《計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課件-第3章

第3章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述3.2OSI參考模型3.3TCP/IP體系結(jié)構(gòu)3.4數(shù)據(jù)的封裝與解封裝本章小結(jié)

3.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述一、為什么需要計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)●兩臺計算機之間必須有一條傳送數(shù)據(jù)的通路；●要有能夠告訴網(wǎng)絡(luò)怎樣識別和接收數(shù)據(jù)的計算機；●發(fā)起通信的計算機必須保證要傳送的數(shù)據(jù)能在這條通路上正確發(fā)送和接收；●對出現(xiàn)的各種差錯和意外事故，如數(shù)據(jù)傳送錯誤、網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點交換機出現(xiàn)問題等，應(yīng)該有可靠完善的措施保證對方計算機最終能正確接收到數(shù)據(jù)。

二、計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計基本思想

1.分層思想

1)分層思想在日常生活中的應(yīng)用

日常生活中，當人們遇到復(fù)雜的問題時，往往通過一定的方法將這個龐大而復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為若干較小的、容易處理的、單一的局部問題，然后在不同層次上予以解決，這也就是我們所熟悉的分層思想，我們以郵政系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)(圖3.1)來進行說明。圖3.1郵政系統(tǒng)信件傳遞工作過程示意圖

2)分層思想的優(yōu)點

(1)獨立性強。

(2)適應(yīng)性強。

(3)易于實現(xiàn)和維護。

對于設(shè)計/開發(fā)者而言，這樣的方法使他們可以專心設(shè)計和開發(fā)他們所關(guān)心的功能模塊；對于調(diào)試/維護人員而言，這樣的方法也方便他們?nèi)ヌ幚硭麄兯撠?zé)的功能模塊。

2.分層需要考慮的問題

(1)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該分為幾個層次，每個層次都負責(zé)哪些功能？

(2)各個層次之間的關(guān)系是怎樣的，它們又是怎樣進行交互的？

(3)要想確保通信的兩方可以達成高度默契，它們需要遵循哪些規(guī)則？

三、計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)定義

1.基本概念

1)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

在計算機網(wǎng)絡(luò)中要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。這些為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，簡稱為協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由三個要素組成。

(1)語法：確定用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式(怎么做)；

(2)語義：規(guī)定通信的雙方發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應(yīng)(做什么)；

(3)同步：規(guī)定通信雙方何時進行通信，即事件實現(xiàn)順序的詳細說明(何時做)。

2)接口

接口是相鄰兩層間交換信息的連接點，是一個系統(tǒng)內(nèi)部的規(guī)定。每一層只能為緊鄰的層次之間定義接口，不能跨層定義接口。

3)服務(wù)

服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的功能，接口是服務(wù)的傳遞者，通過接口可以實現(xiàn)下層對上層提供服務(wù)。

4)實體、對等實體和對等層

實體表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程，兩個不同系統(tǒng)的同一層次稱為對等層，在發(fā)送端與接收端同一層次中的實體稱為對等實體。圖3.2實體、對等實體、接口、服務(wù)、對等層的關(guān)系

2.計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)定義

計算機網(wǎng)絡(luò)中的層次、各層的協(xié)議以及層間的接口的集合統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，如圖3.3所示。

圖3.3網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)中任何一個系統(tǒng)都是依照圖3.3中的層次結(jié)構(gòu)來組織的，該結(jié)構(gòu)具有以下特點：

●同一網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個端的系統(tǒng)必須具有相同的層次；

●每層使用其下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)；

●通信僅僅在對等層間進行，當然這里所指的通信是間接的、邏輯的、虛擬的，非對等層之間不能互相“通信”；

●實際的物理通信僅僅在最底層完成；

●Pn代表第n層的協(xié)議，即第n層對等實體間通信時必須遵循的規(guī)則或約定。

可以通過圖3.4的郵政系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖幫助理解。圖3.4郵政系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

3.2OSI參考模型

一、OSI參考模型的產(chǎn)生在計算機網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生初期，每個計算機廠商都有一套自己的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它們之間互不相容。為了使不同廠商的計算機能夠互相通信，以便在更大的范圍內(nèi)建立計算機網(wǎng)絡(luò)，需要建立一個國際范圍的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標準。OSI參考模型將計算機網(wǎng)絡(luò)分為7層，分別是物理層、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，每層完成一定的功能，如圖3.5所示。圖3.5OSI參考模型

二、OSI參考模型各層的主要功能

1.物理層(PhysicalLayer)

物理層的主要功能是完成相鄰節(jié)點之間原始比特流的傳輸，主要關(guān)心如何傳輸信號，規(guī)定了各種傳輸介質(zhì)和接口與傳輸信號相關(guān)的一些特性。

1)機械特性

也叫物理特性，指明通信實體間硬件連接接口的機械特點，如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，這很像平時常見的各種規(guī)格的電源插頭，其尺寸都有嚴格的規(guī)定。

2)電氣特性

規(guī)定了在物理連接上，導(dǎo)線的電氣連接及有關(guān)電路的特性，一般包括接收器和發(fā)送器電路特性的說明、信號的識別、最大傳輸速率的說明、與互連電纜相關(guān)的規(guī)則、發(fā)送器的輸出阻抗、接收器的輸入阻抗等電氣參數(shù)等。

3)功能特性

指明物理接口各條信號線的用途(用法)，包括接口線功能的實現(xiàn)方法，接口信號線的功能分類—分為數(shù)據(jù)信號線、控制信號線、定時信號線和接地線4類。

4)規(guī)程特性

指明利用接口傳輸比特流的全過程及各項用于傳輸?shù)氖录l(fā)生的合法順序，包括事件的執(zhí)行順序。

最后要強調(diào)的是，物理層是解決怎么才能在連接各種計算機相關(guān)傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流的問題，而不是指連接計算機的具體物理設(shè)備或傳輸媒體，它是有關(guān)物理設(shè)備通過物理媒體進行互聯(lián)的描述和規(guī)定，主要解決如何利用物理媒體走每一步的問題。

2.數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)

數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，主要負責(zé)在兩個相鄰節(jié)點間的線路上，無差錯地傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)，每一幀包括一定數(shù)量的數(shù)據(jù)和一些必要的控制信息。

3.網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer)

網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer)是OSI模型的第三層，它是OSI參考模型中最復(fù)雜的一層。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的路由選擇，以便數(shù)據(jù)包能夠從發(fā)送方經(jīng)過一條較優(yōu)的路徑到達接收方。除了路由選擇功能，網(wǎng)絡(luò)層還具有擁塞控制和網(wǎng)絡(luò)互連的功能。

4.傳輸層(TransportLayer)

OSI參考模型的下三層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)通信，上三層(會話層、表示層和應(yīng)用層)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)處理，而傳輸層恰好是OSI模型中間的第四層，是通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)的接口和橋梁，起到承上啟下的作用。該層的主要任務(wù)是向用戶提供可靠的端到端的差錯和流量控制，保證報文的正確傳輸。

5.會話層(SessionLayer)

會話層(SessionLayer)是OSI模型的第五層，是用戶應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)之間的接口，負責(zé)在網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點之間建立、維持和終止通信。會話層的功能包括建立通信鏈接，保持會話過程中通信鏈接的暢通，同步兩個節(jié)點之間的對話，決定通信是否被中斷以及通信中斷時從何處重新發(fā)送等。

6.表示層(PresentationLayer)

表示層是OSI模型的第六層，它對來自應(yīng)用層的命令和數(shù)據(jù)進行解釋，以確保一個系統(tǒng)的應(yīng)用層所發(fā)送的信息可以被另一個系統(tǒng)的應(yīng)用層讀取。

7.應(yīng)用層(ApplicationLayer)

應(yīng)用層(ApplicationLayer)是OSI參考模型的最高層，它是計算機用戶以及各種應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)之間的接口，其功能是直接向用戶提供服務(wù)并完成用戶希望在網(wǎng)絡(luò)上完成的各種工作。應(yīng)用層在其他六層工作的基礎(chǔ)上，負責(zé)完成網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)之間的聯(lián)系，建立與結(jié)束使用者之間的聯(lián)系，并完成網(wǎng)絡(luò)用戶提出的各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及應(yīng)用所需的監(jiān)督、管理和服務(wù)等各種協(xié)議。此外，應(yīng)用層還負責(zé)協(xié)調(diào)各個應(yīng)用程序間的工作。

3.3TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

一、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)概況TCP/IP參考模型是計算機網(wǎng)絡(luò)的前身阿帕網(wǎng)和其后繼的因特網(wǎng)使用的參考模型，TCP/IP是一個協(xié)議系列，TCP和IP是其中最基本和最重要的協(xié)議，它的開發(fā)工作始于20世紀70年代，早于OSI參考模型，這個體系結(jié)構(gòu)在它的兩個主要協(xié)議出現(xiàn)以后，被稱為TCP/IP參考模型(TCP/IPreferencemodel)。

TCP/IP參考模型也采用了分層的體系結(jié)構(gòu)，共分為四層，從下到上分別是網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系如圖3.6所示。圖3.6OSI參考模型與TCP/IP參考模型的層次對應(yīng)關(guān)系

二、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)各層的主要功能

1.網(wǎng)絡(luò)接口層

網(wǎng)絡(luò)接口層與OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相對應(yīng)，是TCP/IP參考模型的最底層。網(wǎng)絡(luò)接口層的功能是接收和發(fā)送IP數(shù)據(jù)包，并負責(zé)與網(wǎng)絡(luò)中的傳輸介質(zhì)打交道。

2.網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是整個體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，負責(zé)相鄰計算機之間(即點對點)的通信，包括處理來自傳輸層的發(fā)送分組請求，檢查并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包并處理與此相關(guān)的路徑選擇、流量控制及擁塞控制等問題，讓每一塊數(shù)據(jù)包都能夠到達目的主機(但不檢查是否被正確接收)。

3.傳輸層

傳輸層解決的是“端到端”的通信問題，即應(yīng)用程序之間的通信，主要功能是數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)確認和丟失重傳等。

4.應(yīng)用層

應(yīng)用層是TCP/IP參考模型的最高層，對應(yīng)OSI參考模型的會話層、表示層和應(yīng)用層。

三、OSI參考模型與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)各層的比較

1.相似點

兩者都以協(xié)議的概念為基礎(chǔ)，都采用層次結(jié)構(gòu)并存在可比的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，都是下層給上層提供服務(wù)，雖然一個是概念上的模型，一個是事實上的標準，但是對于計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展同樣具有重要性。

2.不同點

(1)OSI參考模型有7層，而TCP/IP參考模型只有四層；

(2)OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層同時支持無連接和面向連接的通信，但是傳輸層上只支持面向連接的通信；TCP/IP模型的網(wǎng)絡(luò)層只提供無連接的服務(wù)，但在傳輸層上同時支持兩種通信模式；

(3)OSI模型是先有模型后有協(xié)議，而TCP/IP是先有協(xié)議后有模型；

(4)OSI模型的網(wǎng)絡(luò)功能在各層的分配差異大，鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層過于繁重，表示層和會話層又太輕簡，TCP/IP模型則相對比較簡單。

(5)?OSI模型的有關(guān)協(xié)議和服務(wù)定義太復(fù)雜且冗余，如流量控制、差錯控制、尋址在很多層重復(fù)，很難且沒有必要在一個網(wǎng)絡(luò)中全部實現(xiàn)，TCP/IP模型則沒什么重復(fù)。

3.4數(shù)據(jù)的封裝與解封裝

一、實例導(dǎo)入A公司的經(jīng)理要給B公司的經(jīng)理寫信，整個流程如圖3.7所示。圖3.7信件傳遞的具體流程

二、數(shù)據(jù)封裝與解封裝

在OSI參考模型中，當一臺主機需要傳送用戶的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)首先通過應(yīng)用層的接口進入應(yīng)用層。在應(yīng)用層，用戶的數(shù)據(jù)被加上應(yīng)用層的報頭(AH，ApplicationHeader)，形成應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU，ProtocolDataUnit)，然后被遞交到下一層—表示層，表示層并不“關(guān)心”上層—應(yīng)用層的數(shù)據(jù)格式，而是把整個應(yīng)用層遞交的數(shù)據(jù)包看成是一個整體進行封裝，即加上表示層的報頭(PH，PresentationHeader)，然后遞交到下一層—會話層。

同樣，會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層也都要分別給上層遞交下來的數(shù)據(jù)加上自己的報頭，它們是：會話層報頭(SH，SessionHeader)、傳輸層報頭(TH，TransportHeader)、網(wǎng)絡(luò)層報頭(NH，NetworkHeader)和數(shù)據(jù)鏈路層報頭(DH，DatalinkHeader)。其中，數(shù)據(jù)鏈路層還要給網(wǎng)絡(luò)層遞交的數(shù)據(jù)加上數(shù)據(jù)鏈路層報尾(DT，DatalinkTermination)形成最終的一幀數(shù)據(jù)，最后物理層把最終數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合在傳輸介質(zhì)中傳輸?shù)谋忍亓?，通過傳輸介質(zhì)傳到目的端，這個從上到下的過程稱為數(shù)據(jù)封裝。

當數(shù)據(jù)通過傳輸介質(zhì)傳送到目標主機的物理層時，目標主機的物理層把它遞交到上層—數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)去掉數(shù)據(jù)幀的幀頭部