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1、第第2章章 网络体系结构网络体系结构与网络协议与网络协议1本章学习要求本章学习要求：掌握：掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念掌握：掌握：网络体系结构的层次化研究方法网络体系结构的层次化研究方法掌握：掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能参考模型及各层的基本服务功能掌掌握握：TCP/IP参参考考模模型型的的层层次次划划分分、各各层层的的基基本本服服务务功能与主要协议功能与主要协议了解：了解：OSI参考模型与参考模型与TCP/IP参考模型的比较参考模型的比较了了解解：网网络络协协议议标标准准组组织织，RFC文文档档、Internet草草案案与与
2、Internet协议标准的制定协议标准的制定过程过程2本章本章知识点结构知识点结构计算机网络第计算机网络第2章章 网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议32.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念2.1.1 网络协议的概念网络协议的概念网络协议网络协议是是为网络数据交换而制定的规则、约为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；定与标准；网络协议的三要素：网络协议的三要素：语义语义、语法语法与与时序时序；语义语义：用于解释比特流的每一部分的意义；：用于解释比特流的每一部分的意义；语法语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格：语法是用户数据与控制信息的结构与格 式，以及数据出现的顺序
3、的意义；式，以及数据出现的顺序的意义；时序时序：事件实现顺序的详细说明。：事件实现顺序的详细说明。语义表示做什么，语法表示要怎么做，时序表示语义表示做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。做的顺序。4现实社会存在的邮政系统现实社会存在的邮政系统52.1.2 协议、层次、接口与体系结构的概念协议、层次、接口与体系结构的概念 计算机网络的四个重要的概念计算机网络的四个重要的概念：协议（协议（protocol）层次（层次（layer）接口（接口（interface）体系结构（体系结构（architecture）6协议协议（protocol）协议是一种通信规则，要保证邮政通信系统的正常协议是一种通
4、信规则，要保证邮政通信系统的正常和有序地运行，就必须制定和执行各种通信规则。和有序地运行，就必须制定和执行各种通信规则。例：信封的书写例：信封的书写计算机网络第计算机网络第2章章 网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议7层次层次（Layer）层次结构是处理计算机网络问题最基本方法。层次结构是处理计算机网络问题最基本方法。对于一些难以处理的复杂问题，通常是采用分解为若对于一些难以处理的复杂问题，通常是采用分解为若干个容易处理的、小一些的问题，干个容易处理的、小一些的问题，“化整为零，化整为零，分而分而治之治之”的方法去解决。的方法去解决。将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；将总体要实现
5、的很多功能分配在不同层次中；对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；不同的系统分成相同的层次；不同的系统分成相同的层次；对不同系统的同等层有相同的功能；对不同系统的同等层有相同的功能；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。的具体实现方法。计算机网络第计算机网络第2章章 网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议8接口接口（interface）计算机网络第计算机网络第2章章 网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议9接口是同一结点内相邻层之间交换信息的接口是同一结点内相
6、邻层之间交换信息的连接点连接点;如：邮箱如：邮箱同一个结点的相邻层之间存在着明确规定同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务的接口，低层向高层通过接口提供服务;只要接口条件不变、低层功能不变，低层只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。响整个系统的工作。网络体系结构（网络体系结构（network architecture）一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集杂的协议集;网络协议是按网络协议是按层次层次结构来组织的；结构来组织的
7、；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络网络体系结构体系结构；网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；行了精确的定义；体系结构是体系结构是抽象抽象的，的，而实现网络协议的而实现网络协议的技术技术是是具体具体的的。102.1.3 网络体系结构的研究方法网络体系结构的研究方法层次结构研究方法的优点层次结构研究方法的优点：各层之间相互独立各层之间相互独立;灵活性好灵活性好;易于实现和标准化。易于实现和标准化。112.2.1 OSI参考模型的基本概念参考模型的基本概念 2.2.2 OSI参考模型层次划分的主要
8、原则参考模型层次划分的主要原则2.2.3 OSI参考模型各层的功能参考模型各层的功能2.2.4 OSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程2.2 OSI参考模型参考模型 122.2.1 OSI参考模型的基本概念参考模型的基本概念 1、OSI模型的提出模型的提出在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：织是：国际电报与电话咨询委员会国际电报与电话咨询委员会 CCITT，Consultative Committee on International Telegraph and Telephone 国际标准化组织国际标准化组织 IS
9、O，International Standards OrganizationCCITT与与ISO的工作领域是不同的：的工作领域是不同的：CCITT 主要是考虑通信标准的制定主要是考虑通信标准的制定 ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构主要是考虑信息处理与网络体系结构 1974年，年，ISO定义网络互联的定义网络互联的7层框架，即开放系统互连层框架，即开放系统互连（OSI)参考模型参考模型132、OSI参考模型的概念参考模型的概念在在OSI中中 的的“开放开放”是指只要遵循是指只要遵循OSI标准，标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准
10、的其它任何系统进行通信；遵循同一标准的其它任何系统进行通信；参考模型的概念参考模型的概念 定义了开放系统的层次结构、层次间相互关系，定义了开放系统的层次结构、层次间相互关系，及各层所包含的可能的服务。但不涉及接口的及各层所包含的可能的服务。但不涉及接口的具体实现方法。不是一个标准，而是在制定标具体实现方法。不是一个标准，而是在制定标准时使用的准时使用的概念性框架概念性框架。14152.2.2 OSI参考模型层次划分的原则参考模型层次划分的原则：广域网结构与广域网结构与OSIOSI参考模型结构比较参考模型结构比较OSI参考模型层次划分的原则参考模型层次划分的原则：计算机网络第计算机网络第2章章
11、网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议16网中各结点都具有网中各结点都具有相同相同的层次；的层次；不同结点的不同结点的同等层具有相同同等层具有相同的功能；的功能；同一结点内相邻层之间通过同一结点内相邻层之间通过接口接口通信；通信；每每一一层层可可以以使使用用下下层层提提供供的的服服务务，并并向向其其上上层层提提供服务；供服务；不不同同结结点点的的同同等等层层通通过过协协议议来来实实现现对对等等层层之之间间的的通信。通信。2.2.3 OSI参考模型各层的功能参考模型各层的功能1 1、物理层（、物理层（Physical LayerPhysical Layer）：层次：层次：最低层最低层功能功
12、能：利利用用传传输输介介质质为为通通信信的的网网络络结结点点之之间间建建立立、管理和释放物理连接；管理和释放物理连接；实实现现比比特特流流的的透透明明传传输输，为为数数据据链链路路层层提提供供数据传输服务；数据传输服务；数据传输单元数据传输单元：比特（比特（bitbit）。172 2、数据链路层（、数据链路层（Data Link LayerData Link Layer）层次：层次：低层是物理层，相邻高层是网络层低层是物理层，相邻高层是网络层功能：功能：在在物物理理层层提提供供的的服服务务基基础础上上，数数据据链链路路层层在在通通信信的的实实体体间间建建立立数数据据链链路路连连接接；采采用用差
13、差错错控控制制与与流流量量控控制制方方法法，使使有有差差错错的的物物理理线线路路变变成成无无差错的数据链路。差错的数据链路。数数据据传传输输单单元元：以以“帧帧”（frameframe）为为单单位位的的数据包；数据包；183 3、网络层（、网络层（Network LayerNetwork Layer）层层次次：相相邻邻低低层层是是数数据据链链路路层层，高高层层是是传输层传输层功能功能：通过路由选择算法为分组通过通通过路由选择算法为分组通过通信子网信子网选择选择最最适当的路径适当的路径；为数据在结；为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控拥塞控制、网络互连制、网络
14、互连等功能。等功能。数据传输单元数据传输单元：分组分组（packetpacket）194 4、传输层（、传输层（Transport LayerTransport Layer）层次：层次：相邻低层是网络层，高层是会话层相邻低层是网络层，高层是会话层功能功能：向用户提供可靠向用户提供可靠端到端端到端（end-to-end）服务；处理数据包错误、数据包次序，服务；处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；以及其他一些关键传输问题；传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。是计算机通信体系结构中关键的一层。数据传输单元数据
15、传输单元：报文（报文（messagemessage）205 5、会话层（、会话层（Session LayerSession Layer）功能：功能：负责维护两个结点之间会话连接的建立、负责维护两个结点之间会话连接的建立、管理和终止，以及数据的交换。管理和终止，以及数据的交换。6、表示层（、表示层（Presentation Layer）功能：功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；主要包括：数据格式变换、数据加表示方式；主要包括：数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等。密与解密、数据压缩与恢复等。217 7、应用层（、应用层（Applicati
16、on LayerApplication Layer）层次：层次：最高层最高层功能功能:为应用程序提供了为应用程序提供了网络服务网络服务;应用层实现协同工作的应用程序之间的通信过应用层实现协同工作的应用程序之间的通信过程控制。程控制。22232.2.4 OSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程计算机网络第计算机网络第2章章 网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议241.OSI环境（环境（OSI environment）（1 1）包括主机中从应用层到物理层的）包括主机中从应用层到物理层的7 7层与通信子网层与通信子网（2 2）传输介质不包括在内）传输介质不包括在内（3 3）主机）主机A
17、 A、B B若不连入计算机网络中，可不需要有实若不连入计算机网络中，可不需要有实现从物理层到应用层功能的硬件与软件。现从物理层到应用层功能的硬件与软件。（4 4）若应用进程）若应用进程A A要与要与B B交换数据，进程交换数据，进程A A和和B B分别处于分别处于主机主机A A和和B B的本地操作系统控制，不属于的本地操作系统控制，不属于OSIOSI环境。环境。2、OSI环境中数据传输过程环境中数据传输过程计算机网络第计算机网络第2章章 网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议252.3 TCP/IP参考模型参考模型2.3.1 TCP/IP的发展的发展在在TCP/IP协议研究初期，并没有提
18、出参考模型；协议研究初期，并没有提出参考模型；1974年年Kahn定义了最早的定义了最早的TCP/IP参考模型；参考模型；80年代年代Leiner、Clark等人对等人对TCP/IP参考模型进一步的研参考模型进一步的研究；究；TCP/IP协议一共出现了协议一共出现了6个版本，后个版本，后3个版本是版本个版本是版本4、版、版本本5与版本与版本6；目前我们使用的是版本目前我们使用的是版本4，它的网络层，它的网络层IP协议一般记作协议一般记作IPv4；版本版本6的网络层的网络层IP协议一般记作协议一般记作IPv6（或或IPng,IP next generation）；）；IPv6被称为下一代的被称为
19、下一代的IP协议。协议。26TCP/IP协议的特点协议的特点 开放开放的协议标准的协议标准;独立独立于特定的计算机硬件与操作系统；于特定的计算机硬件与操作系统；独立于独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；广域网，更适用于互连网中；统一统一的网络地址分配方案，使得整个的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP 设备在网中都具有唯一的地址；设备在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户 服务。服务。272.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能参考模型各层的功能 1、TCP/I
20、P参考模型的层次参考模型的层次应用层（应用层（application layer）传输层（传输层（transport layer）互联层（互联层（internet layer）主机主机-网络层（网络层（host-to-network layer）28TCP/IP 参考模型与参考模型与 OSI 参考模型的对应关系参考模型的对应关系 292、TCP/IP参考模型各层的功能参考模型各层的功能（1 1）主机）主机-网络层网络层层次：层次：参考模型的最低层参考模型的最低层功能功能:负责通过网络发送和接收负责通过网络发送和接收IP数据报数据报;协议：协议：允允许许主主机机连连入入网网络络时时使使用用多多种
21、种现现成成的的与与流流行行的的协协议议，如如局局域域网网的的Ethernet、令令牌牌网网、分分组组交交换换网网的的X.25、帧中继、帧中继、ATM协议等协议等;充充分分体体现现出出TCP/IP协协议议的的开开放放性性、兼兼容容性性，它它也为也为TCP/IP的成功奠定了基础。的成功奠定了基础。30（2）互联层）互联层相当相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；参考模型网络层无连接网络服务；负责负责将源主机的报文分组发送到目的主机将源主机的报文分组发送到目的主机主主要要功功能能：处处理理来来自自传传输输层层的的分分组组发发送送请请求求；处处理理接接收收的的数数据据报报；处处理理互互联联的的路路由
22、选择、流控与拥塞问题；由选择、流控与拥塞问题；协议：协议：IP协协议议是是不不可可靠靠、无无连连接接的的、提提供供“尽尽力力而而为为”服务的网络层协议。服务的网络层协议。31（3）传输层）传输层功功能能：是是在在互互连连网网中中源源主主机机与与目目的的主主机机的的对对等实体间等实体间建立用于会话的端建立用于会话的端-端连接端连接；协议：协议：传输控制协议传输控制协议TCP和用户数据报协议和用户数据报协议UDP传传 输输 控控 制制 协协 议议（Transport Transport Control Control ProtocolProtocol，TCP）是是一一种种可可靠靠的的面面向向连连接
23、接、面向字节流的协议；面向字节流的协议；用用户户数数据据报报协协议议（User Datagram Protocol，UDP）是一种不可靠的无连接协议是一种不可靠的无连接协议。32（4）应用层）应用层最高层；最高层；应用层协议主要有：应用层协议主要有：远程登录协议远程登录协议 Telnet文件传输协议文件传输协议 FTP简单邮件传输协议简单邮件传输协议 SMTP域名系统域名系统 DNS简单网络管理协议简单网络管理协议 SNMP超文本传输协议超文本传输协议 HTTP33Telnet、FTP、SMTP、DNS、SNMP、HTTP等等TCP、UDPIP允许使用多种协议允许使用多种协议主要协议主要协议3
24、42.4 OSI参考模型与参考模型与TCP/IP参考模型的比较参考模型的比较2.4.1 对对OSI参考模型的评价参考模型的评价（1 1）层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表）层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；（2 2）将将“服务服务”与与“协议协议”的定义相结合，这就使参考模的定义相结合，这就使参考模型结构变得相当复杂，实现起来很困难。型结构变得相当复杂，实现起来很困难。（3 3）寻寻址址、流流控控与与差差错错控控制制在在每每一一层层里里都都重重复复出出现现，降降低低系
25、统效率；系统效率；（4 4）参参考考模模型型的的设设计计更更多多是是被被通通信信的的思思想想所所支支配配，不不适适合合于计算机与软件的工作方式；于计算机与软件的工作方式；总总之之，参参考考模模型型与与协协议议结结构构复复杂杂，实实现现周周期期长长，运运行行效效率率低低，缺缺乏乏市市场场与与商商业业推推动动力力，这这是是它它没没有有能能够够达达到到预预期期目目标标的主要原因。的主要原因。352.4.2 对对TCP/IP参考模型评价参考模型评价在在服服务务、接接口口与与协协议议的的区区别别上上不不很很清清楚楚，一一个个好好的的软软件件工工程程应应该该将将功功能能与与实实现现方方法法区区分分开开，参
26、考模型不适合于其它非参考模型不适合于其它非TCP/IP协议族；协议族；TCP/IP参考模型的主机参考模型的主机-网络层本身并不是实网络层本身并不是实际的一层；它定义了网络层和数据链路层的接际的一层；它定义了网络层和数据链路层的接口。口。物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而而TCP/IP参考模型却没有做到这点。参考模型却没有做到这点。362.5 网络与网络与Internet协议标准组织协议标准组织及管理机构及管理机构 2.5.1 网络协议标准组织网络协议标准组织2.5.2 RFC文档、文档、Internet草案、草案、Internet协议标准协议标准
27、2.5.3 Internet管理机构管理机构372.5.1 网络协议标准组织网络协议标准组织 国际电信联盟国际电信联盟ITU负责电信方面的标准制定，用于国与国之间的负责电信方面的标准制定，用于国与国之间的互联互联国际标准化组织国际标准化组织ISO 组织制定国际标准组织制定国际标准电子工业协会电子工业协会EIA制定了制定了RS-232接口标准接口标准电气与电子工程师协会电气与电子工程师协会IEEE局域网的局域网的802系列标准系列标准382.5.2 RFC文档文档 请求评价请求评价RFC文档从文档从1969年年ARPANET出现时就开出现时就开始存在；始存在；它们是它们是用于用于Internet
28、开发团体的最初的技术文档系开发团体的最初的技术文档系列；列；任何人都可以提交任何人都可以提交RFC文档，但它文档，但它并不是一定会并不是一定会成为标准成为标准，事实上很多，事实上很多RFC 文档都没有实现；文档都没有实现；RFC文档草案对于从事文档草案对于从事Internet技术研究与开发的技术研究与开发的技术人员是获得技术发展状况与动态的技术人员是获得技术发展状况与动态的重要信息重要信息来源来源；读者可以很方便地从相关主机使用读者可以很方便地从相关主机使用FTP、Web和和其它的检索方式获取这些文档。其它的检索方式获取这些文档。www.rfc-editor.org39读读RFC文档时，需要注
29、意的问题文档时，需要注意的问题：一一是是需需要要确确定定它它是是最最新新的的文文档档，二二是是需需要要注注意意RFC文文档的类别；档的类别；所所有有的的RFC文文档档都都要要经经历历评评论论和和反反馈馈过过程程，并并且且在在这这一段时间内它们会被划分为不同的类别；一段时间内它们会被划分为不同的类别；RFC文文档档一一旦旦被被提提交交，IFTF和和IAB组组织织将将审审查查RFC文文档，通过后可以成为一项标准；档，通过后可以成为一项标准；RFC文文档档按按照照它它发发展展与与成成熟熟的的过过程程可可以以分分为为4阶阶段段：Internet草案、建议标准、草案标准、草案、建议标准、草案标准、Int
30、ernet标准。标准。RFC文档文档3种形式：实验性的、信息性或历史性的；种形式：实验性的、信息性或历史性的；一种网络协议可能会出现很多相关的一种网络协议可能会出现很多相关的RFC文档。文档。402.5.3 Internet管理机构管理机构计算机网络第计算机网络第2章章 网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议4242国家科学基金会国家科学基金会NSF Internet协会协会ISOC 任务是与其他组织合作共同完成任务是与其他组织合作共同完成Internet标准与协议的制定标准与协议的制定Internet体系结构委员会体系结构委员会IAB 负责监督负责监督Internet协议体系结构和发展
31、，提供创建协议体系结构和发展，提供创建Internet标准的标准的步骤，管理步骤，管理Internet标准与草案的标准与草案的RFC文档等。文档等。Internet工程任务组工程任务组IETF 提供技术和其他支持。提供技术和其他支持。Internet工程指导委员会工程指导委员会IESG 负责负责IETF活动和标准制定程序的技术管理工作活动和标准制定程序的技术管理工作 Internet研究任务组研究任务组IRTF Internet协会协会ISOC的执行机构的执行机构Internet网络信息中心网络信息中心InterNIC 负责负责Internet域名注册和域名数据库的管理域名注册和域名数据库的管
32、理Internet地址分配授权机构地址分配授权机构IANA 负责组织、监督负责组织、监督IP地址的分配等地址的分配等432.6 一种建议的参考模型一种建议的参考模型 OSI是概念性的框架，大而全，效率很低。是概念性的框架，大而全，效率很低。TCP/IP应用广泛，理论研究相对薄弱。应用广泛，理论研究相对薄弱。采用折中方案，吸取了采用折中方案，吸取了OSI与与TCP/IP参考模型参考模型的优点，包括的优点，包括5层层44小结小结网络协议网络协议是是为网络数据交换而制定的规则、约定与标为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；准；网络体系结构网络体系结构网络层次结构模型与各层协议的集合；网络层次结构模型与各层协议的集合；OSIOSI开放系统互联参考模型采用开放系统互联参考模型采用7 7层结构层结构TCP/IPTCP/IP广泛应用，广泛应用，4 4个层次个层次5 5层建议性参考模型层建议性参考模型45