第三章計算機網絡體系結構第一節網絡體系結構的基本概念教學目標

掌握網絡協議的作用、構成和分層實現思想掌握計算機網絡體系結構的概念了解分層體系結構中的數據傳輸重點/難點網絡協議和網絡體系結構第三章計算機網絡體系結構問題的提出

為了減少計算機網絡的復雜程度，按照結構化設計方法，計算機網絡將其功能劃分為若干個層次，較高層次建立在較低層次的基礎上，并為其更高層次提供必要的服務功能。網絡中的每一層都起到隔離作用，使得低層功能具體實現方法的變更不會影響到高一層所執行的功能。第三章計算機網絡體系結構一、網絡協議網絡協議是指為進行計算機網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定的集合。它由三部分組成：語法、語義和同步（定時）。 ①

協議的語法（如何講）問題。 ②

協議的語義（講什么）問題。 ③

協議的語序（講話次序）問題第三章計算機網絡體系結構二、網絡的分層結構將一個復雜系統分解為若干個容易處理的子系統，然后“分而治之”，這種結構化設計方法是工程設計中常見的手段。對于計算機網絡系統這樣一個十分復雜的系統，分層是系統分解的最好方法之一。（以寄信為例，通過下圖說明）第三章計算機網絡體系結構通信者活動郵局服務業務郵局轉送業務運輸部門的郵件運輸業務通信者活動郵局服務業務郵局轉送業務書寫信件，貼郵票，送郵箱收集信件，蓋郵戳，信件分拆信件打包，送運輸部門閱讀信件信件投遞，信件分拆郵件拆包，分發郵件接收郵包，轉送郵局路由選擇，運輸發信者收信者第三章計算機網絡體系結構1、網絡層次結構的特點（1）除了在物理媒體上進行的是實通信之外，其余各對等實體間進行的都是虛通信。（2）對等層的虛通信必須遵循該層的協議。（3）n層的虛通信是通過n/n-1層間接口處n-1層提供的服務以及n-1層的通信（通常也是虛通信）來實現的。第三章計算機網絡體系結構2、網絡層次結構中的協議(1)不同主機同一層次（對等層）實體之間進行的通信。遵守的是“同層協議”。(2)同一主機相鄰層的實體之間進行的通信。遵守的是“接口協議”。第三章計算機網絡體系結構3、網絡層次結構的優點

(1)各層的功能明確，并且相互獨立。

(2)易于實現和維護。

(3)易于實現標準化。第三章計算機網絡體系結構4、絡層次結構的劃分原則

(1)每層具有特定的功能，相似的功能盡量集中在同一層。

(2)各層相對獨立，某一層的內部變化不能影響另一層，低層對高層提供的服務與低層如何完成無關。

(3)相鄰層之間的接口必須清晰，跨越接口的信息量應盡可能少，以利于標準化。

(4)層數應適中。第三章計算機網絡體系結構三、網絡的體系結構所謂網絡體系就是為了完成主機之間的通信，把網絡結構劃分為有明確功能的層次，并規定了同層次虛通信的協議及相鄰層之間的接口及服務。第三章計算機網絡體系結構第二節OSI參考模型教學目標

理解OSI參考模型中七個層次的關系和工作原理掌握低三層的基本概念和主要功能重點/難點

低三層的基本概念和主要功能第三章計算機網絡體系結構一、OSI參考模型簡介１、OSI（OpenSystemInterconnection）參考模型：開放式系統互聯。

“開放”：表示任何兩個遵守OSI標準的系統可以互連

“系統”：指計算機、終端或外部設備等

1、OSI參考模型的結構ISO參考模型由ISO組織提出，目的是實現異種機互連。OSI參考模型是七層結構（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層），提供了從抽象的應用層到具體的物理層的層結構視圖。（如下圖）第三章計算機網絡體系結構第三章計算機網絡體系結構2、OSI參考模型中的數據傳輸過程在OSI參考模型中，不同主機對等層之間按相應協議進行通信，同一主機不同層之間通過接口進行通信。除了最低層的物理層是通過傳輸介質進行物理數據傳輸外，其他對等層之間的通信均為邏輯通信。在這個模型中，每一層將上層傳遞過來的通信數據加上若干控制位后再傳遞給下一層，最終由物理層傳遞到對方物理層，再逐級上傳，從而實現對等層之間的邏輯通信。（如下圖所示）完整的OSI數據傳遞與流動過程第三章計算機網絡體系結構3、OSI參考模型各層的功能簡介能

(1)物理層(PhysicalLayer)物理層的作用是通過傳輸介質發送和接收二進制比特流，實現比特流的透明傳輸。(2)數據鏈路層(DataLinkLayer)該層的主要作用是通過校驗、確認和反饋重發等手段，將不可靠的物理鏈路轉換成對網絡層來說無差錯的數據鏈路。數據鏈路層傳送的協議數據單元（PDU)稱為數據幀。數據幀中包含物理地址（又稱MAC地址）、控制碼、數據及校驗碼等信息。

第三章計算機網絡體系結構(3)網絡層(NetworkLayer)該層的主要作用是解決如何使數據包通過各結點傳送的問題，即通過路徑選擇算法（路由）將數據包送到目的地網絡層是為傳輸層提供服務的，傳送的協議數據單元稱為數據包或分組。

第三章計算機網絡體系結構(4)傳輸層(TransportLayer)傳輸層的作用是為上層協議提供端到端的可靠和透明的數據傳輸服務，包括處理差錯控制和流量控制等問題。傳輸層傳送的協議數據單元稱為段或報文。(5)會話層(SessionLayer)會話層主要功能是管理和協調不同主機上各種進程之間的通信（對話），即負責建立、管理和終止應用程序之間的會話。會話層得名的原因是它很類似于兩個實體間的會話概念。例如，一個交互的用戶會話以登錄到計算機開始，以注銷結束。

第三章計算機網絡體系結構(6)表示層(PresentationLayer)表示層處理流經結點的數據編碼的表示方式問題，以保證一個系統應用層發出的信息可被另一系統的應用層讀出。如果必要，該層可提供一種標準表示形式，用于將計算機內部的多種數據表示格式轉換成網絡通信中采用的標準表示形式。數據壓縮和加密也是表示層可提供的轉換功能之一。(7)應用層(ApplicationLayer)應用層是OSI參考模型的最高層，是用戶與網絡的接口。該層通過應用程序來完成網絡用戶的應用需求，如文件傳輸、收發電子郵件等。第三章計算機網絡體系結構二、物理層物理層接口協議實際上是DTE（數據終端設備）和DCE（數據通信設備）或其它通信設備之間的一組約定，主要解決網絡結點與物理信道如何連接的問題。物理層協議規定了標準接口的機械、電氣、功能和規程特性

第三章計算機網絡體系結構物理層的網絡連接設備(1)中繼器功能：對衰減的信號進行再生和放大。特點優點：安裝簡單，使用方便，價格相對低廉缺點：在使用中繼器連接多個網段時，可能會因為中繼器不過濾任何通過的數據而遇到一些性能上的問題。第三章計算機網絡體系結構(2)集線器（HUB）功能：信號再生與放大，也稱為“多端口中繼器”特點：物理上是星型結構，邏輯上是總線型結構第三章計算機網絡體系結構三、數據鏈路層1、功能（1）數據鏈路管理（2）幀同步（3）差錯控制（4）流量控制第三章計算機網絡體系結構上一層的協議數據單元（數據包）傳遞到NIC后，NIC通過添加頭部和尾部將數據包打包（封裝），然后數據幀沿著鏈路再傳送至目的結點。數據幀首部和尾部含有對等數據鏈路進程需要使用的協議信息。頭部的信息包括發送結點和接收結點的地址（MAC地址）以及錯誤校驗信息等。

數據幀的產生及結構第三章計算機網絡體系結構節點1的物理地址為A，若節點1要給節點4發送數據，那么在數據幀的頭部要包含節點1和節點4的物理地址，在幀的尾部還有差錯控制信息（DT）。

數據鏈路層的物理地址尋址第三章計算機網絡體系結構數據鏈路層的主要功能一數據鏈路的管理：和物理層相似，數據鏈路層要負責建立、維持和釋放數據鏈路的連接。在局域網中，數據鏈路層又被劃分為邏輯鏈路控制子層和介質訪問控制子層。

第三章計算機網絡體系結構數據鏈路層的主要功能二幀同步要解決的問題是接收方如何能從收到的比特流中準確地區分出一幀的開始和結束。一般可采用以下方法：字節記數法：采用一個特定的字符（例如：SOH）來表示一幀的開始，并以一個專門的字段（Count）來表示幀內的字節數。例如：DEC公司的DDCMP（數字數據通信報文協議）字符填充法：采用一些特定的字符來表示一幀的開始和結束。例如：IBM公司的二進制同步通信規程比特填充法：采用一串特定的比特組合來表示一幀的開始和結束。例如：ISO推薦的高級數據鏈路控制協議（HDLC）第三章計算機網絡體系結構數據鏈路層的主要功能三差錯控制：是指在數據通信過程中發現能檢測或糾正差錯，并將差錯限制在盡可能小的允許范圍內。差錯檢測可通過差錯控制編碼來實現的；而差錯糾正則通過差錯控制方法來實現。詳見“差錯控制技術”一節中的相關介紹。流量控制：如果發送結點的發送能力大于接受結點的接受能力，則會出現？所以要解決的就是控制發送方的速率，使其不超過接受方所能承受的能力。

注意：不是數據鏈路層特有的功能，高層協議中流量控制的對象和其不同而已。第三章計算機網絡體系結構數據鏈路層協議分類及HDLC幀格式數據鏈路層協議分類

數據鏈路控制協議也可分為異步協議和同步協議兩類。異步協議以字符為獨立的信息傳輸單位，在每個字符的起始處對字符內的比特實現同步，但字符與字符之間的間隔時間是不固定的(即字符之間是異步的)。由于每個傳輸字符都要添加諸如起始位、校驗位、停止位等冗余位，故信道利用率很低，一般用于數據速率較低的場合。

第三章計算機網絡體系結構HDLC協議特點：不依賴于任何一種字符編碼集；實現透明傳輸的“0比特插入/刪除法”易于硬件實現；全雙工通信，不必等待確認便可連續發送數據，有較高的數據鏈路傳輸效率；所有幀均采用CRC校驗；對信息幀進行順序編號，可防止漏收或重發，傳輸可靠性高等。

☆F標志字段01111110用以標志幀的起始和前一幀的終止。

☆A地址字段的內容取決于所采用的操作方式。命令幀中的地址字段攜帶的是相鄰結點的地址，而響應幀中的地址字段攜帶的是本結點地址。

☆C控制字段通過不同編碼構成各種命令和響應，以便對鏈路進行監視和控制。該字段是HDLC協議的關鍵部分。

☆I信息字段用于傳送有效數據，下限可以為0（無信息字段），上限未做嚴格限定，但實際上要受FCS字段或站點緩沖器容量的限制，一般是1000～2000比特。

☆FCS幀校驗序列字段可以使用16位或32位的CRC，對兩個標志字段之間的整個幀的內容進行校驗。FACIFCSF011111108位8位可變長度16位01111110第三章計算機網絡體系結構2、數據鏈路層的網絡連接設備(1)網卡：又稱網絡接口卡（NIC，NetworkInterfaceCard），是主機與網絡的接口部件。功能：☆控制數據傳送。

☆具備串-并轉換功能。

☆緩存功能

網卡的MAC地址（12位十六進制網絡地址（48位）。

通過命令Ipconfig/all可得到。第三章計算機網絡體系結構(2)網橋（Bridge）什么是沖突域：能夠發生沖突的網絡就稱為沖突域。使用網橋增加了小的沖突域，而降低了整個網絡的沖突域。第三章計算機網絡體系結構功能過濾和轉發。網橋會檢查收到數據幀的源地址和目標地址，如果目標地址與源地址不在同一網絡上，則網橋將轉發該數據幀，反之，則丟棄該幀。學習功能。網橋可以將收到的數據幀的源地址自動的加入到路由表中。原理：（如下圖）第三章計算機網絡體系結構端口管理軟件網橋協議實體站地址端口①1②1③1④2⑤2⑥2端口1緩存端口2站表網橋網段B①②③網段A④⑤⑥第三章計算機網絡體系結構(3)交換機交換機也叫交換式集線器，是一個由許多高速端口組成的設備。交換機與HUB區別在于：交換機基于MAC地址向特定端口轉發數據幀，而HUB是向所有端口廣播發送數據幀；前者是獨享帶寬，后者是共享帶寬。例如，有一臺100Mbps的HUB，連接了N臺主機，則N臺主機共享100Mbps帶寬，每臺主機所分配到的帶寬只有100Mbps/N；而對于一臺100Mbps的交換機，每個端口的帶寬均為100Mbps，即每臺連接的主機均可獲得100Mbps帶寬。地址表端口地址1A2

3

4

5B6C7DDADA=CDADA=B地址表1234567節點A節點D節點C節點B轉發機構緩沖器端口從A到D和從D到E的通信可以同時進行第三章計算機網絡體系結構四、網絡層網絡層是OSI參考模型的第三層，它負責將網絡中的信息包從一個節點送到另一個節點，數據傳輸的基本單位是分組（包）。功能：為傳輸層提供服務組包和拆包路由選擇流量控制第三章計算機網絡體系結構3.網絡層的網絡連接設備(1)路由器（Router）：根據數據包中的邏輯地址（網絡地址）而不是MAC地址來轉發數據包。第三章計算機網絡體系結構(2)第三層交換機隨著技術的發展，有些交換機也具備了路由的功能。這些具有路由功能的交換機要在網絡層對數據包進行操作，因此被稱為第三層交換機。

層次主要作用（解決問題）物理層為上一層提供一個傳輸數據的物理連接，即解決網絡結點與物理信道如何連接的問題。數據鏈路層兩個相鄰結點之間的通信問題，即解決數據幀從物理介質的一端送到另一端。網絡層源結點發出的數據包送到目的結點，即提供合適的網間路由選擇和中間結點的數據交換服務。

通信子網三層功能比較第三章計算機網絡體系結構五、傳輸層傳輸層是OSI參考模型的中間層，負責端-端的通信，即把信息從網絡的一端傳輸到另一端。傳輸層數據傳輸的基本單位是報文。功能：分割與重組數據按端口號尋址連接管理差錯控制和流量控制第三章計算機網絡體系結構六、會話層、表示層和應用層這三層的功能是為應用程序提供服務。即組織和同步進程間的通信（進程-進程），對數據/信息的語法表示進行變換以及為網絡的最終用戶提供服務。高層網絡連接設備：網關第三章計算機網絡體系結構第三節TCP/IP參考模型教學目標掌握TCP/IP參考模型的分層結構了解TCP/IP各層的主要協議重點/難點

網際互連層和傳輸層的功能及主要協議第三章計算機網絡體系結構一、TCP/IP參考模型簡介TCP/IP是一組用于實現網絡互連的通信協議。Internet網絡體系結構以TCP/IP為核心。基于TCP/IP的參考模型將協議分成四個層次，它們分別是：網絡接口層、網際互連層、傳輸層、和應用層。與OSIRM的比較如下圖第三章計算機網絡體系結構Application包含OSI模型的應用層、表示層、會話層的所有功能：:

數據表示數據加密會話控制ApplicationTransport

定義了兩個端到端的協議，TCP和UDP為應用程序提供可供選擇的邏輯信道。TCP提供可靠的字節流信道，是一個面向連接的協議，允許字節流無差錯地發往其它機器，還處理流量控制，有連接，類似打電話。

UDP提供不可靠的無連接的協議，類似于發信、發電報。ApplicationTransportInternet網際協議（IP）支持多種網絡技術互連為一個邏輯網絡，是TCP/IP的關鍵部分，使主機可以把分組發往任何網絡，并使分組獨立地傳向目標（可能經不同的網絡），分組到達的順序和發送的順序可能不同。確定路徑分組轉發.ApplicationTransportNetworkAccessInternet

有多種網絡協議，這些協議由硬件（網絡適配器）和軟件（如網絡設備驅動程序）共同實現。如：以太網或光纖分布式接口（FDDI）協議在這一層，則一層可以分為多個子層。TCP/IP協議集第三章計算機網絡體系結構二、網絡接口層是TCP/IP與各種LAN或WAN的接口。第三章計算機網絡體系結構三、網際互聯層網際互聯層對應于OSI參考模型的網絡層，主要解決主機到主機的通信問題。1、該層有四個主要協議：（1）網際協議（IP）IP協議是網際互聯層最重要的協議，它提供的是一個不可靠、無連接的數據報傳遞服務。

IP協議提供以下功能☆IP地址尋址☆IP數據報的分段和重組☆IP數據報的路由轉發

第三章計算機網絡體系結構（2）地址解析協議（ARP）將IP地址轉換為MAC地址的協議命令：arp-a（3）反向地址解析協議（RARP）用于解決物理地址到IP地址的轉換問題

（4）互聯網控制報文協議（ICMP）對未能完成傳送的數據報給出出錯的原因如：Ping命令就是ICMP協議的工作過程第三章計算機網絡體系結構2、IP數據報格式：網際互聯層的協議處理單元數據第三章計算機網絡體系結構四、傳輸層傳輸層對應于OSI參考模型的傳輸層，為應用層實體提供端到端的通信功能。端口號：邏輯意義上的端口，用于標記主機上不同的應用程序。通過“IP地址＋端口號”可區分不同的應用程序進程。第三章計算機網絡體系結構該層定義的兩個主要的協議：傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）TCP協議提供的是一種可靠的、面向連接的數據傳輸服務；而UDP協議提供的是不可靠的、無連接的數據傳輸服務。TCP的執行機制：建立TCP連接，傳輸報文段，拆除TCP連接其中，建立和拆除是通過“三次握手”來完成的。五、應用層應用層對應于OSI參考模型的高層，為用戶提供所需要的各種服務，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等。第三章計算機網絡體系結構第三章計算機網絡體系結構OSI參考模型和TCP/IP參考模型的比較

OSI參考模型和TCP/IP參考模型都采用了層次結構的概念，但前者是七層模型，后者是四層結構。它們的主要不同點如下：1.服務、接口和協議OSI參考模型的概念清晰，明確定義了這三個概念及它們之間的關系；而TCP/IP參考模型沒有明確區分服務、接口和協議。2.模型和協議的關系OSI是先有模型，后有協議；TCP/IP是先有協議，后有模型3.面向連接和無連接的服務OSI參考模型的網絡層既提供面向連接的服務，又提供無連接服務。但是傳輸層只提供面向連接的服務。TCP/IP參考模型的網際互連層只提供無連接服務，而傳輸層提供面向連接的服務（TCP）和無連接服務（UDP）。第三章計算機網絡體系結構用戶數據報協議UDP(UserDatagramProtocol)UDP協議是一種面向無連接的協議，因此，它不能提供可靠的數據傳輸，而且UDP不進行差錯檢驗，必須由應用層的應用程序實現可靠性機制和差錯控制，以保證端到端數據傳輸的正確性。雖然UDP與TC