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1、1第第3章章 计算机网络体系结构计算机网络体系结构2本章内容n3.1 概述n3.2 ISO/OSI参考模型和TCP/IP参考模型n3.3 五层网络体系结构n3.4 数据封装n3.5 TCP/IP参考模型与OSI参考模型的比较33.1 概述概述n七层n四层n五层n如何将一台主机上的大文件传递到另一台主机（是整个大文件一次性传递，还是把大文件分成很多小块，一块一块地传递？n在计算机网络中，把这些用于规定数据的交换规则、报文格式，以及如何发送和接收数据的一套规则称为网络网络协议协议（network protocol）或通信协议通信协议（communication protocol）。43.1.1 网
2、络协议网络协议n什么是网络协议n网络协议描述了通信双方如何进行通信的一系列规则。n当你向一个Web服务器发出请求，即你在Web浏览器中键入一个Web网站的URL（如http:/）并按回车时，将发生什么情况？3.1.1 网络协议网络协议53.1.1 网络协议网络协议n所谓网络协议网络协议是指通信双方为通过网络进行数据交换而建立的规则、标准或约定。协议中规定了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输和/或接收或其他事件方面所采取的动作。nInternet和计算机网络广泛使用了协议，如大家熟悉的TCP、IP、PPP等。不同的协议用于完成不同的通信任务。63.1.2 分层分层体系结
3、构体系结构n按照数据在网上的流动过程将网络上的数据传输的整体功能分解为一个个的功能层。n把大问题分为小问题，然后为每个小问题设计一个单独的协议（如，为WWW设计HTTP协议，为文件传输设计FTP协议等）。73.1.2 分层体系结构分层体系结构邮政系统分层模型83.1.2 分层体系结构分层体系结构n在上例中，两地对应子系统之间的约定都是为了将信件从源发地送到目的地，并使双方都能理解而设计的。它们是因数据的流动而产生的。这些约定是两地对等体对等体（peer）之间的约定，如用户之间的约定、邮局之间的约定和运输部门之间的约定。n另一方面，在同处一地的相邻两层之间实际上也有约定，但这种约定称相邻两层之间
4、的接口（接口（interface）。为了清楚地定义层与层之间的接口，就必须明确每一层应该提供哪些功能。例如用户与邮局之间接口约定了邮票量、标准信封格式的信等。邮局与运输部门的接口约定了标准邮包形式的邮包等。93.1.2 分层体系结构分层体系结构n分层结构有什么好处?1. 每一层相对独立，将复杂的大问题简化为多个小问题。2. 相邻两层间提供清晰的接口，使得上层子系统不必关心下层子系统怎么做的等具体细节。103.1.2 分层体系结构分层体系结构n总的来说，协议是不同机器对等层之间的通信约定，而接口是同一机器相邻层之间的约定。不同的网络，它们分层的数量、各层的名称和功能，以及协议可能不相同。n每一层
5、都向它的上一层提供一定的服务，同时可使用下层提供的服务。n我们把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络体系结构网络体系结构。n要注意的是，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，模块可以任意拼装或者并行，而层次一定有上下之分，它是依据数据的流动而产生的。组成不同机器对等层的实体称为对等对等进程进程（peer process）。对等进程不一定是相同的程序，但其功能必须完全一致，且采用相同的协议。113.2 ISO/OSI参考模型和参考模型和TCP/IP参考模型参考模型n最初期，网络系统结构差异较大n国际标准化组织ISO提出开放式开放式系统互联参考模型系统互联参考模型OSI/RM（O
6、pen System Interconnection /Reference Model），一般简称为OSI模型。nOSI模型将计算机网络分为7层。当初这样分层所采纳的基本原则是：每一层都应该执行一个明确定义的功能；应尽可能减少层与层之间传递的信息量；层数应该足够多，保证不同的功能不会混杂在同一层中，但同时层数又不能太多，以免网络体系结构变得过于复杂。要注意的是，OSI参考模型本身并不是一个网络体系结构，因为它没有定义每一层的服务和所用的协议，它只是说明了每一层应实现的功能。123.2 ISO/OSI参考模型和参考模型和TCP/IP参考模型参考模型133.3 五层五层网络体系结构网络体系结构14
7、3.3 五层网络体系结构五层网络体系结构n第一层：物理层第一层：物理层物理层关注在一条通信信道上如何透明地传送比特流。它主要规定使用什么样的电信号来表示0和1、接收方如何识别出发送方发送的比特、传输是否可在两个方向上同时进行、连接如何建立和撤销、连接电缆的插头应当有多少根引脚以及每个引脚的用途等。n第二层：数据链路层第二层：数据链路层数据链路层的主要任务是在两个相邻节点之间（主机之间、主机和路由器之间或路由器之间）传送数据，并保证数据的正确。为了做到这一点，发送方将上一层网络层传递下来的数据拆分成帧帧（frame），然后顺序发送这些帧。每一帧由数据和必要的控制信息组成。典型的帧长为几百个字节到
8、几千个字节。帧中包含的控制信息使接收端知道一个帧从哪个比特开始到哪个比特结束，还使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。153.3 五层网络体系结构五层网络体系结构n第三层：网络层第三层：网络层网络层负责为网络中的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把上一层传输层产生的数据封装成分组分组或包包（packet）进行传送。网络层的另一个任务是选择合适的路由路由（routing），将数据包从源主机传递到目的主机。除此之外，网络层还需要解决网络拥塞问题、服务质量（延迟、抖动等）问题以及异构网络互联的问题等，其中诸如网络拥塞问题，一般需要与高层协议结合起来综合处理。163.3 五层网络体系结构五层
9、网络体系结构n第四层：传输层第四层：传输层传输层的设计目标是允许源主机和目标主机上的对等实体进行对话，即为两个主机中进程之间的通信提供服务。例如，一台主机上的浏览器进程与另一台主机上的Web服务器进程之间进行通信。图中主机A的用户进程2发送数据包给主机B的进程1。173.3 五层网络体系结构五层网络体系结构n传输层的基本功能是接收来自上一层应用层的数据，在必要的时候把这些数据分割成较小的单元，然后把这些数据单元传递给网络层，并且确保这些数据单元能够正确地到达另一端。n传输层是真正的端到端的层，它负责将数据从源端传送到目标端，即源端主机上的一个程序利用传输层协议与目标端主机上的一个程序进行会话。
10、而在其下面的各层，只涉及一台主机与它的直接邻居的通信，这是因为源主机和目标主机之间可能存在多个中间路由器。n这一层定义了两个端到端的传输协议：（1）传输控制协议传输控制协议（TCP，Transport Control Protocol）：它是一个可靠的、面向连接的协议，数据传输的单位是段段（segment）。它还负责处理流量控制，确保一个快速的发送方不会因发送太多的报文段而阻塞一个慢速的接收方。（2）用户数据报协议用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）：它是一个不可靠的、无连接协议，数据传输的单位是用户数据报用户数据报（User Datagram）。UDP被广泛
11、应用于那些一次性的基于客户机服务器模型的请求应答查询应用，以及那些及时交付比精确交付更加重要的应用，例如语音或视频服务。183.3 五层网络体系结构五层网络体系结构n第五层：应用层第五层：应用层应用层直接为用户的应用进程提供服务（进程是指正在运行的程序）。在TCP/IP参考模型中位于传输层之上的是应用层。TCP参考模型并没有包括OSI参考模型中的会话层和表示层，而是在应用层中包含了所需的会话和表示功能。应用层包含了所有的高层协议，它们是面向用户的各种网络应用所遵守的协议，如早期的远程登录协议（TELNET）、文件传输协议（FTP）、电子邮件协议（SMTP）、域名系统（DNS）、现在广泛使用的万
12、维网超文本传输协议（HTTP）、用于传输数字音频和视频信号的实时传输协议（RTP）等等，第12章将介绍各种网络应用。193.4 数据封装数据封装n附加一些信息到数据上作为头部被称为封装封装（encapsulation），有时在数据尾部附加一些信息也称作封装。203.4 数据封装数据封装n如图所示，网络上的数据传输实际上是各层对等体（所谓对等体是指同一层上双方实现该层功能的软件或硬件或它们的组合）之间在协议控制下的数据交换，所交换的数据块称为协议数据单元协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）。PDU由本层加的头和上层传下来的上层PDU组成。213.5 TCP/IP参考模型与
13、参考模型与OSI参考模型的参考模型的比较比较n相同相同（1）都是分层结构（2）各个层的功能也大致相似（3）传输层及以上各层都为通信进程提供了一种端到端的独立于网络的传输服务（4）最高层都是面向用户的应用层（5）互联网层的功能也类似于网络层223.5 TCP/IP参考模型与参考模型与OSI参考模型的比较参考模型的比较n不同不同（1）首先，它们有着不同的层数，TCP/IP参考模型只有4层，而OSI参考模型有7层，其中除了（互联）网络层、传输层和应用层之外，其他层并不相同。（2）其次，TCP/IP是先有协议，后有模型，TCP/IP参考模型只是已有协议的一个描述而已，它并不适合用于描述其他非TCP/I
14、P协议栈。而OSI参考模型在协议发明之前就已经产生了，这意味着OSI参考模型不会偏向于任何一组特定的协议，它的通用性更好，但也正因为此，它并未确切地描述用于各层的服务和协议。（3）最后，OSI参考模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信，但传输层只支持面向连接的通信。而TCP/IP参考模型在网络层只支持无连接模式，但在传输层同时支持两种通信模式。23第24页 共99页TCP/IP体系体系结构结构与与功能功能习题习题n1. 下列选项中，不属于网络体系结构中所描述的内容是（ ）nA：网络的层次B：每一层使用的协议nC：协议的内部实现细节D：每一层必须完成的功能n2. 在OSI参考模型中，自下而上
15、第一个提供端到端服务的层次是（ ）nA：数据链路层B. 传输层C. 会话层D. 应用层 n3. 为什么绝大多数网络都是按分层或分级的方式设计的？n4. 什么是网络协议？n5. 什么是网络体系结构？n6. 简述服务与协议的区别。n7. 简述OSI参考模型及每层的功能。n8. 简述TCP/IP参考模型及每层的功能。n9. 简述TCP和UDP的主要不同。n10. 为什么OSI参考模型未能得到广泛的应用？25讨论题讨论题n1. 一个系统具有n层协议。应用层产生长度为M字节的报文，在每一层加上长度为h字节的报文头。试问报文头所占的网络带宽比例是多少？n2. 假设实现第k层操作的算法发生了变化，试问这会影响到第k-1和第k+1层的操作吗？如果是第k层提供的服务（一组操作）发生了变化，试问这会影响到第k-1层和第k+1层的服务吗？26实验实验n了解了解TCP/IP协议栈协议栈 n实验目的实验目的：使用Wireshark了解TCP/IP协议栈。n实验内容实验内容n使用Wireshark开始一个捕获会话。通过浏览器打开网页http:/，保存trace文件（方法为点击“File”菜单，选择“save as”，并将文件前缀命名为trace）。n检查trace文件，找到在你的机器和Web服务器之间交换的数据包，并找到属于HTTP协议交换的报文。试分析该报文的协议层次结构，并列出每一层的报文首部结构。27