1、1第2章協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)機(jī)械工業(yè)ISBN 978-7-111-30641-22本章學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求了解OSI參考模型、TCP/IP協(xié)議蔟和局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)層次化的研究方法掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、層次、接口、服務(wù)的基本概念，以及相互的聯(lián)系5層體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)32.1協(xié)議2.1.1協(xié)議的作用2.1.2協(xié)議的要素2.1.3協(xié)議的格式42.1.1協(xié)議的作用協(xié)議是通信雙方使用的語(yǔ)言協(xié)議是中的計(jì)算機(jī)設(shè)備之間在相互通信時(shí)遵循的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)和約定這里說(shuō)的計(jì)算機(jī)設(shè)備可以是主機(jī)、路由器、交換機(jī)等，也可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則需明的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是需要不斷發(fā)展和完善的隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服

2、務(wù)內(nèi)容的增加，必須研究和制定新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或修改原有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議52.1.2協(xié)議的要素 語(yǔ)法，即信息格式，協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU的結(jié)構(gòu)或格式，包括哪些字段，字段的作用 語(yǔ)義，某些信息位組合的含義，標(biāo)識(shí)通信雙方可以理解的確定的意義，PDU給出何種控制信息、完成何種操作、做出何種響應(yīng)，即各字段中若干二進(jìn)制位0或1的組合代表什么樣的含義 同步（時(shí)序），即收、發(fā)雙方能分辨出通信的開(kāi)始和結(jié)束，哪些動(dòng)作先執(zhí)行，哪些動(dòng)作后執(zhí)行。為完成一次通信所需要的不同PDU之間有操作順序規(guī)程。有時(shí)同步也稱為規(guī)程語(yǔ)法定義了怎么做，語(yǔ)義定義了做什么，同步時(shí)序關(guān)系定義了什么時(shí)候做6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與人類通信所使用協(xié)議的比較人們之間的會(huì)話也在使

3、用分層的概念，人們只所以感覺(jué)不到是因?yàn)槿藗円呀?jīng)了。以兩個(gè)人之間的自然語(yǔ)言通信為 例，可以認(rèn)為分為三個(gè)層次：傳輸層；語(yǔ)言層；知識(shí)層72.1.3協(xié)議的格式在中用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU，Protocol Data Unit）描述通信協(xié)議 PDU由控制部分和數(shù)據(jù)部分組成控制部分由若干字段組成，表示通信中用到的雙方可以理解和遵循的協(xié)議和規(guī)則82.2體系結(jié)構(gòu)2.2.1體系結(jié)構(gòu)的定義2.2.2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層的原則2.2.3 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的服務(wù)2.2.4 網(wǎng)絡(luò)層次接口和數(shù)據(jù)單元2.2.5 協(xié)議和服務(wù)的關(guān)系2.2.6 對(duì)等協(xié)議的通信過(guò)程92.2.1體系結(jié)構(gòu)的定義體系結(jié)構(gòu)與層次、接口、協(xié)議相聯(lián)系體系結(jié)構(gòu)是層次

4、和協(xié)議的集合是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)按照人們解決復(fù)雜問(wèn)題的方法，把實(shí)現(xiàn)的功能分到不同的層次上層與層之間用清晰的接口連接不同系統(tǒng)中的同一層對(duì)等層對(duì)等層之間通過(guò)理解彼此定義好的規(guī)則和約定，完成對(duì)等層通信102.2.2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層的原則根據(jù)兩級(jí)子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，可以看出層次劃分的輪廓。人們把的功能劃到5個(gè)層次：計(jì)算機(jī)設(shè)備及端系統(tǒng)和通信子網(wǎng)的連接處，以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的物理連接處，應(yīng)劃分一個(gè)層次，用于實(shí)現(xiàn)物理連接，稱為物理層，位置在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸應(yīng)劃分為一個(gè)層次，稱為數(shù)據(jù)鏈路層，位置在相鄰節(jié)點(diǎn)上源主機(jī)節(jié)點(diǎn)和目的主機(jī)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ芸蓜澐譃橐粋€(gè)層次，稱為網(wǎng)絡(luò)層，位置在協(xié)

5、議包傳輸路由經(jīng)過(guò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，傳輸路由從源主機(jī)節(jié)點(diǎn)、中間經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)，到目的主機(jī)節(jié)點(diǎn)在源端節(jié)點(diǎn)到目的端節(jié)點(diǎn)，即兩個(gè)通信的計(jì)算機(jī)設(shè)備之間，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程可靠傳輸所提供的功能劃分為一個(gè)層次，稱為 層，位置在端節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間的可靠傳輸可劃分為一個(gè)層次，稱為應(yīng)用層，位置在端節(jié)點(diǎn)上112.2.3 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的服務(wù)中的通信服務(wù)有兩種不同類型一種是面向連接服務(wù)(connection-oriented service)另一種是無(wú)連接服務(wù)(connectionless service)12中服務(wù)類型及應(yīng)用13服務(wù)原語(yǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)用服務(wù)原語(yǔ)描述服務(wù)原語(yǔ)由三部分組成：原語(yǔ)名；原語(yǔ)類型；原語(yǔ)參數(shù)服務(wù)原語(yǔ)的格式為：原

6、語(yǔ)名.原語(yǔ)類型（原語(yǔ)參數(shù)）原語(yǔ)名說(shuō)明服務(wù)的內(nèi)容原語(yǔ)名和原語(yǔ)類型之間由點(diǎn)進(jìn)行間隔原語(yǔ)類型說(shuō)明層與層之間信息傳輸?shù)牧飨蛟Z(yǔ)名用大寫(xiě)字母表示14服務(wù)原語(yǔ)的4種類型原語(yǔ)類型有4種，用小寫(xiě)字母表示： 請(qǐng)求request發(fā)送方希望得到某些服務(wù) 指示indication接收方得知某個(gè)事件發(fā)生 響應(yīng)response接收某個(gè)事件應(yīng)答證實(shí)confirm發(fā)送方得知請(qǐng)求的結(jié)果15服務(wù)原語(yǔ)的圖示162.2.4 網(wǎng)絡(luò)層次接口和數(shù)據(jù)單元在相鄰層次之間交換信息要遵循一組規(guī)則，這組規(guī)則涉及到一組相關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU、協(xié)議控制信息PCI、接口控制信息ICI、接口數(shù)據(jù)單元IDU、協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU等172.2.5

7、協(xié)議和服務(wù)的關(guān)系服務(wù)和協(xié)議是兩個(gè)完全不同的概念服務(wù)要靠協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)的描述，可以清晰的給出上、下層接口和對(duì)等層之間的聯(lián)系服務(wù)是各層為上層提供的一組原語(yǔ)操作，但未涉及這些操作如何完成協(xié)議是定義同層對(duì)等實(shí)體之間交換的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（位流、幀、分組、報(bào)文段、報(bào)文）的格式及意義的一組約定和規(guī)則182.2.6 對(duì)等協(xié)議的通信過(guò)程在發(fā)送端協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU經(jīng)過(guò)從上層向下層的封裝 到達(dá)對(duì)方后，再經(jīng)由底層向上，每一層去掉協(xié)議頭，稱為拆包，此時(shí)相當(dāng)于對(duì)等層彼此理解192.3 OSI參考模型2.3.1 OSI參考模型概述2.3.2 OSI參考模型的結(jié)構(gòu)2.3.3 OSI參考模型各層的功能2.3.4 OSI

8、參考模型中的數(shù)據(jù)傳輸202.3.1 OSI參考模型概述OSI參考模型概述國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO在1974年制定的OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型分為7個(gè)層次OSI模型本身不是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的全部?jī)?nèi)容它并未確切描述用于各層的協(xié)議和服務(wù)，僅是告訴每一層應(yīng)該做什么OSI的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為：ISO 749821開(kāi)放系統(tǒng)互連OSI圖示222.3.2 OSI參考模型的結(jié)構(gòu)OSI參考模型采用3級(jí)抽象：體系結(jié)構(gòu)；服務(wù)定義；協(xié)議規(guī)范OSI參考模型體系結(jié)構(gòu)是作為一個(gè)框架來(lái)組織和協(xié)調(diào)各層協(xié)議的制定，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)程說(shuō)明比較精練服務(wù)定義詳細(xì)地說(shuō)明各層提供的服務(wù)，提供的服務(wù)與這些服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)協(xié)議規(guī)范給出一組控制數(shù)據(jù)通信

9、的規(guī)則232.3.3 OSI參考模型各層的功能物理層：對(duì)等物理層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元為比特流。物理層協(xié)議用4個(gè)特性描述和定義數(shù)據(jù)鏈路層：涉及到相鄰節(jié)點(diǎn)之間可靠傳輸，需要完成的功能有鏈路管理、成幀、差錯(cuò)控制、流量控制和丟失等網(wǎng)絡(luò)層：涉及到源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間可靠的傳輸，是通信子網(wǎng)的最次，需要完成的功能包括路由選擇，網(wǎng)絡(luò)尋址、網(wǎng)絡(luò)互連等層及：涉及到端（主機(jī)）到端（主機(jī)）之間可靠的，起著承上啟下的作用，為掉下面通信子網(wǎng)的差異會(huì)話層：允許主機(jī)上的用戶建立會(huì)話關(guān)系，在一次會(huì)話連接中可以有多個(gè)會(huì)話內(nèi)容單元，提供會(huì)話同步表示層：關(guān)心所傳輸數(shù)據(jù)信息的格式定義，即信息的語(yǔ)法和語(yǔ)義應(yīng)用層：為應(yīng)用進(jìn)程提供的途徑，不同的應(yīng)

10、用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元242.3.4 OSI參考模型中的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸方向是垂直的但在每一層編程時(shí)卻好像是水平理解和傳輸?shù)?5協(xié)議封裝（Encapsulation）SenderReceiverDataTHDMAC SMACTRSA DASP DPDataData26OSI中數(shù)據(jù)傳輸Data flowSenderReceiverAP S T N DLPhTransmismedium01010101010110100101010101011010T2L3 dataH2T2L3 dataH2L4 dataH3L4 dataH3L5 dataH4L5 dataH4L6 dataH5L6 dataH5

11、L7 dataH6L7 dataH6L7 dataL7 data272.4 TCP/IP協(xié)議參考模型2.4.1 TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)生背景2.4.2 TCP/IP協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)2.4.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的2.4.4 OSI與TCP/IP的比較282.4.1 TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)生背景1972年加州大學(xué)洛杉磯分校的Von G. Cerf()和BobertE. Kahn()進(jìn)行了“網(wǎng)絡(luò)互連項(xiàng)目”研究29TCP/IP協(xié)議具有的特點(diǎn)TCP/IP協(xié)議具有以下特點(diǎn)：是一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議蔟，免費(fèi)使用做到與計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，與特定的網(wǎng)絡(luò)硬件無(wú)關(guān)做到與低層通信子網(wǎng)無(wú)關(guān)，低層網(wǎng)絡(luò)可以是廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)等提

12、供的網(wǎng)絡(luò)邏輯地址IP地址，用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的接，使得異種計(jì)算機(jī)、異種互連成為可能層協(xié)議TCP提供可靠的端到端數(shù)據(jù)傳輸，可以屏蔽通信子網(wǎng)的差異。應(yīng)用層協(xié)議內(nèi)容豐富302.4.2 TCP/IP協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)為4個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)接口層NIL；IP層；TCP層；應(yīng)用層31TCP/IP協(xié)議簇（ Protocol Suite）ApplicationApplicationsPresenionSMTPFTPNETDNSSNMPTFTPRPC SesData linkProtocols defined by thePhysicalunderlying networksNetworkIPRARPAR

13、PIGMPICMPTransportUDPTCP32TCP/IP協(xié)議簇及聯(lián)系netFTPSMTPSNMPTFTPPort23212516169TCPUDPProtocol ID6171ICMP IPType0800H0806HARPEthernet softwareMACEthernet hardware33TCP/IP中層次和地址ApplicationaddresslayerTransportPort addresslayerNetworkIP addresslayerData link layerPhysical addressPhysical layerUnderlying physic

14、alnetworksIP and other protocolsUDPTCPPros342.4.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的人們可能會(huì)問(wèn)在具體組網(wǎng)時(shí)TCP/IP協(xié)議在哪里呢？TCP/IP協(xié)議與底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間是怎樣聯(lián)系的？在配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，先配置底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議這需要安裝網(wǎng)卡和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序再綁定IP層協(xié)議、TCP層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議這些操作可以在相應(yīng)的操作系統(tǒng)中指定所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址等，從而完成整個(gè)TCP/IP協(xié)議設(shè)置要清楚網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次綁定的概念綁定是按自底向上的順序進(jìn)行的35網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的操作系統(tǒng)（包含TCP/IP）Windows Linux Unix網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在哪里？（TCP

15、/IP）應(yīng)用層TCP層IP層網(wǎng)絡(luò)接口層36協(xié)議層次在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械奈恢卯?dāng)代體系結(jié)構(gòu)按5個(gè)層次描述372.4.4 OSI與TCP/IP的比較TCP/IP模型與OSI模型的一個(gè)重要區(qū)別是可靠性問(wèn)題 OSI模型在所有各層都進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)和處理。而TCP/IP僅在TCP層，即僅在端到端進(jìn)行差錯(cuò)控制382.5 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)參考模型2.5.1 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次2.5.2 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層的功能2.5.3 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)392.5.1 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次與5層體系結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)402.5.2 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層的功能MAC子層一個(gè)具體的LAN，只有看到了MAC，才能

16、知道這是一個(gè)什么樣的LAN412.5.3 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)局域網(wǎng)絡(luò)中的通信牽涉到三個(gè)方面：進(jìn)程；站點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）；網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程與兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間應(yīng)用程序聯(lián)系。站點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互相連接。數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從一個(gè)站點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)站點(diǎn)422.6實(shí)例2.6.1 ARPANET網(wǎng)絡(luò)2.6.2 X.25網(wǎng)絡(luò)2.6.3ernet與 ernet 2432.6.1 ARPANET網(wǎng)絡(luò)ARPANET是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的里程碑 ARPANET網(wǎng)在1969年建成， 1983年1月TCP/IP協(xié)議成為 ARPANET正式協(xié)議， 1990年ARPANET網(wǎng)退出使用，演變?yōu)?ernet442.6.2 X.25網(wǎng)絡(luò)分組交換網(wǎng)采用X.25協(xié)議，

17、在交換節(jié)點(diǎn)對(duì)分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) X.25協(xié)議實(shí)際包含了對(duì)應(yīng)OSI低3個(gè)層次的協(xié)議，是一個(gè)通信子網(wǎng)452.6.3ernet與 ernet 2ernet與 ernet 2由來(lái)網(wǎng)要解決關(guān)鍵問(wèn)題ernet的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的推進(jìn)ernet研制過(guò)程中的貢獻(xiàn)ernet2中國(guó)下一代網(wǎng)絡(luò)示范工程CNGI46ernet的多級(jí)結(jié)構(gòu)47ernet structure: network of networksa packet passes through many networks!localISPTier 3locallocallocalISPISPISPISPTier-2 ISPTier-2 ISPTier 1 ISPNAPTier 1 ISPTier 1 ISPTier-2 ISP Tier-2 ISPTier-2 ISPlocallocallocallocalISPISPISPISP48目前對(duì) ernet的批評(píng)一個(gè)批評(píng)是 ernet好像是一個(gè)“大山”人們很難找到所需要的東西。而 網(wǎng)的初衷是把 變成金子另一個(gè)批評(píng)是， ernet就像一個(gè)只有神經(jīng)細(xì)胞的 生物它沒(méi)有大腦，五十多年過(guò)去了，人們并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)利 在1960年勾畫(huà)出的把電腦網(wǎng)絡(luò)建成 “思維中心”的設(shè)想492.7 小結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，采用層次結(jié)構(gòu)把復(fù)雜的功能要求分解到每一個(gè)層次每個(gè)層次獨(dú)立