第1章-6ed第2講計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.7計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1.7.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，而這種“協(xié)調(diào)”是相當(dāng)復(fù)雜的。對網(wǎng)絡(luò)進行“分層”將網(wǎng)絡(luò)龐大而復(fù)雜的問題，劃分為若干較小、簡單的問題，而這些較小的問題就比較易于研究和處理。例如：郵政系統(tǒng)的信件處理過程采用分層結(jié)構(gòu)郵政系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相似之處分層原則：補充

根據(jù)功能進行抽象分層，每個層次所要實現(xiàn)的功能或服務(wù)均有明確的規(guī)定；

每層功能的選擇應(yīng)有利于標(biāo)準化；

不同的系統(tǒng)分成相同的層次，對等層次具有相同功能；

高層使用下層提供的服務(wù)時，下層服務(wù)的實現(xiàn)是不可見的；

層的數(shù)目要適當(dāng)，層次太少功能不明確，層次太多體系結(jié)構(gòu)過于龐大。1.7.2協(xié)議與劃分層次

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標(biāo)準,簡稱“協(xié)議”；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素：語義、語法與同步；語法：是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義；語義：用于解釋比特流的每個部分的意義；同步/時序：事件實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)發(fā)送文件。可以將要做的工作劃分為三類。參見P27

圖1-17兩個計算機交換文件文件傳送模塊計算機

1計算機

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(fā)送把收到的文件交給上層模塊再設(shè)計一個通信服務(wù)模塊文件傳送模塊計算機

1計算機

2文件傳送模塊只看這兩個通信服務(wù)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(fā)送把收到的文件交給上層模塊通信服務(wù)模塊通信服務(wù)模塊再設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)接入模塊文件傳送模塊計算機

1計算機

2文件傳送模塊通信服務(wù)模塊通信服務(wù)模塊網(wǎng)絡(luò)接入模塊網(wǎng)絡(luò)接入模塊通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接入模塊負責(zé)做與網(wǎng)絡(luò)接口細節(jié)有關(guān)的工作例如，規(guī)定傳輸?shù)膸袷?，幀的最大長度等。分層的好處：P27各層之間相互獨立;靈活性好;各層都可以采用最合適的技術(shù)來實現(xiàn);易于實現(xiàn)和維護;有利于促進標(biāo)準化。計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(architecture)是計算機網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合。體系結(jié)構(gòu)就是這個計算機網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義。實現(xiàn)問題(implementation)是遵循這種體系結(jié)構(gòu)的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。1.7.3幾種體系結(jié)構(gòu)OSI的七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)因特網(wǎng)的五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)TCP/IP的四層體系結(jié)構(gòu)1、關(guān)于開放系統(tǒng)互連參考模型

OSI/RM只要遵循OSI標(biāo)準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標(biāo)準的其他任何系統(tǒng)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(biāo)準時沒有商業(yè)驅(qū)動力；OSI的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復(fù)雜，且運行效率很低；OSI標(biāo)準的制定周期太長，因而使得按OSI標(biāo)準生產(chǎn)的設(shè)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(fù)出現(xiàn)。

1983年形成正式文件，即著名的ISO7498國際標(biāo)準，就是所謂七層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。“開放”是指只要遵循OSI標(biāo)準，一臺計算機就可以與位于世界上任何地方、同樣遵循同一標(biāo)準的其它計算機進行通信。1974年，美國的IBM公司研制的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA－按照分層的方法制訂的。

1977年，由ISO成立專門機構(gòu)研究“不同體系結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)互連”的問題，并提出了OSI/RM標(biāo)準，即開放系統(tǒng)互連基本參考模型，簡稱OSI。OSI的發(fā)展了解*OSI體系結(jié)構(gòu)的分層

由于TCP/IP是四層的體系結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層，但最下面的網(wǎng)絡(luò)接口層并沒有具體內(nèi)容。因此往往采取折中的辦法，即綜合OSI和TCP/IP的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)，如圖1-18。2、五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網(wǎng)絡(luò)層(networklayer)數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)數(shù)據(jù)鏈路層5應(yīng)用層4運輸層3網(wǎng)絡(luò)層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層★

各層的功能物理層的主要功能：利用傳輸介質(zhì)為通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點之間建立、管理和釋放物理連接；實現(xiàn)比特流的透明傳輸，為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；物理層的數(shù)據(jù)傳輸單位是比特流。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：參考P29在物理層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)鏈路層在通信的實體間建立數(shù)據(jù)鏈路連接；將網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP數(shù)據(jù)報封裝成幀，在鏈路上透明的傳送幀中的數(shù)據(jù)；采用差錯控制與流量控制方法，使有差錯的物理線路變成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。

數(shù)據(jù)鏈路層主要負責(zé)傳輸路徑上相鄰節(jié)點間的數(shù)據(jù)交付，這個節(jié)點包括了交換機和路由器等數(shù)據(jù)通信設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能：通過路由選擇算法為分組選擇最適當(dāng)?shù)穆窂?；為?shù)據(jù)在結(jié)點之間傳輸創(chuàng)建邏輯鏈路；把傳輸層產(chǎn)生的報文段或用戶數(shù)據(jù)報封裝成分組或數(shù)據(jù)包進行傳送。實現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)互連等功能。傳輸層的主要功能：向用戶提供可靠端到端（end-to-end）服務(wù)；處理數(shù)據(jù)包錯誤、數(shù)據(jù)包次序，以及其他一些關(guān)鍵傳輸問題；傳輸層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細節(jié)，是計算機通信體系結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的一層；復(fù)用和分用功能。應(yīng)用層的主要功能:為應(yīng)用程序提供了網(wǎng)絡(luò)服務(wù);應(yīng)用層需要識別并保證通信對方的可用性，使得協(xié)同工作的應(yīng)用程序之間的同步;建立傳輸錯誤糾正與保證數(shù)據(jù)完整性的控制機制。會話層的主要功能：（補充OSI）負責(zé)維護兩個結(jié)點之間的傳輸鏈接，以便確保點-點傳輸不中斷；管理數(shù)據(jù)交換。表示層的主要功能：（補充OSI）用于處理在兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式；數(shù)據(jù)格式變換；數(shù)據(jù)加密與解密；數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)。計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應(yīng)用程序數(shù)據(jù)應(yīng)用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝?nèi)ナ撞浚ㄎ膊浚┑膶哟螒?yīng)用程序數(shù)據(jù)H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4運輸層首部H3網(wǎng)絡(luò)層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部★

數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程圖1-19封裝：將數(shù)據(jù)放置在每一層的首部（和尾部之前）之后。計算機

1

向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

210100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)解封裝：在每一層將數(shù)據(jù)的首部（和尾部）去掉。H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)計算機

1

向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢蟀褞臄?shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡(luò)層H2T2H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)計算機

1

向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)シ纸M首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H4H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)計算機

1

向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層剝?nèi)笪氖撞亢蟀褕笪牡臄?shù)據(jù)部分交給應(yīng)用層應(yīng)用程序數(shù)據(jù)H5應(yīng)用程序數(shù)據(jù)計算機

1

向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應(yīng)用層剝?nèi)?yīng)用層PDU首部后把應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交給應(yīng)用進程計算機

1

向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！數(shù)據(jù)封裝的例子參考模型每一層數(shù)據(jù)的名稱應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)包/分組數(shù)據(jù)幀比特流著名的協(xié)議舉例

占據(jù)兩個山頂?shù)乃{軍與駐扎在這山谷的白軍作戰(zhàn)。力量對比是：一個山頂上的藍軍打不過白軍，但兩個山頂?shù)乃{軍協(xié)同作戰(zhàn)就可戰(zhàn)勝白軍。一個山頂上的藍軍擬于次日正午向白軍發(fā)起攻擊。于是發(fā)送電文給另一山頂上的友軍。但通信線路很不好，電文出錯的可能性很大。因此要求收到電文的友軍必須發(fā)送確認電文。但確認電文也可能出錯。試問能否設(shè)計出一種協(xié)議，使得藍軍能實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)因而一定(即100%)取得勝利？P32

例1-1（1）TCP/IP協(xié)議的發(fā)展了解在TCP/IP協(xié)議研究初期，并沒有提出參考模型；1974年Kahn定義了最早的TCP/IP參考模型；80年代Leiner、Clark等人對TCP/IP參考模型進一步的研究；TCP/IP協(xié)議一共出現(xiàn)了6個版本，后3個版本是版本4、版本5與版本6；目前我們使用的是版本4，它的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv4；版本6的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv6（或IPng,IPnextgeneration）；IPv6協(xié)議被稱為下一代的IP協(xié)議。3、TCP/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)（2）TCP/IP參考模型分層應(yīng)用層（applicationlayer）傳輸層（transportlayer）網(wǎng)際層（internetlayer）網(wǎng)絡(luò)層主機-網(wǎng)絡(luò)層（host-to-networklayer）（網(wǎng)絡(luò)接口層）網(wǎng)絡(luò)接口層TCP/IP參考模型的最低層，負責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報;允許主機連入網(wǎng)絡(luò)時使用多種現(xiàn)成的與流行的協(xié)議，例如：局域網(wǎng)的Ethernet、令牌環(huán)網(wǎng)、分組交換網(wǎng)的X.25、幀中繼、ATM協(xié)議、ISDN等;充分體現(xiàn)出TCP/IP協(xié)議的兼容性與適應(yīng)性，它也為TCP/IP的成功奠定了基礎(chǔ)。★TCP/IP體系結(jié)構(gòu)各層的功能（補充）網(wǎng)際層相當(dāng)OSI參考模型網(wǎng)絡(luò)層無連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；處理互連的路由選擇、流控與擁塞問題；IP協(xié)議是一種無連接的、提供“盡力而為”服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。傳輸層主要功能是在互連網(wǎng)中源主機與目的主機的對等實體間建立用于會話的端-端連接；傳輸控制協(xié)議TCP是一種可靠的面向連接協(xié)議；用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP是一種不可靠的無連接協(xié)議。

應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)終端協(xié)議（Telnet）文件傳輸協(xié)議（FTP，F(xiàn)ileTransferProtocol）簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP，SimpleMailTransferProtocol）域名系統(tǒng)（DNS，DomainNameSystem）簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP，SimpleNetworkManagementProtocol）超文本傳輸協(xié)議（HTTP，HyperTextTransferProtocol）TCP/IP協(xié)議棧

TCP/IP模型與OSI模型的對應(yīng)關(guān)系

（4）OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的比較7654321OSI的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)際層IP(各種應(yīng)用層協(xié)議如TELNET,FTP,SMTP等)運輸層(TCP

或

UDP)TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)無連接分組交付服務(wù)運輸服務(wù)(可靠或不可靠)各種應(yīng)用服務(wù)TCP/IP

的三個服務(wù)層次1.7.4實體、協(xié)議、服務(wù)和服務(wù)訪問點實體(entity)表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。即用于實現(xiàn)某一層功能的活動元素。對等實體：不同機器上位于同一層次、完成相同功能的實體。協(xié)議是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。在協(xié)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(wù)。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層所提供的服務(wù)。服務(wù)：每一層為相鄰的上一層所提供的功能稱為“服務(wù)”。協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。服務(wù)是“垂直的”，即服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的。服務(wù)是在服務(wù)訪問點SAP提供給上層使用的。同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體