計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)論文.doc

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)摘要：計算機岡絡(luò)體系結(jié)構(gòu)描述了計算機網(wǎng)絡(luò)功能實體的劃分原則及其相互之間協(xié)同工作的方法和規(guī)則。本文主要介紹的是現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，OSI基本參考模型，計算機網(wǎng)絡(luò)的七層通信協(xié)議的主要功能及其之間的關(guān)系，并簡單介紹了TCP/IP四層通信模型。關(guān)鍵字：計算機網(wǎng)絡(luò)，層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，OSI，TCP/IP 上世紀60年代末期，早期的網(wǎng)絡(luò)都是各公司根據(jù)用戶的要求而設(shè)計的。雖然用戶的應(yīng)用要求千變?nèi)f化，但對網(wǎng)絡(luò)（通信）的要求相對一致。為使公司的產(chǎn)品可以適應(yīng)千變?nèi)f化的應(yīng)用要求，尤其是適應(yīng)用戶擴充應(yīng)用的要求，同時也是為了滿足市場的要求，保證新老產(chǎn)品的兼容性和可操作性，各公司提出了基于本公司產(chǎn)品的計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。 隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，通用的計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)逐漸浮出水面?，F(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是計算機網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)以后第一個被提出并實際使用的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。直到目前，其產(chǎn)生和發(fā)展的過程始終與計算機網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生和發(fā)展的過程保持協(xié)調(diào)一致。為了簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)的復(fù)雜性，層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)問題分解為若干個不同的小問題，每個層次專注于解決特定的同題，這樣就比較容易對所解決本層次涉及的同題實現(xiàn)模塊化和標準化，標準化的層次間的通信規(guī)則被稱為協(xié)議。層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是層和協(xié)議的集合。典型的層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)通信模型如下圖所示 層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)首先提出了模塊化的設(shè)計實現(xiàn)思想：將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)問題分解為較為單純易于解決的小問題；用不同的模塊解決不同的問題。不同的模塊之間接口簡單明確，因此可以各自獨立地制定標準和進行開發(fā)。這一思路即使在后來出現(xiàn)的其他網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中仍然得到了遵循。 國際標準化組織ISO為層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計了OSI參考模型。該模型將網(wǎng)絡(luò)自底向上劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層七個層次，每個層次完成經(jīng)過分解的特定的網(wǎng)絡(luò)工作。OSI參考模型規(guī)定了每個層次需要完成的工作，并對完成工作的方式和標準提出了建議。物理層 物理層主要是定義物理設(shè)備和物理媒體之間的接口，提供點到點的比特流透明傳輸?shù)奈锢礞溌?，定義內(nèi)容包括接口的機械特性、電氣特性、功能特性、規(guī)程特性。不同的傳輸設(shè)備和傳輸媒體具有不同的接口定義，例如：ISO2110標準定義了串行和并行的調(diào)制解調(diào)器接口的機械特性。隨著新型傳輸設(shè)備和傳輸媒體的出現(xiàn)，物理層的標準將不斷更新和豐富。物理層協(xié)議通常由硬件支持。數(shù)據(jù)鏈路層 物理層的定義雖然使得物理設(shè)備之間的電氣信號可以傳輸，但由于傳輸媒體本身的質(zhì)量以及外部的因素，線路上傳輸?shù)男盘柨赡墚a(chǎn)生差錯，尤其是利用基于模擬制式的公用電話網(wǎng)來傳輸信息更是如此。這種差錯將直接影響計算機對數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。為了解決這一問題，數(shù)據(jù)鏈路層增加了差錯處理功能，利用差錯處理技術(shù)，向上層（網(wǎng)絡(luò)層）提供較為可靠的傳輸服務(wù)。差錯處理技術(shù)的核心是糾錯碼的構(gòu)造、差錯校驗、差錯重發(fā)的傳輸控制規(guī)程的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能有：）差錯處理。將物理層傳輸來的比特流按照一定的規(guī)則組合成數(shù)據(jù)塊，并引入各種檢錯碼生成技術(shù)和傳輸控制規(guī)程，屏蔽物理層的特征，變不可靠的物理連接為可靠的數(shù)據(jù)鏈路，從而保證點點的數(shù)據(jù)傳輸正確性。）流量控制。數(shù)據(jù)鏈路層采用一些流量控制技術(shù)，解決物理設(shè)備處理能力不匹配的問題，如數(shù)據(jù)通信的收發(fā)方的物理端口的速度不一樣，一方速度快而另一方速度慢，可以通過數(shù)據(jù)鏈路層進行流量控制，相互協(xié)調(diào)，以達到一致。）數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路是指活動著的物理連接。通信之前，由通信雙方互相聯(lián)系而建立；信息傳輸完畢，雙方協(xié)商而釋放鏈路。）多路復(fù)用。為了充分發(fā)揮傳輸線路的效率，數(shù)據(jù)鏈路層利用各種多路復(fù)用技術(shù)（如頻分、時分和波分多路復(fù)用技術(shù)）來支持多個用戶的信息同時在一條物理線路上傳輸。網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層雖然提供了理論上的可靠傳輸服務(wù)，但這種服務(wù)僅發(fā)生在結(jié)點和結(jié)點之間，如僅支持交換機對交換機之間用戶終端對交換機的通信，而用戶的數(shù)據(jù)傳輸主要發(fā)生在端到端之間。用戶如果要與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他用戶進行通信，可能需要經(jīng)過多個中繼結(jié)點，如交換機、路由器等，并由這些中繼結(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)路層的功能就是利用各種路由算法，使得中繼結(jié)點能夠根據(jù)數(shù)據(jù)分組中的地址信息和依據(jù)某種策略作出決策，盡快地轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)分組，使得用戶的數(shù)據(jù)能盡快地穿越網(wǎng)絡(luò)，送往目的地。路由選擇是網(wǎng)路層的一大特征，也是網(wǎng)路層的內(nèi)在能力。 網(wǎng)絡(luò)層提供了編址功能。為了保證附接到網(wǎng)絡(luò)上的每臺主機都具有訪問和被訪問的能力，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都被分配了一個唯一的標識，這個標識稱為網(wǎng)絡(luò)地址。對于不同類型的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)地址的格式和取值范圍也有所不同。目前因特網(wǎng)使用的協(xié)議中的協(xié)議屬于網(wǎng)路層協(xié)議，每個接入因特網(wǎng)的計算機設(shè)備都需分配一個地址，其地址格式為比特位，簡寫為，例如：。 網(wǎng)絡(luò)層提供了復(fù)用解復(fù)用和分組的功能，利用復(fù)用解復(fù)用技術(shù)，可以使得多對用戶的數(shù)據(jù)可以交織在同一條數(shù)據(jù)鏈路上傳輸；多個用戶可以在一條線路上同時進行數(shù)據(jù)傳輸。利用分組技術(shù)可以根據(jù)不同的網(wǎng)路情況，將用戶數(shù)據(jù)組裝成適合網(wǎng)路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組，使得用戶數(shù)據(jù)能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)中傳輸。例如兩個用戶分別在不同的單位進行數(shù)據(jù)通信，用戶的數(shù)據(jù)需從一個用戶所在的局域網(wǎng)，經(jīng)廣域網(wǎng)，再到另一個用戶所在的局域網(wǎng)，由于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組大小是不一樣的，這種分組的功能就由網(wǎng)路層來實現(xiàn)。傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)可以支持用戶信息在同一個網(wǎng)絡(luò)上的端到端傳輸，但不同的網(wǎng)絡(luò)（如各種廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)）是針對不同的應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計的，具有不同的性能（例如，不同的網(wǎng)絡(luò)支持不同的吞吐量、速度和傳輸延遲；不同的網(wǎng)絡(luò)支持不同的分組長度，收取的傳輸費用也不同）；不同的用戶對網(wǎng)絡(luò)通信也可能具有不同的要求，網(wǎng)絡(luò)的性能和用戶的要求之間也許存在著某種差異。 傳輸層的主要工作就是解決用戶要求和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間的差異，包括采用分流合流技術(shù)，用多條網(wǎng)絡(luò)連接來支持一個用戶的數(shù)據(jù)傳輸，使得具有低吞吐量、低速率和高傳輸延遲的網(wǎng)絡(luò)可以支持用戶高速傳輸數(shù)據(jù)的要求；采用復(fù)用解復(fù)用技術(shù)和可能的拼接分割技術(shù)，用一條網(wǎng)絡(luò)連接來支持多個用戶的數(shù)據(jù)傳輸，使得具有高吞吐量、高速率和低傳輸延遲、且高費用的網(wǎng)絡(luò)可以之財產(chǎn)用戶的低傳輸成本的要求；采用分段合段技術(shù)，使得傳輸有限長度用戶數(shù)據(jù)（分組）的網(wǎng)絡(luò)可以支持用戶的無限長數(shù)據(jù)的傳輸；采用適當?shù)牟铄e檢測和恢復(fù)技術(shù)，使得差錯率較高的網(wǎng)絡(luò)可以支持用戶高可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?總之，傳輸層的功能就是屏蔽各種通信網(wǎng)絡(luò)的性能差異，以及用戶要求和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間的差異，以滿足各類用戶的應(yīng)用要求。因特網(wǎng)使用的TCP/IP協(xié)議集中TCP協(xié)議屬于傳輸層協(xié)議。會話層 傳輸層提供的服務(wù)可以保證用戶數(shù)據(jù)按照用戶的要求從網(wǎng)絡(luò)的一端傳輸?shù)搅硪欢耍Ｏ碌膯栴}是用戶如何控制信息的交互過程（如數(shù)據(jù)交換的時序、如何保證數(shù)據(jù)交換的完整性等），網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當提供什么樣的功能撈協(xié)助用戶管理和控制用戶之間的信息交換，從而進一步滿足用戶應(yīng)用的要求。 會話層的目的是向用戶提供組織和控制信息交換的手段。會話層的主要功能包括 1、利用令牌技術(shù)來保證數(shù)據(jù)交換、會話同步的有序性，擁有令牌的一方可以發(fā)送數(shù)據(jù)，或者執(zhí)行其它動作，令牌可以被申請和轉(zhuǎn)讓 2、利用活動和同步技術(shù)來保證用戶數(shù)據(jù)的完整性，并讓用戶知道整個交換技術(shù)過程 3、利用分段和拼接技術(shù)來提高數(shù)據(jù)交換的效率，多塊用戶數(shù)據(jù)可以合并在一起進行傳輸 4、利用重新同步技術(shù)來實現(xiàn)用戶會話的延續(xù)性，支持傳輸過程中的故障恢復(fù)。表示層 由于不同的計算機系統(tǒng)可能采用了不同的信息編碼(例如：PC機通常采用AsC碼，而mM主機通常采用EBCDIc編碼)。并且可能具有不同的信息描述和表示方法(例如：對于同樣一個整數(shù)，有些計算機可能采用2個字節(jié)表示，而另一些計算機可能采用4個字節(jié))等。如果不加處理，不同的信息描述(表示)將導(dǎo)致通信的計算機系統(tǒng)之間無法正確地識別信息，正如漢語是一種描述事情的方法，但是未必所有的人都可以理解。 表示層主要解決異種計算機系統(tǒng)之間的信息表示問題，屏蔽不獼系統(tǒng)在數(shù)據(jù)表示方面的差異。解決信息表示的方法是定義一種公共的語法表示方法，并在信息交換時進行本機語法和公共語法之間的轉(zhuǎn)換，從而使通信的計算機之間能夠正確地識別信息，真正達到信息交互的目的。這種方法類似于人類信息交流時慣于采用的方法，例如不同國別的交談?wù)咴谝黄鸾徽剷r常常選擇英語作為公共語言，并依靠翻譯完成本地語言和英語的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用層 應(yīng)用層是計算機網(wǎng)絡(luò)可向最終用戶提供應(yīng)用服務(wù)的唯一窗口，其目的是支持用戶聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用要求。由于用戶的要求不同，應(yīng)用層含有支持不同應(yīng)用的多種應(yīng)用實體，提供多種應(yīng)用服務(wù)。(如電子郵件、文件傳輸、虛擬終端等)。因特網(wǎng)使用的協(xié)議集提供的應(yīng)用服務(wù)如：電子郵件(簡單郵件傳輸協(xié)議)、遠程登錄、文件傳輸協(xié)議、超文本傳輸協(xié)議、域名系統(tǒng)等，都屬于應(yīng)用層的協(xié)議，為用戶提供了各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。隨著使用網(wǎng)絡(luò)的用戶增多。用戶的應(yīng)用需求將更加豐富應(yīng)用層的服務(wù)。盡管OSI參考模型的設(shè)計比較理想和精確，但是由于其不合適的提出時機和缺乏網(wǎng)絡(luò)實際研發(fā)機構(gòu)和組織的支持，因此最終并未流行開來成為實用的架構(gòu)。與OSI參考模型從理論到實際應(yīng)用的途徑正好相反，目前廣泛使用的TCPIP參考模型的第一次出現(xiàn)是作為Berkeley UNIX操作系統(tǒng)的一部分，由于其免費好用同時能夠較好解決異種網(wǎng)絡(luò)互連問題，很快就吸引了一個龐大的用戶群，這又反過來推動了其發(fā)展改進并形成標準，最終成為當前互聯(lián)網(wǎng)事實上的體系結(jié)構(gòu)標準。TCPIP模型將網(wǎng)絡(luò)劃分為四層：網(wǎng)絡(luò)接口層、互聯(lián)網(wǎng)層、傳輸層、應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)接口層 物理層是定義物理介質(zhì)的各種特性：機械特性、電子特性、功能特性、規(guī)程特性。數(shù)據(jù)鏈路層是負責(zé)接收IP數(shù)據(jù)報并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送之，或者從網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽出IP數(shù)據(jù)報，交給IP層。常見的接口層協(xié)議有： Ethernet 802.3、Token Ring 802.5、X.25、Frame relay、HDLC、PPP ATM等。 網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)相鄰計算機之間的通信，其功能包括三方面：一、處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求，收到請求后，將分組裝入IP數(shù)據(jù)報，填充報頭，選擇去往信宿機的路徑，然后將數(shù)據(jù)報發(fā)往適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口。 二、處理輸入數(shù)據(jù)報：首先檢查其合法性，然后進行尋徑-假如該數(shù)據(jù)報已到達信宿機，則去掉報頭，將剩下部分交給適當?shù)膫鬏攨f(xié)議；假如該數(shù)據(jù)報尚未到達信宿，則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報。 三、處理路徑、流控、擁塞等問題。 網(wǎng)絡(luò)層包括：IP(Internet Protocol）協(xié)議、ICMP(Internet Control Message Protocol) 控制報文協(xié)議、ARP(Address Resolution Protocol）地址轉(zhuǎn)換協(xié)議、RARP(Reverse ARP)反向地址轉(zhuǎn)換協(xié)議。 IP是網(wǎng)絡(luò)層的核心，通過路由選擇將下一跳IP封裝后交給接口層。IP數(shù)據(jù)報是無連接服務(wù)。ICMP是網(wǎng)絡(luò)層的補充，可以回送報文。用來檢測網(wǎng)絡(luò)是否通暢。Ping命令就是發(fā)送ICMP的echo包，通過回送的echo relay進行網(wǎng)絡(luò)測試。 ARP是正向地址解析協(xié)議，通過已知的IP，尋找對應(yīng)主機的MAC地址。RARP是反向地址解析協(xié)議，通過MAC地址確定IP地址。比如無盤工作站還有DHCP服務(wù)。傳輸層 提供應(yīng)用程序間的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠傳輸。為實現(xiàn)后者，傳輸層協(xié)議規(guī)定接收端必須發(fā)回確認，并且假如分組丟失，必須重新發(fā)送。 傳輸層協(xié)議主要是：傳輸控制協(xié)議TCP(Transmission Control Protocol）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP(User Datagram protocol）。應(yīng)用層向用戶提供一組常用的應(yīng)用程序，比如電子郵件、文件傳輸訪問、遠程登錄等。遠程登錄TELNET使用TELNET協(xié)議提供在網(wǎng)絡(luò)其它主機上注冊的接口。TELNET會話提供了基于字符的虛擬終端。文件傳輸訪問FTP使用FTP協(xié)議來提供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)機器間的文件拷貝功能。應(yīng)用層一般是面向用戶的服務(wù)。如FTP、TELNET、DNS、SMTP、POP3。 除開OST七層參考模型和TCPIP四層模型以外，ATM的四層模型和早期的SPXIPX五層模型也屬于層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，但是在模型的理想化和實用范圍方面無法與OSI和TCPIP相提并論。 目前廣泛使用的層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是在計算機網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)初期產(chǎn)生的，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的高效性、可靠性、多樣性等提出了更高的要求。層次型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特點導(dǎo)致將新的技