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1第3章网络体系结构与协议问题原由计算机网络经过40年的发展,使得计算机网络已经成为一个海量、多样化的复杂系统。计算机网络的实现需要解决很多复杂的技术问题:支持多种通信介质;支持多厂商和异种机互联;支持人机接口等。本章重点讨论计算机网络体系结构的形成、OSI/RM与TCP/IP模型、网络地址的形成、域名地址、子网技术等。教学重点能力要求掌握：计算机网络体系结构的基本概念、IP地址、子网技术、域名地址的使用等。熟悉：OSI/RM参考模型、TCP/IP模型。了解：OSI/RM与TCP/IP的相同点和不同点。2§3.1体系结构的形成§3.5IP地址和域名§3.4TCP/IP与OSI/RM的比较§3.3TCP/IP参考模型§3.2开放系统互连/参考模型本章内容324.1相似的图形的层次结构OSI/RM的基本概念OSI/RM各层的功能TCP/IP与OSI/RM的比较开放系统互连/参考模型域名系统子网技术IP编址网络系统的体系结构网络系统的层次结构通信系统的层次结构OSI/RM的数据传输TCP/IP的层次结构TCP/IP的基本概念TCP/IP各层的功能TCP/IP协议栈TCP/IP参考模型TCP/IP与OSI/RM的不同点TCP/IP与OSI/RM的共同点IPv6协议5§3.1网络体系结构的形成网络体系结构是为了完成计算机间的协同工作，把计算机间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。网络体系结构是网络各层及其协议的集合,所研究的是层次结构及其通信规则的约定。公用电话网InternetLAN用户服务器LAN防火墙远程移动用户路由器主交换机部门交换机63.1.1通信系统的层次结构为了便于理解，我们以邮政通信系统为例，以此引出计算机网络通信和网络体系结构的概念，这一概念对计算机网络中电子邮件的发送和接收有着重要的参考意义。图3-1实际邮政系统信件发送、接收过程示意图发信者收信者通信人活动邮局转送业务通信人活动运输部门的邮件运输业务邮局服务业务邮局服务业务邮局转送业务书写信件贴邮票送入邮箱收集信件盖邮戳信件分拣邮件打包邮件运输路邮选择运输阅读信件信件投递信件分拣分发邮件邮件拆包转送邮局接收邮包73.1.2网络系统的层次结构1、网络层次概念计算机网络是将独立的计算机及其终端设备等实体通过通信线路连接起来的复杂系统。为了实现彼此间的通信，采用的基本方法是针对计算机网络所执行的各种功能，设计出一种网络系统结构层次模型，这个层次模型包括两个方面的内容：①将网络功能分解为许多层次,在每个功能层次中，通信双方必须共同遵守许多约定和规程，以免混乱。②层次之间逐层过渡，前一层次做好进入下一层次的准备工作。这个层次之间逐层过渡可以用硬件来完成,也可以采用软件方式实现。采用层次结构的目的是使各厂家在研制计算机网络系统时由一个共同遵守的标准。83.1.2网络系统的层次结构2、网络分层结构计算机之间相互通信涉及到许多复杂的技术问题，而解决这一复杂问题十分有效的方法是分层解决。为此，人们把网络通信的复杂过程抽象成一种层次结构模型，如图3-2所示。图3-2层次结构模式工作示意图用户2用户1A：应用管理层A：应用管理层B：对话管理层B：对话管理层C：传输管理层D：网络接口层（公用载波线路）C：传输管理层93.1.2网络系统的层次结构3、通信规则约定从以上邮政通信过程与网络通信过程分析可知，在一定意义上，它们两者的信息传递过程有很多相似之处。（1）邮政通信与网络通信两个系统都是层次结构,可等价成4层结构的系统。（2）不同的层次有不同的功能任务,但相邻层的功能动作密切相关。（3）在邮政通信系统中,写信人要根据对方熟悉的语言，确定用哪种语言；在书写信封时，国家不同规定也不同。（4）计算机网络系统中,必须规定双方之间通信的数据格式、编码、信号形式；要对发送请求、执行动作及返回应答予以解释；事件处理顺序和排序。103.1.3网络系统的体系结构1、网络体系结构的定义计算机网络体系结构＝｛系统、实体、层次、协议｝⑴系统：是计算机网络构成的系统通常是包括一个或多个实体的具有信息处理和通信功能的物理整体。⑵实体：在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成。在一个计算机系统中,能完成某一特定功能的进程或程序都可成为一个逻辑实体。⑶层次：是人们对复杂问题的一种处理方法。通常将系统中能提供某种或某类型服务功能的逻辑构造称为层。⑷协议：是指两个实体间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。113.1.3网络系统的体系结构协议通常分为对等层间对话协议和相邻层间的接口协议。网络协议主要由以下三个要素组成：①语法。规定如何进行通信，即对通信双方采用的数据格式、编码等进行定义。②语义。规定用于协调双方动作的信息及其含义，它是发出的命令请求、完成的动作和返回的响应组成的集合,即对发出的请求、执行的动作以及对方的应答做出解释。③时序。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,例如通信双方的应答关系、是采用同步传输还是异步传输等。由此可见:计算机网络体系结构是系统、实体、层次、协议的集合，是计算机网络及其部件所应完成功能的精确定义。12灵活性好易于实现和维护各层之间相互独立易于实现和维护2、网络体系结构的优点计算机网络系统采用层次化网络体系结构具有以下优点。3.1.3网络系统的体系结构13§3.2开放系统互联/参考模型1、问题的提出OSI是OpenSystemInterconnection的缩写，意为开放式系统互联参考模型。在OSI出现之前，计算机网络中存在众多的体系结构，其中以IBM公司的SNA和DEC公司的数字网络体系结构最为著名。为了解决不同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组织ISO(注意不要与OSI搞混）于1981年制定了开放系统互连参考模型。OSI/RM标准为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础,“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统都具备互联的能力。3.2.1OSI/RM的基本概念143.2.1OSI/RM的基本概念2、定义方法在OSI标准中，采用的是三级抽象：体系结构（Architecture）服务定义（ServiceDefinition）协议规格说明（ProtocolSpecification）OSI标准可分为三大类型：（1）总体标准：具有总的指导作用；（2）功能标准：为满足特定应用而从基本标准中选择接口关系和通信规则等方面的汇集。（3）应用标准：为基本应用定义层与层之间的接口关系和不同系统之间同层的通信规则。153.2.2OSI/RM的层次结构物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层通信介质（物理媒体）开放系统A开放系统B应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议图3-3OSI/RM结构示意图1、层次结构模型OSI/RM整个网络按照功能划分成7个层次，如图3-3所示。163.2.2OSI/RM的层次结构2、层间通信关系OSI/RM的最高层为应用层，面向用户提供应用服务；最低层为物理层，连接通信媒体实现数据传输。层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。两个用户计算机通过网络进行通信时,除物理层之外,其余各对等层之间均不存在直接的通信关系，而是通过各对等层的协议来进行通信。比如，两个对等的网络层使用网络层协议通信，只有两个物理层之间才通过媒体进行真正的数据通信。在实际中。当两个通信实体通过一个通信子网进行通信时，必然会经过一些中间结点。一般来说，通信子网的结点只涉及到低3层的结构。173.2.3OSI/RM各层的功能OSI参考模型是一个在制定标准时所使用的概念性框架，没有确切地描述用于各层的协议和服务，也没有提供一个可以实现的方法，它仅仅告诉我们每一层应该做什么，但其本身不含网络体系结构的全部内容。不过，ISO已为各层制定了标准，但它不是参考模型的一部分，而是作为独立的国际标准公布的。1、物理层定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输。具体涉及接插件的规格、“0”、“1”信号的电平表示、收发双方的协调等内容。183.2.3OSI/RM各层的功能2、数据链路层比特流被组织成数据链路协议数据单元(帧)进行传输，实现二进制正确的传输。将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。3、网络层数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。主要解决如何使数据分组跨越各个子网从源地址传送到目的地址的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。193.2.3OSI/RM各层的功能4、传输层（TransportLayer）传输层的主要任务是完成同处于资源子网中的源主机和目的主机之间的连接和数据传输，具体功能是：①为高层数据传输建立、维护和拆除传输连接，实现透明的端到端数据传送。②提供端到端的错误恢复和流量控制。③信息分段与合并，将高层传递的大段数据分段形成传输层报文。④考虑复用多条网络连接，提高数据传输的吞吐量。传输层主要关心的问题是建立、维护和中断虚电路、传输差错校验和恢复以及信息流量控制等。它提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”（数据报）两种服务。203.2.3OSI/RM各层的功能5、会话层会话层的主要任务是实现会话进程间通信的管理和同步,允许不同机器上的用户建立会话关系，允许进行类似传输层的普通数据的传输。会话层的具体功能是：①提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以提供单方向会话或双向同时进行会话。②在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。6、表示层表示层的主要任务是完成语法格式转换，在计算机所处理的数据格式与网络传输所需要的数据格式之间进行转换。表示层的具体功能是：213.2.3OSI/RM各层的功能①语法变换。表示层接收到应用层传递过来的以某种语法形式表示的数据之后，将其转变为适合在网络实体之间传送的以公共语法表示的数据。具体包括数据格式转换;字符集转换；图形、文字、声音的表示；数据压缩与恢复;数据加密与解密；协议转换等。②选择并与接收方确认采用的公共语法类型。③表示层对等实体之间连接的建立、数据传输和连接释放。7、应用层应用层是OSI模型的最高层,是计算机网络与用户之间的界面，由若干个应用进程(或程序)组成，包括电子邮件、目录服务、文件传输等应用程序。223.2.3OSI/RM各层的功能OSI提供的常用应用服务有：①目录服务。记录网络对象的各种信息，提供网络服务对象名字到网络地址之间的转换和查询功能。②电子邮件。提供不同用户间的信件传递服务，自动为用户建立邮箱来管理信件。③文件传输。包括文件传送、文件存取访问和文件管理功能。④作业传送和操作。将作业从一个开放系统传送到另一个开放系统去执行；对作业所需的输入数据进行定义；将作业的结果输出到任意系统；对作业进行监控等。⑤虚拟终端。将各种类型实标终端的功能一般化、标准化后得到的终端类型。233.2.4OSI/RM的数据传输1、数据传输单元在OSI/RM中,被传送的信息称为协议数据单元(PDU)，由数据服务单元和控制信息单元组成。⑴服务数据单元(ServiceDataUnit，SDU)：用户数据，是上一层传下来的数据单元。⑵协议控制信息(ProtocolControlInformation，PCI）:本层的控制信息，用来协调本层对等实体之间的通信。PDU、PCI和ICI共同组成了接口数据单元（InterfaceD