第3章計算機網絡的體系結構

3.1計算機網絡體系結構的形成相互通信的兩個計算機系統必須高度協調工作才行，而這種“協調”是相當復雜的。“分層”可將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。

關于開放系統互連參考模型

OSI/RM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、也遵循這同一標準的其他任何系統進行通信。在市場化方面OSI卻失敗了。OSI的專家們在完成OSI標準時沒有商業驅動力；OSI的協議實現起來過分復雜，且運行效率很低；OSI標準的制定周期太長，因而使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場；OSI的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現。

兩種國際標準法律上的國際標準OSI并沒有得到市場的認可。是非國際標準TCP/IP現在獲得了最廣泛的應用。TCP/IP常被稱為事實上的國際標準。3.2劃分層次的必要性計算機網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規則。這些規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）。網絡協議(networkprotocol)，簡稱為協議，是為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。

網絡協議的組成要素語法數據與控制信息的結構或格式。語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。同步事件實現順序的詳細說明。劃分層次的概念舉例主機

1

向主機

2

通過網絡發送文件。可以將要做的工作進行如下的劃分。第一類工作與傳送文件直接有關。確信對方已做好接收和存儲文件的準備。雙方協調好一致的文件格式。兩個主機將文件傳送模塊作為最高的一層。剩下的工作由下面的模塊負責。兩個主機交換文件文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發送把收到的文件交給上層模塊再設計一個通信服務模塊文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信服務模塊再設計一個網絡接入模塊文件傳送模塊主機

1主機

2文件傳送模塊通信服務模塊通信服務模塊網絡接入模塊網絡接入模塊通信網絡網絡接口網絡接口網絡接入模塊負責做與網絡接口細節有關的工作例如，規定傳輸的幀格式，幀的最大長度等。分層的好處各層之間是獨立的。靈活性好。結構上可分割開。易于實現和維護。能促進標準化工作。

層數多少要適當若層數太少，就會使每一層的協議太復雜。層數太多又會在描述和綜合各層功能的系統工程任務時遇到較多的困難。

計算機網絡的體系結構計算機網絡的體系結構(architecture)是計算機網絡的各層及其協議的集合。體系結構就是這個計算機網絡及其部件所應完成的功能的精確定義。實現(implementation)是遵循這種體系結構的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。體系結構是抽象的，而實現則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。

3.3具有五層協議的體系結構TCP/IP是四層的體系結構：應用層、運輸層、網際層和網絡接口層。但最下面的網絡接口層并沒有具體內容。因此往往采取折中的辦法，即綜合OSI和TCP/IP的優點，采用一種只有五層協議的體系結構。五層協議的體系結構應用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網絡層(networklayer)數據鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)數據鏈路層5應用層4運輸層3網絡層2數據鏈路層1物理層主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用進程數據先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層

PDU主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層報文再傳送到網絡層加上網絡層首部，成為IP數據報（或分組）主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2IP數據報再傳送到數據鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數據鏈路層幀主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數據鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體主機

1

向主機

2

發送數據應用層(applicationlayer)5432154321物理傳輸媒體主機

1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發送端物理層傳送到接收端物理層主機

2主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2物理層接收到比特流，上交給數據鏈路層主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數據部分，上交給網絡層主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2網絡層剝去首部，取出數據部分上交給運輸層主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝去首部，取出數據部分上交給應用層主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝去首部，取出應用程序數據上交給應用進程主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發來的應用程序數據！主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用程序數據應用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應用程序數據H5應用程序數據H4H5應用程序數據H3H4H5應用程序數據H4運輸層首部H3網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

210100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數據鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數據H3H4H5應用程序數據主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數據部分交給網絡層H2T2H3H4H5應用程序數據H4H5應用程序數據H3H4H5應用程序數據主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2網絡層剝去分組首部后把分組的數據部分交給運輸層H5應用程序數據H4H5應用程序數據主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝去報文首部后把報文的數據部分交給應用層應用程序數據H5應用程序數據主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝去應用層PDU首部后把應用程序數據交給應用進程主機

1

向主機

2

發送數據5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發來的應用程序數據！OSI參考模型分層及各層作用1、物理層：實現兩實體間的物理連接，將數據信息以位串形式從一實體經物理信道傳送到另一實體，向數據鏈路層提供透明的比特流傳輸服務。特點：機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性2、數據鏈路層：利用物理層提供的比特序列的傳輸功能，實現在相鄰節點間的透明、可靠的數據傳輸，功能：幀同步、差錯控制、流量控制和鏈路管理。

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：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。過程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。OSI分層及各層作用3、網絡層：在利用數據鏈路層提供的兩個相鄰節點間數據幀傳輸的基礎上，確保將源端發出的報文送到目的端節點上。功能：尋址、路由選擇、擁塞控制、網際互聯

4.傳輸層：利用網絡層提供的端到端傳輸的功能實現兩個端節點間傳送實體（進程）間的可靠的數據傳輸，從而完善了網絡層的傳輸功能，給上層提供了一種透明的數據傳輸。所提供的服務有：服務類型、服務等級、數據傳輸、連接管理、訪問接口。

5.會話層：提供一個面向用戶的連接服務以及會話管理、同步、活動管理等功能，對數據傳輸提供控制和管理。功能：數據交換、會話管理、同步機制、活動管理、異常報告。

6.表示層：用于處理所有與數據表示及傳輸有關的問題，包括數據轉換、加密和壓縮等。

7.應用層：涉及人們普遍需要廣泛應用的協議。包括文件傳輸、電子郵件、虛擬終端、目錄服務、遠程作業錄入和信息服務等。OSI分層及各層作用OSI協議標準利弊分析OSI七層模型是一個較為完善的網絡體系結構。然而在網絡的發展中，OSI協議標準并沒有像人們所預料那樣完全取代其它協議標準。原因如下：標準制定的時間太晚實現復雜、效率較低面向通信而不是計算機通信2.2.3TCP/IP參考模型一、TCP/IP的發展二、TCP/IP協議的體系結構三、TCP/IP協議的各層功能簡述2.2.3TCP/IP參考模型TCP/IP的起源和發展TCP/IP的網絡體系結構TCP/IP的功能描述TCP/IP利弊分析TCP/IP的起源和發展TCP/IP協議是為美國ARPA網設計的，目的是使不同廠家生產的計算機能在共同網絡環境下運行。后來發展成為美國國防部高級研究計劃署（DARPA）網際標準，之后TCP/IP為ARPANET采用，逐漸發展為現在的因特網，要求Internet上的計算機均采用TCP/IP協議。TCP/IP的網絡體系結構

TCP/IP模型劃分為四個層次：網絡接口層、網絡層、傳輸層和應用層。TCP/IP將與物理網絡相關的部分統稱為網絡接口層，它相當于OSI中的物理層和數據鏈路層。TCP/IP中的網絡層與OSI中的網絡層相對應。它的主要功能是實現網絡中兩臺計算機間的通信。TCP/IP中的傳輸層對應于OSI傳輸層，它實現端到端通信。主要包括TCP和UDP兩個協議。TCP/IP的應用層對應OSI中的應用層，它包含了OSI會話層和表示層中的部分功能。即TCP/IP把OSI傳輸層以上統稱為應用層。TCP/IP的功能描述網絡接口層可以是以太網、令牌環、甚至是ATM等，這里就不再討論。網絡層協議

TCP/IP網絡層協議由互聯網協議（IP）、控制報文協議（ICMP）、地址解析協議（ARP）和反向地址解析協議（RARP）組成。IP協議的功能

IP協議提供主機間數據報傳輸服務、尋址及路由等功能。數據報傳輸是一種無連接的傳輸方式，每個報文都必須帶有源地址和目的地址，中間節點對經過的每個數據報文進行路由轉發功能，它是一種不可靠的數據傳輸服務方式。網絡層協議（IP協議）

IP數據報文由兩部分構成：報文頭和數據域。報文頭由20字節的固定域和長度可變的可選項組成。報文頭中的最主要字段如下所述：源地址：占32位，用以指出源主機的互聯網地址。目的地址：占32位，用以指出目的主機的互聯網地址。協議類型：占8位，用以指出IP數據報文的類型頭校驗和：占16位，用以校驗報文頭。

其他還包括版本號、報文頭長度、服務類型、報文總長度、標識位、標志位、分段位移、生存時間、填充段、選項等。數據域中的數據可變長，但必須是8的整數倍字節長，且總長度不超過64k。IP地址IP地址標識著網絡中一個系統的位置。每個IP地址都是由兩部分組成：網絡號和主機號。其中網絡號標識一個物理的網絡，同一個網絡上所有主機需要同一個網絡號，該號在互聯網中是唯一的；而主機號確定網絡中的一個工作端、服務器、路由器、其他TCP/IP主機。對于同一個網絡號來說，主機號是唯一的，每個TCP/IP主機由一個邏輯IP地址確定。IP地址分類IP地址有五類：A類，最高位為0，緊跟的7位表示網絡號，其余24位表示主機號，共允許126個網絡。B類，高兩位總被置為二進制的10，緊跟的14位表示網絡號，允許有16384個網絡。C類，高三位被置為二進制110，緊跟的21位表示網絡號，允許有大約200萬個網絡。D類，高四位總置為1110，余下的位用于表明客戶機所屬的組。D類地址為組播地址。E類，僅供實驗的地址。IP地址中的網絡號字段和主機號字段net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A類地址host-id16bitB類地址C類地址011host-id8bitD類地址1

1

1

0多播地址E類地址保留為今后使用1

1

1

1

001子網掩碼為了保證所配置的子網地址可以工作，在網絡上每臺計算機都必須知道自己主機地址中的哪一部分是被用來表示子網地址的。這可以通過在每臺計算機上指定一個子網掩碼來完成。子網掩碼是一個32位的值，通過它，接收IP數據包的一方可以從IP地址的主機ID號中區分出子網ID號地址。子網掩碼中全1的位置表示的是網絡或子網的地址部分。例如子網掩碼就表示前16位為網絡號或子網號。---11111111.11111111.10000000.00000000C類地址的子網劃分二進制方法：例如子網掩碼92192=110000003.4實體、協議、服務

實體(entity)表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。協議是控制兩個對等實體進行通信的規則的集合。在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現本層協議，還需要使用下層所提供的服務。實體、協議和服務本