第二章 计算机网络体系结构与基本概念计算机网络的体系结构是一个分层的结构第一节计算机网络体系结构与基本概念第二节OSI参考模型第三节TCP/IP参考模型习题和思考结束2.1计算机网络体系结构与基本概念计算机网络的体系结构是一个分层的结构分层理由1 将网络体系庞大而复杂的功能分成若干个功能相对独立的小功能层，方便设计、调试和将网络体系庞大而复杂的功能分成若干个功能相对独立的小功能层，方便设计、调试和实现。实现。2 使各功能层的功能相对独立，在设计和实现过程互不影响，使增加某层的功能或改变某使各功能层的功能相对独立，在设计和实现过程互不影响，使增加某层的功能或改变某层功能的实现时不影响整个系统。层功能的实现时不影响整个系统。3 使各公司、厂商有一个公共标准可参照，从而避免各公司、厂商的软件、硬件不通用。使各公司、厂商有一个公共标准可参照，从而避免各公司、厂商的软件、硬件不通用。分层原则1 网中各结点都有相同的层，相同的层次具有相同的功能网中各结点都有相同的层，相同的层次具有相同的功能 ；2 同一结点内部相邻层之间通过接口通信；同一结点内部相邻层之间通过接口通信；3 每层使用下一层提供的服务并向其上层提供服务；每层使用下一层提供的服务并向其上层提供服务；4 不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。分层的随意性：分层是人为行为，因此带有随意性，但不是真正意义上的任意，而是遵从一定的原则，简化系统的设计和实现，并确保系统的可扩充性。日前的层划分大致有三：1、作为现代计算机网络理论基础的开放系统互连(OSI)； 2、实际上的通用网络标准TCP/IP模型；3、实用的局域网模型。 分层模型中的基本概念这些基本概念是IOS模型的成果，也是学习计算机网络的很需要概念协议、接口、服务 及其关系（图） 下一节 ， 上一页网络体系是一个分层的结构计算机网络系统是一个功能庞大而复杂的系统。为了方便设计、调试和实现，先将计算机网络系统分成独立的计算机系统，再将网络系统中计算机庞大而复杂的系统功能分为功能相对独立的若干层。每一层都实现本层要完成的具体功能，每一层可与相邻的层通信，每一层功能的实现都是建立在它的下层之上。下一层为上一层提供服务，并把该服务如何实现的细节对上一层加以屏蔽。网络系统中计算机的相互通信都设计成独立系统对应层实体的通信。在设计调试中更改某层功能的实现时，其他层不受影响。依靠各层次之间的功能总体结合，实现网络系统的总体功能，这种分层实现功能的方式就是网络的分层结构。 返回基本概念协议独立系统相同层通信实体双方所遵从的通信规则和约定。独立系统相同层通信实体双方所遵从的通信规则和约定。协议有三个要素。接口同一系统相邻层通信实体双方遵从的规则和约定同一系统相邻层通信实体双方遵从的规则和约定。服务网络体系中各层的功能是以服务方式提供的，网络用户只能看到最上层，也就是网络的使用者只能看到应用层，而应用层的功能是由网络的各层共同完成的。网络的下层向上层提供服务，上层则使用服务。下层为服务提供者，上层称为服务的使用者。服务是在服务访问点（SAP）处提供给上层使用的。服务有不同的形式和内容，有各类数据单元。服务访问点（SAP） 服务访问点是相邻层实体交换数据的地方服务访问点是相邻层实体交换数据的地方。实体层中活动的元素称为层中实体。实体可以是硬件、智能芯片、层中活动的元素称为层中实体。实体可以是硬件、智能芯片、或进程（软件）或进程（软件）。 返回网络分层中服务、协议、接口和服务访问点的关系返回协议的三个要素一、语法规定数据的格式及信号的电平等内容。（如何讲）二、语义规定协议的动作、差错处理、各种控制信息等。（讲什么）三、同步（定时）定义如何匹配数据的发、收时间和发、收速度。返回服务的形式和内容提供服务的形式提供服务的形式服务是用服务原语的形式来描述和提供给使用者的。服务原语分为四类服务原语分为四类（1）请求）请求 (Request) 服务用户向服务提供者请求某种服务。服务用户向服务提供者请求某种服务。（2）指示指示 (Indication)服务提供者向服务用户指示有一个事件发生。服务提供者向服务用户指示有一个事件发生。（3）响应响应 (Response) 服务用户告知服务提供希望响应这个事件。服务用户告知服务提供希望响应这个事件。（4）证实证实 (Confirm) 服务提供者返回服务用户对先前请求的证实。服务提供者返回服务用户对先前请求的证实。 具体过程（图）n+1层实体得到的服务（1）n层实体自己提供的某些功能。（2）n-1层用以下各层和本地系统得到的服务。（3）通过与对等实体通信而得到的服务。服务形式、质量服务形式、质量有连接服务和无连接服务有连接服务和无连接服务、有、有可靠的服务和不可靠的服务。可靠的服务和不可靠的服务。服务访问点的标识服务访问点的标识每个服务访问点（每个服务访问点（SAP）都有惟一的地址或标识。都有惟一的地址或标识。 返回四类服务原语的工作过程（返回）面向连接的服务和无连接服务面向连接的服务面向连接的服务(Connection Oriented Service)所谓连接就是对等实体为通信而建立的逻辑通道，这通道本质上像管道，发关方从管道的一端放入数据，接收方从管道的另一端按同样的次序取出数据。面向连接的服务由三个过程组成：建立连接、使用连接（传输数据）和释放连接。其过程和电话系统很类似。无连接的服务无连接的服务（Connectionless Service)无连接服务在两个通信实体之间不必建立连接，每个被传送 的报文都带有完整的目的地址信息，并由通信子网系统单独选择传输的路径进行转发。 返回可靠服务和不可靠服务服务有可靠服务和不可靠服务之分可靠服务是通过确认（确认接收无错误）来实现的使用确认实现可靠传输是有代价的，代价是确认降低了传输的效率、增加了实际传输的延时、增加了算法的复杂性。但为了确保传输是可靠的，这些又不得不做。之所以分为可靠和不可靠服务是为了给用户提供可选择的余地。 返回服务中种类数据单元及其关系（1）协议数据单元（PDU）不同系统中对等实体之间根据不同系统中对等实体之间根据协议所交换的数据单元。协议所交换的数据单元。（2）接口数据单元（IDU）同一系统中相邻层实体经过接同一系统中相邻层实体经过接口所交换的数据单元。口所交换的数据单元。（3）服务数据单元（SDU）一个服务所要传送的逻辑数据一个服务所要传送的逻辑数据单元。单元。协议控制信息（PCI）接口控制信息（ICI）n层的服务数据单元与n层的协议控制信息结合成n层的协议数据单元，再加上接口控制信息构成接口数据单元，通过n-1层服务访问点后，除去接口控制信息便成为n-1层的服务数据单元。返回协议控制信息协议控制信息（又称协议首部）是关于所属数据报的信息，这个信息通常组成一个块，附加在数据的前面，称为首部或协议首部标识，用于在不同的层之间传输信息，也可用于设备之间的信息传 输 。 它 是 根 据 ISO的ASN.1(Abstract Syntax Notation One)文档开发的。当协议首部传输到下一层，接收层将含有层首部标识的数据报作为完整的数据报来处理，并把自己的协议首部标识附加在数据报的前面。这样，如果一个数据报从应用层出发，在到达物理层时，其上面将附加有七个协议首部标识。在返回上一层时将会用到这些首部标识，当数据报向上层移动时，逐层将首部标识剥去，然后将数据报输给上一层。 返回 2.2 OSI参考模型OSI是开放系统互连的英文缩写，OSI参考模型是1981年，国际标准化组织 (International Standard Organization，ISO)提出的开放系统互连参考模型(Open System Interconnect/Reference Model，OSI/RM)。OSI中的“系统”是指计算机、外部设备、终端、传输设备、操作人员及相应软件的集合。当一个系统能按OSI模式与另一个系统进行通信时，就称该系统为开放系统。 OSI参考模型是国际标准化组织和众多的网络工程师多年研究的成果，尽管OSI并未确切地描述每层的的具体协议和服务，但确定了每一层要做什么。它已成为所有网络工作者的参考标准，它所提出的概念和方法已成为网络中的基本概念和网络工作者的主要方法，是计算机网络的理论基石。现在绝大多数据网络研究工作都是在这七层模型的框架下进行。OSI-RM是一个七层模型，从上到下具体如下：应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 七层模型图上一节，下一节物理层物理层（Physical layer)物理层的主要功能是在物理信道上实现原始比特流的传输，并协调、处理物理介物理层的主要功能是在物理信道上实现原始比特流的传输，并协调、处理物理介质连接的机械、电气规范传输的功能、规程、特性等约定质连接的机械、电气规范传输的功能、规程、特性等约定。所涉及的主要问题线路配置 多个设备如何物理连接，线路是否共用扩是否可靠。数据传输模式 数据是单向传输还是双向传输，或晶轮流交替进行。信号 选用什么信号传输，是电信号否是光信号。编码 如何对0和1进行编码，如差分曼切斯特编码或4B/5B码等。介质 采用什么介质进行传输。(用具体例子加以说明）实例：RS232-C ISO8480，RS449 ISO4902 返回 上一层 下一层 数据链路层数据链路层（Data Link Layer)数据链路层的主要功能：完成无差错地将数据帧从一个节点传输到下一个（相邻）节点完成无差错地将数据帧从一个节点传输到下一个（相邻）节点。数据链路层涉及的主要问题是：1、点到点的传输 将数据传送到下一个节点。2、成帧 将数据分割组装成完整的数据帧。3、地址 处理帧中的地址（物理地址）和编址方案。4、访问控制 当多个设备连接到同一条链路上时，需要确定哪设备访问链路。5、流量控制 协调发/收之间的速度，使之匹配。6、差错控制 检出出错帧，并重发，直到收方收到正确数据帧。7、同步 使接收方能确切知道数据帧开始的时刻和数据时钟。实例：IOS4335、7809、13239、3309 规定了HDLC。 返回 上一层 下一层网络层网络层（Network Layer)网络层的主要功能是实现将数据分组从源站通过网络传送到目的站是实现将数据分组从源站通过网络传送到目的站。源站和目的站都是网络上的主机。网络层所涉及的主要问题1.源站到目的站数据分组的传输2.逻辑地址 如何处理网络的统一编址3.路由选择 如何确定分组的传输路径。4.拥塞控制 避免网络中出现过量的分组做成网络性能下降。5.网络互连 实现和解决各种网络互连。 返回 上一层 下一层传输层传输层（Transport Layer)传输层的主要功能完成源端到目的端数据的传输完成源端到目的端数据的传输。端即主机上的某个进程，也就是说完成网络上某主机的某进程与另一台主机的某个进程之间的数据传输。传输层涉及到的主要问题1.端到端数据传输 从源端传输数据到目的端。2.服务访问点的寻址 确保数据传输到目标进程。3.分段和装配 通过序号对数据进行分段，待数据到达目的端后再装配数据，使数据还原。4.连接控制 决定是否经单一通道传输数据。 返回 上一层 下一层会话层会话层(Session Layer)会话层的主要功能：实现在不同机器上用户建立、维护和终止会话关系实现在不同机器上用户建立、维护和终止会话关系。即会话层对会话提供控制管理服务、会话同步服务等。会话层所涉及的主要问题：1.会话管理 将会话分为子会话，将和数据分为短的对话单元。2.会话同步 确定用什么次序传送对话单元给传输层。3.对话控制 确定由谁发送，以及在什么时候发送。4.会话终止 确保在会话终止之前数据交换已经完成。 返回 上一层 下一层表示层表示层(Presentation Layer)表示层的主要功能：确保各种通信设备能互相操作，不及考虑其数据的内部表示确保各种通信设备能互相操作，不及考虑其数据的内部表示。即确保即使各种通信设备其数据的内部表示不同，但仍然能相互正确操作。表示层所涉及的主要问题：1.变换 将发送方的数据编码转换为标准的传送数据编码，在到达目的地后，再将标准的传送数据编码转换成接收方的数据编码。2.加密 从安全的角度考虑，对数据进行加密和解密。3.压缩 为了提高传输的效率，对数据进行压缩和还原。 返回 上一层 下一层应用层应用层(Application Layer)应用层的主要功能 ：使得用户能够访问网络，为各类应用提供相应的服务、提供各种用使得用户能够访问网络，为各类应用提供相应的服务、提供各种用户接口支持服务户接口支持服务。注意：应用层不是应用程序，应用层是一个为应用程序提供各类应用支持的服务层。所涉及的主要问题：由于应用的种类繁多，且不断有新的应用服务要求提出。所以涉及的问题很多，又不断增加，故不可能将所涉及的问题都提到，只能列举出目前知道且主要的问题。1、网络虚拟终端 2、文件传输，简单文件传输 3、电子邮件 4、目录服务 5、超文本传输 6、域名系统 7、网络安全等。 返回 上一层 下一层ISO七层参考模型图下三层构成通信子网，上三层属于资源子网。 返回主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机 1 向主机 2 发送数据 应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体主机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机 2主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！2.3 TCP/IP模型A.TCP/IP模型名称的来原TCP/IP模型是用两个协议的名称来命名的。B.关于TPC/IP协议TPC/IP协议是1969年美国国防（DoD Department of Defense)高级研究计划署（ARPA）在研究实现ARPANET时开发的一簇网络协议，它早于OSI成熟和出现。ARPANET是一个点到点的分组交换网。而TCP协议和IP协议是这组协议中的两个最重要的协议，所以整个协议簇就用TCP/IP来命名。ARPANET是当今Internet的前身，Internet(国际互联网)使用的网络协议簇就是TCP/IP协议簇，随着Internet的迅猛发展和日益普及，TCP/IP协议簇已成为事实上的工业标准，在计算机网络领域扮演着极为重要的角色，是计算机网络课程要学习的重要内容。TCP/IP协议簇通常就简称为TCP/IP协议。C.TCP/IP模型的具体内容D.TCP/IP模型与OSI七层模型的比较 返回TCP/IP模型的具体内容TCP/IP模型分为四层，又称为四个概念层，它是先有协议后划分层的，并且它的层与OSI模型的分层是不同的。1.网络接口层(Network Interface Layer) TCP/IP模型中的最低层，这一层并设有定义具体的协议，只是指出主机必须能够使用某种协议与互联网连接，能够在使用它传送IP分组。它支持所有的网络，如局域网、广域网和广域网连入互联网络。2.互联网层(Internet Layer) 互联网层处理一主机到另一主机的通信。负责将分组发往任何网络，并使分组独立地传和目标。这一层定义了IP（Internet Protocol)协议，Internet控制报文协议ICMP，Internet组管理协议等。3.传输层(Transport Layer) 传输层主要提供应用程序到应用程序的通信，也就是端到端的通信。传输层定义了两个协议TCP和UDP，1.TCP传输控制协议（Transmission Control Protocol)是个面向连接的无差错字节流的传输协议。2.UDP用户数据报协议（User Datagram Protocol)是一个不可靠的无连接的数据传输协议。它传输前不必建立连接，也不必应答，传输数据一次完成。4.应用层(Application Layer)包含所有高层协议，所有面向应用的协议。如Telnet,FTP,SMTP,DNS,HTTP等。 返回TCP/IP模型与OSI模型的比较1.OSI模型严格区分了服务、接口和协议这三个概念，TCP/IP模型是后来划分的OSI严格地按层划分，并严格区分了服务、接口和协议这三个概念，TCP/IP模型是后来划分的。2.OSI参考模型不偏向于任何特定的协议，而TCP/IP是单一的协议簇OSI不偏向于任何特定的协议，而TCP/IP为单一的协议簇，不与其它协议兼容。3.OSI模型最初是忽略了面向连接和无连接的差别，而TCP/IP在设计时已经考虑并实现了4.在具体实现上有很大的区别OSI模型主要由通信领域的专家制定，其中的某些协议并不适合计算机软件的工作方式，协议内容相当复杂，实现效率很低，只是它特别适用于讨论计算机网络的有关理论。而TCP/IP则是一个简单、实用、高效、易于实现的实用协议。 返回第二章习题与思考1.为什么要将网络体系分层？2.IOS将网络体系分为哪几层？并简述每层的主要功能。3.TPC/IP模型中将网络体系分为几层？它与OSI模型有何异同？4.理解下列概念或名词：协议 、接口、服务、SAP、SDU、PDU、IDU、通信实体、对等实体5.协议有哪三要素？6.题解P11 2、3、4、5、6、8、12 返回