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计算机网络基础（第3版）工业和信息化“十三五”高职高专人才培养规划教材目标/要点计算机网络体系结构是计算机网络课程中的重要内容。本章主要讲述计算机网络的层次结构、开放系统互连（OSI）参考模型和TCP/IP参考模型。学习目标学习要点1理解网络体系的概念理解网络协议的概念掌握ISO/OSI参考模型的层次结构和各层功能23掌握TCP/IP体系结构的各层功能4了解OSI与TCP/IP参考模型的区别5了解TCP/IP主要的功能及特点6目录/Contents3.1网络体系结构的基本概念开放系统互连参考模型TCP/IP参考模型OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较3.23.33.4第3章计算机网络体系结构第3章计算机网络体系结构1.1网络体系结构的基本概念3.1.1网络体系结构的形成计算机网络的体系结构采用了层次结构的方法来描述复杂的计算机网络，把复杂的网络互连问题划分为若干个较小的、单一的问题，并在不同层次上予以解决。42.载入画笔样式3.1.2网络体系的分层结构1．层次结构的概念对网络进行层次划分就是将计算机网络这个庞大的、复杂的问题划分成若干较小的、简单的问题。通常把一组相近的功能放在一起，形成网络的一个结构层次。计算机网络层次结构包含两方面的含义，即结构的层次性和层次的结构性。层次的划分依据层内功能内聚，层间耦合松散的原则，也就是说，在网络中，功能相似或紧密相关的模块应放置在同一层；层与层之间应保持松散的耦合，使在层与层之间的信息流动减到最小。通常将网络的层次结构、相同层次的通信协议集和相邻层的接口及服务，统称为计算机网络体系结构。2．划分层次结构的优越性（1）把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于实现和维护。（2）层与层之间定义了具有兼容性的标准接口，使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。（3）每一层具有很强的独立性—上层只需要通过层间接口了解下层需要提供什么样的服务，并不需要了解下层的具体内容，这个方法类似于“黑箱操作”方法。（4）只要服务和接口不变，层内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一个区域的网络，因此每个区域的网络可单独升级或改造。3．层次结构的主要内容在划分层次结构时，首先需要考虑以下问题。（1）网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）（2）各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）（3）通信双方的数据传输需要遵循哪些规则？（协议）因此层次结构方法主要包括3个内容：分层及每层功能，服务与层间接口，协议。4．层次结构划分原则（1）以网络功能作为划分层次的基础，每层的功能必须明确，层与层之间相互独立。（2）层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。（3）层数应适中，若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。（4）第n层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第n−1层提供的服务。（5）层与层之间仅在相邻层间有接口，每一层所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。5．层次结构模型层次结构一般以垂直分层模型来表示，如图3-1所示，相应特点如下。（1）除了在物理介质上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。（2）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。（3）n层的虚通信是通过n层和n−1层间接口处n−1层提供的服务及n−1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。如图3-2所示的结构中，n层是n−1层的用户，又是n+1层的服务提供者。n+1层虽然只直接使用了n层提供的服务，实际上它通过n层还间接地使用了n−1层及以下所有各层的服务。3.1.3层次结构中的相关概念1．实体在网络体系结构中，每一层都由一些实体（Entity）组成，它们抽象地表示了通信时的软件元素（如进程或子程序）或硬件元素（如智能I/O芯片）。实体是通信时能发送和接收信息的软硬件设施。不同节点（或称不同系统）上同一层的实体叫作对等实体。2．协议为进行计算机网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定的集合称为协议（Protocol）。协议总是指某一层协议，准确地说，它是为对等实体之间实现通信而制定的有关通信规则、约定的集合。一个网络协议主要由以下3个要素组成。（1）语法（Syntax），指数据与控制信息的结构或格式，如数据格式、编码及信号电平等。（2）语义（Semantics），指用于协调与差错处理的控制信息，如需要发出何种控制信息，完成何种动作及做出何种应答。（3）定时（Timing），指事件的实现顺序，如速度匹配、排序等。3．接口接口（Interface）是指相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。4．服务服务（Service）是指某一层及其以下各层通过接口提供给其相邻上层的一种能力。常用4种类型的服务原语是：请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）和确认（Confirm）。图3-3所示为服务原语的工作过程。当n层向n+1层提供服务时，根据是否需建立连接可将其分为两类：面向连接的服务（Connection-orientedService）和无连接服务（ConnectionlessService）。（1）面向连接服务：先建立连接，然后进行数据交换。因此面向连接服务具有建立连接、数据传输和释放连接这3个阶段。（2）无连接服务：两个实体之间的通信不需要先建立好连接，因此是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付（BestEffortDelivery）”或“尽力而为”，它不需要两个通信的实体同时是活跃的。45．层间通信（1）相邻层之间通信：相邻层之间通信发生在相邻的上下层之间，通过服务来实现。上层使用下层提供的服务，上层称为服务调用者（ServiceUser）；下层向上层提供服务，下层称为服务提供者（ServiceProvider）。（2）对等层之间通信：对等层是指不同开放系统中的相同层次，对等层之间通信发生在不同开放系统的相同层次之间，通过协议来实现。对等层实体之间是虚通信，依靠下层向上层提供服务来完成，而实际的通信是在最底层完成的。2.载入画笔样式3.2开放系统互连参考模型3.2.1OSI参考模型OSI参考模型采用了层次结构，将整个网络的通信功能划分成7个层次，每个层次完成不同的功能。这7层由低层至高层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层（传送层）、会话层、表示层和应用层，如图3-5所示。OSI/RM的核心内容包含高、中、低3部分：高层面向网络应用。低层面向网络通信的各种功能划分；中间层起到信息转换、信息交换（或转接）和传输路径选择等作用，即路由选择。从图3-5可见，整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理传输介质连接构成。3.2.2OSI/RM各层的主要功能1．物理层物理层（PhysicalLayer）处于OSI参考模型的最低层。物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明地传送“比特”流，物理层传输的单位是比特（bit）。（1）机械特性（2）电气特性（3）功能特性（4）规程特性2．数据链路层在物理层提供比特流传输服务的基础上，数据链路层（DataLinkLayer）通过在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以“帧”为单位的数据，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，保证点对点可靠的数据传输，如图3-6所示。数据链路层的数据传输单位是帧。数据链路层关心的主要问题是物理地址、网络拓扑、线路规程、错误通告、数据帧的有序传输和流量控制。3．网络层网络层（NetworkLayer）是OSI参考模型中的第三层，它建立在数据链路层所提供的两个相邻节点间数据帧的传送功能之上，将数据从源端经过若干中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务。如图3-7所示，在源端与目的端之间提供最佳路由传输数据，实现了两主机之间的逻辑通信。网络层是处理端到端数据传输的最低层，体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式。概括地说，网络层主要关注的问题有以下几个方面。（1）网络层的信息传输单位是分组（Packet）。（2）逻辑地址寻址。（3）路由功能。（4）拥塞控制。（5）流量控制。4．传输层传输层（TransportLayer）的主要目的是向用户提供无差错可靠的端到端（EndtoEnd）服务，透明地传送报文，提供端到端的差错恢复和流量控制。由于它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体系结构中最关键的一层。传输层关心的主要问题是建立、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。传输层提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”（数据报）两种服务。传输层提供了两端点间可靠的透明数据传输，实现了真正意义上的“端到端”的连接，即应用进程间的逻辑通信，如图3-8所示。5．会话层就像它的名字一样，会话层（SessionLayer）实现建立、管理和终止应用程序进程之间的会话和数据交换，这种会话关系是由两个或多个表示层实体之间的对话构成的。6．表示层表示层（PresentationLayer）保证一个系统应用层发出的信息能被另一个系统的应用层读出。如有必要，表示层用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换，它包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。7．应用层应用层（ApplicationLayer）是OSI参考模型中最靠近用户的一层，它为用户的应用程序提供网络服务。这些应用程序包括电子数据表格程序、字处理程序和银行终端程序等。3.2.3OSI/RM数据流向层次结构模型中数据的实际传输过程如图3-9所示。图中发送进程传输给接收进程数据，实际上是经过发送方各层从上到下传输到物理传输介质，通过物理传输介质传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。3.2.4对等层之间的通信OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）。传输层及以下各层的PDU都有各自特定的名称。传输层是数据段（Segment）；网络层是分组或数据报（Packet）；数据链路层是数据帧（Frame）；物理层是比特（Bit）。数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程，到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程，如图3-10所示。某一层只能识别由对等层封装的“信封”，对被封装在“信封”内部的数据只是将其拆封后提交给上层，本层不做任何处理，如图3-10所示。3.3TCP/IP参考模型3.3.1TCP/IP参考模型的层次划分1．TCP/IP的特点（1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。（2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，以及互联网中。（3）统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在中都具有唯一的地址。（4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。2．TCP/IP参考模型的层次与OSI参考模型不同，TCP/IP参考模型将网络划分为4层，它们分别是应用层（ApplicationLayer）、传输层（TransportLayer）、网际层（InternetLayer）和网络接口层（NetworkInterfaceLayer）。图3-11所示为这种对应关系。其中：（1）TCP/IP的应用层与OSI的应用层、表示层及会话层相对应；（2）TCP/IP的传输层与OSI的传输层相对应；（3）TCP/IP的网际层与OSI的网络层相对应；（4）TCP/IP的网络接口层与OSI的数据链路层及物理层相对应。3.3.2TCP/IP参考模型各层的功能1．网络接口层TCP/IP中没有详细定义网络接口层的功能，只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并且能够传输网络数据分组。该层没有定义任何实际协议，只定义了网络接口，任何已有的数据链路层协议和物理层协议都可以用来支持TCP/IP。2．网际层网际层又称互联层，是TCP/IP参考模型的第二层，它实现的功能相当于OSI参考模型网