1、第3章 计算机网络的协议与体系结构,3.1 网络体系结构的基本概念 3.2 OSI参考模型 3.3 TCP/IP参考模型 3.4 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,3.1 网络体系结构的基本概念,3.1.1 网络协议的概念 1. 什么是网络协议 当前，计算机技术飞速发展的一个标志就是计算机网络化，于是人们提出了“网络就是计算机”。那么计算机怎样才能构成网络呢？网络的本质是什么？为了解决上述问题，人们首先应该了解的就是协议（Protocol）。,下一页,返回,3.1 网络体系结构的基本概念,计算机网络是由多个互联的结点组成的，网络中的结点之间进行通信时，每个结点都必须遵守一些事先约定好
2、的规则。一个协议就是一组控制数据通信的规则。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。正是由于有了网络协议，在网络中各种大小不同、结构不同、操作系统不同、处理能力不同、厂家不同的系统才能够连接起来，互相通信，实现资源共享。从这个意义上讲，“协议”是网络的本质。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,2. 组成网络协议的三要素 （1）协议的语义问题（做什么） 语议：语义是用于解释比特流的每一部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及要完成的动作与做出的响应。例如对于报文，它由什么部分组成，哪些部分用于控制数据，哪些部
3、分是真正的通信内容。这就是协议的语义问题。 （2）协议的语法（如何做）问题语法：协议的语法定义了通信双方的用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义。 （3）协议的时序（什么时候做）问题 时序是对事件实现顺序的详细说明，即何时进行通信，先讲什么，后讲什么，讲话的速度等。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,3. 为什么要研究网络协议 计算机网络是一个庞大，而且复杂的系统。要保证计算机网络能够有条不紊地工作，就必须制定出一系列的通信协议。每一种协议在设计时都是针对于某一个特定的目标和需要解决的问题。目前已有很多的网络协议，它们已经组成了一个完整的体系。网络协议同时
4、又是需要不断发展和完善的。当一种新的网络服务出现时，人们必然要制定新的协议。因此，只要研究计算机网络，就需要研究网络协议。只要开发新的网络服务功能，就必须研究、应用或制定新的网络协议。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,3.1.2 协议、层次、接口与体系结构的概念 随着计算机网络技术的不断发展，计算机网络的规模越来越大，各种应用不断增加，网络也因此变得越来越复杂。面对日益复杂化的网络系统，必须采用工程设计中常用的结构化的方法，将一个复杂的问题分解成若干个容易处理的子问题，尔后“分而治之”逐个加以解决，分层就是系统分解的最好方法之一。 计算机网络通信系统与邮政通信系统的工作过
5、程十分相似，它们都是一个复杂的系统。在认真考查实际的邮政系统的结构，以及这个系统完成信件的发送与接收过程之后，我们将对体系结构与协议有一个直观的了解。图3-1是目前实际运行的邮政系统结构，以及发送与接收过程的示意图。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,几乎人人对利用现行的邮政系统发送、接收信件的过程都很熟悉。当你给远在外地的家人写信时，第一步需要写一封信；第二步书写信封；第三步将信件装入信封，贴上邮票；第四步将信件投入邮箱。这样发信人的工作就完成了，而无需知道收件邮局如何收集、分拣、打包、传输等过程。 在信件投入邮箱后，邮递员将按时从各个邮箱收集信件，检查邮票是否正确，盖邮
6、戳后转送地区邮政枢纽局，邮政枢纽局的工作人员再根据信件的目的地址与传输的路线，将送到相同地区的邮件打成一个邮包，并在邮包上贴上运输的线路、中转点的地址，再送邮件转运中心。在接收信件的地区邮政枢纽局，邮政枢纽局的分拣员将邮包拆包，并将信件按目的地址分拣传送到各邮政分局，再由投递员将信件送到收信人的邮箱。收信人接到信件后，确认是自己的信件后，再拆信、读信。这样一封信件的发送与接收过程完成。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,1. 层次化体系结构中的几个基本概念 （1）协议 协议（Protocol）是一种通信规约。例如在邮政通信系统中，写信的格式、信封的标准和书写格式、信件打包以
7、及邮包封面的约定等，这些都是邮政通信系统的通信规约。因此，在计算机网络通信过程中，为了保证计算机之间能够准确地进行数据通信，也必须制定一套通信规则，这套规则就是通信协议。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,（2）层次 分层次（layer）是人们对复杂问题处理的基本方法。当人们遇到一个复杂问题的时候，通常习惯将其分解为若干个小问题，再一一进行处理。例如，对于邮政通信系统，这样一个涉及全国乃至世界各地区亿万人之间信件传送的复杂问题，解决方法是：将总体要实现的很多功能分配在不同的层次中；每个层次要完成的服务及服务实现的过程都有明确规定；不同地区的系统分成相同的层次；不同系统的同等
8、层具有相同的功能；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,邮政系统通信系统使用的层次化体系结构，与计算机网络的体系结构有很多相似之处，其实质是对复杂问题采取的“分而治之”的结构化处理方法。层次化处理方法可以大大降低问题的处理难度，这正是网络研究中采用层次结构的直接动力。因此，层次是计算机网络体系结构中又一重要和基本的概念。 （3）接口 接口（interface）就是同一结点内，相邻层之间交换信息的连接点。例如，在邮政通信系统中，邮箱就是发信人与邮递员之间规定的接口。同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高
9、层通过接口提供服务。只要接口条件不变、低层功能不变，低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工作。因此，接口同样是计算机网络实现技术中一个重要与基本的概念。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,2. 网络体系结构 网络协议对计算机网络是不可缺少的，一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集。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。为此，将网络层次性结构模型与各层次协议的集合定义为计算机网络体系结构（Network Architecture）。网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义，而这些功能是用什么样的硬件与软件去完成的是
10、具体的实现问题。体系结构是抽象的，而实现是具体的，它是指能够运行的一些硬件和软件。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,3. 网络体系结构的研究意义 1974年，美国IBM公司提出了世界上第一个网络体系结构SNA（System Network Architecture），之后凡是遵循SNA结构的设备就可以方便地进行互连。随之而来是，各个公司纷纷推出自己的网络体系结构，如Digital 公司的DNA等。这些网络体系结构的共同之处在于都采用了“层次”技术，而各层次的划分、功能、采用的技术术语等均不相同。因此，计算机网络采用层次结构，它有以下一些好处： （1）各层之间相互独立。高层
11、并不需要知道低层是如何实现的，而仅需要知道该层通过层间接口所提供的服务。,下一页,返回,上一页,3.1 网络体系结构的基本概念,（2）灵活性好。当任何一层发生变化时，例如由于技术的进步促进实现技术的变化，只要接口保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。另外，当某层提供的服务不再需要时，甚至可将这层取消。 （3）由于各层独立。因此每层都可以选择最为合适的实现技术，各层实现技术的改变不影响其他层。 （4）易于实现和维护。由于整个系统被分割为多个容易实现和维护的小部分，使得整个庞大而复杂的系统变得容易实现、管理和维护。 （5）有益于标准化的实现。由于每一层都有明确的定义，即每层实现的功能和所提供
12、的服务都很明确，因此十分利于标准化的实施。 随着信息技术的发展，各种计算机系统连网和各种计算机网络的互连成为人们迫切需要解决的课题。OSI参考模型就是在这个背景下提出并开展研究的。,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,3.2.1 OSI参考模型的基本概念 1. OSI参考模型的提出 从历史上来看，在制定计算机网络标准方面起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（CCITT，Consultative Committee on International Telegraph and Telephone）与国际标准化组织（ISO，International Standards Org
13、anization）。CCITT与ISO的工作领域是不同的，CCITT主要是从通信的角度考虑一些标准的制定，而ISO则关心信息的处理与网络体系结构。但是，随着科学技术的发展，通信与信息处理之间的界限变得比较模糊。于是，通信与信息处理就都成为CCITT与ISO共同关心的领域。,下一页,返回,3.2 OSI参考模型,1974年，ISO发布了著名的ISO/IEC7498标准，它定义了网络互连的七层框架，也就是开放系统互连参考模型（OSI/RM，Open System Interconnection Reference Model）。在OSI框架下，进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的
14、互连性（Interconnection）、互操作性（Interoperation）与应用的可移植性（Portability）。CCITT的建议书X.400也定义了一些相似的内容。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,2. OSI参考模型的概念 OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信。在OSI标准的制定过程中，采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就是分层体系结构方法。在OSI标准中，采用的是三级抽象： 体系结构（Architecture） 服务定义（Service Definit
15、ion） 协议规格说明（Protocol Specification） OSI参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务。它作为一个框架来协调和组织各层协议的制定，也是对网络内部结构最精炼的概括与描述。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,OSI的服务定义详细地说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服务的具体实现无关。同时，各种服务定义了层与层之间的接口及各层使用的原语，但不涉及接口的具体实现。 OSI标准中的各种协议精确地定义了应当发送什么样的控制信息，以及应当用什么样的
16、过程来解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。 OSI参考模型并没有提供一个可以实现的方法。OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定。在OSI的范围内，只有各种协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连。也就是说，OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,3.2.2 OSI参考模型的结构 OSI是分层体系结构的一个实例，每一层是一个模块，用于执行某种主要功能，并具有自己的一套通信指令格式（称为协议）。用于相同层的两个功能之间通信的协议称为对等协议。根据“分而治之”
17、的原则，ISO将整个通信功能划分为七个层次，其划分层次的主要原则是： 网中各结点都具有相同的层次。 不同结点的同等层具有相同的功能。 同一结点内相邻层之间通过接口通信。 每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,OSI参考模型的结构如图3-2所示。将信息从一（N）层传送到下一（N-1）层是通过命令方式实现的，这里的命令称为原语（Primitive）。被传送的信息称为协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）。在PDU进入下层之前，会在PDU中加入新的协议控制信息（PCI，
18、Protocol Control Information）。接下来，会在PDU中加入发送给下层的指令，这些指令称为接口控制信息（ICI，Interface Control Information）.PDU、PCI和ICI共同组成了接口数据单元（IDU，Interface Data Unit）。下层接收到IDU后，就会从IDU中去掉ICI，这时的数据包被称为服务数据单元（SDU，Service Data Unit）。随着SDU一层层向下传送，每一层都要加入自己的信息。图3-3所示为最简单情况下三种数据单元之间的关系示意图。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,3.2.3 OSI参考模型
19、各层的功能 1. 物理层 在OSI参考模型中，物理层（Physical Layer）是参考模型的最低层，也是OSI模型的第一层。 物理层的主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,物理层的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。需要注意的是，物理层并不是指连接计算机的具体物理设备或传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等，而是要使其上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输介质是什么。“透明传送比特流”表
20、示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，对传送的比特流来说，这个电路好像是看不见的，当然，物理层并不需要知道哪几个比特代表什么意思。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,为了实现物理层的功能，该层所涉及的内容主要有以下几个方面。 （1）通信连接端口与传输媒体的物理和电气特性 机械特性：规定了物理连接器的现状、尺寸、针脚的数量，以及排列状况等。例如EIA-RS-232-D标准规定使用25根引脚的DB-25插头座，其两个固定螺丝之间的距离为47.040.17mm等。 电气特性：规定了在物理连接信道上传输比特流时的信号电平、数据编码方式、阻抗及其匹配、传输速度和连接电缆最大距离的限制等。例
21、如EIA-RS-232-D标准采用负逻辑。即逻辑0（相当于数据“0”）或控制线处于接通状态时，相对信号的地线有+5+15V的电压；当其连接电缆不超过15米时，允许的传输速率不超过20Kbps.,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,功能特性：规定了物理接口各个信号线的确切功能和含义，如数据线和控制线等。例如EIA-RS-232-D标准规定的DB-25插头座的引脚2和引脚3均为数据线。 规程特性：利用信号线进行比特流传输时的操作过程，例如信号线的工作规则和时序等。 （2）比特数据的同步和传输方式 物理层指定收发双方在传输时使用的传输方式，以及为保持双方步调一致而采用的同步技术。例如在采用
22、串行传输时，其同步技术是采用同步传输方式，还是异步传输方式。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,（3）网络的物理拓扑结构 物理拓扑规定了节点之间外部连接的方式。例如星型拓扑、总线拓扑、环型拓扑和网状拓扑等。 （4）物理层完成的其他功能 数据的编码 调制技术。 通信接口标准。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,2. 数据链路层 数据链路层（data link layer）是OSI模型的第二层，负责建立和管理节点间的链路。该层的主要功能是“通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路”。 在计算机网络中由于各种干扰的存在，物理链路是不可靠的。
23、因此，这一层的主要功能是在物理层提供的比特流的基础上，通过差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路，即提供可靠的通过物理介质传输数据的方法。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,该层通常又被分为介质访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）两个子层。MAC子层的主要任务是解决共享型网络中多用户对信道竞争的问题，完成网络介质的访问控制；LLC子层的主要任务是建立和维护网络连接，执行差错校验、流量控制和链路控制。 数据链路层的具体工作是接收来自物理层的位流形式的数据，并加工（封装）成帧，传送到上一层；同样，也将来自上层的数据帧，拆装为位流形式的数据转发到物理层；并且
24、，还负责处理接收端发回的确认帧的信息。以便提供可靠的数据传输,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,数据帧的处理：处理数据帧的封装与分解。 物理地址寻址：通过数据帧头部中的物理地址信息，建立源节点到目的节点的数据链路，并进行维护与释放链路的管理工作。 流量控制：对链路中所发送的数据帧的速率进行控制，以达到数据帧流量控制的目的。 帧同步：对数据帧传输顺序进行控制（即帧的同步和顺序控制）。 差错检测与控制：通常在帧的尾部加入用于差错控制的信息，并采用检错检测和重发式的差错控制技术。例如处理接收端发回的确认帧。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,3. 网络层 网络层（networ
25、k layer）是OSI模型的第三层，它是OSI参考模型中最复杂的一层，也是通信子网的最高一层。它在下两层的基础上向资源子网提供服务。其主要任务是“通过路由选择算法，为报文或分组通过通信子网选择最适当的路径”。该层控制数据链路层与传输层之间的信息转发，建立、维持和终止网络的连接。具体说，数据链路层的数据在这一层被转换为数据包，然后通过路径选择、分段组合、顺序、进/出路由等控制，将信息从一个网络设备传送到另一个网络设备。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,一般，数据链路层解决同一网络内节点之间的通信，而网络层主要解决不同子网间的通信。例如在广域网之间通信时，必然会遇到路由（即两节点间
26、可能有多条路径）选择问题。在实现网络层功能时，需要解决的主要问题如下。 （1）寻址：数据链路层中使用的物理地址（如MAC地址）仅解决网络内部的寻址问题。在不同子网之间通信时，为了识别和寻到网络中的设备，每一子网中的设备都会被分配一个惟一的地址。由于各子网使用的物理技术可能不同。因此这个地址应当是逻辑地址（如IP地址）。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,（2）交换：规定不同的信息交换方式。常见的交换技术有：线路交换技术和存储转发技术，后者又包括报文交换技术和分组交换技术。 （3）路由算法：当源节点和目的节点之间存在有多条路径时，本层可以根据路由算法，为数据分组通过网络选择最佳路径，
27、并将信息从最合适的路径由发送端传送到接收端。 （4）连接服务：与数据链路层流量控制不同的是前者控制的是网络相邻节点间的流量，后者控制的是从源节点到目的节点间的流量控制。其目的在于防止阻塞，并且进行差错检测。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,4. 传输层 OSI下3层的主要任务是数据通信，上3层的任务是数据处理。而传输层（transport layer）是OSI模型的第4层。因此该层是通信子网和资源子网的接口和桥梁，起到承上启下的作用。 该层的主要任务是“向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输”。传输层的目的是向高层屏蔽下层数据通信的细节，即向用户透明地传送报文
28、。该层常见的协议：TCP/IP中的TCP协议、Novell网络中SPX协议和微软的NetBIOS/NetBEUI协议。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,传输层提供会话层和网络层之间的传输服务，这种服务从会话层获得数据，并在必要时，对数据进行分割。然后，传输层将数据传递到网络层，并确保数据能正确无误地传送到网络层。因此，传输层负责提供两节点之间数据的可靠传送，当两节点的联系确定之后，传输层则负责监督工作。综上，传输层的主要功能如下。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,（1）传输连接管理：提供建立、维护和拆除传输连接的功能。传输层在网络层的基础上为高层提供“面向连接”和“
29、面向无接连”的两种服务。 （2）处理传输差错：提供可靠的“面向连接”和不太可靠的“面向无连接的”数据传输服务、差错控制和流量控制。在提供“面向连接”服务时，通过这一层传输的数据将由目标设备确认，如果在指定的时间内未收到确认信息，数据将被重发。 （3）监控服务质量,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,5. 会话层 会话层（session layer）是OSI模型的第5层，它是用户应用程序和网络之间的接口，其主要任务是“向两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法”。将不同实体之间的表示层的连接称为会话。因此会话层的任务就是组织和协调两个会话进程之间的通信，并对数据交换进行管理。 用户可以
30、按照半双工、单工和全双工的方式建立会话。当建立会话时，用户必须提供他们想要连接的远程地址。而这些地址与MAC（介质访问控制子层）地址或网络层的逻辑地址不同，它们是为用户专门设计的，更便于用户记忆。域名（DN）就是一种网络上使用的远程地址，例如：就是一个域名。会话层的具体功能如下。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,（1）会话管理：允许用户在两个实体设备之间建立、维持和终止会话，并支持它们之间的数据交换。例如提供单方向会话或双向同时会话，并管理会话中的发送顺序，以及会话所占用时间的长短。 （2）会话流量控制：提供会话流量控制和交叉会话功能。 （3）寻址：使用远程地址建立会话连接。 （
31、4）出错控制：从逻辑上讲会话层主要负责数据交换的建立、保持和终止，但实际的工作却是接收来自传输层的数据，并负责纠正错误。会话控制和远程过程调用均属于这一层的功能。但应注意，此层检查的错误不是通信介质的错误，而是磁盘空间、打印机缺纸等类型的高级错误。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,6. 表示层 表示层（Presentation layer）是OSI模型的第6层，它对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传送给会话层。其主要功能是“处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换和加密解密”等。表示层的具体功能如下。 （1）数据格式处理：协商和建立数
32、据交换的格式，解决各应用程序之间在数据格式表示上的差异。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,（2）数据的编码：处理字符集和数字的转换。例如由于用户程序中的数据类型（整型或实型、有符号或无符号等）、用户标识等都可以有不同的表示方式，因此，在设备之间需要具有在不同字符集或格式之间的转换功能。 （3）压缩和解压缩：为了减少数据的传输量，这一层还负责数据压缩与恢复。 （4）数据的加密和解密：可以提高网络的安全性。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,7. 应用层 应用层（application layer）是OSI参考模型的最高层，它是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口
33、，其功能是“直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作”。它在其他6层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外，该层还负责协调各个应用程序间的工作。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,应用层为用户提供各种常见的服务和协议有：文件服务、目录服务、文件传输服务（FTP）、远程登录服务（Telnet）、电子邮件服务（E-mail）、打印服务、安全服务、网络管理服务、数据库服务等。上述的各种网络服务由该层的不同应用协议和程序完成，不同的网络操作系统之间在
34、功能、界面、实现技术、对硬件的支持、安全可靠性以及具有的各种应用程序接口等各个方面的差异是很大的。应用层的主要功能如下。 （1）用户接口：应用层是用户与网络，以及应用程序与网络间的直接接口，使得用户能够与网络进行交互式联系。 （2）实现各种服务：该层具有的各种应用程序完成和实现用户请求的各种服务。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,8. 七层模型的小结 由于OSI是一个理想的模型，因此一般网络系统只涉及其中的几层，很少有系统能够具有所有的7层，并完全遵循它的规定。 在7层模型中，每一层都提供一个特殊的网络功能。从网络功能的角度观察：下面4层（物理层、数据链路层、网络层和传输层）主要
35、提供数据传输和交换功能，即以节点到节点之间的通信为主；第4层作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分；而上3层（会话层、表示层和应用层）则以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。简言之，下4层主要完成通信子网的功能，上3层主要完成资源子网的功能。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,9. 建立OSI参考模型的目的和作用 建立OSI参考模型的目的，除了创建通信设备之间的物理通道之外，还规划了各层之间的功能，并为标准化组织和生产厂家制定了协议的原则。这些规定使得每一层都具有一定的功能。理论上讲，在任何一层上符合OSI标准的产品都可以被其他符合标准的产品所取代。因此
36、，OSI参考模型的基本作用如下。 （1）OSI的分层逻辑体系结构使得人们可以深刻地理解各层协议所应解决的问题，并明确各个协议在网络体系结构中所占据的位置。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,（2）OSI参考模型的每一层在功能上与其他层有着明显的区别，从而使得网络系统可以按功能划分。这样，网络或通信产品就不必面面俱到。例如，当某个产品只需完成某一方面的功能时，它可以只考虑并遵循所涉及层的标准。 （3）OSI参考模型有助于分析和了解每一种比较复杂的协议。 以后还会介绍其他参考模型或协议，例如TCP/IP、IEEE802和X.25协议等，因此，还会比较它们与OSI模型的关系，从而使读者进
37、一步理解网络体系结构、模型和各种协议的工作原理。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,3.2.4 OSI环境中的数据传输过程 1. 什么是OSI环境 在研究OSI参考模型时，我们需要搞清楚它所描述的范围，这个范围称做OSI环境（OSIE，OSI Environment）。图3-4给出了OSI环境示意图。OSI参考模型描述的范围包括连网计算机系统中的应用层到物理层的七层及通信子网，即图中虚线所圈中的范围。连接结点的物理传输介质不包括在OSI环境内。 在图3-4中，计算机A和计算机B中连入计算机网络前，不需要有实现从应用层到物理层的七层功能的硬件与软件。如果它们希望连入计算机网络，就必须
38、增加相应的硬件和软件。一般来说，物理层、数据链路层与网络层大部分可以由硬件方式来实现，而高层基本上是通过软件方式来实现的。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,假设应用进程A要与应用进程B交换数据。进程A与进程B分别处于计算机A与计算机B的本地系统环境中，即处于OSI环境之外。进程A首先要通过本地的计算机系统来调用实现应用层功能的软件模块，应用层模块将计算机A的通信请求传送到表示层；表示层再向会话层传送，直至物理层。物理层通过连接计算机A与通信控制处理机（CCPA）的传输介质，将数据传送到CCPA。CCPA的物理层接收到计算机A传送的数据后，通过数据链路层检查是否存在传输错误；如果没
39、有错误的话，CCPA通过它的网络层来确定下面应该把数据传送到哪一个CCP。如果通过路径选择算法，确定下一个结点是CCPB的话，那么CCPA就将数据传送到CCPB。CCPB采用同样的方法，将数据传送到计算机B。计算机B将接收到的数据，从物理层逐层向高层传送，直至计算机B的应用层。应用层再将数据传送给计算机B的进程B。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,2. OSI环境中的数据传输过程 图3-5给出了OSI环境中的数据流。从图中可以看出，OSI环境中数据传输过程包括以下6步。 （1）当应用进程A的数据传送到应用层时，应用层为数据加上本层控制报头后，组织成应用层的服务数据单元，然后再传输
40、到表示层。 （2）表示层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头，组成表示层的服务数据单元，再传送到会话层。依次类推，数据传送到传输层。 （3）传输层接接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头，就构成了传输层的服务数据单元，它被称为报文（Message）。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,（4）传输层的报文传送到网络层时，由于网络层数据单元的长度有限制，传输层长报文将被分成多个较短的数据字段，加上网络层的控制报头，就构成了网络层的服务数据单元，它被称为分组（Packet）。 （5）网络层的分组传送到数据链路层时，加上数据链路层的控制信息，就构成了数据链路层的服务数据单元，它被称为
41、帧（Frame）。 （6）数据链路层的帧传送到物理层后，物理层将以比特流的方式通过传输介质传输出去。当比特流到达目的结点计算机B时，再从物理层依层上传，每层对各层的控制报头进行处理，将用户数据上交高层，最终将进程A的数据送给计算机B的进程B。,下一页,返回,上一页,3.2 OSI参考模型,尽管应用进程A的数据在OSI环境中经过复杂的处理过程才能送达另一台计算机的应用进程B，但对于每台计算机的应用进程来说，OSI环境中数据流的复杂处理过程是透明的。应用进程A的数据好像是“直接”传送给应用进程B，这就是开放系统在网络通信过程中最本质的作用。,返回,上一页,3.3 TCP/IP参考模型,3.3.1
42、TCP/IP参考模型的发展 1. TCP/IP协议的起源 在讨论了OSI参考模型的基本内容后，我们要回到现实的网络技术的发展状况中来。OSI参考模型研究的初衷是希望为网络体系结构与协议的发展提供一种国际标准。但是，我们不能不看到Internet在世界范围内的飞速发展以及TCP/IP协议的广泛应用对网络技术发展的影响。ARPANET是最早出现的计算机网络之一，现代计算机网络的很多概念与方法都是在它的基础上发展起来的。美国国防部高级研究计划局（ARPA）提出的ARPANET研究计划，意在希望它的部分主机、通信控制处理机与通信线路资源在战争中遭到攻击而损坏时，其他的部分还能够正常工作。,下一页,返回
43、,3.3 TCP/IP参考模型,同时，希望该网络能适应从文件传送到实时数据传输的各种应用需求。因此，它要求的是一种灵活的网络体系结构，可以实现异型网的互连（Interconnection）与互通（Intercommunication）。 最初ARPANET使用的是租用线路，当卫星通信系统与通信网发展起来之后，ARPANET最初开发的网络协议使用在通信可靠性较差的通信子网中，且出现了不少问题，这就导致了新的网络协议TCP/IP的出现。虽然TCP/IP协议不是OSI标准，但它们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”。在TCP/IP协议出现后，出现了TCP/IP参考模
44、型。1974年，Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型。1985年，Leiner等人进一步对它开展了研究。1988年，Clark在参考模型出现后对其设计思想进行了讨论。,下一页,返回,上一页,3.3 TCP/IP参考模型,2. TCP/IP协议的特点 Internet上的TCP/IP协议之所以能够迅速发展起来，不仅因为它是美国军方指定使用的协议，更重要的是它恰恰适应了世界范围内的数据通信的需要。TCP/IP协议具有以下4个特点： （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，更适用于互联网中。 （3）统一的网
45、络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址。 （4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,下一页,返回,上一页,3.3 TCP/IP参考模型,3.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能 1. TCP/IP参考模型的层次 在如何用分层模型来描述TCP/IP的问题上争论很多，但共同的观点是TCP/IP的层次数比OSI参考模型的七层要少。图3-6给出了TCP/IP参考模型及与OSI参考模型的层次对应关系。 TCP/IP参考模型可以分为以下四个层次： 应用层（Application Layer） 传输层（Transport Layer） 互连层（Internet Laye
46、r） 主机-网络层（Host-to-Network Layer）,下一页,返回,上一页,3.3 TCP/IP参考模型,其中，TCP/IP参考模型的应用层与OSI参考模型的应用层相对应；TCP/IP参考模型的传输层与OSI参考模型的传输层相对应；TCP/IP参考模型的互连层与OSI参考模型的网络层相对应；TCP/IP参考模型的主机-网络层与OSI参考模型的数据链路层和物理层相对应。在TCP/IP参考模型中，对OSI参考模型的表示层、会话层没有对应的协议。 （1）主机-网络层 在TCP/IP参考模型中，主机-网络层是参考模型的最低层，也被称为网络接口层，它负责通过网络发送和接收IP数据报。TCP/
47、IP参考模型允许主机连入网络时使用多种流行的协议，例如局域网协议等。,下一页,返回,上一页,3.3 TCP/IP参考模型,TCP/IP的主机-网络层包括各种物理网协议，例如局域网的Ethernet协议，Token Ring协议，分组交换网的X.25协议等。当这种物理网被用做传送IP数据包的通道时，我们就可以认为它是这一层的内容。这体现了TCP/IP协议的兼容性与适应性，它也为TCP/IP的成功奠定了基础。 说明：在Internet上的基本传输单元为“数据报”，有时也被称为“IP数据报”或“IP报”。数据报由首部的报头和数据区组成。,下一页,返回,上一页,3.3 TCP/IP参考模型,（2）互连
48、层 在TCP/IP参考模型中，互连层是参考模型的第2层，又称为网际层，它相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务。互连层负责将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以不同的网上。 互连层的主要功能包括以下几点： 处理来自传输层的分组发送请求。在收到分组发送请求之后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出端。 处理接收的数据报。在接收到其他主机发送的数据报之后，检查目的地址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；如目的地址为本结点IP地址，则除去报头，将分组交送传输层处理。 处理互连的路径、流量控制与拥塞问题。,下一页,返回
49、,上一页,3.3 TCP/IP参考模型,互连层包括以下4个核心协议。 IP（Internet Protocol，网际协议）协议：其主要任务就是对数据包进行寻址和路由，把数据包从一个网络转发到另一个网络。即为要传输的数据分配地址、打包、确定收发端的路由，并提供端到端的“数据报”传递。IP协议还规定了计算机在Internet通信时所必须遵守的一些基本规则，以确保路由的正确选择和报文的正确传输。 ICMP（Internet control message protocol，网际控制报文协议）协议：为IP协议提供差错报告。ICMP用于处理路由，协助IP层实现报文传送的控制机制。 ARP（Address
50、 Resolution Protocol，地址解析协议）协议：该协议用于完成IP地址到网卡物理地址的转换。 RARP（Reverse Address Resolution Protocol，逆向地址解析协议）协议：该协议用于完成物理地址向IP地址的转换。,下一页,返回,上一页,3.3 TCP/IP参考模型,（3）传输层 在TCP/IP参考模型中，传输层是参考模型的第3层，它负责在应用进程之间的端端通信。传输层的主要目的是：在互联网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端端连接。从这一点上讲，TCP/IP参考模型的传输层与OSI参考模型的传输层功能是相似的。 在TCP/IP参考模型的传输层，定义了以下这两种协议： 传输控制协议（TCP，Transport Control Protocol） 用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）,
