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第二章网络体系结构与协议2.1.2网络协议协议是用来描述进程之间信息交换过程的一组术语。在计算机网络中包含有多种计算机系统，它们的硬件和软件系统有着很大的差异，要使得它们之间能够相互通信，进行数据交换，就必须有一套通信管理机制使通信双方能正确地接收信息，并能理解对方的信息含义，它们必须事先约定一个规则，这种规则就称为协议。网络协议主要由3个要素组成：语法、语义和交换规则。语法是以二进制形式表示的命令和相应的结构，确定协议元素的格式（规定数据与控制信息的结构和格式）；语义是由发出请求、完成的动作和返回的响应组成的集合，确定协议元素的类型，即规定通信双方要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答；交换规则规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变化和过程，如通信双方的应答关系。2.1网络体系结构第二章网络体系结构与协议2.1.2分层设计第二章网络体系结构与协议⑴各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，只要知道低层所提供的服务，经及本层向上层所提供的服务即可，能真正做到各司其职。⑵有利于实现和维护，某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。⑶易于实现标准化。网络体系结构中采用层次化结构的优点：第二章网络体系结构与协议2.2开放系统互联参考模型第二章网络体系结构与协议2.2.1概述第二章网络体系结构与协议2.2.1概述模型具有的特点：（1）每层的对应实体之间都通过各自的协议进行通信；（2）各个计算机系统都有相同的层次结构；（3）不同系统的相应层次具有相同的功能；（4）同一系统的各层次之间通过接口联系；（5）相邻的两层之间，下层为上层提供服务，上层使用下层提供的服务。第二章网络体系结构与协议2.2.2物理层物理层处于OSI参考模型的最底层，直接面向网络传输介质；物理层负责将二进制数据位流（bit）通过传输介质，从一台计算机发送给另一台计算机。在常用的网络设备中，集线器工作在OSI参考模型的物理层。1.物理层的主要功能物理层是为数据端设备提供传送数据的通路。传输数据。完成物理层的一些管理工作。第二章网络体系结构与协议2.通信接口与传输媒体的物理特性通信设备分为两类：通信终端设备（DTE）和数据电路端接设备（DCE）物理接口的四个特性：⑴机械特性⑵电气特性⑶功能特性⑷规程特性第二章网络体系结构与协议3.物理层的一个重要接口标准RS-232D针号功能信号功能/传输方向1保护性接地地线2发送数据数据/DTE→DCE3接收数据数据/DTE←DCE4请求发送控制信号/DTE→DCE5清除发送控制信号/DTE←DCE6数据设备准备好控制信号/DTE←DCE7信号地地线8载波检测控制信号/DTE←DCE20数据终端准备好控制信号/DTE→DCE数据链路层位于OSI参考模型的第二层，数据链路层就在物理层的基础上，通过将bit组织封装成帧，从而建立一条可靠的数据传输通道。在常用的网络设备中，网卡和交换机是工作在数据链路层重要的网络设备。2.2.3数据链路层1.数据链路层的主要功能⑴链路管理⑵帧同步⑶流量控制⑷差错控制⑸透明传输⑹寻址第二章网络体系结构与协议数据链路层协议一般分为两类：面向字符型和面向比特型2.数据链路协议为了满足不同场合的需要，HDLC定义了三种站类型、两种链路结构以及三种数据响应模式。第二章网络体系结构与协议高级数据链路协议HDLCHDLC规定允许三种类型的通信站：主站、次站和组合站。HDLC规定了两种链路结构：不平衡链路结构和平衡链路结构第二章网络体系结构与协议主站A次站B命令B响应A不平衡链路：点到点主站A响应D次站B次站C次站D命令B/C/D响应B响应C不平衡链路：点到多点命令A响应B命令B响应A组合站A组合站B平衡链路HDLC有三种响应方式：正常响应方式、异步平衡方式及异步响应方式网络层位于OSI参考模型的第三层，提供了数据的网络地址，也就是IP地址，同时提供了统一的寻址方案，因此它屏蔽了底层的技术细节，把各种网络统一到了一个逻辑平台上。网络层传输的数据单位称为分组。路由器是工作在OSI参考模型的网络层的重要设备，通过网络层的地址路由器可以为网络访问提供访问路径。路由器同时在数据传输过程中实现流量控制和差错管理。1.网络层的主要功能⑴路径选择⑵流量控制⑶数据的传输与中继⑷清除子网的网络质量差异第二章网络体系结构与协议2.2.4网络层第二章网络体系结构与协议2.网络服务⑴虚电路服务ABC1.31.21.12.32.22.11.31.21.12.32.22.1ABC1345VC1:A-1-2-4-BVC2:A-1-3-5-C⑵数据报服务ABCB3B2B1C3C2C1B3B2B1C3C2C1第二章网络体系结构与协议2.2.5传输层1.传输层的地位与作用第二章网络体系结构与协议2.传输层协议分类OSI定义了5类传输协议，即第0类到第4类。1.会话层会话层位于OSI参考模型的第五层，要负责管理远程用户或进程之间的通信。会话层具体解决了以下问题：⑴会话的建立。⑵通信的控制。第二章网络体系结构与协议2.2.6其他各层简介表示层位于OSI参考模型的第六层，表示层确保一个系统的应用层发送的信息能够被另一个系统能读取。2.表示层表示层具体解决了以下问题：⑴数据的表示。⑵数据的压缩与解压。⑶定义传输的句法和转换。3.应用层应用层处于OSI参考模型的最顶层，直接面向用户；它为数据库访问、电子邮件、文件传输等用户应用程序提供直接服务。应用层具体解决了以下问题：⑴提供用户接口，得到传输的数据。⑵提供面向用户的界面，即实用程序。⑶涉及到网络服务、服务公告及服务使用方式。第二章网络体系结构与协议第二章网络体系结构与协议应用层与用户进程的接口，即相当于做什么？表示层数据格式的转换，即相当于对方看起来像什么？会话层会话的管理与数据传输的同步，即相当于该谁讲话和从何处讲？传输层从端到端经网络透明地传输报文，即相当于对方在何处？网络层分组传送、路由选择和流量控制，即相当于走哪条路？数据链路层在数据链路上无差错地传送帧，即相当于每一步该怎样走？物理层将比特流送到物理媒体上传送，相当于对上一层的每一步怎样利用物理媒体？2.3.1TCP/IP层次结构TCP/IP模型共分成四层，分别是网络接口层、网络层、传输层和应用层。第二章网络体系结构与协议2.3TCP/IP模型各层功能1.网络接口层TCP/IP模型中的网络接口层又称为“网络接入层”或者“网络访问层”，具体负责选择一条物理链路，并通过该物理链路将数据从发送端送到接收端。网络接口层的功能包括IP地址与物理硬件地址的映射，基于不同硬件类型的网络接口，定义了和物理介质的连接等等。2.网络层TCP/IP的网络层对应于OSI参考模型的第三层（网络层），它主要进行最佳路径的选择和数据包的转发。该层负责相同或不同网络中计算机的通信，主要处理来自传输层的分组发送请求和路由选择。使用的主要协议有IP、ICMP、ARP、RARP协议。第二章网络体系结构与协议3.传输层传输层也称为主机到主机层，对应于OSI参考模型的第四层（传输层）。在TCP/IP模型中，传输层提供端到端，即应用程序之间的通信，主要功能是数据格式化、数据确认、可靠性、流量控制和丢失重传等典型的问题。位于该层的TCP协议（传输控制协议）是TCP/IP模型中最主要的协议之一，它提供了面向连接的可靠的传输服务。传输层还提供了一种不可靠的UDP传输协议，即用户报文协议。4.应用层TCP/IP应用层对应于OSI参考模型的上三层（会话层、表示层和应用层），它包括了一些服务。这些服务是与终端用户直接相关。应用层还要告诉传输层哪个数据流是由哪个应用程序发出的。使用的主要协议有HTTP、SMTP、SNMP、DNS、Telnet等协议。第二章网络体系结构与协议1.网际协议（IP）第二章网络体系结构与协议网际协议属于TCP/IP模型的网络互联层，其基本任务是通过互联网传输数据报，提供关于数据应如何传输以及传输到何处的信息，各个数据报之间是互相独立的。2.3.2TCP/IP核心协议⑴数据报结构第二章网络体系结构与协议⑵数据报的分段和重组⑶IP协议的主要功能IP协议为了能够使较大的数据报文以适当的大小在网络上传输，先对上层协议提交的数据报文进行长度检查，根据物理网络所允许的最大发送长度把数据报文分成若干个段发送，这就是数据报的分段，然后再将每段独立地进行分送。与未分段的数据报相同，分段后的数据报也是由报头区和数据区两部分构成，除了一些分段控制域之外，分段的报头与原IP数据报的报头非常相似。由于各个分段数据报独立地进行传输，它们在经过中间路由器转发时由于选择的路由不相同，所以到达目的主机的IP数据报顺序与发送顺序也不一定相同，到达目的站后，需要对分段进行重组，重组的分段顺序由段偏移提供。IP协议主要承担了在网际进行数据报无连接的传送、数据报寻址和差错控制，向上层提供IP数据报和IP地址，并以此统一各种网络的差异性(不同的网络其帧结构不同)。第二章网络体系结构与协议2.传输控制协议（TCP）传输控制协议TCP属于TCP/IP协议群中的传输层，是一种面向连接的子协议，在该协议上准备发送数据时，通信节点之间必须建立起一个连接，才能提供可靠的数据传输服务。TCP协议位于IP协议的上层，通过提供校验和、流控制及序列信息弥补IP协议可靠性上的缺陷。⑴TCP报文结构第二章网络体系结构与协议⑵TCP协议的功能①提供面向连接的进程通信②提供差错检测和恢复机制③流量控制机制处于通信子网和资源子网之间的传输层利用网络层提供的不可靠的、无连接的数据报服务，向上层提供可靠的面向连接的服务。第二章网络体系结构与协议(3)TCP/IP协议的工作过程⑴在发送方主机上，应用层将数据流传递给传输层；⑵传输层将接收到的数据流分解成以若干字节为一组的TCP段，并在每一段上增加一个带序号的的TCP报头，传递给IP层；⑶在IP层将TCP段作为数据部分，再增加一个含有发送方和接收方IP地址的包头组成分组或包，同时还要明确接收方的物理地址及到达目的主机路径，将此数据包和物理地址传递给数据链路层；⑷数据链路层将IP分组作为数据部分并加上帧报头组成一个“帧”，交由物理层接收主机或IP网间路由器；⑸在目的主机处，数据链路层将帧去掉帧头，将IP分组交给IP层；⑹IP层检查IP包头，如果包头中校验和与计算出来的不一致，则丢弃此报文分组，如果检验和与计算出来的一致，则去掉IP报头，将TCP段传送到TCP层；⑺TCP层检查序号，确认是否为正确的TCP段；⑻TCP层计算TCP报头和数据校验和，如果计算出来的校验和与报头的校验和不符合，则丢弃此TCP段，如果检验和正确，则去掉TCP包头，并将真正的数据传递给应用层，同时发出“确认收到”的信息；⑼在接收方主机上的应用层收到一个数据流正好与发送方所发送的数据流完全一样。第二章网络体系结构与协议3.其他协议⑴用户数据报协议(UDP)用户数据报协议是一种无连接的传输服务，不保证数据报以正确的序列被接收，不提供错误校验和序列编号。⑵网际控制报文协议(ICMP)ICMP位于TCP/IP模型网络互联层的IP协议和TCP协议之间，它不提供差错控制服务，而是仅仅报告哪一个网络是不可到达的，哪一个数据报因分配的生存时间过期而被抛弃。⑶地址解析协议(ARP)地址解析协议是一个网络互联层协议，用于实现IP地址到MAC地址(物理地址)的转换。⑷反向地址解析协议(RARP)反向地址解析协议，用于实现物理地址到IP地址的转换