计算机网络体系结构与协议

计算机网络体系结构与协议西南林学院计科系董跃宇[e-mail]概述计算机网络中的不同计算机之间要实现通信，必须遵守一定的约定，这些约定即是计算机网络协议网络协议依赖于网络体系结构，由硬件和软件协同工作以实现计算机之间的通信本章主要内容网络体系结构概述与相关概念OSI参考模型TCP/IP参考模型OSI参考模型与TCP/IP参考模型局域网协议举例基本概念网络协议协议分层其他相关概念网络协议网络中的节点要想通过网络实现资源共享、交换信息，必须遵循一些事先制订好的规则标准，这就是协议（Protocol）计算机网络中，协议的定义是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合。协议有三个要素：–语法：数据与控制信息的格式、数据编码等–语义：控制信息的内容，需要做出的动作及响应–时序：事件先后顺序和速度匹配协议分层计算机网络的整套协议是一个庞大复杂的系统，为了便于对协议的描述、设计和实现，通常采用分层的体系结构所谓体系结构，是指计算机通信网的分层、各层协议和层间接口的集合，也就是通信网及其部件多应完成的功能的精确定义体系结构是计算机通信网的一种抽象的、层次化的功能模型协议分层分层的协议体系结构将复杂的协议分成不同的层次，每一层的功能是不同的，低层功能主要用来对用户提供通信连接，而高层功能保证数据以正确的形式进行交换并有序的处理数据分层的基本思想是把整套协议体系分成一些小块。下层对其上层提供服务，每一层本身的功能与下层提供的服务叠加在一起，从而使最高层能为用户提供一组完整的服务，以便实现通信和分布应用协议分层分层的基本原则是定义每一层向上层提供的服务，以保证每层的功能相互独立，但不规定如何完成这些服务。允许每层在不改变所提供的服务的前提下，改变其实现所规定的服务的方法，而不会影响其他层次协议分层计算机网络中的协议采用层次结构有如下好处：–各层之间相互独立–灵活性好–各层都可以采用最合适的技术来实现，各层技术的改变不影响其它层–易于实现和维护–有利于促进标准化相关概念系统与实体–系统是网络中有自治能力的计算机或通信设备，从拓扑学的角度，往往也把它叫做网络节点或节点–实体是指每个层次中能够发送和接收信息的任何东西实体包括软件实体和硬件实体位于不同系统的同一层次的实体叫做对等实体相关概念协议栈–协议其实就是网络中对等实体之间有关通信规则约定的集合–协议栈则是指特定系统中所有层次的协议的列表相关概念网络体系结构–网络体系结构是指层次结构与协议的集合，是协议和层次的一个有机整体–有了网络体系结构的规范，开发人员根据协议设计每一层的软件程序和硬件设备相关概念接口和服务–接口是相邻两层之间的边界，低层通过接口为上层提供服务，上层通过接口使用底层提供的服务面向连接的服务和无连接的服务–面向连接的服务的提供者需要建立、维护和拆除连接，但此类服务的可靠性高，保证数据顺序传输–无连接的服务的提供者不需要建立、维护和拆除连接，但此类服务的可靠性不高，不保证数据顺序传输相关概念服务原语–服务并不是抽象的概念，它通常由一系列的服务原语来描述–在服务访问点上，服务使用者看到的只是几个简单的原语，至于原语是如何实现的，完全由服务提供者负责–原语的名称来源于所谓原子性–常用原语的例子有：请求指示响应确认相关概念服务访问点–相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务的联系点接口数据单元–相邻层次之间通过接口传递的数据单元，也叫做服务数据单元协议数据单元–对等实体之间通过协议传送的数据单元相关概念服务于协议的关系–服务由一系列服务原语组成，它位于层次接口的位置，表示底层为上层提供哪些操作功能–协议是同一层次对等实体之间的，有关协议数据单元的格式、意义以及控制规则的集合。实体使用协议的最终目的是为了实现它所要提供的服务OSI参考模型网络参考模型是为了规范和设计网络体系结构提出的抽象模型具有代表性的参考模型有：OSI参考模型和TCP/IP参考模型网络体系结构的发展迄今为止，计算机网络协议经历了20世纪70年代的各公司为主的计算机网络体系结构并存，80年代国际标准化组织提出OSI模型，以及90年代的以Internet体系结构为主要潮流的几个发展阶段IBM公司最先提出了网络体系结构的概念，它于1974年提出了世界上第一个按照分层方法制定的网络设计标准SNAOSI模型概述以各大公司为主提出的网络设计标准大都采用了分层模型，但各有其各自的特点以适应各公司的生产和商业目的，因此造成了系统不兼容的问题。这样的背景催生了ISO/OSI，为在更大范围内共享资源和通信提供了可以共同参照的标准OSI模型概述OSI模型最大的特点是其开放性。不同厂家的产品，只要遵循这个参考模型，就可以实现互联、互操作和可移植。或者说，任何遵循OSI标准的系统，只要物理上连接起来，它们之间就可以进行通信OSI模型概述OSI模型的一个成功之处在于，它清晰的区分了服务、接口和协议这三个概念在OSI模型中：–服务描述每一层的功能–接口定义了某层提供的服务如何被高层访问–协议是每一层功能的实现方法OSI模型概述OSI参考模型本身并不是网络体系结构。网络体系结构是网络层次结构和相关协议的集合，但在OSI模型中并没有精确定义各层的协议，没有讨论编程语言、操作系统、应用程序和用户界面，只是描述了各层的功能ISO制定的各层上的标准，并不属于OSI模型本身OSI模型概述OSI模型的分层：–应用层–表示层–会话层–传输层–网络层–数据链路层–物理层OSI模型概述OSI模型的特点–每个层次的对应实体之间都通过各自的协议通信–各个计算机系统都有相同的结构–不同系统的相同层次有相同的功能–同一系统的各层之间通过接口联系–相邻的两层之间，下层为上层提供服务，同时上层使用下层提供的服务OSI中的七层物理层–物理层是OSI的最底层，是整个系统的基础。物理层保证通信信道上传输二进制比特流，用以建立、维持和释放数据链路层实体间的连接–物理层并不是物理介质，它是介于数据链路层和物理传输层之间的一层，起着数据链路层到物理传输介质之间的逻辑接口的作用–主要提供物理连接服务、物理服务数据单元服务、顺序化服务等OSI中的七层数据链路层–数据链路层的主要功能是在物理层提供的比特服务基础上，在相邻节点之间提供简单的通信链路，传输以帧为单位的数据，同时还负责数据链路的流量控制、差错控制–数据链路层将本质上不可靠的传输媒介变成可靠的传输通路提供给网络层–独立的数据链路层产品中最常见的是网卡，网桥也是链路层上的网络互联产品，调制解调器的某些功能也被认为属于链路层OSI中的七层网络层–网络层完成通信子网的运行控制。它通过网络连接交换传输层实体发出的数据，是高层的设计考虑不依赖数据传送技术和中继或路由，同时也使数据传送和高层隔离–网络层提供交换和路由功能，以激活、保持和终止网络层连接。为了在一条数据链路上复用多条网络连接，大多采取异步复用技术，包括逻辑信道和虚电路–网络层的设备主要有路由器和网关OSI中的七层传输层–传输层的任务是向用户提供可靠的、透明的端到端的数据传输，以及差错控制和流量控制机制。由于它的存在，网络硬件技术的任何变化对于高层都是不可见的，也就是在会话层、表示层、应用层的设计中不必考虑底层硬件的细节–传输层是OSI协议体系结构中关键的一层，因为它是源端到目的端对数据进行控制从低到高的最后一层，并把实际使用的通信子网与高层应用分开，提供源端和目的端之间的可靠无误且经济有效的数据传输OSI中的七层会话层–会话层提供两个互相通信的应用程序之间的会话机制，即建立、组织和协调双方的交互，并使会话获得同步–该层的主要功能是会话管理、数据流同步和重新同步OSI中的七层表示层–表示层的作用之一是为异种主机通信提供一种公共语言，以便能进行相互操作。–用户数据可以从两个侧面来分析，一个是语义，即数据的含义，一个是语法，即数据的表示形式。表示层中定义了一种抽象语法以及编码规则，以便通信双方有一致的数据形式，能够互相认识OSI中的七层应用层–应用层是OSI的最高层，这一层的协议直接为应用进程提供服务，管理开放系统的互联，包括系统的启动、维持和终止，并保持应用程序间建立连接所需要的数据记录，其他层都是为支持这一层的功能而存在的七层总述OSI模型的七层可以传输层为界划分为高三层和第三层低三层属于通信子网，涉及为用户提供透明连接，操作主要以每条链路为基础，在节点间的各条数据链路上进行通信。由网络层来控制各条链路上的通信高三层属于资源子网，主要涉及保证信息以正确的可理解的形式传送。传输层是高三层和低三层之间的接口，它是第一个端到端的层次，保证透明的端到端连接，满足用户的服务质量要求，并向高三层提供合适的信息形式OSI模型中的数据传输所谓数据单元是指各层传输数据的最小单位数据传输过程中，在发送端自上而下逐层增加头（尾）信息，而在目的端又自下而上逐层去掉头（尾）信息。这一过程叫做封装，封装是在网络中很常见的手段服务数据单元与写意数据单元的关系服务数据单元是用于层与层接口的概念协议数据单元用于描述一层对等实体之间交换的数据实际上，第n层的协议数据单元要作为第n层与n-1层接口的服务数据单元传递给n-1层TCP/IP参考模型TCP/IP协议模型这一体系的诞生和发展源自ARPANETTCP/IP协议经过不懈的完善，成为了Internet网络体系结构的核心，现今几乎所有工作站和主机都采用TCP/IP，从而使众多的异种主机互联成为可能。TCP/IP成为了最成功的网络体系结构和协议规程TCP/IP本身是两种协议，但实际上它是一组协议，也称为TCP/IP协议簇TCP/IP模型的分层应用层传输层网络互连层主机-网络层OSI与TCP/IP的比较两者都采用了层次结构的概念，但是无论在层次划分还是在协议使用上，都有明显的不同，有各自的优缺点主要的不同–TCP/IP模型的网络接口层只是一些观念性的描述–TCP/IP模型的网络互联层只提供无连接的网络服务–TCP/IP模型中没有会话层和表示层优缺点：–TCP/IP模型实现有了协议才制定了模型，OSI则相反–OSI模型概念划分清晰，普遍适应性好，但过于繁杂，效率低，实现困难。TCP/IP模型对于采用新技术设计网络的指导意义则不大，作为模型的意义逊色很多