第3章網絡體系結構與通信協議1/11/20231第3章網絡體系結構與通信協議教學目標(1)了解網絡體系結構的概念；(2)掌握OSI七層參考模型，熟悉TCP/IP體系結構；(3)了解物理層的概念、功能、主要解決的問題和四個基本特性；(4)了解數據鏈路層的概念、功能，了解幀與報文的概念；(5)了解網絡層的概念、功能，了解路由選擇的概念；(6)了解傳輸層的概念、功能，了解無連接服務、連接服務的概念；(7)了解會話層、表示層和應用層的特點與功能。1/11/20232第3章數據通信基礎教學內容

3.1網絡體系結構概念與網絡協議

3.2TCP/IP體系結構

3.3物理層

3.4數據鏈路層

3.5網絡層

3.6傳輸層

3.7會話層、表示層和應用層

3.8TCP/IP協議數據包分析實例1/11/202333.1網絡體系結構概念與網絡協議

網絡層次性結構模型與各層次協議的集合定義為計算機網絡體系結構（networkarchitecture）。3.1.1計算機網絡體系結構1．OSI/RM體系結構國際標準化組織ISO于1983年正式推出開放系統互連7層參考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），簡稱為OSI。“開放”是指只要遵循OSI標準，一個系統就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同—標準的其他任何系統進行通信。“系統”則是指在現實的網絡系統中與互連相關的各部分。1/11/202343.1.1計算機網絡體系結構2．OSI環境1/11/202353.1.1計算機網絡體系結構3．OSI環境中的數據傳輸過程（1）當主機A的應用進程1的數據傳送到應用層時，應用層為數據加上本層控制報頭后，組織成應用層的服務數據單元，然后再傳輸到表示層。（2）表示層接收到這個數據單元后，加上本層的控制報頭，組成表示層的服務數據單元，再傳送到會活層。（3）傳輸層接收到這個數據單元后，加上本層的控制報頭，就構成了傳輸層的服務數據單元，它被稱為報文（Message）。（4）傳輸層的報文傳送到網絡層時，加上網絡層的控制報頭，就構成了網絡層的服務數據單元，它被稱為分組（Packet）。（5）網絡層的分組傳送到數據鏈路層時，加上數據鏈路層的控制信息，就構成了數據鏈路層的服務數據單元，它被稱為幀（Frame）。（6）數據鏈路層的幀傳送到物理層后，物理層將以比特流的方式通過傳輸介質傳輸出去。1/11/202363.1.1計算機網絡體系結構3．OSI環境中的數據傳輸過程1/11/202373.1.2

OSI參考模型相關的基本概念1．層次“分層”可將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部總是比較易于研究和處理。五大好處。2．實體實體（Entity）表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。在許多情況下，實體就是一個特定的軟件模塊。1/11/202383.1.2

OSI參考模型相關的基本概念3．協議為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定即稱為網絡協議（NetworkProtocol）。網絡協議主要由以下三個要素組成：（1）語法：即數據與控制信息的結構或格式。（2）語義：解析每一部分數據的含義，需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。（3）同步：即事件實現順序的詳細說明。1/11/202393.1.2

OSI參考模型相關的基本概念服務原語：上層使用下層所提供的服務必須通過與下層交換一些命令，這些命令在OSI中稱為服務原語。OSI的服務原語有四類，分別是：Request（請求）、Indication（指示）、Response（響應）、Confirm（證實）。服務訪問點SAP（ServiceAccessPoint）：在同一系統中相鄰兩層的實體進行交互（即交換信息）的地方。

1/11/2023103.1.2

OSI參考模型相關的基本概念4．服務種類(1)面向連接服務所謂連接，就是兩個對等實體為進行數據通信而進行的一種結合。面向連接服務具有連接建立、數據傳輸和連接釋放這三個階段。面向連接服務是一種可靠的服務。(2)無連接服務在無連接服務的情況下，兩個實體之間的通信不需要先建立好一個連接，有關資源不需要事先進行預定保留。無連接服務是一種不可靠的服務。1/11/2023115．OSI/RM七層協議圖1/11/2023123.2TCP/IP體系結構3.2.1OSI與TCP/IP體系結構的比較

TCP/IP協議成功的原因之一是以IP層為核心，協議雖然簡單，但實用。

1/11/2023133.2.2TCP/IP應用舉例

主機A與主機B通信的流程是，主機A通過應用層、傳輸層、網絡層、網絡接口層把數據打包發送到網絡1；連接在網絡1的路由器接收到數據包，通過網絡接口、網絡層解包獲得源數據的目標網絡地址（IP地址），網絡依目標地址根據路由算法找到合適的下一個要發送到的網絡2，并把數據發送到該網絡。主機B接收到發送的數據按相反的次序拆包。1/11/2023143.3物理層

物理層位于OSI/RM參考模型的最低層，規范網絡的電氣及機械接口，實現物理鏈路相連的互聯系統間的數據通信和信息傳輸。3.3.1OSI物理層的基本概念物理層規定了傳輸原始數據的物理鏈路上通信設備的機械的、電器的、功能的和規程的特性。機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。規程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。1/11/2023153.3.2物理層實例

EIA-232-E接口DTE（DataTerminalEquipment）是數據終端設備。DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）是數據電路端接設備。1/11/2023163.4數據鏈路層3.4.1數據鏈路層的基本概念數據鏈路層（Datalink）主要任務是把數據組合成幀格式進行發送并處理接收到的幀。數據鏈路層還具有流量控制和差錯控制方面的功能。數據鏈路層具體可分為兩層：

(1)介質訪問MAC：解決信道競爭。

(2)邏輯鏈路控制LLC：解決傳送數據的維護。1/11/2023173.4.2數據鏈路層實例1．HDLC協議

HDLC（HighLevelDataLinkControl）以位為基本單位，實現通信鏈路上的一個主站與多個次站之間的數據傳輸。

HDLC已廣泛應用，如LAN總線、X.25等很多協議都是以HDLC為基礎定義的。1/11/2023183.4.2數據鏈路層實例2．點對點協議PPPPPP（Point-to-PointProtocol）協議是因特網的正式標準[RFC1661]。PPP協議有三個組成部分：將IP數據報封裝到串行鏈路的方法；

鏈路控制協議

LCP（LinkControlProtocol）；

網絡控制協議

NCP（NetworkControlProtocol）。1/11/2023193.5網絡層3.5.1網絡層路由的概念網絡層也稱通信子網層，是OSI參考模型的第三層。它的主要任務是通過路由選擇算法，為報文或分組通過通信子網選擇最適合的路徑，即提供邏輯尋址以便進行路由選擇。網絡層負責設備的尋址，跟蹤網絡中設備的位置，并決定傳送數據的最佳路徑。1/11/2023203.5.2網絡路由實例三個網絡（網絡1、網絡2、網絡3）的路由1/11/2023213.5.2網絡路由實例圖中有三個網絡（網絡1、網絡2、網絡3）；兩個路由器（R1、R2）；路由器R1有兩個接口，分別為E0（對應網絡標識號為“1.3”），S0（對應網絡標識號為“2.1”）,路由表為RT1。路由器的路由表中包含的表項有網絡地址（Networkaddresses，表項名NET），接口（Interface，表項名INT），度量（Metric，表項名“度量值”）。地址為“1.1”的機器發送目的地址為“3.2”的數據包的路由分析。1/11/2023223.5.3IP數據包分析IP數據包是Internet的基本傳送單元，版本4即IPv4的數據格式如圖所示。IP頭的長度單位為4字節，即字長為32位二進制數。IP頭中可選字段通常不使用，因此IP頭通常為5×4=20字節。1/11/2023233.5.3IP數據包分析（1）版本：4位字段標識本數據包IP版本號。若此4位對應為十進制數“4”，則表明此數據包對應版本為4（習稱為IPv4）的描述。（2）首部長度：該4位字段表示IP數據包中IP分組頭的長度，取值的范圍是5～15。（3）服務類型：該8位字段說明分組所希望得到的服務質量。（4）總長度：該16位字段給出本IP數據包的字節總數，包括分組頭和數據的長度。（5）標識：16位，源端每一個IP數據包相應一個唯一值。（6）標志段：3位，包含有說明數據包能否分片的控制位，以及當IP包被分片傳送時是否還有后續分片數據的標志。（7）片偏移：13位，用于重組被分片的IP數據包。1/11/2023243.5.3IP數據包分析（8）生存時間：8位，生存時間是指IP分組能在Internet互聯網中停留的最長時間，記為TTL（TimeToLive）。（9）協議：8位，表示上一層（傳輸層）采用的協議。“1”-ICMP；“6”-TCP；“8”-EGP；“17”-UDP。（10）首部校驗和：16位，IP數據包首部的循環冗余校驗碼（CRC）。（11）源地址：32位的發送端IP地址。（12）目的地址：32位的數據包目的端IP地址。（13）可選字段：用于網絡檢測、調試、安全等等。1/11/2023253.5.3IP數據包分析分析:0000450000390004080e0000

000880112645000Cc0a801020010ca6080561/11/2023263.6傳輸層傳輸層主要負責連接應用層與完成網絡間數據通信的其它層。3.6.1傳輸層的基本概念(1)建立、維護、拆除應用程序之間的連接。(2)提供端口到端口的錯誤恢復和流程控制。(3)為上一層提供獨立的透明的數據傳送。1/11/2023273.5.2傳輸層實例1．TCP協議傳輸控制協議TCP（TransmissionControlProtocol）提供面向連接的服務。1/11/2023283.5.2傳輸層實例2．TCP協議的特點（1）面向連接TCP傳送包括三個階段，即連接建立、數據傳送、連接釋放。TCP的連接采用客戶服務器方式，主動發起連接的應用進程叫做客戶（Client），而被動等待的應用進程叫做服務器（Server）。（2）流量控制TCP傳送時，接收端可以根據自己的資源情況，隨時動態地調整對方發送字節長度（稱為發送窗口）。1/11/2023293.5.2傳輸層實例（3）擁塞控制可傳送數據的速率除了要求接收端來得及接收，還要求網絡層來得及傳送。為了避免在網絡上傳送時發生堵塞，TCP協議采用了擁塞控制。標準RFC2581中定義了四種算法，即慢開始（Slow-Start）、擁塞避免（CongestionAvoidance）、快重傳（FastRetransmit）和快恢復（FastRecovery）。（4）TCP的重傳機制TCP每發送一個報分段，就對這個報文段設置一次計時器。只要計時器設置的重傳時間到了但還沒有收到對方的確認報文，就將這一報文重新傳送。1/11/2023303.5.2傳輸層實例3．UDP協議用戶數據報協議UDP（UserDatagramProtocol）在傳送數據之前不需要先建立連接。對方的傳輸層在收到UDP報文后，不需要給出任何確認。雖然UDP不提供可靠交付，但在某些情況下UDP是一種最有效的工作方式。如果將用戶數據報協議（UDP）與TCP做一個比較，UDP數據首部小了很多，在網絡上UDP不會消耗太多的網絡帶寬。1/11/2023313.7會話層、表示層和應用層3.7.1會話層會話層維持不同應用程序的會話連接和數據分隔，負責建立、管理和終止表示層實體之間的會話連接，是系統之間協調通信的過程。3.7.2表示層表示層為應用層服務，負責轉換和數據加密、壓縮。通常為了使計算機都能順利接收，在發送之前需將數據轉換為標準的格式。1/11/2023323.7會話層、表示層和應用層3.7.3應用層

應用層是用戶與計算機進行交互的層次。應用層作為實際應用程序和下一層（在OSI模型下為表示層）之間的接口，把應用程序的有關信息送到協議棧的下面各層。1/11/2023333.8TCP/IP協議數據包分析實例

在局域網與Internet相連的環境下，通過nslookup命令查詢域名“”的IP地址。DNS服務器的IP地址為“6”，解析“”的IP地址是“9”

利用Ethereal分析軟件及捕捉數據程序，獲得的數據包1.安裝Ethereal；2．運行Ethereal；3．分析數據包；1/11/2023343.8TCP/IP協議數據包分析實例捕捉到的數據是在以太網上傳輸的原始數據，共71字節。0000000f3d14030d0014854082570800

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0040636e00000100011/11/2023353.8TCP/IP協議數據包分析實例(1)應用層數據應用層按DNS的數據格式發給DNS服務器，其主要內容就要查詢“”（對應的ACSII碼十六進制數為：7777

77046764647802636e）的IP的地址。(2)傳輸層數據傳輸層接到應用層的數據包傳送任務，加上一個數據首部，共8字節，具體數據如下：0020045d003500252c83(3)網