第三章第三章 网络体系结构网络体系结构8/13/2024网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础3.1 基本概念8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础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式以及如何发送和接收信息的规则的集合称为网络协网络协议议，简称协议协议。简单地说，协议就是通信双方的协议就是通信双方的一种通信规约一种通信规约。网络协议包括三个要素：语义语义：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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础实体(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。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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础分层(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8/13/2024网络应用基础网络应用基础接口(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接口。在第N层和第(N+1)层之间的接口称为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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础服务(Service)在网络体系结构中，服务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，上层是服务的用户下层是服务提供者，上层是服务的用户。8/13/2024网络应用基础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网络体系结构体系结构。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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础3.2 标准化组织国际标准化组织（ISO）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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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, 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。应应用用层层(The Application Layer)表示表示层层(The Presentation Layer)会会话层话层(The Session Layer)传输层传输层(The Transport Layer)网网络层络层(The Network Layer)数据数据链链路路层层(The Data Link Layer)物理物理层层(The Physical Layer)8/13/2024网络应用基础网络应用基础3.3.2 OSI参考模型的结构及功能不同计算机之间的同等层通过协议进行交流：8/13/2024网络应用基础网络应用基础物理层(The Physical Layer)物理层是OSI模型的最底层，它起到数据链路数据链路层层和传输介质传输介质之间的逻辑接口逻辑接口作用，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8/13/2024网络应用基础网络应用基础物理层(The Physical Layer)DTE和DCEDTE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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础数据链路层(The Data Link Layer)数据链路层数据链路层是OSI模型的第二层，负责在相邻节点之间可靠地、无差错地传送以帧帧为单位的数据。数据链路层的功能构建数据帧构建数据帧：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。差错控制差错控制：包括两种，一种是向前纠错，另一种是检错重发。8/13/2024网络应用基础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数据包(Packet)。网络层功能构建数据包构建数据包：即是将数据按预定义的格式分段组装成数据包。路由路由：路由是网络层的核心功能路由是网络层的核心功能，是指网络中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动态路由算法和静态路由算法静态路由算法两类。流量控制流量控制：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：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。8/13/2024网络应用基础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。8/13/2024网络应用基础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8/13/2024网络应用基础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，该操作称为数据数据分段分段。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8/13/2024网络应用基础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8/13/2024网络应用基础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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础会话层(The Session Layer)会话层会话层是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。会话层提供的服务对话管理对话管理：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。同步同步：建立和维持会话，并使会话保持同步。8/13/2024网络应用基础网络应用基础表示层(The Present Layer)表示层表示层是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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础应用层(The Application Layer)应用层应用层是OSI模型的最高层，是最靠近用户的一层，其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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础3.3.3 OSI参考模型中的数据传输过程8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础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。应用用层传输层网网络互互连层网网络接口接口层8/13/2024网络应用基础网络应用基础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、FDDI等）来传送数据。网络互连层传输层应用层8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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）、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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础3.4.3 TCP/IP参考模型中的数据传输过程 8/13/2024网络应用基础网络应用基础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。8/13/2024网络应用基础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8/13/2024网络应用基础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8/13/2024网络应用基础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、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8/13/2024网络应用基础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8/13/2024网络应用基础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。8/13/2024网络应用基础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，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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础应用层协议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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础3.5 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较两种模型的比较8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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应用用层传输层网网络层数据数据链路路层物理物理层8/13/2024网络应用基础网络应用基础3.6 网络操作系统网络操作系统概述Windows Server 2003操作系统UNIX操作系统Linux操作系统8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础网络应用基础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8/13/2024网络应用基础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。8/13/2024网络应用基础网络应用基础本章小结TCP/IP参考模型的起源和发展。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。8/13/2024网络应用基础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。 8/13/2024