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第3章 计算机网络体系结构,3.1 网络体系结构及协议的概念 3.2 OSI基本参考模型 3.3 TCP/IP模型 3.4 具有五层协议的体系结构,3.1 网络体系结构及协议的概念,3.1.1计算机网络体系结构的形成 20世纪60年代初，美国国防部高级研究计划局DARPA(Defence Advanced Research Projects Agency)提出将多个大学、研究机构中的多台计算机互连的课题，希望在战争中，当网络中的部分通信节点或通信线路遭到攻击而被损坏时，网络依然可以正常工作，并希望网络能够满足实时数据传输的各种应用需求。1969年底，实验性的ARPANet开通 .,3.1 网络体系结构及协议的概念,1974年美国IBM公司最早提出系统网络体系结构SNA（System Network Architecture）。这个著名的网络标准就是按照分层方法制定出来的。 国际标准化组织ISO于1977年成立了专门的机构研究这一问题。一种被广泛公认的网络体系结构即开放系统互连基本参考模型OSI/RM(Open System Interconnection Reference Model)，它采用了层次化的网络体系结构，将一个网络系统分成七层定义：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，并定义了每层实体应提供的功能和服务。,3.1 网络体系结构及协议的概念,3.1.2计算机网络体系结构的概念 1.协议分层 网络协议:我们把在计算机网络中为进行信息（数据）交换而建立的一系列规则、标准或约定称为网络协议。网络协议包括语法、语义和同步三要素。 协议分层:就是按照信息的流动过程将网络通信的整体功能分解为一个个的子功能层，位于不同系统上的同等功能层之间按相同的协议进行通信，而同一系统中上下相邻的功能层之间通过接口进行信息传递。,3.1 网络体系结构及协议的概念,为了便于理解协议分层的概念，我们以两个计算机之间通过通信网络传递邮件的过程为例，具体地说明协议的分层过程和方法。从宏观上看，甲乙双方只要将信息通过计算机外设输入计算机，然后启动计算机应用程序的邮件发送或接收功能即可完成邮件的传送和交流。如果对整个通信过程细分的话，根据完成任务的不同，可以将该通信过程划分为以下三个层次（如图3.1所示）。,3.1 网络体系结构及协议的概念,3.1 网络体系结构及协议的概念,第一层次：提供邮件发送服务。为了保证该服务的实现，在这一层次上必须首先约定好通信双方邮件的格式、邮件内容所采用的语言文字（即字符）等，以便通信双方能够知道是谁写的信、信中的内容是什么等，我们称此规定的内容为邮件协议。如果两个计算机所采用的邮件格式或语言文字不同，则邮件发送服务程序必须提供完成邮件格式及文字转换的功能模块。这一层上只保证邮件的发送和接收，以及彼此双方邮件的识别，我们用邮件收发模块来实现。至于邮件能否可靠地传递到对方不是这一层所关心的问题而是由下一层来保证的。,3.1 网络体系结构及协议的概念,第二层次：提供通信服务，即在两个计算机之间为邮件的传递提供可靠的通信服务，我们用通信模块来完成。这表明，邮件发送服务的实现是完全建立在通信服务的基础上。为了保证双方间邮件的可靠传递，在这一层次上必须约定好收发邮件所需的控制、应答信号以及差错控制等信息，我们称此规定的内容为通信协议。 第三层次：网络接入服务。由于通信服务的实现是建立在通信网络的基础之上，因此，该层负责完成与通信网络的接口功能。为此，在这一层次上必须约定好与通信网络连接接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性等，我们称此规定的内容为连接接口协议。,3.1 网络体系结构及协议的概念,协议分层结构的突出特点: 其一，层的独立性和封装性。由于每一层都是相对独立的功能模块，只要彼此相邻间的接口所提供的服务不变，那么至于各层的模块如何实现以及如何发生变化或修改，都不会影响其它各层。它不仅将整个系统设计的复杂程度降低了，而且对系统的维护和管理提供了方便，同时也为在硬件和软件方面适应新技术的发展和更新提供了灵活性。 其二，利于促进标准化。因为每一层的功能都有精确的定义和说明。,3.1 网络体系结构及协议的概念,2.网络服务 实体:泛指能够发和接收信息的任何东西，它既可以是软件实体（如进程），也可以是硬件实体（如某一接口芯片）。不同系统上的同一层实体叫对等实体（或同等实体）。 网络服务:是指彼此相邻的下层向上层提供通能力或操作而屏蔽其细节的过程。 服务访问点:在同一系统中，相邻层间的实体进行信息交换的地方通常称为服务访问点SAP（Service Access Point）。,3.2 OSI基本参考模型,由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标准是OSI/RM(Open System Interconnection Reference Model) ,OSI作为计算机网络体系结构模型和开发协议标准的框架，将计算机网络划分为了七个层次,3.2 OSI基本参考模型,3.2.1 OSI分层原则 ISO在划分功能层次时建立了一些分层的原则，七层协议模型就是根据以下这些原则来定义的： 层次不能太多，也不能大少。太多则系统的描述和集成都有困难，太少则会把不同的功能混杂在同一层次中。 每一层应该有定义明确的功能，这种功能或者在完成的操作过程方面，或者在涉及的技术方面与其他功能层次有明显不同，因而类似的功能应归入同一层次。 每一层的功能要尽量局部化。这样，随着软硬件技术的进展，层次的协议可以改变，层次的内部结构可以重新设计，但是不影响相邻层次的接口和服务关系。,3.2 OSI基本参考模型, 以往的经验证明是成功的层次应予保留。这是通信设备制造商们最为关心的。 考虑数据处理的需要。在数据处理过程需要不同的抽象级(例如，词法、句法、语义等)的地方设立单独的层次。 层次的边界应划分在服务描述的量最小、交互作用最少的地方。或者是对将来的接口标准化有利的地方。 每一层只与它的上下邻层产生接口。需要时，可以在一个层次中再划分出一些子层。子层的划分可以满足特殊的通信要求，但并不改变原来的上下邻层之间的接口关系。应允许旁路一些子层。,3.2 OSI基本参考模型,3.2.2 OSI 各层功能概述 1应用层 这是OSI体系结构的最高层。这一层的协议直接为端用户服务，提供分布式处理环境。应用层管理开放系统的互连，包括系统的启动、维持和终止，并保持应用进程间建立连接所需的数据记录，其他层都是为支持这一层的功能而存在的。,3.2 OSI基本参考模型,2表示层 表示层的作用是提供一个可供应用层选择的服务的集合，使得应用层可以根据这些服务功能解释数据的涵义。表示层以下各层只关心如何可靠地传输数据，而表示层关心的是所传输的数据的表现方式，它的语法和语义。表示服务的例子有：统一的数据编码(整数，浮点数的格式，以及字符编码等)、数据压缩格式、加密技术等，后两者是数据传输过程所需要的。,3.2 OSI基本参考模型,3会话层 会话层支持两个表示层实体之间的交互作用，它提供的会话服务可分为两类： 把两个表示实体结合在一起，或者把它们分开。这叫会话管理； 控制两个表示实体间的数据交换过程，例如，分界、同步等，这一类叫对话服务。 通过计算机网络的对话和人们打电话不一样，更和人们当面谈话的情况不一样。对话的管理包括决定该谁说，该谁听。长的谈话(例如传输一个长文件)需要分界，一段一段地进行，有一段传错了，可以回到分界的地方重新传输，这就是所谓对话的同步。所有这些功能都需要专门的协议支持。,3.2 OSI基本参考模型,4传输层 这一层在低层服务的基础上提供一种通用的传输服务。会话实体利用这种透明的数据传输服务使数据传输能高效地进行而不必考虑下层通信网络的工作细节。传输层用多路复用或分流的方式优化网络的传输性能。当会话实体要求建立一条传输连接时，传输层就为其建一个对应的网络连接。如果要求较高的吞吐率，传输层可能为其建立多个网络连接(分流)；如果要求的传输速率不很高，单独创建和维持一个网络连接不合算，则传输层就可考虑把几个传输连接多路复用到一个网络连接L。这样的多路复用和分流对传输层以上是透明的。,3.2 OSI基本参考模型,5网络层 这一层的功能属于通信子网，它通过网络连接交换传输层实体发出的数据。网络层把上层来的数据组织成分组在通信子网的结点之间交换传送。交换过程中要解决的关键问题是选择路径，路径既可以是固定不变的(通过静态路由表实现)，也可以是根据网络的负载情况动态变化的。另外一个要解决的问题是防止网络中出现局部的拥挤或全面的阻塞。此外网络层还应有记账功能，以便根据通信过程中交换的分组数(或字符数、比特数)收费。,3.2 OSI基本参考模型,6数据链路层 这一层的功能是建立、维持和释放网络实体之间的数据链路，这种数据链路对网络层应表现为一条无差错的信道。相邻结点之间的数据交换是分帧进行的，各帧按顺序传送，并通过接收端的校验检查和应答保证可靠的传输。数据链路层对损坏、丢失和重复的帧应能进行处理，这种处理过程对网络层是透明的。相邻结点之间的数据传输也有流量控制的问题，数据链路层把流量控制和差错控制合在一起进行。两个结点之间传输数据帧和发回应答帧的双向通信问题要有特殊的解决办法。有时由反向传输的数据帧“捎带”回对正向数据传输的应答信息，这是一种极巧妙而高效率的控制机制。,3.2 OSI基本参考模型,7物理层 物理层规定通信设备的机械、电气、功能和过程的特性，用以建立、维持和释放数据链路实体间的连接。具体地说，这一层的规程都与电路上传输的原始比特有关，它涉及到用什么电压代表“1”，用什么电压代表“0”；一个比特持续多少时间；传输是双向的，还是单向的；一次通信中发送方和接收方如何应答；设备之间连接件的尺寸和接头数，以及每根连线的用途等。,3.3 TCP/IP模型,3.3.1 TCP/IP分层原则 由于Internet已经得到了全世界的承认，因此Internet所使用的TCP/IP协议集自然也就成为当今计算机网络领域中使用最广泛的互联网络体系结构，而OSI参考模型成为对通信功能进行分类的标准模型。TCP/IP协议分层结构如图3.4所示。在Internet所使用的各种协议中，最重要和最著名的协议是传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol）、用户数据报协议(UDP，User Data Protocol）和网际协议(IP，Internet Protocol）。这三种协议一般由网络操作系统内核来实现，用户往往感受不到它们的存在。,3.3 TCP/IP模型,3.3 TCP/IP模型,TCP/IP协议分层与OSI协议分层的明显区别有两点，其一，无表示层和会话层，这是因为在实际应用中所涉及的表示层和会话层功能较弱，所以，将其内容归并到应用层；其二，无数据链路层和物理层，但有网络接口层，这是因为TCP/IP模型建立的首要目标是实现异构网的互连，所以，在该模型中并未涉及底层网络的技术，而是通过网络接口层屏蔽底层网络之间的差异，向上层提供统一的IP报文格式，以支持不同物理网络之间的互连、互通。,3.3 TCP/IP模型,3.3.2 TCP/IP各层功能概述 1.网络接口层 该层与OSI模型中的物理层和数据链路层以及网络层的一部分功能相对应，它负责接收从IP层交来的IP数据报，并将IP数据报通过底层网络（即能够支持TCP/IP高层协议的物理网络，如以太网、高速局域网、FDDI、X.25、ATM等）发送出去，或者从低层物理网络上接收数据帧，抽出IP数据报，交给上层网络互连层。该层所使用的协议为各通信子网本身固有的协议，如802.3协议、802.5协议、X.25协议以及HDLC协议等。网络接口有两种类型：设备驱动程序，如局域网的网络接口；含自身数据链路协议的复杂子系统，如X.25中的网络接口。,3.3 TCP/IP模型,2. 网络互连层 网络互连层在TCP/IP参考模型中占有非常重要的地位。它作为通信子网的最高层，负责相邻节点之间分组数据报的传送，提供不可靠、面向无连接的传输服务。它的主要协议是无连接的IP协议。与其配合使用的协议有Internet控制报文协议(ICMP，Internet Control Message Protocol）、地址解析协议(ARP，Address Resolution Protocol）、逆地址解析协议(RARP，Reverse Address Resolution Protocol）。网络互连层把传输层送来的消息封装成IP数据包，并使用路由算法来选择是直接把数据发送到目的地还是先交给中间路由器，然后交给下层（网络接口层）去发送；同样，该层对接收到的IP数据包还要进行类似的处理，包括检验其正确性，使用路由算法来决定对IP数据包是向下一站转发，还是交给本机的上层协议去处理。由于IP协议规定了一个统一的IP数据包的格式，以消除各通信子网的差异，这样即使采用不同物理技术的网络也可以在网络互连层上达到统一。,3.3 TCP/IP模型,3. 传输层 在TCP/IP网络体系结构中，传输层的作用与OSI参考模型中传输层的作用是一样的，即在不可靠的互连网络上，实现可靠的端到端字节流的传输服务，以增强网络层提供的服务质量(QOS，Qualityof Service）。它提供了两个重要的传输协议：传输控制协议TCP和用户数据报协议(UDP，User Data Protocol）。,3.3 TCP/IP模型,4.应用层 由于应用层是面向用户的协议层，根据不同的应用场合，对网络的需求也各有差异，因此，应用层上对应的协议是最为丰富和复杂的。早期的应用层有远程登录协议（Telnet）、文件传输协议（FTP，File Transfer Protocol）和简单邮件传输协议（SMTP，Simple Mail Transfer Protocol）等协议。,3.4 具有五层协议的体系结构,1.TCP/IP模型的特点及其ISO/OSI模型的比较 TCP/IP模型的特点：其一，由于TCP/IP网络只在传输层上提供面向连接的可靠服务，因此，与ISO/OSI协议相比，TCP/IP协议显得简洁清晰；其二，TCP/IP网络可提供高效的传输速率，尤其当物理网络很可靠时，TCP/IP的传输效率将更加可观。,3.4 具有五层协议的体系结构,TCP/IP模型和ISO/OSI模型比较 相似之处：它们都包含了能提供可靠的端对端的进程之间数据传输服务的传输层，而在传输层之上是面向用户应用的传输服务。 不同之处：在ISO/OSI参考模型中，有3个基本概念服务、接口和协议。每一层都为其邻近的上层提供服务，服务的概念描述了该层向上层所能提供的同等层间通信的能力，并不涉及服务的实现以及上层实体如何访问的问题。 而在TCP/IP模型中并不十分清晰地区分服务、接口和协议这些概念，相比之下，ISO/OSI模型中的协议具有更好的隐蔽性并更容易被替换。ISO/OSI参考模型是在其协议被开发之前设计出来的，这意味着ISO/OSI模型并不是基于某个特定的协议集而设计的，因而它更具有通用性。,3.4 具有五层协议的体系结构,2.五层协议的体系结构 OSI 的七层协议体系结构的概念清楚,理论也比较完整,但它既复杂又不实用。TCP/IP体系结构则不同，但在实际中却得到最广泛的应用。TCP/IP是一个四层的体系结构，包含含应用层、运输层、网际层和网络接口层。不过从实质上讲，TCP/IP只有最上面的三层，因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容。因此在学习计算机网络的原理时往往采取这中的办法，即综合OSI 和TCP/IP的优点，才用一种五层协议的体系结构,小结,本章详细介绍了计算机网络体系结构的形成和基本概念，讲解了两种主要的参考模型的分层原理和各层的功能概述,并且将两种体系结构进行了对比,在此基础上提出了五层协议体系结构。通过本章的学习，可以对网络的体系结构有更深的体会和认识。,