1、第三章第三章 計算機網絡體系結構與協議計算機網絡體系結構與協議 本章學習要點：本章學習要點： 網絡體系結構與協議概述網絡體系結構與協議概述 OSI參考模型參考模型 OSI與與TCP/IP兩種兩種模型的比較模型的比較 TCP/IP參考模型參考模型 3.1 網絡體系結構與協議概述網絡體系結構與協議概述3.1.1 網絡體系結構的概念網絡體系結構的概念l 網絡體系結構網絡體系結構是指整個網絡系統的邏輯組成和功能分配，定義和描是指整個網絡系統的邏輯組成和功能分配，定義和描述了一組用于計算機及其通信設施之間互連的標準和規范的集合。述了一組用于計算機及其通信設施之間互連的標準和規范的集合。 l 研究網絡體系

2、結構的研究網絡體系結構的目的目的：定義計算機網絡各個組成部分的功能，：定義計算機網絡各個組成部分的功能，以便在統一的原則指導下進行網絡的設計、建造、使用和發展。以便在統一的原則指導下進行網絡的設計、建造、使用和發展。 3.1.2 網絡協議的概念網絡協議的概念l 網絡協議網絡協議就是為進行網絡中的數據通信或數據交換而建立的規則、就是為進行網絡中的數據通信或數據交換而建立的規則、標準或約定。標準或約定。 1. 什么是網絡協議什么是網絡協議l 連網的計算機以及網絡設備之間要進行連網的計算機以及網絡設備之間要進行數據數據與與控制信息控制信息的成功的成功傳遞就必須共同遵守網絡協議。傳遞就必須共同遵守網絡

3、協議。2. 網絡協議的三要素網絡協議的三要素 l 語法（語法（Syntax） 語法規定了通信雙方語法規定了通信雙方“如何講如何講”，即確定用戶數據與控制信息的，即確定用戶數據與控制信息的結構與格式。結構與格式。l 語義（語義（Semantics） 語義規定通信的雙方準備語義規定通信的雙方準備“講什么講什么”，即需要發出何種控制信息，即需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種應答完成何種動作以及做出何種應答 l 時序（時序（Timing） 時序又可稱為時序又可稱為“同步同步”，規定了雙方，規定了雙方“何時進行通信何時進行通信”，即事件，即事件實現順序的詳細說明實現順序的詳細說明 3.1.3

4、 網絡協議的分層網絡協議的分層 計算機網絡是一個非常復雜的系統，不僅涉及網絡硬件設備，還計算機網絡是一個非常復雜的系統，不僅涉及網絡硬件設備，還涉及各種各樣的軟件，所以通信協議必然十分復雜。實踐證明，結涉及各種各樣的軟件，所以通信協議必然十分復雜。實踐證明，結構化設計方法是解決復雜問題的一種有效手段，其構化設計方法是解決復雜問題的一種有效手段，其核心思想核心思想是：將是：將系統模塊化，并按系統模塊化，并按層次層次組織各模塊。組織各模塊。1. 分層的好處分層的好處l 各層之間可相互獨立各層之間可相互獨立 l靈活性好，易于實現和維護靈活性好，易于實現和維護 l有利于促進標準化有利于促進標準化 2.

5、 各層次間的關系各層次間的關系l 網絡協議都是按層的方式來組織，如圖網絡協議都是按層的方式來組織，如圖3-1所示，每一層都能完成所示，每一層都能完成一組特定的、有明確含義的功能，每一層的目的都是向上一層提供一組特定的、有明確含義的功能，每一層的目的都是向上一層提供一定的服務，而上一層不需要知道下一層是如何實現服務的。一定的服務，而上一層不需要知道下一層是如何實現服務的。 l 每一對相鄰層次之間都有一個每一對相鄰層次之間都有一個接口接口（Interface），接口定義了下），接口定義了下層向上層提供的層向上層提供的命令和服務命令和服務，相鄰兩個層次都是通過接口來交換數，相鄰兩個層次都是通過接口來

6、交換數據的。據的。 圖圖3-1 計算機網絡的層次模型計算機網絡的層次模型l 每一層中的活動元素通常稱為每一層中的活動元素通常稱為實體實體（Entity）。實體既可以是軟件）。實體既可以是軟件實體（如一個進程），也可以是硬件實體（如智能輸入實體（如一個進程），也可以是硬件實體（如智能輸入/輸出芯片）。輸出芯片）。不同通信節點上的同一層實體稱為不同通信節點上的同一層實體稱為對等實體對等實體（Peer Entity） 。 l 不同網絡中的對等實體之間不能直接進行通信，其通信過程如圖不同網絡中的對等實體之間不能直接進行通信，其通信過程如圖3-2所示。所示。圖圖3-2 對等實體間通信示意圖對等實體間通信

7、示意圖3. 層次間的關系舉例層次間的關系舉例具體實例請參照教材具體實例請參照教材P45P46學習。學習。3.1.4 其他相關概念其他相關概念 1. 服務服務 服務位于層次接口的位置，表示低層為上層提供哪些操作功能，服務位于層次接口的位置，表示低層為上層提供哪些操作功能，至于這些功能是如何實現的，則不是服務考慮的范疇。至于這些功能是如何實現的，則不是服務考慮的范疇。 2. 面向連接服務面向連接服務 面向連接服務類似打電話，包括：建立連接、維護連接和拆除連面向連接服務類似打電話，包括：建立連接、維護連接和拆除連接三個階段。這種服務的最大好處就是能夠保證數據高速、可靠和接三個階段。這種服務的最大好處

8、就是能夠保證數據高速、可靠和順序的傳輸。順序的傳輸。 3. 面向無連接服務面向無連接服務 面向無連接的服務就像發電報，發送方并不能馬上確認對方是否面向無連接的服務就像發電報，發送方并不能馬上確認對方是否已收到。因此，面向無連接服務不需要維護連接的額外開銷，但是已收到。因此，面向無連接服務不需要維護連接的額外開銷，但是 可靠性較低，也不能保證數據的順序傳輸。可靠性較低，也不能保證數據的順序傳輸。4. 服務訪問點（服務訪問點（Service Access Point） 服務訪問點是相鄰兩層實體之間通過接口調用服務或提供服務的服務訪問點是相鄰兩層實體之間通過接口調用服務或提供服務的聯系點。聯系點。

9、5. 協議數據單元（協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）協議數據單元是對等實體之間通過協議傳送的數據單元。協議數據單元是對等實體之間通過協議傳送的數據單元。 返回本節首頁返回本節首頁返回本章首頁返回本章首頁6接口數據單元（接口數據單元（Interface Data Unit，IDU） 接口數據單元是相鄰層次之間通過接口傳送的數據單元，接口數接口數據單元是相鄰層次之間通過接口傳送的數據單元，接口數據單元又稱為服務數據單元（據單元又稱為服務數據單元（Service Data Unit，SDU） 3.2 OSI參考模型參考模型 3.2.1 OSI參考模型的概念參考模型的概念l

10、 1984年，國際標準化組織（年，國際標準化組織（ISO）發表了著名的）發表了著名的ISO/IEC 7498標標準，定義了網絡互連的準，定義了網絡互連的7層框架，這就是層框架，這就是開放系統互連參考模型，開放系統互連參考模型，即即OSI參考模型參考模型，如圖，如圖3-3所示。所示。圖圖3-3 OSI參考模型的結構參考模型的結構l “開放開放”是指只要遵循是指只要遵循OSI標準，一個系統就可以與位于世界上標準，一個系統就可以與位于世界上任何地方、同樣遵循任何地方、同樣遵循OSI標準的其他任何系統進行通信。標準的其他任何系統進行通信。 l OSI參考模型的最高層為參考模型的最高層為應用層應用層，面

11、向用戶提供網絡應用服務；，面向用戶提供網絡應用服務； 最低層為最低層為物理層物理層，與通信介質相連實現真正的數據通信。兩個用戶，與通信介質相連實現真正的數據通信。兩個用戶 計算機通過網絡進行通信時，除物理層之外，其余各對等層之間均計算機通過網絡進行通信時，除物理層之外，其余各對等層之間均 不存在直接的通信關系。不存在直接的通信關系。3.2.2 OSI參考模型各層的功能參考模型各層的功能1. 物理層物理層l 物理層物理層的的主要任務主要任務就是透明地傳送二進制比特流，但物理層并不就是透明地傳送二進制比特流，但物理層并不關心比特流的實際意義和結構，只是負責接收和傳送比特流。關心比特流的實際意義和結

12、構，只是負責接收和傳送比特流。 l 物理層的物理層的另一個任務另一個任務就是定義網絡硬件的特性，包括使用什么樣就是定義網絡硬件的特性，包括使用什么樣的傳輸介質以及與傳輸介質連接的接頭等物理特性，所典型規范代的傳輸介質以及與傳輸介質連接的接頭等物理特性，所典型規范代表有：表有：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等。等。 傳送信息所利用的物理傳輸介質，如雙絞線、同軸電纜、傳送信息所利用的物理傳輸介質，如雙絞線、同軸電纜、光纖等，光纖等， 并不在物理層之內而是在物理層之下。并不在物理層之內而是在物理層之下。 物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一

13、物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：些特性，即： n機械特性機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。n功能特性功能特性 指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。意義。n過程特性過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。 2. 數據鏈路層數據鏈路層l 數據鏈路層數據鏈路層

14、的的主要任務主要任務是：在兩個相鄰節點間的線路上無差錯地是：在兩個相鄰節點間的線路上無差錯地傳送以幀（傳送以幀（Frame）為單位的數據，并要產生和識別幀邊界）為單位的數據，并要產生和識別幀邊界 。 l 數據鏈路層還提供了數據鏈路層還提供了差錯控制差錯控制與與流量控制流量控制的方法，保證在物理線的方法，保證在物理線路上傳送的數據無差錯。路上傳送的數據無差錯。 l 數據鏈路層協議的代表有：數據鏈路層協議的代表有：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等、幀中繼等 3. 網絡層網絡層l 網絡層網絡層的的主要任務主要任務是：進行路由選擇，以確保數據分組從發送端到是：進行路由選擇，以確保數據分組從

15、發送端到達接收端，并在數據分組發生阻塞時進行擁塞控制。達接收端，并在數據分組發生阻塞時進行擁塞控制。 l 網絡層還要解決網絡層還要解決異構網絡的互連異構網絡的互連問題，以實現數據分組在不同類問題，以實現數據分組在不同類型的網絡中傳輸。型的網絡中傳輸。 l 網絡層協議的代表有：網絡層協議的代表有：IP、IPX、RIP、OSPF等。等。 4. 傳輸層傳輸層l 傳輸層從會話層接收數據，形成傳輸層從會話層接收數據，形成報文報文（Message），并且在必要時），并且在必要時將其分成若干個將其分成若干個分組分組，然后交給網絡層進行傳輸。，然后交給網絡層進行傳輸。 l 傳輸層傳輸層的的主要任務主要任務是：

16、為上一層進行通信的兩個進程之間提供一個是：為上一層進行通信的兩個進程之間提供一個可靠的可靠的端到端端到端服務，使傳輸層以上的各層不再關心信息傳輸的問題。服務，使傳輸層以上的各層不再關心信息傳輸的問題。 l 端到端端到端是指：進行相互通信的兩個節點不是直接通過傳輸介質連是指：進行相互通信的兩個節點不是直接通過傳輸介質連接起來的，相互之間有很多交換設備（如路由器）。接起來的，相互之間有很多交換設備（如路由器）。l 傳輸層協議的代表有：傳輸層協議的代表有：TCP、UDP、SPX等。等。5. 會話層會話層l 會話層會話層的的主要任務主要任務是：針對遠程訪問進行管理（比如斷點續傳），是：針對遠程訪問進行

17、管理（比如斷點續傳）， 包括會話管理、傳輸同步以及數據交換管理等。包括會話管理、傳輸同步以及數據交換管理等。 l會話層協議的代表有：會話層協議的代表有：NetBIOS、ZIP（AppleTalk區域信息協議）等區域信息協議）等 6. 表示層表示層l 表示層表示層的的主要任務主要任務是：用處理在多個通信系統之間交換信息的表示是：用處理在多個通信系統之間交換信息的表示方式，包括數據格式的轉換、數據加密與解密、數據壓縮與恢復等。方式，包括數據格式的轉換、數據加密與解密、數據壓縮與恢復等。 l 表示層協議的代表有：表示層協議的代表有：ASCII、ASN.1、JPEG、MPEG等。等。7. 應用層應用層

18、l 應用層應用層的的主要任務主要任務是：為網絡用戶或應用程序提供各種服務，如是：為網絡用戶或應用程序提供各種服務，如文件傳輸、電子郵件、網絡管理和遠程登錄等文件傳輸、電子郵件、網絡管理和遠程登錄等 l 應用層協議的代表有：應用層協議的代表有：WWW、Telnet、FTP、HTTP、SNMP等等 3.2.3 OSI參考模型中的數據傳輸過程參考模型中的數據傳輸過程 圖圖3-4 OSI參考模型中的數據傳輸過程參考模型中的數據傳輸過程數據傳輸的具體細節請參照教材數據傳輸的具體細節請參照教材P49P50學習。學習。返回本節首頁返回本節首頁返回本章首頁返回本章首頁3.3 TCP/IP參考模型參考模型3.3

19、.1 TCP/IP概述概述l ARPANET的運行經驗表明，的運行經驗表明，TCP/IP是一個非常可靠且實用的網是一個非常可靠且實用的網絡協議。絡協議。 l 20世紀世紀80年代末，美國國家科學會借鑒了年代末，美國國家科學會借鑒了ARPANET的的TCP/IP技技術建立了術建立了NSFNET。NSFNET使越來越多的網絡互連在一起，最終使越來越多的網絡互連在一起，最終形成了今天的形成了今天的Internet。TCP/IP也因此成為了也因此成為了Internet上廣泛使用的上廣泛使用的標準網絡通信協議。標準網絡通信協議。 l TCP/IP標準由一系列的標準由一系列的文檔定義文檔定義組成，這些文檔

20、定義描述了組成，這些文檔定義描述了Internet的內部實現機制，以及各種網絡服務或服務的定義。的內部實現機制，以及各種網絡服務或服務的定義。l TCP/IP標準并不是由某個特定組織開發的，實際上是一些團體所標準并不是由某個特定組織開發的，實際上是一些團體所共同開發的。共同開發的。TCP/IP已經成為了事實上的標準。已經成為了事實上的標準。l TCP/IP實際上是一個實際上是一個協議簇（協議簇（注意，并非只有注意，并非只有TCP，IP兩個協兩個協議議）。所有協議都包含在。所有協議都包含在TCP/IP簇的簇的4個層次中，形成了個層次中，形成了TCP/IP協協議棧，如圖議棧，如圖3-5所示：所示：

21、 圖圖3-6 TCP/IP協議棧協議棧1. OSI參考模型和參考模型和TCP/IP參考模型的對應關系參考模型的對應關系圖圖3-7 OSI參考模型與參考模型與TCP/IP參考模型的層次對應關系參考模型的層次對應關系2. 各層次的具體功能各層次的具體功能（1）主機）主機網絡層網絡層l 事實上，事實上，TCP/IP參考模型并沒有真正定義這一部分，只是指出參考模型并沒有真正定義這一部分，只是指出在這一層上必須具有物理層和數據鏈路層的功能。在這一層上必須具有物理層和數據鏈路層的功能。 l 包含了多種網絡層協議，如以太網協議（包含了多種網絡層協議，如以太網協議（Ethernet）、令牌環網協議）、令牌環網

22、協議（Token Ring）、分組交換網協議（）、分組交換網協議（X.25）等）等 （2）互聯層）互聯層l 互聯層互聯層是整個是整個TCP/IP參考模型的關鍵部分，它提供的是參考模型的關鍵部分，它提供的是無連接無連接的的服務，主要負責將源主機的數據分組（服務，主要負責將源主機的數據分組（Packet）發送到目的主機。）發送到目的主機。 l互聯層的互聯層的主要功能主要功能包括：包括：處理來自傳輸層的分組發送請求處理來自傳輸層的分組發送請求 、處理、處理接收到的數據報、進行流量控制與擁塞控制接收到的數據報、進行流量控制與擁塞控制 等。等。 l 互聯層上定義的主要協議包括：互聯層上定義的主要協議包括

23、：網際協議（網際協議（IP）、Internet控制報控制報文協議（文協議（ICMP）、地址解析協議（）、地址解析協議（ARP）、反向地址解析協議）、反向地址解析協議（RARP）等。）等。 （3）傳輸層）傳輸層l 與與OSI參考模型的傳輸層類似，參考模型的傳輸層類似，TCP/IP參考模型的傳輸層的參考模型的傳輸層的主要功主要功能能是：使發送方主機和接收方主機上的對等實體可以進行會話。是：使發送方主機和接收方主機上的對等實體可以進行會話。l 在傳輸層上定義了以下兩個端到端的協議：在傳輸層上定義了以下兩個端到端的協議：傳輸控制協議傳輸控制協議（TCP）和和用戶數據報協議用戶數據報協議（UDP）。 l

24、 TCP是一個面向連接的可靠的全雙工傳輸協議，而是一個面向連接的可靠的全雙工傳輸協議，而UDP是一個面是一個面向無連接的不可靠傳輸協議。向無連接的不可靠傳輸協議。 （4）應用層）應用層l 應用層負責向用戶提供一組常用的應用程序，包含了所有應用層負責向用戶提供一組常用的應用程序，包含了所有TCP/IP協議簇中的高層協議，如協議簇中的高層協議，如FTP、SMTP、HTTP、SNMP、DNS等。等。l 應用層協議一般可以分為應用層協議一般可以分為3類：一類是依賴于面向連接的類：一類是依賴于面向連接的TCP；一類；一類是依賴于無連接的是依賴于無連接的UDP；還有一類則既依賴于；還有一類則既依賴于TCP

25、又依賴于又依賴于UDP。返回本節首頁返回本節首頁返回本章首頁返回本章首頁3.4 OSI與與TCP/IP兩種模型的比較兩種模型的比較3.4.1 兩種模型的比較兩種模型的比較1. 共同點共同點l 采用了協議分層方法，將龐大且復雜的問題劃分為若干個較容易采用了協議分層方法，將龐大且復雜的問題劃分為若干個較容易處理的范圍較小的問題。處理的范圍較小的問題。l各協議層次的功能大體上相似，都存在網絡層、傳輸層和應用層。各協議層次的功能大體上相似，都存在網絡層、傳輸層和應用層。l 兩者都可以解決異構網絡的互連，實現世界上不同廠家生產的計兩者都可以解決異構網絡的互連，實現世界上不同廠家生產的計算機之間的通信。算

26、機之間的通信。l兩者都是計算機通信的國際性標準，雖然這種標準一個兩者都是計算機通信的國際性標準，雖然這種標準一個(OSI)原則原則上是國際通用的，一個上是國際通用的，一個(TCP/IP)是當前工業界使用最多的。是當前工業界使用最多的。l 兩者都能夠提供面向連接和面向無連接的兩種通信服務機制。兩者都能夠提供面向連接和面向無連接的兩種通信服務機制。2. 不同點不同點l 模型設計的差別模型設計的差別l 層數和層間調用關系不同層數和層間調用關系不同l 最初設計的差別最初設計的差別l 對可靠性的強調不同對可靠性的強調不同l 標準的效率和性能上存在差別標準的效率和性能上存在差別 l 市場應用和支持上不同市

27、場應用和支持上不同3.4.2 OSI參考模型的優、缺點參考模型的優、缺點l OSI參考模型詳細定義了參考模型詳細定義了服務服務、接口接口和和協議協議三個概念，并將它三個概念，并將它們嚴格加以區分，實踐證明這種做法是非常有必要的。們嚴格加以區分，實踐證明這種做法是非常有必要的。 l OSI參考模型產生在協議發明之前，這意味著該模型沒有偏向參考模型產生在協議發明之前，這意味著該模型沒有偏向于任何特定的協議，因此于任何特定的協議，因此非常通用非常通用。 l OSI參考模型的某些層次（如會話層和表示層）對于大多數應參考模型的某些層次（如會話層和表示層）對于大多數應用程序來說都沒有用，而且某些功能在各層重復出現用程序來說都沒有用，而且某些功能在各層重復出現 （如尋址、（如尋址、流量控制和差錯控制），這樣影響了系統的工作效率。流量控制和差錯控制），這樣影響了系統的工作效率。l OSI參考模型的結構和協議雖然大而全，但顯過于參考模型的結構和協議雖然大而全，但顯過于復雜和臃腫復雜和臃腫，因而效率較低，實現起來較為困難。因而效率較低，實現起來較為困難。l TCP/IP參考模型產生在協議出現以后，模型實際上是對已有協議參考模型產生在協議出現以后，模型實際上是對已有協議的描述。因此，協議和模型匹配得相當好。的描述。因此，協議和模型匹配得相當好。 l TCP/IP參考模型并不是作為國際標準開發的，它只是