第 3 章网络体系结构与网络协议

第3章网络体系结构与网络协议

第三章主要内容 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

本章学习要求： • 理解：协议、层次、接口与网络体系结构的概念及分层思想 • 掌握：网络体系结构的层次化研究方法 • 理解和掌握：OSI参考模型及各层的基本功能 • 理解和掌握：TCP/IP参考模型及各层的基本功能 • 了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

本章知识结构

3.1 网络体系结构的概念

发信者 收信者用户间约定书写信件贴邮票通信者活动通信者活动阅读信件送邮箱收集信件投递信件盖邮戳邮局A服务业务邮局B服务业务分拣信件分拣信件信件打包分发信件运输部门间约定邮局间约定邮局转送业务邮局转送业务送运输部门邮包拆包路由选择转送邮局运输部门的邮件运输业务发送邮包接收邮包社会上存在的邮政系统用户子系统信信用户/邮局约定邮局子系统邮包邮局/运输部门约定邮包运输子系统邮车图3.1 邮政系统的分层模型

1. 网络协议的概念 • 在计算机网络中为数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议(Network Protocol) ； • 网络协议的三要素 • 语法：即用户数据与控制信息的结构与格式；包括数据格式、编码及信号电平等。 • 语义：指需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应 • 时序：指事件的执行顺序，涉及速度匹配和排序,即对事件实现顺序的详细说明。如速度匹配、排序等 “语义”规定通信双方准备“讲什么”，“语法”规定通信双方“如何讲”，“时序”规定通信双方的“应答关系”

2、协议、层次、接口与体系结构的概念 • 协议（protocol)：一种通信规约 • 层次（layer） • 接口（interface） • 体系结构（architecture）

(1)层次（layer） • 层次是人们处理复杂问题的基本方法，将要实现的功能分配在不同层次中，对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定； • 不同的系统分成相同的层次，不同系统的最低层之间存在着“物理”通信，不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信； • 对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定； • 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。

(2)接口（interface） • 接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点; • 同一结点的相邻层之间存在明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务; • 只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的实现方法与技术变化不会影响整个系统。

网络体系结构（network architecture） • 将计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层实体通讯的协议和邻层间的接口服务。这种层和协议的集合称之为网络体系结构； • 计算机网络体系结构是网络中分层模型以及各层功能的精确定义。 • 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 • 体系结构是抽象的，实现是指能运行的硬件和软件。

主机B 主机A 网计算机网络的体系结构及其划分所遵循的原则 • 网络体系结构为什么要采用分层次的结构？ • 网络体系结构采用分层次的结构，是因为“分层”可以把庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

层次模型

N+1层协议 N+1层实体 N+1层实体服务用户第N+1层服务原语服务原语接口(SAP) 接口(SAP) N层实体服务提供者 N层协议 N层实体第N层 • 层次模型

实体 • 在每一层中，任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程称为实体。 • 服务 • 在网络分层模型中，每一层为相邻的上一层所提供的功能称为服务。 • 第N层向第N +1层提供服务，第N +1层使用第N层所提供的服务； • 第N +1层的实体为第N层的服务用户，第N层的实体则为服务提供者。 • 接口 • 在同一系统中，相邻两层的实体交换信息的地方称为接口或服务访问点SAP(Service Access Point)。第N层向第N +1层提供服务是通过第N层与第N +1层之间的接口来实现的。 • 在网络中 • 对等层之间的约定称为协议，它是网络中用于规定信息的格式以及如何发送和接收信息的一套规则，是平行对等关系。 • 相邻层之间的约定称为接口，它是网络中上下层之间传递数据的约定，是垂直调用关系。

协议与服务有何区别？有何关系？ • 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，或简称为协议。网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式，而协议的语义方面的规则定义了发送者或接收者所要完成的操作。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。协议和服务在概念上是很不一样的。首先，协议的实现保证了能够向上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的实体是透明的。其次，协议是“水平的”，即协议是控制对等实体间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层接口提供的。另外，并非在一层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才能称之为“服务”。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。

划分层次的概念举例 • 主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。 • 可以将要做的工作进行如下的划分。 • 第一类工作与传送文件直接有关。 • 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 • 双方协调好一致的文件格式。 • 两个主机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。

两个主机交换文件 只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的主机1 主机2 文件传送模块文件传送模块把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块

再设计一个通信服务模块 主机1 主机2 只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方文件传送模块文件传送模块通信服务模块通信服务模块把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块

再设计一个网络接入模块 主机1 主机2 文件传送模块文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接口网络接口通信网络网络接入模块网络接入模块网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。

计算机网络的体系结构划分所遵循的原则是什么 (1)每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻层产生影响。 (2)层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。 (3)层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。 (4)不同的系统分成相同的层次，对等层次具有相同的功能；

3、计算机网络层次结构的优点 (1) 各层之间相互独立 (2) 灵活性好 (3) 各层采用最合适的技术实现而不影响其他层 (4) 易于实现与维护 (5) 分层有利于促进标准化工作

网络体系结构的国际标准 • 网络体系结构标准化建设经历了两个阶段 • 第一阶段是各计算机制造厂商网络体系结构标准化； • 第二阶段是国际网络体系结构标准化。 • 各公司推出的网络体系结构 • 1974年，IBM公司，系统网络体系结构(System Network Architecture，SNA)。 • 1975年，美国数字网络设备DEC公司发布数字网络体系结构(Digital Network Architecture，DNA)标准。 • 1976年，Univac公司提出了分布式通信体系结构(Distributed Communication Architecture，DCA)标准。 • Burroughs公司的BNA标准等。

网络体系结构的国际标准 • 1984年，国际标准化组织(ISO)颁布了“开放系统互联参考模型”，即OSI/RM (Open System Interconnect Reference Model)，定义了网络互联的7层框架。 • 法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 • 因特网上使用的TCP/IP协议及其体系结构成为业界公认的事实标准。 • 是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。 • TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。

3.2 OSI参考模型 3.2.1 OSI参考模型的基本概念 3.2.2 OSI参考模型的结构 3.2.3 OSI参考模型各层的功能 3.2.4 OSI环境中的数据传输过程

3.2.1 OSI参考模型的基本概念 • 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：国际电报与电话咨询委员会（CCITT）与国际标准化组织（ISO） • CCITT与ISO的工作领域：CCITT 主要考虑通信标准的制定，ISO主要考虑信息处理与网络体系结构。

OSI标准中开放的概念 • 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任何地方、同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信； • OSI标准采用三级抽象： • 体系结构（architecture） • 服务定义（service definition） • 协议说明（protocol specification）

体系结构 • 开放系统的层次结构、层次之间的相互关系，以及各层所包括的可能的服务； • 作为一个框架来协调和组织各层协议的制定； • 对网络内部结构最精炼地概括与描述。

服务定义 • 详细说明各层提供的服务； • 某层的服务是该层及其以下各层的一种能力； • 低层的服务通过接口向上一层提供; • 各层提供的服务与这些服务是如何实现无关； • 定义各层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口的具体实现。

3.2.2 OSI参考模型的结构 • ISO在制定OSI参考模型是对层次划分的主要原则是： • 网络中的所有结点都具有相同的层次； • 不同结点的同等层具有相同功能； • 同一结点内相邻层之间通过接口通信； • 每层可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实现对等层之间的通信。

应用层协议 会话层协议网络层协议传输层协议表示层协议链路层协议 APDU APDU PPDU PPDU SPDU SPDU 报文报文分组分组帧帧比特流比特流物理传输媒体物理层协议 3.2.3 OSI参考模型的结构

OSI模型的特点 • OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容，其最重要的贡献是将服务、接口、协议3个概念区分清楚； • 它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； • OSI模型在协议实现方面存在某些不足，原因是OSI模型太复杂； • 它对今后计算机网络技术朝标准化、规范化方向发展有指导意义。

3.2.3 OSI参考模型各层的功能 • 物理层（Physical Layer） • 数据链路层（Data Link Layer） • 网络层（Network Layer） • 传输层（Transport Layer） • 会话层（Session Layer） • 表示层（Presentation Layer） • 应用层（Application Layer）

1.物理层的主要功能 • 位于最底层，直接与物理信道相连。其功能是对上层屏蔽传输媒介的区别，利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接； • 规定通信双方相互连接的机械、电气、功能和规程特性。在数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间完成物理连接 • 实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务； • 物理层的数据传输单元是比特(bit)。

1.物理层 • 物理连接的建立、维护和释放：当一个数据链路实体请求与另一个数据链路实体之间建立物理连接时，物理层应该能为它们建立相应的物理连接。在通信时，要维持这个连接。通信结束，要立即释放连接。 • 二进制位流的传输：在物理连接上一般都采用串行传输，即一个一个比特按照时间顺序传输。串行传输可采用同步传输方式，也可采用异步传输方式。 • 物理层的管理：完成物理层的某些管理事务，如发送和接收比特流、异常情况处理、故障情况报告等。

1.物理层——特性 • 机械特性 • 规定接口所用的接线器的形状、尺寸、引线数目和排列方式，传输介质的参数和特性等。 • 电气特性 • 主要考虑信号波形的参数、电压和阻抗的大小、编码方式等。 • 功能特性 • 对接口连线的功能给出确切的定义，如数据线、控制线、定时线和地线等。 • 规程特性 • 规定了使用接口线实现数据传输的操作过程。常用的标准有美国电子工业协会EIA的RS-232-C、RS-366-A、RS-449，国际电报电话咨询委员会CCITT建议的X2.1，(美国)电气和电子工程师学会IEEE 802系列标准。

1.物理层——特性 • 传输介质 • 有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤； • 无线传输介质有无线电波、红外线和激光。 • 连接器和插座 • RJ-45插座和RJ-45连接器； • BNC插座和BNC连接器； • 转换器：有RJ-45到DB-9的转换器、DB-25到DB-9的转换器等。 • 物理层设备 • 对信号进行放大和整形的设备，主要有中继器(Repeater)和集线器(Hub) 。

2.数据链路层的主要功能 • 在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；并向网络层提供无差错的透明传输 • 数据链路层主要负责数据链路的建立、维持和拆除，然后将网络层送下来的信息(包) 组成帧传送，传输以“帧”为单位的数据包； • 采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

数据链路的概念 • 链路(Link) • 是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何其他交换结点。在进行数据通信时，两个计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路，可见链路只是一条路径的组成部分。链路又称为物理链路。 • 数据链路(Data Link) • 是指当需要在一条链路上传送数据时，除了必须具有一条物理线路之外，还必须有一些必要的通信协议来控制这此数据的传输。若把实现这些规程和协议的硬件和软件加到物理线路上，这样就构成了数据链路，即逻辑链路。 • 现在最常用的方法是使用适配器（或拨号适配器或以太网中网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。 • 当采用复用技术时，一条链路上可有多条数据链路

“电路接通”与“数据链路接通”的区别： • 电路接通：表示链路两端的交换机已开机，物理连接已能传送比特流。但此时数据传输并不可靠。 • 在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才是数据链路接通。此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传等功能，才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输。当数据链路断开是，物理电路连接不一定跟着断开。 • 使数据可靠传输，数据链路层须具有以下功能： • 链路管理： • 帧的装配与分解 • 帧的同步 • 流量控制与顺序控制 • 差错控制 • 使接收端能区分数据和控制信息 • 透明传输 • 寻址

H1 H2 高层高层 R1 R2 R3 运输层运输层网络层网络层网络层网络层网络层链路层链路层链路层链路层链路层物理层物理层物理层物理层物理层数据链路层的简单模型主机H1向H2发送数据路由器R1 路由器R3 主机H1 路由器R2 主机H2 局域网广域网电话网局域网从层次上来看数据的流动

数据链路层的简单模型( 续） 主机H1向H2发送数据路由器R1 路由器R3 主机H1 路由器R2 主机H2 局域网广域网电话网局域网仅从数据链路层观察帧的流动 H1 H2 高层高层 R1 R2 R3 运输层运输层网络层网络层网络层网络层网络层链路层链路层链路层链路层链路层物理层物理层物理层物理层物理层

帧帧数据据链路层--从层次结构看数据据的流动结点 A 结点 B 网络层 IP 数据报 IP 数据报装入取出数据链路层帧帧物理层 1010… …0110 1010… …0110 链路结点 A 结点B 发送接收数据链路层链路

结点A 结点B 帧帧数据据链路层--数据链路层像个数字管道 • 常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。 • 早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。

数据据链路层——三个基本问题 (1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制

（1）封装成帧 • 每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限——最大传送单元MTU (Maximum Transfer Unit)。 • 在数据链路层，结点在发送数据时，将网络层传下来的分组添加首部和尾部等控制信息封装成帧发送到链路上； • 结点在接收过程中，链路层把物理层传上来的帧剥去帧的首部和尾部后的数据(分组)取出来上交网络层。 IP 数据报帧开始帧结束帧首部帧的数据部分帧尾部  MTU 数据链路层的帧长从这里开始发送

IP数据报 分组网络层数据网络层帧的首部帧的数据部分帧的尾部帧帧开始地址长度/类型/控制 FCS 帧结束数据据链路层--帧的封装与定界 • 帧的格式 • 从网络层接收的分组（IP数据报）加上帧的首部和帧的尾部组装成帧。

数据据链路层--帧的封装与定界 • 帧开始 • 用以指示一个帧的开始，如标志01111110。 • 地址 • 用于设备或机器的物理寻址。 • 帧的长度/类型/控制 • 该字段在不同的数据链路层协议中有不同的规定，帧的长度通常以字节为单位，帧的类型主要包括数据帧和控制帧。 • 数据 • 承载网络层的数据分组(Packet)。 • 帧校验序列FCS(Frame Check Sequence) • 提供与差错检测有关的信息。 • 帧结束 • 用以指示一个帧的结束，如标志01111110 。

数据据链路层--帧的封装与定界 • 帧的定界 • 帧的定界就是提供关于帧的边界的识别功能，即标识帧的开始与结束。 • 帧的定界的方法 • 带字符填充的首尾界符法； • 带位填充的首尾标志法。

数据据链路层--帧的封装与定界 • 带字符填充的首尾界符法 • 用一些特定的字符来定界一帧的起始与终止。 • 同步原理 • 在一帧的开头用ASCII字符DLE STX在帧尾用DLE ETX作为帧的首尾定界符； • DLE(Data Link Escape)：ASCII值为16，转义标志; • STX(Start of Text)：ASCII值为2，文本开始标志; • ETX(End of Text)：ASCII值为3，文本终止标志。 • 若数据信息位中有与特定字符相同的字符将会被误判为帧的首尾定界符，为了使接收方对帧实现正确判断，就在其前面再插入一个DLE，这样数据部分的DLE就会成对出现； • 在接收方遇到两个连续的DLE时，则认为是数据部分，删除一个DLE。

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