1、 計算機網絡與通信劉文霞輸配電研究所 第2章 計算機網絡體系結構第2章 計算機網絡體系結構n2.1 概述n2.2 OSI體系結構n2.3 TCP/IP體系結構n2.4 五層體系結構 2.1 概述為什么要建立計算機網絡體系結構為了能夠使不同地理分布、且功能相對獨立的計算機之間實現資源共享，計算機網絡系統需要涉及和解決許多復雜的問題，包括信號傳輸、差錯控制、尋址、數據交換和提供用戶接口等一系列問題。計算機網絡體系結構是我們為簡化這些問題的研究、設計與實現而抽象出來的一種結構模型。采用層次化結構。在層次模型中，往往將系統所要實現的復雜功能分化為若干個相對簡單的細小功能，每一項分功能以相對獨立的方式去

2、實現。這樣就有助于我們將復雜的問題簡化為若干個相對簡單的問題，從而達到分而治之、各個擊破的目的。舉例說明，汽車制造劃分層次的概念舉例 n計算機 1 向計算機 2 通過網絡發送文件。n可以將要做的工作進行如下的劃分。n第一類工作與傳送文件直接有關。n確信對方已做好接收和存儲文件的準備。n雙方協調好一致的文件格式。n兩個計算機將文件傳送模塊作為最高的一層 。剩下的工作由下面的模塊負責。兩個計算機交換文件 文件傳送模塊計算機 1計算機 2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發送把收到的文件交給上層模塊再設計一個通信服務模塊 文件傳送

3、模塊計算機 1計算機 2文件傳送模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信服務模塊再設計一個網絡接入模塊 文件傳送模塊計算機 1計算機 2文件傳送模塊通信服務模塊通信服務模塊網絡接入模塊網絡接入模塊通信網絡網絡接口網絡接口網絡接入模塊負責做與網絡接口細節有關的工作例如，規定傳輸的幀格式，幀的最大長度等。 2.1 概述n計算機網絡體系結構描述了計算機網絡系統的總總體架構體架構，是網絡功能的結構性結構性的劃分。n計算機網絡的層次結構及各層協議的集合統稱計算機網絡的體系結構(Architecture)。具有同樣具有同樣

4、體系結構的計算機網絡才能無縫地互連體系結構的計算機網絡才能無縫地互連。 體系結構就是這個計算機網絡及其部件所應完成的功功能能的精確定義精確定義。 實現實現(implementation)是遵循這種體系結構的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。 體系結構體系結構是抽象的，而實現則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。 2.1 概述n世界上第一個計算機網絡體系結構: IBM公司于1974年提出系統網絡體系結構(SNA)( Digital-Digital-DNA;Honeywell-DSA)DNA;Honeywell-DSA)。n1977年ISO開始研究，1983年形成標準-開放系統互連參

5、考模型(OSI/RM)分為分為七層七層。n1983，ARPANET-TCP/IP體系結構為四個層次四個層次。n五層網絡五層網絡:綜合OSI和 TCP/IP，形成五層體系結構（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層）（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層）。計算機網絡的分層模型 結構模型中的一些基本概念n實體和對等實體（每一層中實現該層功能的軟件或硬件；虛擬傳輸）每一層中實現該層功能的軟件或硬件；虛擬傳輸）n協議和協議數據單元n協議(Protocol)是某一個層次中指導實體之間通信的規則。包含三個方面的要素：n語法(syntax)：格式、數據結構 whatn語義(semantics)

6、：對各元素的解釋，比如鏈路層；控制 hown同步（時序，timing）：順序 whenn協議數據單元(Protocol Data Unit, PDU)由兩部分組成：本層的協議控制信息和用戶數據。n服務、服務訪問點和服務原語nN層實體在N層協議的控制下可以向N+1層實體提供服務(Service)實現N+1層所需要的某種功能服務有如下兩種形式：n面向連接的服務面向連接的服務(Connection-Oriented Service) ： 建立連接，維護連接，拆除連接。優點：可靠性高。像打電話n無連接的服務無連接的服務(Connectionless Service): 像發郵件。不能馬上確認對方是否已

7、經收到， 可靠性也低，不能保證數據的正確傳輸順序。n服務訪問點(Service Access Point, SAP)是上下層實體之間信息交換的接口。n服務原語(Service Primitive)描述提供的服務，定義服務規范，規定通過SAP所必需傳遞的信息。（request-請求下層提供服務 indication-通知上層事件 response-上層對下層實體指示的響應 confirm- 下層實體向上層實體確認，是否完成？） 打電話：撥號請求；鈴響指示；拿起電話響應；振鈴音變通話音確認。關于網絡分層模型的一個類比關于網絡分層模型的一個類比 2.2 OSI體系結構2.2.1 開放系統互連參考模型

8、n層次化結構的好處： 各層之間相互獨立，高層不必更新低層的實現細節，只有 知道低層所提供的服務，以及本層向上層提供的服務即可。 每層都建立在其下層之上，目的是給上層提供服務。 利于實現和維護，某個層次實現細節的變化不會對其它層 次產生影響。 易于標準化：允許多個廠家開發設備。 簡化了網絡的設計與實現，各層只和上下層聯系 （了解數據在源和目的之間的傳輸過程，同時知道設備的用途和使用） 2.2.1 開放系統互連參考模型層號中文名稱英文名稱英文名稱縮寫7應用層application layerA6表示層presentation layerP5會話層session layerS4傳輸層transpor

9、t layerT3網絡層network layerN2數據鏈路層data Link layerDL1物理層physical layerPHn物理層 設備間發送和接收數據，說明設備接口、電壓、速度、電纜 EIA/TIA RSC-232.V.35n數據鏈路層 數據組合成幀；用地址訪問介質，發現錯誤但不糾正；802.2，802.3，HDLCn網絡層 用路由器決定路徑的邏輯尋址。n傳輸層 可靠或不可靠的數據傳輸；數據重傳或糾正；TCP/UDPn應用層 用戶接口，HTTP,FTPn表示層 數據編碼；加密處理等 ASCII,EBCDIC,JPEGn會話層 提供不用應用程序之間的數據區分，QQ,HTTP,F

10、ET 2.3 TCP/IP體系結構TCP/IP模型是由美國國防部創建的，所以有時又稱DOD(Department of Defense)模型，分為四層，分別為網絡訪問層、網際層、傳輸層、應用層。 它是OSI模型之前得產物，沒有嚴格的對應關系。在TCP/IP模型中并不存在與OSI中的物理層和數據鏈路層相對應的部分，相反，由于其主要目的致力于異構網絡連接，所以在OSI中的物理層和數據鏈路層相對應的部分沒做任何限定。 2.3 TCP/IP體系結構TCP/IP 四層協議的表示方法舉例 應用層運輸層網際層網絡接口層主機A主機B路由器網絡 2網絡 1應用層運輸層網際層網絡接口層網際層網絡接口層4321 2

11、.3 TCP/IP體系結構 對應的OSI TCP/IP TCP/IP主要協議高層（57）應用層（application layer）TELNET FTP SMTP HTTP DNS TFTP NFS SNMP傳輸層（4）傳輸層 (transport layer) TCP UDP網絡層（）網際層（internet layer）IGMP互聯網組管理協議 ; ICMP網際控制報文協議 ; IP ; ARP地址解析協議 ; RARP逆向地址解析協議低層（12）網絡接口層 (network interface layer) 可使用各種網絡OSI 與 TCP/IP 不同的地方 2.4 五層體系結構nAnd

12、rew S. Tanenbaum 建議了計算機網絡的五層體系結構。根據Internet的實際情況，以TCP/IP體系結構為基礎，綜合了TCP/IP和OSI兩種體系結構。n自下而上分別為: 物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。ISO/OSI 五層體系結構 TCP/IP 高層（57）應用層（application layer ）應用層傳輸層（4）傳輸層（transport layer）傳輸層網絡層（3）網絡層（network layer）網際層數據鏈路層（2）數據鏈路層（data link layer）網絡接口層物理層（1）物理層（physical layer） 2.4 五層體系結構n五個

13、層次的功能簡述如下：n物理層n為數據鏈路層提供透明的比特流(Bit Stream)傳輸服務，向下與物理媒體相連，規定連接物理媒體的網絡接口規范。n物理層涉及網絡接口機械的、電氣的、功能的和規程的規范。n數據鏈路層n負責在單個鏈路上的節點間傳送稱為幀(Frame)的PDU，在不太可靠的物理鏈路上可以實現可靠的傳輸。n對于廣播鏈路進行鏈路的訪問控制。n為了實現傳輸的可靠性，可以提供流量控制和差錯控制。n提供傳輸透明性。 2.4 五層體系結構n網絡層n負責計算機間的通信，在分組交換網絡上傳送稱為分組或包(Packet)的PDU，從源結點通過中間轉發結點逐跳地(Hop by Hop)將分組傳送到目的結

14、點。n實現網絡互連，路由優化。n傳輸層n負責應用進程間的通信，為兩個應用進程之間提供端到端(End to End)的數據傳輸服務。為應用進程提供一條端到端的邏輯信道, 在源結點和目的結點的兩個傳輸層實體之間，不涉及線路中間的路由器等中間系統。n通信連接，流量控制、擁塞控制和差錯控制。n應用層n對應OSI的高三層，對應TCP/IP的應用層，提供面向用戶的網絡服務。計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2應用進程數據先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層 PDU計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2

15、應用層 PDU 再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2運輸層報文再傳送到網絡層加上網絡層首部，成為 IP 數據報（或分組）計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2IP 數據報再傳送到數據鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數據鏈路層幀計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2數據鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體計算機 1 向計算機 2 發送數據 n應用層(application laye

16、r) 5432154321物理傳輸媒體計算機 1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發送端物理層傳送到接收端物理層計算機 2計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2物理層接收到比特流，上交給數據鏈路層計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數據部分，上交給網絡層計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2網絡層剝去首部，取出數據部分上交給運輸層計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP

17、2AP1計算機 2運輸層剝去首部，取出數據部分上交給應用層計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2應用層剝去首部，取出應用程序數據上交給應用進程計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2我收到了 AP1 發來的應用程序數據！計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2應 用 程 序 數 據應用層首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應 用 程 序 數 據H5應 用 程 序 數 據H4H5

18、應 用 程 序 數 據H3H4H5應 用 程 序 數 據H4運輸層首部H3網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 210100110100101 比 特 流 110101110101計算機 2 的物理層收到比特流后交給數據鏈路層H2T2H3H4H5應 用 程 序 數 據H3H4H5應 用 程 序 數 據計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數據部分交給網絡層H2T2H3H4H5應 用 程 序 數 據H4H5應 用 程 序 數

19、據H3H4H5應 用 程 序 數 據計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2網絡層剝去分組首部后把分組的數據部分交給運輸層H5應 用 程 序 數 據H4H5應 用 程 序 數 據計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2運輸層剝去報文首部后把報文的數據部分交給應用層應 用 程 序 數 據H5應 用 程 序 數 據計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2應用層剝去應用層 PDU 首部后把應用程序數據交給應用進程計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2我收到了 AP1 發來的應用程序數據！2.5 小結 n實體(entity) 表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。 n協議是控制兩個對等實體進行通信的規則的集合。 n在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。n要實現本層協議，還需要使用下層所提供的服務。 n本層的服務