《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)》課件第三章

1、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)2 章節(jié)導(dǎo)讀計算機網(wǎng)絡(luò)是一個龐大的、多樣化的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及多種通信介質(zhì)、多廠商和異種機互連、高級人機接口等各種復(fù)雜的技術(shù)問題。要使這樣一個系統(tǒng)高效、可靠地運轉(zhuǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的各個部分都必須遵守一套合理而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木W(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。這套網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)就稱之為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。本章主要講解計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念、開放式系統(tǒng)互連（OSI）參考模型和TCP/IP參考模型。學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)了解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念和分層設(shè)計的思想。掌握OSI參考模型的分層結(jié)構(gòu)及各層功能。掌握OSI參考模型中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。掌握TCP/IP參考模型的分層結(jié)構(gòu)及各層功能。理解OSI參考模型和TCP/IP模型的區(qū)別。5 3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)

2、構(gòu)概述網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是指為了實現(xiàn)計算機間的通信合作，把計算機互聯(lián)的功能劃分成有明確定義的層次，并規(guī)定同層次實體通信的協(xié)議及相鄰層之間的接口服務(wù)。簡單地說，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是網(wǎng)絡(luò)各層及其協(xié)議的集合。因此，要理解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，就必須了解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層設(shè)計原理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。6 3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述3.1.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下3個要素組成：語法：規(guī)定用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式。語義：規(guī)定通信雙方需要發(fā)出何種控制信息、完成何種動作及做出何種響應(yīng)等。時序：又稱“同步”，用于規(guī)定事件實現(xiàn)順序的詳細(xì)說明，即通信雙方動作的時間、速度匹配和事件發(fā)生的順序等。想要讓兩臺計算機進(jìn)行通信，必須使它們采

3、用相同的信息交換規(guī)則。我們把在計算機網(wǎng)絡(luò)中用于規(guī)定信息的格式以及如何發(fā)送和接收信息的規(guī)則稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Network Protocol）或通信協(xié)議（Communication Protocol）。7 3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述3.1.2 分層設(shè)計為了減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)采用分層設(shè)計方法。所謂分層設(shè)計方法，就是按照信息的流動過程將網(wǎng)絡(luò)的整體功能分解為一個個的功能層，同一機器上的相鄰功能層之間通過接口進(jìn)行信息傳遞，不同機器上的同等功能層之間采用相同的協(xié)議。為了便于理解分層設(shè)計的思想，首先以郵政通信系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。如圖3-1所示，在整個通信過程中主要涉及三個層次，即用戶子系統(tǒng)、郵局子系

4、統(tǒng)和運輸部門子系統(tǒng)。圖3-1 郵政通信系統(tǒng)分層模型8 3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述從圖3-1中可以看出，郵政系統(tǒng)中的各種約定都是為了將信件從寫信人送到收信人而設(shè)計的，也就是說，它們是因信息的流動而產(chǎn)生的。這些約定可以分為兩種，一種是同等機構(gòu)間的約定，如用戶之間的約定、郵政局之間的約定和運輸部門之間的約定；另一種是不同機構(gòu)間的約定，如用戶與郵政局之間的約定、郵政局與運輸部門之間的約定。在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，兩臺計算機中兩個程序之間進(jìn)行通信的過程與郵政通信的過程十分相似。應(yīng)用程序?qū)?yīng)于用戶，計算機中進(jìn)行通信的進(jìn)程（也可以是專門的通信處理機）對應(yīng)于郵局，通信設(shè)施對應(yīng)于運輸部門。9 3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述

5、計算機網(wǎng)絡(luò)的層次模型如圖3-2所示，不同計算機同等層之間的通信規(guī)則就是該層使用的協(xié)議，如有關(guān)第N層的通信規(guī)則的集合就是第N層的協(xié)議。而同一計算機的不同功能層之間的通信規(guī)則稱為接口（Interface），如在第N層和第（N+1）層之間的接口稱為N/（N+1）層接口。對于不同的網(wǎng)絡(luò)，它的分層數(shù)量、各層的名稱和功能以及協(xié)議都各不相同。但是，在所有的網(wǎng)絡(luò)中，每一層的目的都是向它的上一層提供服務(wù)，并隱藏下層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。圖3-2 計算機網(wǎng)絡(luò)的層次模型10 提 示協(xié)議層次化不同于程序設(shè)計中模塊化的概念。在程序設(shè)計中，各模塊可以相互獨立，任意拼裝或者并行。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次則有上下之分，它是依數(shù)據(jù)的流動而產(chǎn)生的。組

6、成不同計算機同等層的實體稱為對等進(jìn)程（Peer Process）。對等進(jìn)程不一定非是相同的程序，但其功能必須完全一致，且采用相同的協(xié)議。3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述11 3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)設(shè)置哪幾層，每層應(yīng)提供哪些功能的精確定義。也就是說，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)只是從功能上描述計算機網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，而不關(guān)心每層硬件和軟件的組成，也不解決這些硬件或軟件的實現(xiàn)問題，它只是為各個標(biāo)準(zhǔn)化組織制定協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)提供了一個參考模型。因此網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是眾多現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的抽象，也是制定新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的準(zhǔn)則。12 3.2 OSI參考模型世界上第一個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是1974年由IBM公司提出的

7、“系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（System Network Architecture，SNA）”。此后，許多公司紛紛推出了各自的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。雖然這些體系結(jié)構(gòu)都采用了分層技術(shù)，但層次的劃分、功能的分配及采用的技術(shù)均不相同。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，不同結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)已成為迫切需要解決的問題。為此，許多標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)積極開展了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化方面的工作，其中最為著名的就是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO提出的開放系統(tǒng)互連參考模型，即OSI參考模型。OSI參考模型并不是一個特定的硬件設(shè)備或一套軟件例程，而是一種嚴(yán)格的理論模型，是廠商在設(shè)計硬件和軟件時必須遵循的通信準(zhǔn)則。OSI模型是一個開放式系統(tǒng)模型，它的目的就是在不需要

8、改變不同系統(tǒng)的軟硬件邏輯結(jié)構(gòu)的前提下，使不同系統(tǒng)之間可以通信。13 OSI參考模型從下到上由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層組成，如圖3-3所示。低層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層）執(zhí)行的功能與物理通信相關(guān)，如構(gòu)建幀、傳輸含有包的信號；中間層（網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層）協(xié)調(diào)結(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)通信，如確保通信會話無中斷、無差錯地持續(xù)進(jìn)行；高層（表示層、應(yīng)用層）的工作直接影響軟件應(yīng)用和數(shù)據(jù)表示，包括數(shù)據(jù)格式化、加密以及數(shù)據(jù)與文件傳輸管理。圖3-3 OSI參考模型的結(jié)構(gòu)OSI參考模型中，劃分層（子模塊）要遵循以下原則：（1）各層（子模塊）具有相對的獨立性，保持層間交互的信息最少。（2）單向調(diào)

9、用：各層（子模塊）只能引用其下層提供的服務(wù)。（3）增值服務(wù)：在使用下層服務(wù)的基礎(chǔ)上，各層完成特定的通信功能。3.2 OSI參考模型14 3.2.1 物理層物理層是OSI參考模型的最低層，主要為通信提供物理鏈路，并在兩個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間透明地傳輸比特流。物理層的數(shù)據(jù)服務(wù)單元是比特，它可以通過同步或異步的方式進(jìn)行傳輸；但是物理層并不關(guān)心這些比特的實際意義和結(jié)構(gòu)。物理層為建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體之間的二進(jìn)制比特流傳輸?shù)奈锢磉B接定義了機械、電氣、功能和規(guī)程特性。3.2 OSI參考模型15 機械特性：規(guī)定了物理連接時所使用可接插連接器的形狀和尺寸，連接器中引腳的數(shù)量與排列情況等。電氣特性：規(guī)定了在物理連

10、接上傳輸二進(jìn)制比特流時線路上信號電平高低、阻抗及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。早期的標(biāo)準(zhǔn)定義了物理連接邊界點上的電氣特性，而較新的標(biāo)準(zhǔn)定義了發(fā)送和接收器的電氣特性，同時給出了互聯(lián)電纜的有關(guān)規(guī)定。新的標(biāo)準(zhǔn)更有利于發(fā)送和接收電路的集成化工作。功能特性：規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。物理接口信號線一般分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時線和地線。規(guī)程特性：定義了信號線進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸時的一組操作過程，包括各信號線的工作規(guī)則和時序。3.2 OSI參考模型物理層硬件接口主要包括各種傳輸介質(zhì)或傳輸設(shè)備的接口，常用的物理接口有RJ-45（網(wǎng)線接口）和RS-485（串口）。由于傳輸介質(zhì)和傳輸設(shè)備的種

11、類繁多，因此物理層接口的標(biāo)準(zhǔn)也非常多。不同物理層接口標(biāo)準(zhǔn)在以上四個重要特性上都不盡相同。16 3.2.2 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型的第二層，其作用主要是負(fù)責(zé)將由物理層傳來的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀（Frame），并保證幀在計算機之間進(jìn)行無差錯地傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層分為MAC和LLC兩個子層。MAC（介質(zhì)訪問控制）子層的功能包括數(shù)據(jù)幀的封裝/拆封，幀的尋址和識別，幀的接收與發(fā)送，鏈路的管理，幀的差錯控制等；LLC（邏輯鏈路層控制）子層負(fù)責(zé)為上層提供服務(wù)，如從上層接收包并發(fā)送到MAC層。工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備包括二層交換機、網(wǎng)橋等。此外，網(wǎng)卡既工作在物理層，也工作在數(shù)據(jù)鏈路層，負(fù)責(zé)傳輸介質(zhì)之間的物

12、理連接，幀的發(fā)送與接收、封裝與拆封等。3.2 OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層的定義1 117 提 示協(xié)議層次化不同于程序設(shè)計中模塊化的概念。在程序設(shè)計中，各模塊可以相互獨立，任意拼裝或者并行。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次則有上下之分，它是依數(shù)據(jù)的流動而產(chǎn)生的。組成不同計算機同等層的實體稱為對等進(jìn)程（Peer Process）。對等進(jìn)程不一定非是相同的程序，但其功能必須完全一致，且采用相同的協(xié)議。3.2 OSI參考模型18 知識庫物理線路與數(shù)據(jù)鏈路是網(wǎng)絡(luò)中常用的術(shù)語，它們的含義是不同的。在通信技術(shù)中，人們常用鏈路（link）這個術(shù)語來描述一條點對點的線路段，這條線路段中間是沒有任何交換結(jié)點的。因此從這種意義上說，鏈路

13、一般是指物理線路。當(dāng)需要在一條鏈路上傳送數(shù)據(jù)時，除了必須具有一條物理線路之外，還必須有一些規(guī)程或協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸，以保證被傳輸數(shù)據(jù)的正確性。實現(xiàn)這些規(guī)程或協(xié)議的硬件和軟件加上物理線路就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。此外，一般所說的物理鏈路就是指物理線路，邏輯鏈路就是指數(shù)據(jù)鏈路。3.2 OSI參考模型19 3.2 OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層的功能2 2（1）提供鏈路管理：當(dāng)兩個結(jié)點開始通信時，發(fā)送方必須確定接收方處在準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。為此，雙方必須交換一些必要的信息，然后建立數(shù)據(jù)鏈路連接；同時，在傳輸數(shù)據(jù)時要維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路；當(dāng)通信完畢時要釋放數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放就叫做鏈路管理。（2）提供

14、流量控制：為防止傳輸數(shù)據(jù)的雙方速度不匹配或接收方?jīng)]有足夠的接收緩存而導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁塞或溢出，數(shù)據(jù)鏈路層必須采用流量控制技術(shù)來控制流量，使接收方來得及接收發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)。20 3.2 OSI參考模型（3）提供差錯處理：數(shù)據(jù)鏈路層采用差錯控制技術(shù)，把不可靠的物理連接變?yōu)榭煽康臄?shù)據(jù)鏈路，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。數(shù)據(jù)鏈路層實體將對幀的傳輸過程進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)差錯用重傳方式解決。（4）幀同步：在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行傳輸。幀同步是指接收方應(yīng)當(dāng)能從來自物理層的比特流中準(zhǔn)確地區(qū)分出一幀的開始和結(jié)束的位置。（5）尋址：在多點連接的情況下，尋址保證每一幀都能傳送到正確的目的結(jié)點。同時，接收方也應(yīng)當(dāng)知道發(fā)送

15、方是哪一個結(jié)點。21 3.2 OSI參考模型PPP協(xié)議3 3在ISO標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議集中，數(shù)據(jù)鏈路層采用了高級數(shù)據(jù)鏈路控制（High-Level Data Link Control，HDLC）協(xié)議。但是目前HDLC協(xié)議已經(jīng)很少用了，對于點對點的鏈路，使用最廣泛的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是更為簡單的點對點協(xié)議PPP協(xié)議（Point to Point Protocol）。PPP協(xié)議是面向字符類型的協(xié)議，具有處理錯誤檢測、支持多個協(xié)議、允許在連接時協(xié)商IP地址、允許身份認(rèn)證等功能。PPP協(xié)議由以下三部分組成：（1）將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路中的方法。PPP既支持異步鏈路，也支持面向比特的同步鏈路。（2）一個鏈路控制協(xié)

16、議LCP，用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接。（3）一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP，其中的每一個協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。22 3.2 OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元被稱為幀，PPP幀的首部和尾部分別有四個字段和兩個字段，其幀結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-4 PPP幀結(jié)構(gòu)23 3.2 OSI參考模型n標(biāo)志字段F：在幀的首尾各有一個由固定比特序列“01111110”組成的標(biāo)志字段F。標(biāo)志字段表示一個幀的開始或結(jié)束，因此標(biāo)志字段就是幀的定界符。如果出現(xiàn)兩個連續(xù)的標(biāo)志字段，就表示這是一個空幀，應(yīng)當(dāng)丟棄。n地址字段A：PPP協(xié)議中的幀的地址字段A規(guī)定為0 xFF（即11111111），這是一個廣播地址。n控制字

17、段C：控制字段是幀的關(guān)鍵字段，它表示了幀類型、幀編號、命令和控制信息。PPP協(xié)議的控制字段C為0 x03（即00000011）。n協(xié)議字段：協(xié)議字段占兩個字節(jié)。若取值0 x0021表示該幀為IP分組；取值0 x8021表示該幀為網(wǎng)絡(luò)層的控制數(shù)據(jù)；取值0 xC021表示該幀為鏈路控制數(shù)據(jù)。n信息字段I：可以是任意的比特序列組合，其長度通常不超過1 500字節(jié)。n幀校驗字段FCS：它是使用CRC的幀校驗序列，占用兩個字節(jié)的大小。24 3.2.3 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層僅提供點對點的數(shù)據(jù)鏈路，不能直接提供用戶數(shù)據(jù)的端到端之間的傳輸，也就無法解決數(shù)據(jù)經(jīng)過通信子網(wǎng)中多個轉(zhuǎn)接結(jié)點的通信問題。網(wǎng)絡(luò)層的傳輸單位是分

18、組或包（Packet），網(wǎng)絡(luò)層能夠讀取包協(xié)議地址信息并將每一個包沿最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)直至到達(dá)目的結(jié)點。網(wǎng)絡(luò)層允許分組通過路由從一個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到另一個網(wǎng)絡(luò)，而用戶不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所使用的通信介質(zhì)。也就是說，網(wǎng)絡(luò)層可以用于為兩個不同網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段之間的計算機建立通信。3.2 OSI參考模型25 3.2 OSI參考模型網(wǎng)絡(luò)層的功能1 1網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括路由選擇、流量控制和多用戶數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵問題是如何進(jìn)行路由選擇，以確定數(shù)據(jù)分組如何到達(dá)目的結(jié)點。通信子網(wǎng)中的路徑是指從源結(jié)點到目的結(jié)點之間的一條通路，一般在兩個結(jié)點之間都會有多條路徑供選擇。路由是指在通信子網(wǎng)中，源結(jié)點和中間結(jié)點為將報文分組傳送

19、到目的結(jié)點而對其后繼結(jié)點進(jìn)行選擇的過程。為確定最佳路由，網(wǎng)絡(luò)層需要持續(xù)地收集有關(guān)各個網(wǎng)絡(luò)和結(jié)點地址的信息。1）路由選擇26 3.2 OSI參考模型網(wǎng)絡(luò)中多個層次都存在流量控制問題，網(wǎng)絡(luò)層的流量控制則通過限制用戶一次性提交給網(wǎng)絡(luò)的分組個數(shù)對進(jìn)入分組交換網(wǎng)的通信量進(jìn)行控制，以防因通信量過大而造成通信子網(wǎng)性能下降。2）流量控制為了在一條數(shù)據(jù)鏈路（Data Link，DL）上交織地傳輸多個用戶的數(shù)據(jù)，可將一條DL劃分為若干條邏輯電路，稱為邏輯信道（Logic Circuit，LC）。利用每條LC支持一對用戶的數(shù)據(jù)傳輸，并且利用LC號來區(qū)分不同用戶的數(shù)據(jù)。3）多用戶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)2 2從OSI

20、參考模型的角度看，網(wǎng)絡(luò)層所提供的服務(wù)可分為兩類：面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和無連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。27 3.2 OSI參考模型面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)又稱為虛電路（Virtual Circuit）服務(wù)，它具有網(wǎng)絡(luò)連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)連接釋放三個階段，是可靠的報文分組按順序傳輸?shù)姆绞?，適用于確定型對象、長報文、會話型傳輸要求。虛電路技術(shù)的主要特點是，在數(shù)據(jù)傳送以前必須在源結(jié)點和目的結(jié)點之間建立一條虛電路。值得注意的是，虛電路的概念不同于前面電路交換技術(shù)中電路的概念。后者對應(yīng)著一條實實在在的物理線路，是通信雙方的物理連接。而虛電路是指在通信雙方之間建立了一條邏輯連接，不獨占信道帶寬，數(shù)據(jù)沿邏輯連接路徑以存儲轉(zhuǎn)發(fā)方

21、式傳輸。網(wǎng)絡(luò)層沿著多個虛電路傳輸數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)到達(dá)時就有可能出現(xiàn)錯誤的順序。因此網(wǎng)絡(luò)層在將包傳輸給下一層前應(yīng)檢查數(shù)據(jù)的順序，如有必要就對其進(jìn)行改正。1）面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)28 3.2 OSI參考模型無連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的兩實體之間的通信不需要事先建立好一個連接。無連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)有三種類型：數(shù)據(jù)報（Datagram）、確認(rèn)交付（Confirmed Delivery）與請求回答（Request Reply）。數(shù)據(jù)報服務(wù)不要求接收端應(yīng)答，這種方法額外開銷較小，但可靠性無法保證；確認(rèn)交付服務(wù)要求接收端用戶每收到一個報文均給發(fā)送端用戶發(fā)送回一個應(yīng)答報文；請求回答類似于一次事務(wù)處理中用戶的“一問一答”。虛電路方式

22、與數(shù)據(jù)報方式之間的最大差別在于：虛電路方式為每一對結(jié)點之間的通信預(yù)先建立一條虛電路，后續(xù)的數(shù)據(jù)通信沿著建立好的虛電路進(jìn)行，路由器不必為每個報文進(jìn)行路由選擇。而在數(shù)據(jù)報方式中，路由器為每一個進(jìn)入的報文進(jìn)行一次路由選擇，也就是說，每個報文的路由選擇獨立于其他報文。2）無連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)29 3.2 OSI參考模型3.2.4 傳輸層傳輸層位于OSI參考模型的第四層，它是網(wǎng)絡(luò)中資源子網(wǎng)與通信子網(wǎng)的橋梁，主要負(fù)責(zé)確保數(shù)據(jù)可靠、順序、無差錯地從A點到傳輸?shù)紹點（A、B點可能位于相同或不同的網(wǎng)絡(luò)）。如果沒有傳輸層，數(shù)據(jù)將不能被接收端驗證或解釋。傳輸層的功能是在網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上建立的，其任務(wù)是向用戶提供可靠

23、的、透明的、端到端的數(shù)據(jù)傳輸，采用一些技術(shù)手段彌補用戶對不同網(wǎng)絡(luò)的要求以及網(wǎng)絡(luò)可向用戶提供的服務(wù)之間的差異，使得用戶無需了解網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募?xì)節(jié)，就能獲得相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。傳輸層采用的技術(shù)手段主要有以下幾種：30 3.2 OSI參考模型（1）分流/合流技術(shù)（2）復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)是利用多條網(wǎng)絡(luò)連接來支持一條運輸連接上的數(shù)據(jù)傳輸，目的是使低吞吐量、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。是將多條運輸連接上的數(shù)據(jù)匯集到一條網(wǎng)絡(luò)連接上傳輸，使具有高吞吐量、高速率和低傳輸延遲且高費用的網(wǎng)絡(luò)可以支持用戶的低傳輸成本的要求。（3）分段/合段技術(shù)是將一個長的運輸服務(wù)數(shù)據(jù)單元分成若干個運輸協(xié)議數(shù)

24、據(jù)單元進(jìn)行傳輸，使傳輸長度有限的網(wǎng)絡(luò)可以支持用戶的無限長度數(shù)據(jù)的傳輸。31 3.2 OSI參考模型（4）差錯檢測和恢復(fù)技術(shù)（5）流量控制技術(shù)使差錯率較高的網(wǎng)絡(luò)可以支持用戶高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸要求。對連續(xù)傳輸?shù)膮f(xié)議數(shù)據(jù)單元個數(shù)進(jìn)行限制，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。傳輸層傳輸信息的基本單位是報文（Message）。傳輸層提供的服務(wù)包括標(biāo)識和維護(hù)運輸連接（建立和釋放連接，以及選擇服務(wù)質(zhì)量），提供流量控制，差錯檢查與恢復(fù)，常規(guī)數(shù)據(jù)/加速數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取?2 3.2 OSI參考模型提 示這里的流量控制和差錯檢查都是指端到端的流量控制和差錯控制，與據(jù)鏈路層的流量控制和差錯檢查功能不同。33 3.2 OSI參考模型3.2.5

25、 會話層傳輸層可以保證用戶數(shù)據(jù)按照要求從網(wǎng)絡(luò)的一端傳輸?shù)搅硪欢耍谟脩魯?shù)據(jù)傳輸過程中用戶如何進(jìn)行控制信息的交互，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)提供什么樣的功能來協(xié)助用戶管理信息交換？為了解決上述問題，OSI參考模型設(shè)置了會話層。34 3.2 OSI參考模型會話層的功能1 1會話層的功能是向會話的應(yīng)用進(jìn)程之間提供會話組織和同步服務(wù)，對數(shù)據(jù)的傳送提供控制和管理，以協(xié)調(diào)會話過程，為表示層實體提供更好的服務(wù)。具體包括以下4個方面。（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)或執(zhí)行其他動作。提 示令牌（有時也成為“權(quán)標(biāo)”），是會話連接的一種屬性。例如，數(shù)據(jù)令牌標(biāo)識用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)利，誰掌握

26、令牌，誰就有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)通信的另一方需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先要申請令牌。當(dāng)掌握令牌的一方數(shù)據(jù)傳輸完畢或數(shù)據(jù)傳輸告一段落時可以釋放令牌，將令牌“傳遞”給通信的另一方。35 3.2 OSI參考模型（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的過程。提 示會話是指用戶之間的信息交換過程。為完成信息交換，通信雙方需要按一定規(guī)則在會話層實體之間建立一種暫時的聯(lián)系，即會話連接。在會話連接過程中，可以把用戶之間的信息交換分成若干個邏輯工作段，這些工作段就稱為活動。活動的內(nèi)容具有相對的獨立性和完整性。同步技術(shù)是指對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行語義上的分段，便于接收方對所接受信息進(jìn)行驗證。（3）利用分段和

27、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(jìn)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)。36 3.2 OSI參考模型會話層提供的服務(wù)2 2會話層提供了豐富的服務(wù)來支持用戶對數(shù)據(jù)交換的控制和管理。為了便于會話層服務(wù)的實現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)中將這些服務(wù)進(jìn)行了分類，組合成12個功能單元，分別為：核心功能單元（支持會話連接的建立和釋放，以及常規(guī)數(shù)據(jù)的傳輸）、協(xié)商釋放功能單元、半雙工功能單元、全雙工功能單元、加速數(shù)據(jù)功能單元、特權(quán)數(shù)據(jù)功能單元、能力數(shù)據(jù)功能單元、次同步功能單元、主同步功能單元、重新同步功能單元、異常功能單元、活動管理功能單元。37 3.2 OSI參考

28、模型為了方便用戶選擇使用合適的功能單元，會話服務(wù)定義了三個子集： 為用戶提供會話連接建立、正常數(shù)據(jù)傳送、令牌的處理及連接釋放等基本服務(wù)?；窘M合子集（BCS） 在BCS的基礎(chǔ)上增加為用戶通信過程同步的功能，能在出錯時從指定的同步點處進(jìn)行恢復(fù)，減少差錯重傳的數(shù)據(jù)量?；就阶蛹˙SS） 在BCS的基礎(chǔ)上加入了活動管理?；净顒幼蛹˙AS）38 3.2 OSI參考模型三個子集與12個功能單元的對應(yīng)關(guān)系如表3-1所示。表3-1 子集與功能單元的對應(yīng)關(guān)系功能單元BCSBSSBAS功能單元BCSBSSBAS核心次同步半雙工主同步雙工重新同步特權(quán)數(shù)據(jù)加速數(shù)據(jù)異常報告活動管理協(xié)商釋放能力數(shù)據(jù)交換39 3

29、.2 OSI參考模型3.2.6 表示層計算機聯(lián)網(wǎng)的最終目的是實現(xiàn)用戶之間的數(shù)據(jù)交換。但是，由于不同的計算機系統(tǒng)可能采用不同的信息編碼，或者具有不同的信息描述和表示方法，如果不加以處理，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。設(shè)置表示層的目的就是屏蔽不同計算機在信息表示方面的差異，其功能包括傳送語法的協(xié)商，以及抽象語法和傳送語法之間的轉(zhuǎn)換。通信雙方在建立通信關(guān)系后，首先要進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商內(nèi)容包括采用什么數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)是否要壓縮，采用什么壓縮算法等。協(xié)商結(jié)束后選擇一種雙方都能處理的數(shù)據(jù)表示方式進(jìn)行通信。40 3.2 OSI參考模型例如，如圖3-5所示，用

30、戶A希望傳送一個文件給用戶B，雙方協(xié)商后采用ASCII碼進(jìn)行傳輸。用戶A發(fā)送以ASCII碼編碼的數(shù)據(jù)，用戶B接收到ASCII碼數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)換成EBCDIC碼數(shù)據(jù)。通過這種轉(zhuǎn)換來統(tǒng)一表示被傳送的數(shù)據(jù)，使得通信雙方使用的計算機都可以識別。圖3-5 計算機系統(tǒng)間語法轉(zhuǎn)換除數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)表示方法，數(shù)據(jù)的壓縮和數(shù)據(jù)加密也是數(shù)據(jù)的重要表示，也屬于表示層的范疇。41 3.2 OSI參考模型3.2.7 應(yīng)用層OSI模型的頂端是應(yīng)用層。應(yīng)用層為網(wǎng)絡(luò)用戶和應(yīng)用程序提供各種服務(wù)，也是最終用戶應(yīng)用程序訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的地方。例如，如果在網(wǎng)絡(luò)上運行Microsoft Word，并選擇打開一個文件，請求將由應(yīng)用層傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。

31、應(yīng)用層提供的服務(wù)包括文件傳輸、文件管理以及電子郵件的信息處理等?！皯?yīng)用層”并不是指運行在網(wǎng)絡(luò)上的某個特定的應(yīng)用程序，如Microsoft Word。經(jīng)過抽象后的應(yīng)用進(jìn)程才是應(yīng)用實體。對等到應(yīng)用實體間的通信使用不同的應(yīng)用協(xié)議。常見的應(yīng)用層協(xié)議有FTP、HTTP、SNMP等。42 3.2 OSI參考模型3.2.8 OSI參考模型中的數(shù)據(jù)傳輸在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，為了確保數(shù)據(jù)能夠被順利、準(zhǔn)確地傳送到目的地，需要OSI參考模型的各層對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。以主機A向主機B傳輸數(shù)據(jù)為例（見圖3-6），數(shù)據(jù)在通過主機A各層時，每層都會為上層傳來的數(shù)據(jù)加上一個信息頭或尾（作為主機B的對等層處理數(shù)據(jù)的依據(jù)），然后向

32、下層發(fā)送，這個過程可以理解為各層對數(shù)據(jù)的封裝。圖3-6 數(shù)據(jù)的封裝與解封過程43 3.2 OSI參考模型當(dāng)經(jīng)過層層封裝的數(shù)據(jù)最終通過傳輸介質(zhì)傳輸?shù)街鳈CB后，主機B的每一層再對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理（自下而上），把信息頭或尾去掉，最后還原成實際的數(shù)據(jù)，即執(zhí)行主機A的逆過程，這個過程可以理解為對數(shù)據(jù)的拆封或解封。提 示在物理上，數(shù)據(jù)在發(fā)送端主機各層中是從上向下封裝，最后通過傳輸介質(zhì)到達(dá)對方主機，再在接收端主機各層中從下向上解封；但是在邏輯上，發(fā)送端和接收端每一層只負(fù)責(zé)處理每一層的事情，并不需要關(guān)心其他層的具體的事情。44 3.2 OSI參考模型下面通過發(fā)送和接收電子郵件的例子，說明在OSI參考模型中傳

33、輸數(shù)據(jù)的具體過程。（1）在某臺電腦上寫好電子郵件后，提出發(fā)送郵件到遠(yuǎn)程郵件服務(wù)器的請求，應(yīng)用層會識別該請求，并將請求傳輸?shù)奖硎緦印＃?）表示層判斷是否要對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換及如何轉(zhuǎn)換等，然后在數(shù)據(jù)中加入相應(yīng)的代碼信息，并將請求傳遞到會話層。（3）會話層接收到表示層發(fā)過來的請求后，給該請求添加一個數(shù)據(jù)標(biāo)記符，指示用戶有權(quán)限傳輸數(shù)據(jù)（即可以建立會話），然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鬏攲印?5 3.2 OSI參考模型（4）在傳輸層，數(shù)據(jù)被分割成若干數(shù)據(jù)段，并在每個數(shù)據(jù)段的頭部加上TCP報頭（包含源端和目標(biāo)端的端口號，以實現(xiàn)端到端的連接和通信），然后將封裝好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。在傳輸層中封裝好的數(shù)據(jù)被稱為報文（Me

34、ssage）。（5）網(wǎng)絡(luò)層為數(shù)據(jù)添加邏輯地址信息，即在TCP報頭前添加IP報頭（包含數(shù)據(jù)包的原邏輯地址和目標(biāo)邏輯地址），這時我們稱該數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)包或分組（Packet）。（6）數(shù)據(jù)包達(dá)到數(shù)據(jù)鏈路層后，先進(jìn)入LLC子層加上LLC頭部，然后進(jìn)入MAC子層加上MAC頭部和一個FCS尾部。數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)鏈路層中會被封裝成幀。（7）數(shù)據(jù)幀被傳輸?shù)轿锢韺雍?，物理層不添加任何信息，把?shù)據(jù)幀發(fā)送到傳輸介質(zhì)并以比特流的形式傳輸。（8）當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到另一端服務(wù)器的物理層時，反向執(zhí)行上述過程。46 3.3 TCP/IP參考模型OSI參考模型雖然是國際標(biāo)準(zhǔn)，但是它層次多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實際中完全遵從OSI參考模型的協(xié)議幾乎沒有

35、。目前流行的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是TCP/IP參考模型，它已成為計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)事實上的標(biāo)準(zhǔn)，Internet就是基于TCP/IP參考模型建立的。TCP/IP參考模型是將多個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫連接的體系結(jié)構(gòu)，共包含4個功能層，由下往上依次為：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)互連層、傳輸層和應(yīng)用層，每一層負(fù)責(zé)不同的通信功能。TCP/IP參考模型的分層與OSI參考模型的分層不同，它的分層更加注重互聯(lián)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。但是，OSI參考模型和TCP/IP參考模型的分層有一個大致的對應(yīng)關(guān)系，如圖3-7所示。圖3-7 OSI與TCP/IP參考模型之間的關(guān)系47 3.3 TCP/IP參考模型3.3.1 網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)接口層是TCP/I

36、P模型的最低層。事實上，TCP/IP參考模型并沒有真正定義這一部分，只是指出其主機必須使用某種協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)連接，以便能傳遞IP分組。這一層的作用是負(fù)責(zé)接收從網(wǎng)絡(luò)層交來的IP數(shù)據(jù)包并將IP數(shù)據(jù)包通過低層物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去；或者從低層物理網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，然后抽出IP數(shù)據(jù)包交給網(wǎng)絡(luò)層。TCP/IP參考模型未定義數(shù)據(jù)鏈路層，是由于在TCP/IP最初的設(shè)計中就已經(jīng)支持包括以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI網(wǎng)、ISDN和X.25在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。48 3.3 TCP/IP參考模型3.3.2 網(wǎng)絡(luò)互連層（IP層）網(wǎng)絡(luò)互連層與OSI參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)，是整個TCP/IP參考模型的關(guān)鍵部分。網(wǎng)絡(luò)互連層是網(wǎng)絡(luò)互

37、連的基礎(chǔ)，提供了無連接的分組交換服務(wù)，其功能包括以下3個方面：（1）處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求：將分組裝入IP數(shù)據(jù)包，填充報頭，選擇去往目的結(jié)點的路徑，然后將數(shù)據(jù)報發(fā)往適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口。（2）處理輸入數(shù)據(jù)報：首先檢查數(shù)據(jù)報的合法性，然后進(jìn)行路由選擇，假如該數(shù)據(jù)報已到達(dá)目的結(jié)點（本機），則去掉報頭，將IP報文的數(shù)據(jù)部分交給相應(yīng)的傳輸層協(xié)議；假如該數(shù)據(jù)包尚未到達(dá)目的結(jié)點，則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報。（3）處理ICMP報文：即處理網(wǎng)絡(luò)的路由選擇、流量控制和擁塞控制等問題。49 3.3 TCP/IP參考模型網(wǎng)絡(luò)互連層的主要協(xié)議有4個：網(wǎng)際協(xié)議（IP）、地址解析協(xié)議（ARP）、反向地址解析協(xié)議（RARP）和網(wǎng)際控制

38、報文協(xié)議（ICMP），其中最核心的是IP協(xié)議。（1）分流/合流技術(shù)主要負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)報從源主機通過最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)主機。IP協(xié)議通過對每個數(shù)據(jù)報的源IP地址和目的IP地址進(jìn)行分析，然后進(jìn)行路由選擇（即選擇一條到達(dá)目標(biāo)的最佳路徑），最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。需要注意的是：IP協(xié)議只是負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并不對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。也就是說，它不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠性，這樣設(shè)計的主要目的是提高IP協(xié)議傳送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的效率。50 3.3 TCP/IP參考模型（2）ARP主要負(fù)責(zé)將TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的IP地址解析和轉(zhuǎn)換成計算機的物理地址，以便于物理設(shè)備（如網(wǎng)卡）按該地址來接收數(shù)據(jù)。（3）RARP該協(xié)議的作用與ARP

39、的作用相反，它主要負(fù)責(zé)將設(shè)備的物理地址解析和轉(zhuǎn)換成IP地址。（4）ICMP該協(xié)議主要負(fù)責(zé)發(fā)送和傳遞包含控制信息的數(shù)據(jù)報。這些控制信息包括哪臺計算機出了什么錯誤、網(wǎng)絡(luò)路由出現(xiàn)了什么錯誤等內(nèi)容。51 3.3 TCP/IP參考模型3.3.3 傳輸層傳輸層的作用與OSI參考模型中傳輸層的作用是一樣的，即在源結(jié)點和目的結(jié)點的兩個進(jìn)程實體之間提供可靠的端到端的數(shù)據(jù)傳輸。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，傳輸層協(xié)議規(guī)定接收端必須發(fā)回確認(rèn)，并且假定分組丟失時必須重新發(fā)送。TCP/IP模型提供了兩個傳輸層協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。（1）TCP是一個可靠的面向連接的傳輸層協(xié)議，它可以將某結(jié)點的

40、數(shù)據(jù)以字節(jié)流形式無差錯投遞到互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺機器上。發(fā)送方的TCP將用戶交來的字節(jié)流劃分成獨立的報文并交給網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層進(jìn)行發(fā)送，而接收方的TCP將接收的報文重新裝配后交給接收用戶。TCP同時處理有關(guān)流量控制的問題，以協(xié)調(diào)收發(fā)雙方的接收與發(fā)送速度。（2）UDP是一個不可靠的、無連接的傳輸層協(xié)議，它將可靠性問題交給應(yīng)用程序解決。UDP協(xié)議主要面向請求/應(yīng)答式的交易型應(yīng)用，一次交易往往只有一來一回兩次報文交換。另外，UDP協(xié)議也應(yīng)用于那些對可靠性要求不高，但要求網(wǎng)絡(luò)的延遲較小的場合，如傳送語音和視頻數(shù)據(jù)。52 3.3 TCP/IP參考模型3.3.4 應(yīng)用層應(yīng)用層位于TCP/IP模型的最高層，大致對應(yīng)于OSI參考模型的應(yīng)用層、表示層和會話層。它主要為用戶提供多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，如電子郵件、遠(yuǎn)程登錄等。應(yīng)用層包含了所有高層協(xié)議，早期的高層協(xié)議有虛擬終端協(xié)議（Telnet）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、電子郵件傳輸協(xié)議（SMTP）。Telnet協(xié)議允許用戶登錄到遠(yuǎn)程機器并在其上工作；FTP協(xié)議提供了有效地將數(shù)據(jù)從一臺機器傳送到另一臺機器的機制；SMTP協(xié)議用來有效和可靠地傳遞郵件。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，應(yīng)用層又加入了許多其他協(xié)議，如用于將主機名映射到它們的網(wǎng)絡(luò)地址的域名服務(wù)（DNS），用于搜索因特網(wǎng)上信息的超文本傳輸協(xié)議（HTTP）等。53 3.4 TCP/IP參考模型與OS