工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與人機界面組態(tài)課件 計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

第3章計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

3.1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)”是相當復雜的?！胺謱印笨蓪嫶蠖鴱碗s的問題，轉(zhuǎn)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(guān)于開放系統(tǒng)互連參考模型

OSI/RM只要遵循OSI標準，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標準時沒有商業(yè)驅(qū)動力；OSI的協(xié)議實現(xiàn)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(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出現(xiàn)。

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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題（同步含有時序的意思）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(networkprotocol)，簡稱為協(xié)議，是為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組成要素語法數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式。語義需要發(fā)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(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。可以將要做的工作進行如下的劃分。第一類工作與傳送文件直接有關(guān)。確信對方已做好接收和存儲文件的準備。雙方協(xié)調(diào)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(fā)送把收到的文件交給上層模塊再設(shè)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(fā)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(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)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(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袷剑瑤淖畲箝L度等。分層的好處各層之間是獨立的。靈活性好。結(jié)構(gòu)上可分割開。易于實現(xiàn)和維護。能促進標準化工作。

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

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)及其部件所應完成的功能的精確定義。實現(xiàn)(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。

3.3具有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)TCP/IP是四層的體系結(jié)構(gòu)：應用層、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)。五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)應用層(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應用層4運輸層3網(wǎng)絡(luò)層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用進程數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層報文再傳送到網(wǎng)絡(luò)層加上網(wǎng)絡(luò)層首部，成為IP數(shù)據(jù)報（或分組）主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2IP數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊咳〕鰯?shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡(luò)層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給運輸層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給應用層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝?nèi)ナ撞?，取出應用程序?shù)據(jù)上交給應用進程主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

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

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

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應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

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應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

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

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝?nèi)脤覲DU首部后把應用程序數(shù)據(jù)交給應用進程主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！OSI參考模型分層及各層作用1、物理層：實現(xiàn)兩實體間的物理連接，將數(shù)據(jù)信息以位串形式從一實體經(jīng)物理信道傳送到另一實體，向數(shù)據(jù)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(guī)程特性2、數(shù)據(jù)鏈路層：利用物理層提供的比特序列的傳輸功能，實現(xiàn)在相鄰節(jié)點間的透明、可靠的數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)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(xiàn)順序。OSI分層及各層作用3、網(wǎng)絡(luò)層：在利用數(shù)據(jù)鏈路層提供的兩個相鄰節(jié)點間數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)幕A(chǔ)上，確保將源端發(fā)出的報文送到目的端節(jié)點上。功能：尋址、路由選擇、擁塞控制、網(wǎng)際互聯(lián)

4.傳輸層：利用網(wǎng)絡(luò)層提供的端到端傳輸?shù)墓δ軐崿F(xiàn)兩個端節(jié)點間傳送實體（進程）間的可靠的數(shù)據(jù)傳輸，從而完善了網(wǎng)絡(luò)層的傳輸功能，給上層提供了一種透明的數(shù)據(jù)傳輸。所提供的服務有：服務類型、服務等級、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸提供控制和管理。功能：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表示及傳輸有關(guān)的問題，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(xié)議。包括文件傳輸、電子郵件、虛擬終端、目錄服務、遠程作業(yè)錄入和信息服務等。OSI分層及各層作用OSI協(xié)議標準利弊分析OSI七層模型是一個較為完善的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。然而在網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中，OSI協(xié)議標準并沒有像人們所預料那樣完全取代其它協(xié)議標準。原因如下：標準制定的時間太晚實現(xiàn)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(fā)展二、TCP/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)三、TCP/IP協(xié)議的各層功能簡述2.2.3TCP/IP參考模型TCP/IP的起源和發(fā)展TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)TCP/IP的功能描述TCP/IP利弊分析TCP/IP的起源和發(fā)展TCP/IP協(xié)議是為美國ARPA網(wǎng)設(shè)計的，目的是使不同廠家生產(chǎn)的計算機能在共同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行。后來發(fā)展成為美國國防部高級研究計劃署（DARPA）網(wǎng)際標準，之后TCP/IP為ARPANET采用，逐漸發(fā)展為現(xiàn)在的因特網(wǎng)，要求Internet上的計算機均采用TCP/IP協(xié)議。TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

TCP/IP模型劃分為四個層次：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應用層。TCP/IP將與物理網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的部分統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)接口層，它相當于OSI中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。TCP/IP中的網(wǎng)絡(luò)層與OSI中的網(wǎng)絡(luò)層相對應。它的主要功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)端到端通信。主要包括TCP和UDP兩個協(xié)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(tǒng)稱為應用層。TCP/IP的功能描述網(wǎng)絡(luò)接口層可以是以太網(wǎng)、令牌環(huán)、甚至是ATM等，這里就不再討論。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議由互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）、控制報文協(xié)議（ICMP）、地址解析協(xié)議（ARP）和反向地址解析協(xié)議（RARP）組成。IP協(xié)議的功能

IP協(xié)議提供主機間數(shù)據(jù)報傳輸服務、尋址及路由等功能。數(shù)據(jù)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(jié)點對經(jīng)過的每個數(shù)據(jù)報文進行路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，它是一種不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務方式。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（IP協(xié)議）

IP數(shù)據(jù)報文由兩部分構(gòu)成：報文頭和數(shù)據(jù)域。報文頭由20字節(jié)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(lián)網(wǎng)地址。目的地址：占32位，用以指出目的主機的互聯(lián)網(wǎng)地址。協(xié)議類型：占8位，用以指出IP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)可變長，但必須是8的整數(shù)倍字節(jié)長，且總長度不超過64k。IP地址IP地址標識著網(wǎng)絡(luò)中一個系統(tǒng)的位置。每個IP地址都是由兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)號和主機號。其中網(wǎng)絡(luò)號標識一個物理的網(wǎng)絡(luò)，同一個網(wǎng)絡(luò)上所有主機需要同一個網(wǎng)絡(luò)號，該號在互聯(lián)網(wǎng)中是唯一的；而主機號確定網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)號，其余24位表示主機號，共允許126個網(wǎng)絡(luò)。B類，高兩位總被置為二進制的10，緊跟的14位表示網(wǎng)絡(luò)號，允許有16384個網(wǎng)絡(luò)。C類，高三位被置為二進制110，緊跟的21位表示網(wǎng)絡(luò)號，允許有大約200萬個網(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)掩碼為了保證所配置的子網(wǎng)地址可以工作，在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)地址的。這可以通過在每臺計算機上指定一個子網(wǎng)掩碼來完成。子網(wǎng)掩碼是一個32位的值，通過它，接收IP數(shù)據(jù)包的一方可以從IP地址的主機ID號中區(qū)分出子網(wǎng)ID號地址。子網(wǎng)掩碼中全1的位置表示的是網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)的地址部分。例如子網(wǎng)掩碼就表示前16位為網(wǎng)絡(luò)號或子網(wǎng)號。---11111111.11111111.10000000.00000000C類地址的子網(wǎng)劃分二進制方法：例如子網(wǎng)掩碼92192=110000003.4實體、協(xié)議、服務

實體(entity)表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。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。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層所提供的服務。實體、協(xié)議和服務本