技术 糟糕的实现 糟糕的政治因素,46,2019/
24、4/9,网络应用基础,3.5 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,两种模型的比较,47,2019/4/9,网络应用基础,3.5 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,两者的相似点 都采用了分层的体系结构。 在网络层和传输层中，二者都定义了相似的功能。 两者的主要区别 模型和协议的先后关系 创建模型过程中，理论与实践的关系 模型的推出时机 模型复杂度,48,2019/4/9,网络应用基础,3.5 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,一种理想的网络体系结构模型,49,2019/4/9,网络应用基础,3.6 网络操作系统,网络操作系统概述 Windows Server 2003
25、操作系统 UNIX操作系统 Linux操作系统,50,2019/4/9,网络应用基础,3.6.1 网络操作系统概述,网络操作系统的概念 网络操作系统(Network Operating System, NOS)是提供给网络用户，以使得网络上的计算机能方便而有效地共享网络资源的各种服务软件和有关规程的集合。 网络操作系统的功能 文件服务 通信服务 打印服务 数据库服务 集群服务 网络管理服务 互联网服务,51,2019/4/9,网络应用基础,3.6.2 Windows Server 2003操作系统,Windows Server 2003 是由微软公司于2003年4月25日推出的新一代网络操作系
26、统。 Windows Server 2003的主要功能 工作组和域 用户和组管理 活动目录 磁盘管理 文件系统管理 网络管理,52,2019/4/9,网络应用基础,3.6.3 UNIX操作系统,UNIX是一个强大的多用户、多任务的网络操作系统。 UNIX操作系统的发展 UNIX操作系统的特点 技术成熟，可靠性高 管理强大的网络功能 强大的数据库支持能力 功能强大的开发平台 开放性好,53,2019/4/9,网络应用基础,3.6.4 Linux操作系统,Linux操作系统是一套免费使用和自由传播的类UNIX操作系统。 Linux操作系统的发展 Linux操作系统的特点 开放性 多用户 多任务 良
27、好的用户界面 设备独立性 提供了丰富的网络功能 可靠的系统安全 良好的可移植性,54,2019/4/9,网络应用基础,本章小结,网络协议、实体、分层、接口和服务的概念。 网络体系结构的概念和网络体系结构的发展史。 主要的国际标准化组织，包括：ANSI、IEEE、ITU、ISO等。 OSI参考模型的结构和功能。OSI模型包括7层，分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 OSI参考模型中的数据传输过程。在数据发送端，数据自上而下，逐层添加包头；在数据接收端，数据自下而上，逐层去除包头。,55,2019/4/9,网络应用基础,本章小结,TCP/IP参考模型的起源和发展。
28、TCP/IP模型是当今Internet的基础。 TCP/IP参考模型的结构。TCP/IP模型包括4层：网络接口层、网络互连层、传输层和应用层。 TCP/IP协议族。网络互连层的IP协议和传输层的TCP协议是两个最重要的协议，TCP/IP协议族也是因这两个协议而得名。 OSI参考模型的缺点。安德鲁教授给出了OSI模型的4个缺点：糟糕的时机，糟糕的技术，糟糕的实现和糟糕的政治因素。,56,2019/4/9,网络应用基础,本章小结,TCP/IP模型和OSI模型的比较。二者的层次对应关系；二者的相似点；二者的主要区别。 一种理想的网络体系结构模型。该模型包括5层：物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层。 网络操作系统的概念、功能及分类。 几种常见的网络操作系统：Windows Server 2003操作系统，UNIX操作系统和Linux操作系统。,57,
