第2章 计算机网络体系结构

第2章计算机网络体系结构本章学习要点:计算机网络体系结构的形成网络体系结构的基本概念开放系统互联参考模型TCP／IP的体系结构OSI与TCP／IP模型的比较2.1计算机网络体系结构的形成1974年，美国IBM公司宣布了著名的按分层方法制订的系统网络体系结构SNA（SystemNetworkArchitecture）。与OSI七层参考模型，不同的是SNA模型只有六层，它没有为物理层定义协议，物理层是通过其它标准实现的。尽管现在SNA模型被认为是一种旧网络模型，但不断改进的SNA仍是使用较为广泛的一种网络体系结构。国际标准化组织在1977年成立了专门机构研究，试图提出一个计算机在世界范围内互连的标准框架，即开放系统互连参考模型OSI/RM（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel），简称为OSI。“开放”的含义是：只要遵守OSI标准，一个计算机系统就可以和世界上任何一个也遵守该标准的其他计算机系统进行互连通信。1983年，形成OSI/RM正式文件—ISO7498国际标准。但是，规模最大的计算机互连网Internet并未使用OSI标准。原因在于：一方面，OSI标准的制定周期过长，使得按OSI标准生产的设备无法及时进人市场；另一方面，OSI标准实现起来复杂，运行效率低，OSI的层次划分不太合理，使得有些功能在多个层次中重复出现。发展到20世纪70年代末，出现了局域网，这是计算机网络发展过程中的大事件，局域网使得在一定范围内的许多微型计算机互连在一起交换信息，而且，局域网连网简单，价格便宜，使用方便，传输速率高，因此局域网逐步得到很大发展。计算机网络体系结构是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合。计算机的网络结构可以从网络体系结构、网络组织和网络配置三个方面来描述,网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构；网络组织是从网络的物理结构和网络的实现两方面来描述计算机网络；网络配置是从网络实际应用方面来描述计算机网络的布局、硬件、软件和通信线路。研究计算机的网络体系结构是将复杂的系统设计问题分解成一个个容易处理的子问题或分成层次分明的一组容易处理的子问题,然后加以解决。2.2网络体系结构的基本概念开放系统互连基本参考模型(OSI/RM)，是国际标准组织提出的一个使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。2.3开放系统互连参考模型（OSI/RM）计算机系统之间的通信与以上寄信过程虽然有很大差别，但其分层的目的是一致的。把网络体系分成复杂性较低的单元，可以实现以下优势：（1）结构清晰，易于实现和维护；（2）接口易于标准化；（3）设计开发人员的专业化；（4）独立性强，通过层间接口提供服务，只要服务和接口不变，各层内容实现方法可任意改变；（5）一个区域网络的变化不会影响另外的区域网络，区域网络可单独升级或改造。2.3.1分层的作用和含义n层n层2层2层1层1层N层服务接口接口接口接口服务服务调用调用调用调用服务服务图2.1计算机网络的层次结构2.3.2ISO/OSI参考模型图2.2OSI/RM参考模型1．物理层（PhysicalLayer）物理层是OSI模型中最低的一层，提供传输数据所需要的物理链路，包括建立、维持和拆除，确保原始数据可在各种物理媒体上传输。物理层的功能：为数据端设备提供传送数据通路。物理层的协议：CCITTV.24、EIARS-443、EIARS-232C、ISO-2593。具有物理层功能的设备：RJ-45、各种电缆、串口、并口、接线设备。在Windows2000下，物理层由网络接口卡（NIC）来实现。它的接收器，通过的介质由NIC附带。2．数据链路层（DataLinkLayer）数据链路层位于物理层与网络层之间，它是OSI中比较重要的一层．它将物理层提供的可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路,并对物理层的原始数据进行数据封装。数据链路层中的数据封装：封装的数据信息中，包含了地址段和数据段。地址段含有发送节点和接收节点的地址，数据段包含实际要传输的数据。数据链路层的主要功能：在两个网络实体之间提供数据链路连接的建立、维持和释放管理，构成数据链路数据单元(帧)，并对帧定界、同步、收发顺序的控制以及传输过程中的流量控制(FlowControl)、差错检测(ErrorDetection)和差错控制(Errorcontrol)等方面。数据链路层的协议：ATM、IEEE802.2、帧中继(FrameRelay)、HDLC(High-LevelDataLinkControl,HDLC)等3．网络层（NetworkLayer）网络层是OSI模型中的第三层，网络层提供路由和寻址的功能，使两终端系统能够互连，并且具有一定的拥塞控制和流量控制的能力。TCP/IP协议体系中的网络层功能由IP协议规定和实现，故又称IP层。网络层的主要功能：路由选择和阻塞控制。具有网络层功能的协议：IP、IPX、X.25。具有网络层功能的设备：路由器(Router)、三层交换机(Switch)。4．传输层（TransportLayer）传输层是OSI中最关键的一层，是唯一负责总体数据传输和数据控制的一层。传输层提供端到端的交换数据的机制，传输层对会话层等高三层提供可靠的传输服务，对网络层提供可靠的目的地站点信息。传输层的主要功能：为端到端连接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制、差错控制和服务质量等管理服务。具有传输层功能的协议：TCP、SPX、NetBIOS。5．会话层（SessionLayer）会话层是OSI模型的第5层，主要为两个会话层实体会话而进行的对话连接管理服务。会话层的主要功能：建立会话，拆除会话等会话管理服务。6．表示层（PresentationLayer）表示层为不同终端的上层用户提供数据和信息的语法表示变换方法。表示层的主要功能：数据语法转换、语法表示连接管理、数据处理、数据加密、数据压缩。具有表示层功能的协议：HTTP/HTML、FTP、Telnet、ASN.17．应用层（ApplicationLayer）应用层向应用程序提供访问网络/OSI的接口服务。应用层的主要功能：文件传输,访问和管理、虚拟终端协议(VTP)、电子邮件服务。具有应用层功能的协议：FTP、SMTP、POP。2.3.3物理层物理层是OSI的第一层，是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体、互连设备及可靠的传输环境。1．媒体和互连设备物理层的媒体主要包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。通信用的互连设备如计算机、终端、调制解调器等。LAN中的同轴电缆、T型接、插头，接收器，发送器,中继器等都属物理层的媒体和连接器。2．物理层的主要功能（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的差异，使数据链路层不受物理层设备差异的影响。（2）给数据链路层提供一条物理的传输媒体，保障传送和接收比特流的能力，为此，物理层要解决物理连接的建立、维持和释放问题。（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。3．物理层的一些重要标准物理层的标准和协议早在OSI/TC97/C16分技术委员会成立之前就已制定并在应用了,OSI也制定了一些标准，下面列出一些重要的标准：（1）ISO2110ISO2110称为数据通信----25芯DTE/DCE接口连接器和插针分配，它与EIA(美国电子工业协会)的“RS-232-C”基本兼容；（2）ISO2593ISO2593称为数据通信----34芯DTE/DCE----接口连接器和插针分配；（3）ISO4092ISO4092称为数据通信----37芯DTE/DEC----接口连接器和插针分配，与EIARS-449兼容。（4）CCITTV.24CCITTV.24称为数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备之间的接口电路定义表，其功能与EIARS-232-C及RS-449兼容于100序列线上。数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介乎于物理层和网络层之间。数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源机网络层传过来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层，可以理解为数据通道。1、数据链路层的主要功能：在物理媒体上传输的数据经常会受到各种因素的干扰而产生差错,数据链路层为了弥补物理层上的不足,保障对上层提供无差错的数据传输,就需要对数据进行检错，所以，数据链路层应具备下列相应的主要功能：（1）建立、拆除和分离数据链路连接；（2）界定帧和帧同步，链路层的数据传输单元是帧，协议不同，帧的长短和界面也有差别，这就需要对帧进行定界和控制帧的收发顺序；（3）差错检测和恢复；（4）控制流量等。2.3.4数据链路层2、数据链路层的主要协议：数据链路层协议是为了顺利完成对网络层的服务，主要协议如下：（1）ISO1745—1975ISO1745—1975是数据通信系统的基本型控制规程。这是一种面向字符的标准,利用10个控制字符完成链路的建立，拆除及数据交换。对帧的收发情况及差错恢复也是靠这些字符来完成，与ISO1155、ISO1177、ISO2626和ISO2629等标准的配合使用可形成多种链路控制和数据传输方式。（2）ISO3309—1984其中有3个瞄准，分别为ISO3309—1984称为HDLC帧结构。ISO4335—1984称为HDLC规程要素，ISO7809—1984称为HDLC规程类型汇编。这3个标准都是为面向比特的数据传输控制而制定的，经常把以上3个标准的组合称为高级链路控制规程。（3）ISO7776ISO7776称为DTE数据链路层规程，与CCITTX.25LAB平衡型链路访问规程相兼容。3、数据链路层设备：数据链路设备中最常见的有网卡和网桥。1、网络层主要功能网络层是OSI参考模型中的第三层，是通信子网的最高层。网络层关系到通信子网的运行控制，体现了网络应用环境中资源子网对通信子网的访问方式。网络层的主要任务是将源机传出的数据包传送到目标机，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务，网络层主要具有以下功能：（1）路由选择和中继；（2）激活和终止网络连接；（3）采取分时复用技术；（4）差错检测；（5）排序和流量控制；（6）服务选择；（7）网络层管理；（8）分段和合段；（9）流量控制；（10）加速数据传送。2.3.5网络层2、路由选择算法简介路由算法很多，大致可分为静态路由算法和动态路由算法两类：（1）静态路由算法静态路由算法又称为非自适应算法，是按某种固定规则进行的路由选择。其特点是算法简单、容易实现，但效率和性能较差。属于静态路由算法的有以下几种：①最短路由选择。②扩散式路由选择。③随机路由选择。④集中路由选择。（2）动态路由算法动态路由算法又称为自适应算法，是一种依靠网络的当前状态信息来决定路由的算法。这种算法能较好地适应网络流量、拓扑结构的变化，有利于改善网络的性能；但算法复杂，实现造价高，属于动态路由算法的有以下几种：①分布式路由选择策略。②集中路由选择策略。3.网络层的网络连接设备（1）路由器在互联网中，两台主机之间传送数据的通路会有很多条，数据包从一台主机出发，经过多个站点到达另一台主机。这些中间站点通常由称为路由器的设备担当，其作用就是为数据包选择一条合适的数据传输路径。路由器工作在网络层，根据数据包中的逻辑地址（网络地址）来转发数据包。路由器的主要工作是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳的传输路径，可根据网络的拥塞程度，自动选择适当的路径，将该数据包准确有效地传送到目的站点。路由器与网桥不同之处在于，它并不是使用路由表来找到其他网络中指定设备的地址，而是依靠其它的路由器来完成任务。也就是说，网桥是根据路由表来转发或过滤数据包，而路由器是使用它的信息来为每一个数据包选择最佳路径的。路由器有静态和动态之分，静态路由器需要管理员来修改所有的网络路由表，一般用于小型的网间互连；动态路由器能根据指定的路由协议来完成对路由器信息的修改。（2）第三层交换机随着技术的发展，有些交换机也具备了路由的功能，可以在网络层对数据包进行操