1、計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)培訓(xùn)課程1. 計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計算機網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用程序之間或是計算機設(shè)備之間在相互通信時遵循的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)和約定，是通信雙方使用的語言。 這里說的計算機設(shè)備可以是主機、路由器、交換機等，也可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點簡單說，一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則 需要說明的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是需要不斷發(fā)展和完善的隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)內(nèi)容的增加，必須研究和制定新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或修改原有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三個要素 語法，即信息格式，協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的結(jié)構(gòu)或格式，包括哪些字段，字段的作用 語義，某些信息位組合的含義，標(biāo)識通信雙方可以理解的確定的意義，PDU給出何種控制信息、完成何

2、種操作、做出何種響應(yīng)，即各字段中若干二進(jìn)制位0或1的組合代表什么樣的含義 同步（時序），即收、發(fā)雙方能分辨出通信的開始和結(jié)束，哪些動作先執(zhí)行，哪些動作后執(zhí)行。為完成一次通信所需要的不同PDU之間有操作順序規(guī)程。有時同步也稱為規(guī)程語法定義了怎么做，語義定義了做什么，同步時序關(guān)系定義了什么時候做計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的格式PDU 在計算機網(wǎng)絡(luò)中用協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit）描述通信協(xié)議PDU由控制部分和數(shù)據(jù)部分組成控制部分由若干字段組成，表示通信中用到的雙方可以理解和遵循的協(xié)議 2. 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(Network Architecture)是指計算機網(wǎng)

3、絡(luò)各組成部件和各部件所應(yīng)完成功能的精確定義，以及完成這些功能所應(yīng)遵循的各種協(xié)議的總稱。計算機網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，按照人們解決復(fù)雜問題的方法，把計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的功能分到不同的層次上層與層之間用清晰的接口連接不同系統(tǒng)中的同一層構(gòu)成對等層對等層之間通過理解彼此定義好的規(guī)則和約定，完成對等層通信計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)也可定義為網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)模型以及各層協(xié)議的集合。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與人類通信所使用協(xié)議的比較 人們之間的會話也在使用分層的概念，人們只所以感覺不到是因為人們已經(jīng)習(xí)慣了。以兩個人之間的自然語言通信為例，可以認(rèn)為分為三個層次：傳輸層；語言層；知識層 分層的思想把整個網(wǎng)絡(luò)的功能劃分為若干獨立的層次。每層完

4、成獨立的功能。每層功能的實現(xiàn)需要借助下層的服務(wù)來完成，同時向上層提供更高級的服務(wù)。層間通信只能在層間進(jìn)行，不能跨層調(diào)用。分層的好處 “分層”可將龐大而復(fù)雜的問題，轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。主要特點各層之間是獨立的。靈活性好。結(jié)構(gòu)上可分割開。易于實現(xiàn)和維護(hù)。能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層的原則 根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)兩級子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，可以看出層次劃分的輪廓。人們把計算機網(wǎng)絡(luò)的功能劃到5個層次：計算機設(shè)備及端系統(tǒng)和通信子網(wǎng)的連接處，以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與節(jié)點之間的物理連接處，應(yīng)劃分一個層次，用于實現(xiàn)物理連接，稱為物理層，位置在各個節(jié)點上 網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點之間實現(xiàn)可靠的傳

5、輸應(yīng)劃分為一個層次，稱為數(shù)據(jù)鏈路層，位置在相鄰節(jié)點上 源主機節(jié)點和目的主機節(jié)點之間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ芸蓜澐譃橐粋€層次，稱為網(wǎng)絡(luò)層，位置在協(xié)議包傳輸路由經(jīng)過的各個節(jié)點上，傳輸路由從源主機節(jié)點、中間經(jīng)過的節(jié)點，到目的主機節(jié)點在源端節(jié)點到目的端節(jié)點，即兩個通信的計算機設(shè)備之間，為實現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程可靠傳輸所提供的功能劃分為一個層次，稱為運輸層，位置在端節(jié)點上 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間的可靠傳輸可劃分為一個層次，稱為應(yīng)用層，位置在端節(jié)點上 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的服務(wù) 計算機網(wǎng)絡(luò)中的通信服務(wù)有兩種不同類型一種是面向連接服務(wù)(connection-oriented service)另一種是無連接服務(wù)(connectionless

6、 service)計算機網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)類型及應(yīng)用服務(wù)原語 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)用服務(wù)原語描述服務(wù)原語由三部分組成：原語名；原語類型；原語參數(shù)服務(wù)原語的格式為：原語名.原語類型（原語參數(shù)）原語名說明服務(wù)的內(nèi)容原語名和原語類型之間由點進(jìn)行間隔原語類型說明層與層之間信息傳輸?shù)牧飨蛟Z名用大寫字母表示 服務(wù)原語的4種類型原語類型有4種，用小寫字母表示： 請求request ：發(fā)送方希望得到某些服務(wù) 指示indication： 接收方得知某個事件發(fā)生 響應(yīng)response：接收方對某個事件應(yīng)答證實confirm：發(fā)送方得知請求的結(jié)果 服務(wù)原語的圖示網(wǎng)絡(luò)層次接口和數(shù)據(jù)單元 在相鄰層次之間交換信息要遵循一組規(guī)則，這組規(guī)則涉

7、及到一組相關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU、協(xié)議控制信息PCI、接口控制信息ICI、接口數(shù)據(jù)單元IDU、協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU等 協(xié)議和服務(wù)的關(guān)系 服務(wù)和協(xié)議是兩個完全不同的概念服務(wù)要靠協(xié)議來實現(xiàn)，通過服務(wù)原語的描述，可以清晰的給出上、下層接口和對等層之間的聯(lián)系服務(wù)是指某一層向它上一層提供的一組操作命令（服務(wù)原語），它定義了該層可為其用戶執(zhí)行哪些操作，但并不涉及如何實現(xiàn)這些操作。協(xié)議是一組規(guī)則，用來規(guī)定同一層的對等實體間所交換的消息或者分組的格式和含義，這些實體用協(xié)議來實現(xiàn)它們的所定義的服務(wù)。協(xié)議可以自由地改變，但服務(wù)不能改變，因為服務(wù)對上層用戶是可見的。服務(wù)涉及層間的接口，而協(xié)議涉及不同機器上

8、的對等實體間發(fā)送分組。本層的用戶只能看見服務(wù)而無法看見下層的協(xié)議。下面的協(xié)議對上面的用戶是透明的。 協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。服務(wù)是“垂直的”，即服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的。協(xié)議(n + 1)SAPSAP實體(n + 1)服務(wù)提供者第 n 層第 n + 1 層實體(n + 1)服務(wù)用戶實體(n)實體(n)協(xié)議(n)交換服務(wù)原語交換服務(wù)原語對等協(xié)議的通信過程 在發(fā)送端協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU經(jīng)過從上層向下層的封裝到達(dá)對方后，再經(jīng)由底層向上，每一層去掉協(xié)議頭，稱為拆包，此時相當(dāng)于對等層彼此理解 3. 開放系統(tǒng)互連OSI參考模型國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO在1974年制定的O

9、SI開放系統(tǒng)互連參考模型分為7個層次框架OSI模型本身不是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)容它并未確切描述用于各層的協(xié)議和服務(wù)，僅是告訴每一層應(yīng)該做什么OSI的國際標(biāo)準(zhǔn)號為ISO 7498 開放系統(tǒng)互連OSI圖示OSI參考模型的結(jié)構(gòu) OSI參考模型采用3級抽象：體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)定義、協(xié)議規(guī)范OSI參考模型體系結(jié)構(gòu)是作為一個框架來組織和協(xié)調(diào)各層協(xié)議的制定，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)程說明比較精練 服務(wù)定義詳細(xì)地說明各層提供的服務(wù)，提供的服務(wù)與這些服務(wù)的具體實現(xiàn)無關(guān) 協(xié)議規(guī)范給出一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則OSI參考模型各層的功能 物理層：對等物理層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元為比特流。物理層協(xié)議用4個特性描述和定義數(shù)據(jù)鏈路層：涉及到相鄰節(jié)點之

10、間可靠傳輸，需要完成的功能有鏈路管理、成幀、差錯控制、流量控制和丟失等網(wǎng)絡(luò)層：涉及到源節(jié)點到目的訪問節(jié)點之間可靠的傳輸，是通信子網(wǎng)的最高層次，需要完成的功能包括路由選擇，網(wǎng)絡(luò)尋址、網(wǎng)絡(luò)互連等運輸層：涉及到端（主機）到端（主機）之間可靠的運輸，起著承上啟下的作用，為高層屏蔽掉下面通信子網(wǎng)的差異 會話層：允許主機上的用戶建立會話關(guān)系，在一次會話連接中可以有多個會話內(nèi)容單元，提供會話同步表示層：關(guān)心所傳輸數(shù)據(jù)信息的格式定義，即信息的語法和語義應(yīng)用層：為應(yīng)用進(jìn)程提供訪問計算機網(wǎng)絡(luò)的途徑，構(gòu)成不同的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元OSI參考模型中的數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)的實際傳輸方向是垂直的但在每一層編程時卻好像是水平理解和

11、傳輸?shù)?DMAC SMACTR協(xié)議封裝（Encapsulation）DataHSenderReceiverSA DASP DPDataTDataOSI中數(shù)據(jù)傳輸L7 dataH6L7 dataL6 dataH5L5 dataH4L4 dataH3L3 dataH2T2L7 dataH6L7 dataL6 dataH5L5 dataH4L4 dataH3L3 dataH2T2Transmission mediumData flowSenderReceiverAPSTNDLPhOSI獲得了一些理論成果，但在市場化方面卻失敗了OSI失敗的原因包括：OSI 的專家們?nèi)狈嶋H經(jīng)驗，在完成 OSI 標(biāo)準(zhǔn)時

12、沒有商業(yè)驅(qū)動力；OSI 的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復(fù)雜，且運行效率很低；OSI 標(biāo)準(zhǔn)的制定周期太長，因而使得按 OSI 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的設(shè)備無法及時進(jìn)入市場；OSI 的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復(fù)出現(xiàn)。4. TCP/IP協(xié)議參考模型1972年美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Vinton G. Cerf(溫特瑟夫)和Bobert E. Kahn(鮑伯卡恩)進(jìn)行了“網(wǎng)絡(luò)互連項目”研究 。TCP/IP協(xié)議具有的特點是一個開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議蔟，免費使用做到與計算機硬件與操作系統(tǒng)無關(guān)，與特定的網(wǎng)絡(luò)硬件無關(guān)做到與低層通信子網(wǎng)平臺無關(guān)，低層網(wǎng)絡(luò)可以是廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、無線網(wǎng)等提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)邏輯地址IP地址，用于標(biāo)識網(wǎng)

13、絡(luò)中的一個連接，使得異種計算機、異種計算機網(wǎng)絡(luò)互連成為可能運輸層協(xié)議TCP提供可靠的端到端數(shù)據(jù)傳輸，可以屏蔽通信子網(wǎng)的差異。應(yīng)用層協(xié)議內(nèi)容豐富TCP/IP協(xié)議的層次結(jié)構(gòu) TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)為4個層次：網(wǎng)絡(luò)接口層NIL；IP層；TCP層；應(yīng)用層 ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData linkPhysicalTCP/IP協(xié)議簇（ Protocol Suite）TCPUDPIPICMPIGMPARPRARPProtocols defined by the underlying networksSMTPFTPTELNETDNSSNMPN

14、FSRPCTFTPApplicationsTCP/IP協(xié)議簇及聯(lián)系TelnetFTPSMTPSNMPTFTPTCPUDPICMPIPARPEthernet softwareEthernet hardwarePortProtocol IDTypeMAC2321251616961710800H0806HTCP/IP中層次和地址ProcessTCPUDPIP and other protocolsUnderlying physical networksApplication layerTransport layerNetwork layerData link layerPhysical layerP

15、hysical addressIP addressPort addressDomain address網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的捆綁 人們可能會問在具體組網(wǎng)時TCP/IP協(xié)議在哪里呢？TCP/IP協(xié)議與底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間是怎樣聯(lián)系的？在配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時，先配置底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議這需要安裝網(wǎng)卡和網(wǎng)卡驅(qū)動程序再綁定IP層協(xié)議、TCP層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議這些操作可以在相應(yīng)的操作系統(tǒng)中指定所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址等，從而完成整個TCP/IP協(xié)議設(shè)置要清楚網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次綁定的概念綁定是按自底向上的順序進(jìn)行的 OSI與TCP/IP的比較 TCP/IP模型與OSI模型的一個重要區(qū)別是可靠性問題OSI模型在所有各

16、層都進(jìn)行差錯校驗和處理。而TCP/IP僅在TCP層，即僅在端到端進(jìn)行差錯控制五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 應(yīng)用層(application layer) 運輸層(transport layer) 網(wǎng)絡(luò)層(network layer) 數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer) 物理層(physical layer) 數(shù)據(jù)鏈路層5 應(yīng)用層4 運輸層3 網(wǎng)絡(luò)層2 數(shù)據(jù)鏈路層1 物理層5. 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)參考模型局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次與5層體系結(jié)構(gòu)的對應(yīng) 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層的功能 MAC子層用來描述一個具體的LAN，只有看到了MAC，才能知道這是一個什么樣的LAN 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特點 局域網(wǎng)絡(luò)中的通信牽涉到三個方面：進(jìn)程；站點（節(jié)點）；網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程與兩個計算機系統(tǒng)之間應(yīng)用程序聯(lián)系。站點通過網(wǎng)絡(luò)互相連接，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)從一個站點傳輸?shù)搅硪粋€站點 6. 計算機網(wǎng)絡(luò)實例ARPANET網(wǎng)絡(luò)X.25網(wǎng)絡(luò)Internet與Internet 2ARPANET網(wǎng)絡(luò)ARPANET是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的里程碑 ARPANET網(wǎng)在1969年建成， 1983年1月TCP/IP協(xié)議成為ARPANET正式協(xié)議， 1990年ARPANET網(wǎng)退出使用，演變?yōu)镮nternetX.25網(wǎng)絡(luò) 分組交換網(wǎng)采用X.25協(xié)議，在交換節(jié)點對分組進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)X.25協(xié)議實際包含了對應(yīng)OSI低3個層次的協(xié)議，是一個通信子網(wǎng)Internet與