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1、第第3章章 网络体系结构与网络体系结构与OSI参考模参考模型型3.1网络协议网络协议与网络与网络体系结构体系结构3.2层次划分及其协议层次划分及其协议退出退出1 1、计算机网络体系结构的形成计算机网络体系结构的形成计算机网络体系结构的形成计算机网络体系结构的形成3.1网络协议网络协议与网络与网络体系结构体系结构 相互通信的两个计算机系统必须相互通信的两个计算机系统必须高高度协调工作度协调工作才行，而这种才行，而这种“协调协调”是相当复是相当复杂的。杂的。“分层分层”可将庞大而复杂的问题，转可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就
2、比较易于研究和处理。局部问题就比较易于研究和处理。将复杂的计算机网络进行将复杂的计算机网络进行分层分层设计的方法。设计的方法。1974年年，美美国国的的IBM公公司司宣宣布布了了它它研研制制的的系系 统统 网网 络络 体体 系系 结结 构构 SNA(System Network Architecture)。国际标准化组织国际标准化组织ISO于于1977年成立了专门机年成立了专门机构研究该问题。构研究该问题。1980年就提出一个试图使各种计算机在世年就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放开放系统互连基本参考模型系统互连基本参考模
3、型OSI/RM(Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为，简称为OSI。划分层次的必要性划分层次的必要性划分层次的必要性划分层次的必要性 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议标准或约定即网络协议(network protocol)，简
4、，简称为协议称为协议.2、协议与划分层次、协议与划分层次为为进进行行网网络络中中的的数数据据交交换换而而建建立立的的规规则则、标标准准或或约约定定即即称称为为网网络络协协议议。一一个个网网络络协协议议主主要要由由以以下下三三个个要素组成：要素组成：（1）语法语法，即数据与控制信息的结构或格式；，即数据与控制信息的结构或格式；（2）语语义义，即即需需要要发发出出何何种种控控制制信信息息，完完成成何何种种动作以及做出何种响应；动作以及做出何种响应；（3）同步同步，即事件实现顺序的详细说明。，即事件实现顺序的详细说明。两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层(
5、如如图图2-1所示所示)。两个计算机交换文件两个计算机交换文件两个计算机交换文件两个计算机交换文件 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块再设计一个通信服务模块再设计一个通信服务模块 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入模块再设计一个网络接入模块 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络
6、接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层可以带来如下好处：分层可以带来如下好处：（1）各层之间是独立的。）各层之间是独立的。（2）灵活性好。）灵活性好。（3）结构上可分割开。）结构上可分割开。（4）易于实现和维护。）易于实现和维护。（5）能促进标准化工作。）能促进标准化工作。层数多少要适当层数多少要适当层数多少要适当层数多少要适当 若层数太少，就会使每一层的协若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多层功能的系统工程任
7、务时遇到较多的困难。的困难。3、网络体系结构、网络体系结构 计计算算机机网网络络的的各各层层及及其其协协 议议 的的 集集 合合 称称 为为 网网 络络 体体 系系 结结 构构(architecture)，也也就就是是说说，计计算算机机网网络络的的体体系系结结构构就就是是这这个个计计算算机机网网络络及及其其部部件件所所应应完完成成的的功功能能的的精精确确定定义义。体体系系结结构构是是抽抽象象的的，而而实实现现则则是是具具体体的的，是是真真正正在在运运行行的的计计算算机机硬硬件件和和软软件件。网络体系结构【层，协议，接口】网络体系结构【层，协议，接口】层层：提供某一种或一类服务功能集合的逻辑构造
8、。：提供某一种或一类服务功能集合的逻辑构造。协议协议：为完成该层对等实体间通信所必须遵循的：为完成该层对等实体间通信所必须遵循的规则或标准。规则或标准。接口接口：两个相邻协议层之间交换信息的连接点。：两个相邻协议层之间交换信息的连接点。分层原则：分层原则：（1）功能明确，界限分明）功能明确，界限分明 （2）各层独立稳定）各层独立稳定 （3）接口清晰简洁）接口清晰简洁 （4）层次数量适中）层次数量适中 （5）着眼于标准化）着眼于标准化4、从、从OSI体系结构到原理体系结构体系结构到原理体系结构OSI的的七七层层协协议议体体系系结结构构既既复复杂杂又又不不实实用用，但但其其概概念念清清楚楚，体体系
9、系价价格格低低廉廉，理理论论较较完完整整。TCP/IP的的协协议议现现在在得得到到了了全全世世界界的的承承认认，但但它它实实际际上上并并没没有有一一个个完完整整的的体体系系结结构构。TCP/IP是是一一个个四四层层的的体体系系结结构构，它它包包含含应应用用层层、运运输输层层、网际层和网络接口层。网际层和网络接口层。不同的计算机网络具有不同的网络体系结不同的计算机网络具有不同的网络体系结构。其层次的数量和名字、内容、功能以及相构。其层次的数量和名字、内容、功能以及相邻层间的接口都是不一样的。邻层间的接口都是不一样的。在任何网络中，每一层协议都向它的相邻在任何网络中，每一层协议都向它的相邻的上层协
10、议提供一定的服务。相邻的高层通过的上层协议提供一定的服务。相邻的高层通过使用低层提供的服务完成本层的功能，再向上使用低层提供的服务完成本层的功能，再向上层提供服务。层提供服务。网络体系结构的分层需要最基本的三层：网络体系结构的分层需要最基本的三层：最高层的用户服务层，中间层的网络服务层和最高层的用户服务层，中间层的网络服务层和低层的通信服务层低层的通信服务层但从实质上讲，但从实质上讲，TCP/IP只有三层，即应用层、运只有三层，即应用层、运输层和网际层，因为最下面的网络接口层并没有什么输层和网际层，因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容。具体内容。采用一种原理体系结构，综合采用一种原理体系结
11、构，综合OSI和和TCP/IP的优的优点，它只有五层点，它只有五层(如图如图2-2所示所示)，这样既简洁又能将概，这样既简洁又能将概念阐述清楚。念阐述清楚。计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算
12、机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 应用层应用层(application layer)5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1电信号（或光信
13、号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机 2计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层
14、剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机计算机 1 向计算机向计算
15、机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！计算机计算机 1 向计算机向
16、计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给
17、数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算
18、机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！不要误认为不要误认为不要误认为不要误认为“从计算机从计算机1向计算机向计算机2传送数据时，是传送数据时，是先传送
19、数据部分或尾部，而最后传送首部。先传送数据部分或尾部，而最后传送首部。”在在OSI参考模型中，在对等层次上传送的数据，其参考模型中，在对等层次上传送的数据，其单位都称为该层单位都称为该层的的协议数据单元协议数据单元协议数据单元协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)。5、实体、协议、服务和服务访问点、实体、协议、服务和服务访问点实体实体实体实体(entity)这一名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。协议和服务在
20、概念上是很不一样的。协议和服务在概念上是很不一样的。(1)协协议议的的实实现现保保证证了了能能够够向向上上一一层层提提供供服服务务。本本本本层层层层的的的的服服服服务务务务用用用用户户户户只只只只能能能能看看看看见见见见服服服服务务务务而而而而无无无无法法法法看看看看见见见见下下下下面面面面的的的的协协协协议议议议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。下面的协议对上面的服务用户是透明的。下面的协议对上面的服务用户是透明的。下面的协议对上面的服务用户是透明的。(2)协议是协议是协议是协议是“水平的水平的水平的水平的”，即协议是控制对等实体之间，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但通信的规则。但
21、服务是服务是“垂直的垂直的垂直的垂直的”，即服务是由下层向，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。上层使用下层所提供的服上层通过层间接口提供的。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称中称为为服务原语服务原语服务原语服务原语。在同一系统中相邻两层的实体进行交互在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信即交换信息息)的地方，通常称为的地方，通常称为服务访问点服务访问点服务访问点服务访问点SAP(Service Access Point)。OSI将层与层之间交换的数据的单位称为将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据服务数
22、据服务数据服务数据单元单元单元单元SDU(Service Data Unit)在在任任何何相相邻邻两两层层之之间间的的关关系系可可概概括括为为图图2-4所所示示的的那那样样。在在服服务务提提供供者者的的上上一一层层的的实实体体，也也就就是是“服服服服务务务务用用用用户户户户”，它使用服务提供者所提供的服务。，它使用服务提供者所提供的服务。第 n 层第 n+1 层服 务 用 户协 议交换原语交换原语服 务 用 户提 供 服 务服 务 提 供 者SAPSAP6、面向连接服务与无连接服务面向连接服务与无连接服务从从通通信信的的角角度度看看，各各层层所所提提供供的的服服务务可可分分为为两两大大类类，即
23、即面面向向连连接接的的(connection-oriented)与与无无连连接接的的(connectionless)。1 1）面向连接服务）面向连接服务）面向连接服务）面向连接服务所所谓谓连连接接，就就是是两两个个对对等等实实体体为为进进行行数数据据通通信信而而进进行行的的一一种种结结合合。面面向向连连接接服服务务是是在在数数据据交交换换之之前前，必必须须先先建建立立连连接接。当当数数据据交交换换结结束束后后，则则应应终终止止这这个个连接。连接。面面向向连连接接服服务务具具有有连连接接建建立立、数数据据传传输输和和连连接接释释放放这三个阶段。这三个阶段。面向连接服务在网络层中又称为面向连接服务
24、在网络层中又称为虚电路虚电路服务。服务。2 2）无连接服务）无连接服务）无连接服务）无连接服务在在在在无无无无连连连连接接接接服服服服务务务务的的情情况况下下，两两个个实实体体之之间间的的通通信信不不需需要要先先建建立立好好一一个个连连接接，因因此此其其下下层层的的有有关关资资源源不不需需要要事事先先进进行行预预定定保保留留。这这些些资资源源将将在在数数据据传传输输时时动动态态地进行分配。地进行分配。无无连连接接服服务务的的另另一一特特征征就就是是它它不不需需要要通通信信的的两两个个实体同时是活跃的实体同时是活跃的(即处于激活态即处于激活态)。（1）数据报数据报(datagram)。（2）证实
25、交付证实交付(confirmed delivery)。（3）请求回答请求回答(request-reply)。7、OSI与与TCP/IP体系结构的比较体系结构的比较OSI参考模型中采用了七个层次的体系结构，将原参考模型中采用了七个层次的体系结构，将原理体系结构中的应用层再划分为理体系结构中的应用层再划分为应用层应用层应用层应用层、表示层表示层表示层表示层和和会会会会话层话层话层话层。图图2-5画出了画出了TCP/IP与与OSI这两种体系结构的对比。这两种体系结构的对比。在在一一些些问问题题的的处处理理上上，TCP/IP与与OSI是是很很不不相相同同的。的。（1）TCP/IP一一开开始始就就考考虑
26、虑到到多多种种异异异异构构构构网网网网的的互互连连问问题。题。（2）TCP/IP一一一一开开开开始始始始就就就就对对对对面面面面向向向向连连连连接接接接服服服服务务务务和和和和无无无无连连连连接接接接服服服服务并重。务并重。务并重。务并重。（3）TCP/IP有较好的网络管理功能。有较好的网络管理功能。有较好的网络管理功能。有较好的网络管理功能。在在讨讨论论两两个个主主机机通通过过两两个个网网络络互互连连在在一一起起时时，可可以使用如图以使用如图2-6所示的层次关系。所示的层次关系。协议很复杂协议很复杂 协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。必须非常仔细地
27、检查所设计协议能否应付所有的不利情况。应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。著名的协议举例著名的协议举例 占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜过白军
28、，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定(即即即即100%)100%)取得胜利？取得胜利？取得胜利？取得胜利？明日正午进攻，如何？明日正午进攻，如何？同意收到收到“同意同意”收到：收到“同意”这样的协议无法实现！