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计算机网络技术基础2第3章03网络体系结构章节导读计算机网络是一个庞大的、多样化的复杂系统，涉及多种通信介质、多厂商和异种机互连、高级人机接口等各种复杂的技术问题。要使这样一个系统高效、可靠地运转，网络中的各个部分都必须遵守一套合理而严谨的网络标准。这套网络标准就称之为网络体系结构。本章主要讲解计算机网络体系结构的基本概念、开放式系统互连（OSI）参考模型和TCP/IP参考模型。学习目标了解网络协议的概念和分层设计的思想。掌握OSI参考模型的分层结构及各层功能。掌握OSI参考模型中数据传输的过程。掌握TCP/IP参考模型的分层结构及各层功能。理解OSI参考模型和TCP/IP模型的区别。53.1网络体系结构概述网络体系结构就是指为了实现计算机间的通信合作，把计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层次实体通信的协议及相邻层之间的接口服务。简单地说，网络体系结构就是网络各层及其协议的集合。因此，要理解网络体系结构，就必须了解网络体系结构的分层设计原理和网络协议。63.1网络体系结构概述3.1.1网络协议网络协议主要由以下3个要素组成：语法：规定用户数据与控制信息的结构与格式。语义：规定通信双方需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种响应等。时序：又称“同步”，用于规定事件实现顺序的详细说明，即通信双方动作的时间、速度匹配和事件发生的顺序等。想要让两台计算机进行通信，必须使它们采用相同的信息交换规则。我们把在计算机网络中用于规定信息的格式以及如何发送和接收信息的规则称为网络协议（NetworkProtocol）或通信协议（CommunicationProtocol）。73.1网络体系结构概述3.1.2分层设计为了减少网络设计的复杂性，绝大多数网络采用分层设计方法。所谓分层设计方法，就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议。为了便于理解分层设计的思想，首先以邮政通信系统为例进行说明。如图3-1所示，在整个通信过程中主要涉及三个层次，即用户子系统、邮局子系统和运输部门子系统。图3-1邮政通信系统分层模型83.1网络体系结构概述从图3-1中可以看出，邮政系统中的各种约定都是为了将信件从写信人送到收信人而设计的，也就是说，它们是因信息的流动而产生的。这些约定可以分为两种，一种是同等机构间的约定，如用户之间的约定、邮政局之间的约定和运输部门之间的约定；另一种是不同机构间的约定，如用户与邮政局之间的约定、邮政局与运输部门之间的约定。在计算机网络环境中，两台计算机中两个程序之间进行通信的过程与邮政通信的过程十分相似。应用程序对应于用户，计算机中进行通信的进程（也可以是专门的通信处理机）对应于邮局，通信设施对应于运输部门。93.1网络体系结构概述计算机网络的层次模型如图3-2所示，不同计算机同等层之间的通信规则就是该层使用的协议，如有关第N层的通信规则的集合就是第N层的协议。而同一计算机的不同功能层之间的通信规则称为接口（Interface），如在第N层和第（N+1）层之间的接口称为N/（N+1）层接口。对于不同的网络，它的分层数量、各层的名称和功能以及协议都各不相同。但是，在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供服务，并隐藏下层的实现细节。图3-2计算机网络的层次模型10提示协议层次化不同于程序设计中模块化的概念。在程序设计中，各模块可以相互独立，任意拼装或者并行。网络协议层次则有上下之分，它是依数据的流动而产生的。组成不同计算机同等层的实体称为对等进程（PeerProcess）。对等进程不一定非是相同的程序，但其功能必须完全一致，且采用相同的协议。3.1网络体系结构概述113.1网络体系结构概述计算机网络体系结构是关于计算机网络应设置哪几层，每层应提供哪些功能的精确定义。也就是说，网络体系结构只是从功能上描述计算机网络的结构，而不关心每层硬件和软件的组成，也不解决这些硬件或软件的实现问题，它只是为各个标准化组织制定协议标准提供了一个参考模型。因此网络体系结构是众多现有网络标准的抽象，也是制定新的网络标准与协议的准则。123.2OSI参考模型世界上第一个网络体系结构是1974年由IBM公司提出的“系统网络体系结构（SystemNetworkArchitecture，SNA）”。此后，许多公司纷纷推出了各自的网络体系结构。虽然这些体系结构都采用了分层技术，但层次的划分、功能的分配及采用的技术均不相同。随着信息技术的发展，不同结构的计算机网络互联已成为迫切需要解决的问题。为此，许多标准化机构积极开展了网络体系结构标准化方面的工作，其中最为著名的就是国际标准化组织ISO提出的开放系统互连参考模型，即OSI参考模型。OSI参考模型并不是一个特定的硬件设备或一套软件例程，而是一种严格的理论模型，是厂商在设计硬件和软件时必须遵循的通信准则。OSI模型是一个开放式系统模型，它的目的就是在不需要改变不同系统的软硬件逻辑结构的前提下，使不同系统之间可以通信。13OSI参考模型从下到上由物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层组成，如图3-3所示。低层（物理层、数据链路层）执行的功能与物理通信相关，如构建帧、传输含有包的信号；中间层（网络层、传输层、会话层）协调结点间的网络通信，如确保通信会话无中断、无差错地持续进行；高层（表示层、应用层）的工作直接影响软件应用和数据表示，包括数据格式化、加密以及数据与文件传输管理。图3-3OSI参考模型的结构应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层OSI参考模型中，划分层（子模块）要遵循以下原则：（1）各层（子模块）具有相对的独立性，保持层间交互的信息最少。（2）单向调用：各层（子模块）只能引用其下层提供的服务。（3）增值服务：在使用下层服务的基础上，各层完成特定的通信功能。3.2OSI参考模型143.2.1物理层物理层是OSI参考模型的最低层，主要为通信提供物理链路，并在两个网络设备之间透明地传输比特流。物理层的数据服务单元是比特，它可以通过同步或异步的方式进行传输；但是物理层并不关心这些比特的实际意义和结构。物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特流传输的物理连接定义了机械、电气、功能和规程特性。3.2OSI参考模型15机械特性：规定了物理连接时所使用可接插连接器的形状和尺寸，连接器中引脚的数量与排列情况等。电气特性：规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电平高低、阻抗及阻抗匹配、传输速率与距离限制。早期的标准定义了物理连接边界点上的电气特性，而较新的标准定义了发送和接收器的电气特性，同时给出了互联电缆的有关规定。新的标准更有利于发送和接收电路的集成化工作。功能特性：规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。规程特性：定义了信号线进行二进制比特流传输时的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。3.2OSI参考模型物理层硬件接口主要包括各种传输介质或传输设备的接口，常用的物理接口有RJ-45（网线接口）和RS-485（串口）。由于传输介质和传输设备的种类繁多，因此物理层接口的标准也非常多。不同物理层接口标准在以上四个重要特性上都不尽相同。163.2.2数据链路层数据链路层是OSI参考模型的第二层，其作用主要是负责将由物理层传来的数据封装成数据帧（Frame），并保证帧在计算机之间进行无差错地传输。数据链路层分为MAC和LLC两个子层。MAC（介质访问控制）子层的功能包括数据帧的封装/拆封，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等；LLC（逻辑链路层控制）子层负责为上层提供服务，如从上层接收包并发送到MAC层。工作在数据链路层的设备包括二层交换机、网桥等。此外，网卡既工作在物理层，也工作在数据链路层，负责传输介质之间的物理连接，帧的发送与接收、封装与拆封等。3.2OSI参考模型数据链路层的定义117提示协议层次化不同于程序设计中模块化的概念。在程序设计中，各模块可以相互独立，任意拼装或者并行。网络协议层次则有上下之分，它是依数据的流动而产生的。组成不同计算机同等层的实体称为对等进程（PeerProcess）。对等进程不一定非是相同的程序，但其功能必须完全一致，且采用相同的协议。3.2OSI参考模型18知识库物理线路与数据链路是网络中常用的术语，它们的含义是不同的。在通信技术中，人们常用链路（link）这个术语来描述一条点对点的线路段，这条线路段中间是没有任何交换结点的。因此从这种意义上说，链路一般是指物理线路。当需要在一条链路上传送数据时，除了必须具有一条物理线路之外，还必须有一些规程或协议来控制这些数据的传输，以保证被传输数据的正确性。实现这些规程或协议的硬件和软件加上物理线路就构成了数据链路。此外，一般所说的物理链路就是指物理线路，逻辑链路就是指数据链路。3.2OSI参考模型193.2OSI参考模型数据链路层的功能2（1）提供链路管理：当两个结点开始通信时，发送方必须确定接收方处在准备接收数据的状态。为此，双方必须交换一些必要的信息，然后建立数据链路连接；同时，在传输数据时要维持数据链路；当通信完毕时要释放数据链路。数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。（2）提供流量控制：为防止传输数据的双方速度不匹配或接收方没有足够的接收缓存而导致数据拥塞或溢出，数据链路层必须采用流量控制技术来控制流量，使接收方来得及接收发送方发送的数据。203.2OSI参考模型（3）提供差错处理：数据链路层采用差错控制技术，把不可靠的物理连接变为可靠的数据链路，从而保证数据传输的正确性。数据链路层实体将对帧的传输过程进行检查，发现差错用重传方式解决。（4）帧同步：在数据链路层，数据以帧为单位进行传输。帧同步是指接收方应当能从来自物理层的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束的位置。（5）寻址：在多点连接的情况下，寻址保证每一帧都能传送到正确的目的结点。同时，接收方也应当知道发送方是哪一个结点。213.2OSI参考模型PPP协议3在ISO标准协议集中，数据链路层采用了高级数据链路控制（High-LevelDataLinkControl，HDLC）协议。但是目前HDLC协议已经很少用了，对于点对点的链路，使用最广泛的数据链路层协议是更为简单的点对点协议——PPP协议（PointtoPointProtocol）。PPP协议是面向字符类型的协议，具有处理错误检测、支持多个协议、允许在连接时协商IP地址、允许身份认证等功能。PPP协议由以下三部分组成：（1）将IP数据报封装到串行链路中的方法。PPP既支持异步链路，也支持面向比特的同步链路。（2）一个链路控制协议LCP，用来建立、配置和测试数据链路连接。（3）一套网络控制协议NCP，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。223.2OSI参考模型数据链路协议数据单元被称为帧，PPP帧的首部和尾部分别有四个字段和两个字段，其帧结构如图3-4所示。图3-4PPP帧结构233.2OSI参考模型标志字段F：在帧的首尾各有一个由固定比特序列“01111110”组成的标志字段F。标志字段表示一个帧的开始或结束，因此标志字段就是帧的定界符。如果出现两个连续的标志字段，就表示这是一个空帧，应当丢弃。地址字段A：PPP协议中的帧的地址字段A规定为0xFF（即11111111），这是一个广播地址。控制字段C：控制字段是帧的关键字段，它表示了帧类型、帧编号、命令和控制信息。PPP协议的控制字段C为0x03（即00000011）。协议字段：协议字段占两个字节。若取值0x0021表示该帧为IP分组；取值0x8021表示该帧为网络层的控制数据；取值0xC021表示该帧为链路控制数据。信息字段I：可以是任意的比特序列组合，其长度通常不超过1500字节。帧校验字段FCS：它是使用CRC的帧校验序列，占用两个字节的大小。243.2.3网络层数据链路层仅提供点对点的数据链路