计算机网络技术基础

任课老师 : 田家华

第 3 章 计算机网络体系结构

本章要点3.1 网络体系结构概述3.2 OSI 七层协议模型3.3 TCP/IP 的体系结构

本章要点：网络体系结构的概念物理层、数据链路层、网络层、传输层、高层的功能TCP/IP体系结构

3.1.1 网络体系结构的概念 高层不需要知道低层是如何实现的，只需要知道低层所提供的服务，以及本层向上层提供的服务，各层独立性强。当任何一层发生变化时，只要层间接口不发生变化，那么这种变化就不会影响到其他层，适应性强。 整个系统已被分解为若干易于处理的部分，这种结构使得一个庞大而又复杂的系统实现和维护起来更容易。每层的功能与所提供的服务都有精确的定义和说明，有利于促进标准化。

邮政服务的层次模型

3.1.2网络协议

网络协议的定义为实现网络通信而建立的关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等方面的一组规则、标准或约定，统称为网络协议(Protocol)

网络协议的三要素

语法：用于确定协议元素的格式，即数据与控制信息的结构和格式。语义：用于确定协议元素的类型，即规定了通信双方需要发出何种控制信息，完成何种动作，以及做出何种应答。定时：用于确定通信速度的匹配和时序，即对事件实现顺序的详细说明。

3.1.2网络协议 TCP/IP协议、 IPX/SPX协议、 NetBEUI协议

3.1.3 OSI参考模型

1 OSI参考模型概述 OSI 参考模型是标准化的、开放式的计算机网络层次结构模型。“开放”的含义是：任何两个遵守 OSI 参考模型和有关标准的系统都可以进行互连。这里的“系统”指的是计算机、终端或其他外部设备等。OSI 参考模型将计算机网络分成了互相独立的7 层，从下到上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层

2 OSI 参考模型中的数据传输过程在 OSI 参考模型中，不同主机对等层之间按相应协议进行通信，同一主机不同层之间通过接口进行通信。除了最底层的物理层是通过传输介质进行物理数据传输外，其他对等层之间的通信均为逻辑通信。在这个模型中，每一层将上层传递过来的通信数据加上若干控制位后再传递给下一层，最终由物理层传递到对方物理层，再逐级上传，从而实现对等层之间的逻辑通信，如图 3-3 所示

图 3-3 OSI 参考模型中的数据传输过程

3.2OSI 七层协议模型3.2.1 物理层 物理层主要涉及在通信信道上传送的原始比特流。它主要

是要保证发送方发送的是比特 1 ，接收方收到的也必须是比特 1 而不能是比特 0 。物理层数据传送的单位是比特。其中一个重要的内容是如何定义比特 0 和 1 ，还有一个比特持续时间的长度、数据传输的方向等问题。这一层的另一个主要任务是：定义各种物理接口的大小和形状、每一个引脚的作用、数据比特的电信号 ( 或光信号 ) 变换和比特级的同步。

物理层的机械特性

规定物理连接器的规格尺寸，插针或插孔的数量和排列情况，相应通信介质的参数和特性等。例如， PC 机上的 COM1 和 COM2 接口称为RS-232 接口，使用的是典型的物理层协议RS-232C 。 RS-232C 的全称是 EIA-RS-232标准， EIA 表示美国电子工业协会， RS 表示推荐标准（ Recommended Standard),232 为编号， C 指修改的版次（在此之前有 RS-232B ， RS-232A）。 RS-232C 之后又经过两次修订，其版次分别为 D 和 E ，由于修改不多，所以普遍使用 RS-232C 这一名称。

物理层的电气特性

电气特性规定了在链路上传输二进制比特流有关的电路特性，如信号电压的高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等，通常包括发送器和接收器的电气特性以及与互连电缆相关的有关规则等。例如， RS-232C 的电气特性规定：逻辑“ 1” 的电平为 -15~-5 V ，逻辑“ 0” 的电平为 +5 ～ +15 V；在码元畸变小于 4％的情况下， DTE 和 DCE 之间最大传输距离为 15 m ，即电缆长度不超过 15 m；通信速率≤ 20 Kb ／ s 。

物理层的功能特性

功能特性规定各信号线的功能或作用。信号线按功能可分为数据线、控制线、定时线和接地线等。例如， RS-232C 的功能特性定义了25 针标准连接器中的 20根信号线，其中 2根地线、 4 根数据线、 11根控制线、 3 根定时信号线、剩下的 5 根信号线没有定义 ( 备用 ) 。

物理层的规程特性

规程特性定义 DTE 和 DCE 通过接口连接时，各信号线进行二进制位流传输的一组操作规程( 动作序列 ) ，如怎样建立、维持和拆除物理连接，全双工还是半双工操作等。

2 DTE 和 DCE

DTE 是具有一定数据处理能力及发送和接收数据能力的设备。 DTE 可以是一台计算机或终端，也可以是各种 I/O 设备。大多数数据处理终端设备的数据传输能力有限，如果将相距很远的两个 DTE 设备直接连接起来，往往不能进行通信，必须在 DTE 和传输线路之间加上一个称为数据电路端接设备 DCE 的中间设备。 DCE 的作用就是在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。典型的 DCE 是与模拟电话线路相连接的调制解调器

DTE通过DCE相连的典型情况

3 EIA-232-D ／ V ． 24接口标准和 RS-449/V.35的信号定义EIA-232D 是美国电子工业协会制定的著名的DTE 和 DCE 之间的物理层接口标准。 RS-232C 成为各国厂家广泛使用的国际标准， 1987 年 1 月， RS-232C经修改后，正式改名为 EIA-232D 。 EIA-232D 接口标准的数据传输速率最高为 20 kb/s ，连接电缆的最大长度不超过 15 m 。

3 EIA-232-D ／ V ． 24接口标准和RS-449/V.35的信号定义

由于 EIA-232D 接口标准受到传输距离和速率的限制， EIA 于 1977年又制定了一个性能更好的新的接口标准 RS-449 ，以便逐步取代旧的 RS-232C 。在 CCITT 建议书中， RS-449 相当于 V.35 。通常 EIA-232D／ V.24 用于一个标准电话线的物理层接口，而 RS-449 ／ V.35 则用于宽带电路，其典型速率为 48~168 kb/s ，用于点到点的同步传输。

4 物理层的网络连接设备

（ 1）中继器 (Repeater)集线器（HUB）信号在通过物理介质传输时或多或少会受到干扰、产生衰减。如果信号衰减到一定的程度，信号将不能识别。因此，采用不同传输介质的网络对网线的最大传输距离都有规定。如果要延伸网络信号的传输距离，就需要安装一个称为“中继器”的设备。

4 物理层的网络连接设备

（ 2 ）集线器（ Hub）集线器具有多个端口，不仅用于集中网络连接，还可以重发数字信号，局域网中最常用的是连接以太网的集线器。

3.2.2数据链路层 1. 数据链路层的功能

数据链路层是将位收集起来，即将物理层传来的“、”信号组成包的格式，也在相邻网络实体之间建立、维持和释放数据链路连接，并传输数据链路服务数据单元。该层完成发送包前的最后封装，以及对到达包的首次检视。该层还负责在传送过程中的侦错和恢复，它将纠错码加到即将发送的包中，并对收到的包计算校验和，不完整以及有缺陷的包在该层都将被丢弃。如果能够判断出有缺陷包的来处，即返回一个错误包。

1. 数据链路层的主要功能 数据链路的管理

数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。 帧同步

帧同步要解决的问题是：接收方如何能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束

2.差错控制 在数据链路层，差错控制主要指错误检测和重传方法。传送帧时可能出现的差错有：位出错，帧丢失，帧重复，帧顺序错。位出错的分布规律及出错位的数量很难限制在预定的简单模式中，一般采用漏检率及其微小的 CRC检错码再加上反馈重传的方法来解决

3. HDLC

HDLC 协议的特点是：不依赖于任何一种字符编码集；实现透明传输的“ 0 比特插入／删除法”易于硬件实现；全双工通信，不必等待确认便可连续发送数据，有较高的数据链路传输效率 ;所有帧均采用 CRC校验；对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重发，传输可靠性高等

3.2.3网络层

1. 网络层的功能 网络层也叫通信子网层，负责网络中两台主机之间的数据交换。由于通信的两台计算机间可能要经过许多个节点，也可能经过多个通信子网，故网络层的任务之一是要选择合适的路径将信息送到目的站，这就是所谓的路由选择。网络层的另一个任务是进行流量控制，以防止网络拥塞引起的网络性能下降

2.虚电路服务与数据报服务

数据报服务则不同，由于数据报服务没有建立虚电路的过程，而每一个发出的分组都携带了完整的目的站的地址信息，因而每一个分组都可以独立地选择路由。在此情况下，没有呼叫建立过程，对于网络用户来说，整个网络好像有许多条不确定的数字管道，所发送出去的每一个分组都可独立地选择一条管道来传送。这样，先发送出去的分组不一定先到达目的站主机。因此，数据报不能保证按发送顺序交付目的站。

3. 路由选择算法

（ 1 ）静态路由算法 最短路由选择：找出源节点到目的节点之间的一条最短路径。扩散式路由选择：从某条线路收到一个数据包后，向除该线路以外的所有线路重复发送收到的数据包。只要有一条信道可用，即能保证数据的可靠传送。集中路由选择：每个网络节点存放一张事先确定好的固定路由表。当数据包到达某节点时，只要根据数据包中的目的地址，即可从固定的路由表中找出相应的路由信息。

（ 2 ）动态路由算法

①分布式路由选择策略：所有节点定期与其他相邻节点交换路由选择信息。每个节点均保存一张以网络中其他节点为索引的路由选择表。通过相邻节点的信息交换来不断修改节点中保存的路由选择表，以反映相邻节点的变化，找出到达目的节点的最佳路径。典型的协议是链路状态路由协议。②集中路由选择策略：在每个节点上存储一张路由表。与属于静态路由算法的集中路由选择的区别在于，这里的集中路由选择策略由网控中心负责定时收集全网状态信息，并生成节点路由表分送到各相应节点。

4.拥塞控制技术

拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。这种现象跟公路网中常见的交通拥挤一样。拥塞控制方法一般有以下三种：缓冲区预分配方法、分组丢弃法和定额控制法。

（ 1 ）缓冲区预分配方法

该法用于虚电路分组交换网中。在建立虚电路时，让呼叫请求分组的途经的节点为虚电路预先分配一个或多个数据缓冲区。若某个节点缓冲器已被占满，则呼叫请求分组另择路由，或者返回一个“忙”信号给呼叫者。这样，通过途经的各个节点为每条虚电路开设的永久性缓冲区 (直到虚电路拆除 ) ，就总能有空间来接纳并转送经过的分组。

（ 2 ）分组丢弃法 该法不必预先保留缓冲区，当缓冲区占满时，将到来的分组丢弃。若通信子网提供的是数据报服务，则用分组丢弃法来防止阻塞发生不会引起大的影响。但若通信子网提供的是虚电路服务，则必须在某处保存被丢弃分组的备份，以便拥塞解决后能重新传送。

（ 3 ）定额控制法

这种方法在通信子网中设置适当数量的称做“许可证”的特殊信息，一部分许可证在通信子网开始工作前预先以某种策略分配给各个源节点，另一部分则在子网开始工作后在网中四处环游。当源节点要发送来自源端系统的分组时，它必须首先拥有许可证，并且每发送一个分组注销一张许可证。

3.2.4 传输层传输层建立在网络层和会话层之间，实质上它是网络体系结构中高低层之间衔接的一个接口层。传输层不仅是一个单独的结构层，还是整个分层体系协议的核心，没有传输层整个分层协议就没有意义。传输层从会话层接受数据，根据需要把数据切成较小的数据片，并把数据传送给网络层，确保数据片正确到达网络层，从而实现两层间数据的透明传送。传输层获得下层提供的服务包括：发送和接收顺序正确的数据块分组序列，并用其构成传输层数据；获得网络层地址，包括虚拟信道和逻辑信道。

传输层的功能 1. 分割与重组数据

在发送方，传输层将会话层来的数据分割成较小的数据单元，并在这些数据单元的头部加上一些相关控制信息后，形成段或报文，报文的头部包含源端口号和目标端口号。在接收方，数据经通信子网到达传输层时，要将各报文原来加上的报文头等控制信息去掉 (拆包 ) ，然后按照正确的顺序进行重组，还原为原来的数据，送给会话层。

2. 按端口号寻址

端点是与网络地址对应的，但是同一端点上可能有许多个应用程序进程，它们在同一时间内进行通信。例如，一个用户正在进行向某一服务器上传文件的进程，另一个用户则可能正在使用该服务器的邮件服务。传输层通过端口号寻址端点上的进程，并使用多路复用技术处理多端口同时通信的问题，如图 3-5 所示。

图 3-5 传输层的多路复用

3. 连接管理面向连接的传输服务要负责建立、维持和释放连接。

4.差错控制和流量控制传输层要向会话层提供可靠的通信服务，避免报文的出错、丢失、延迟时间紊乱、重复、乱序等差错。因此要提供端到端的差错控制：通过这一层传输的数据将由目标端点进行确认，如果在指定的时间内未收到确认信息，源端点将重发数据。此外，为了避免接收方缓冲区溢出，传输层还具有流量控制的作用，以控制发送端口的速率，使其不超过接收端口所能承受的能力。窗口技术是常用的流量控制方法。

3.2.5 会话层

会话层也称为对话层或会晤层。该层利用传输层提供的服务，组织和同步进程间的通信，提供会话服务、会话管理和会话同步等功能。例如，协调会话双方通信时的服务请求和应答 会话层允许不同计算机上的两个用户建立会话关系。允许像传输层那样的普通的数据传送。但会话层也提供在某些应用程序中需要的功能更强的服务。一次会话可能用于允许用户登录到一个远程分时系统或在两台计算机之间传送文件。

1. 会话服务 核心功能：提供连接管理和全双工数据传输的基本功能。协商释放功能：提供有次序的释放服务。同步功能：在会话连接期间提供同步或重新同步。活动管理功能：提供对话活动的识别、开始、结束、暂停和重新开始等。异常报告功能：在会话连接期间提供异常情况报告。

2. 会话控制

从原理上说， OSI 中的所有连接都是全双工的。但许多高层软件为方便起见往往设计成半双工交互式通信。例如，远程终端访问一个数据库管理系统，需发出一个查询，然后等待回答，其结果是要么轮到用户发送，要么轮到数据库发送，保持这种轮换并强制实行的过程就是会话管理。

3. 会话同步

所谓同步就是使会话服务用户对会话的进展情况都有一致的了解，在会话被中断后可以从中断处继续下去，而不必从头恢复会话。会话层通过在传输数据流中插入同步点的机制( 每个同步点都被赋予了同步序号 ) ，可使数据传输因故障而中断后，不必从头开始而仅重传最近一个同步点以后的数据。

3.2.6表示层 表示层的基本功能是对源站点内部的数据结构进

行编码，形成适合于传输的比特流，到了目的站再进行解码，转换成用户所要求的格式并保持数据的意义不变。表示层要解决的问题是，如何描述数据结构并使之与机器无关。

3.2.7 应用层 应用层是 OSI 参考模型的最高层，是用户与网络的接口。应用层通过支持不同应用协议的程序来解决用户的应用需求，如文件传输、远程操作和电子邮件服务等。应用层的作用不是把用户的各种应用进行标准化，而是将应用进程需要的服务、功能及实现这些功能所要求的协议进行标准化，即应用层是直接为用户程序的应用进程提供服务的。

应用层提供的典型服务和协议 FTAM ：提供文件的传输、存取和管理。MHS ：是 ISO 和 ITU-T联合提出的有关电子邮件服务系统的功能模型，源于 CCITT 的 X.400 规范。VTP提供虚拟终端仿真。DS:提供全球分布式管理的目录服务，源于 CCITT的 X.500 规范。该目录服务的树型结构是：国家，单位 ( 或组织 ) ，部门和个人。CMIP ：通用管理信息协议，提供网络管理能力。相关的通用管理信息服务 (CMIS) 定义了访问和控制网络对象、设备以及从对象设备接收状态信息的方法。

3.3 TCP/IP 的体系结构

3.3.1TCP/IP 协议概述TCP/IP 是指传输控制协议 /网际协议，是针对 Internet 开发的一种体系结构和协议标准，其目的在于解决异种计算机网络的通信问题，使得网络在互连时把技术细节隐藏起来，为用户提供一种通用、一致的通信服务。通常所说的 TCP/IP 协议实际上包含了大量的协议和应用，并且由多个独立定义的协议组合在一起，因此更确切地说， TCP/IP 是一个协议族而不是一种协议。

1.TCP/IP体系结构

TCP/IP 不是一个协议，它是一组协议，其中包含了许多通信标准，以便规范网络中计算机的通信和连接。 TCP/IP 体系结构可以分为四个层次，由下向上分别是：网络接口层、互联网络层、传输层和应用层。

2.TCP/IP 协议的特点

TCP/IP 是开放的协议标准。TCP/IP 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网等各种网络环境。TCP/IP 使用统一的网络地址分配方案，使得整个 TCP/IP 设备在网络中只有惟一的地址。TCP/IP 是标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

3. 网络接口层网络接口层与 OSI 参考模型中的物理层和数据链路层相对应。 TCP/IP 由参与互连的各物理网络使用自己的物理层和数据链路层协议，然后与TCP/IP 的网络接口层进行连接。网络接口层在发送端将上层的 IP 数据报封装成帧后发送到网络上；数据帧通过网络到达接收端时，该节点的网络接口层对数据帧拆封，并检查帧中包含的 MAC地址。如果该地址就是本机的MAC地址或者是广播地址，则上传到网络层，否则丢弃该帧。

4. 网际互联层 IP ：用于传输 IP 数据报。ARP 和 RARP ：实现 IP地址和物理地址之间的映射。ICMP ：用于网络互联层上控制信息的产生和接收分析。IGMP ：用于实现组播功能。

5. 传输层

该层负责提供应用程序间 ( 即端到端 ) 的通信。源端的应用进程通过传输层，可以与目的端的相应进程进行直接会话。它包含了 OSI 传输层的功能和 OSI 对话层的某些功能。传输层的核心协议是传输控制协议（ TCP）和用户数据报协议 (UDP) 。TCP 协议是一个面向连接的数据传输协议，它提供数据的可靠传输。 TCP负责 TCP 连接的确立，信息包发送的顺序和接收，防止信息包在传输过程中丢失。

6. 应用层

HTTP（超文本传输协议）FTP（文件传输协议）TELNET（远程登录协议）NNTP（网络新闻传输协议）DNS（域名系统（服务）协议）SNMP（简单网络管理协议）

3.3.2TCP/IP 与 OSI 参考模型的比较

1.TCP/IP 与 OSI 的相似点都是分层的。在同层都确定协议栈 ( 也称簇 ) 的概念。以传输层为分界，其上层都希望由传输层提供( 终 ) 端— ( 终 ) 端的、与网络环境无关的传输服务。传输层的上层都是传输服务的用户，这些用户以信息处理为主导。

2.TCP/IP 与 OSI 的差异 TCP/IP 将网际协议 IP 作为 TCP/IP 的重要组成部分。TCP/IP 对面向连接服务和无连接服务并重。TCP/IP 有较好的网络管理功能。TCP/IP专门建立了 Internet 协议 IP ，用于各种异构网的互连