第三章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)本章重點層次化體系結(jié)構(gòu)：OSI、TCP/IP主要層的功能及相關(guān)協(xié)議物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層10/5/202513.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的背景——網(wǎng)絡(luò)的狀況多種通信媒介——有線、無線、。。。不同種類的設(shè)備——通用、專用、。。。不同的操作系統(tǒng)——Unix、DOS、Windows、。。。不同的應(yīng)用環(huán)境——固定、移動、。。。不同種類業(yè)務(wù)——分時、交互、實時、。。。寶貴的投資和積累——有形、無形、。。。用戶業(yè)務(wù)的延續(xù)性——不允許出現(xiàn)大的跌宕起伏它們互相交織，形成了非常復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境。這種狀態(tài)稱為網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)性。10/5/20252

問題:異質(zhì)環(huán)境中任意兩臺計算機之間如何通信?

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是一種粘合劑，它使這些用不同媒介連接起來的不同設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在不同的應(yīng)用環(huán)境下實現(xiàn)互操作性，并滿足各種業(yè)務(wù)的需求，它營造了一種“生存空間”——任何廠商的任何產(chǎn)品、以及任何技術(shù)只要遵守這個空間的行為規(guī)則，就能夠在其中生存并發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)解決異質(zhì)性問題采用的是分層方法?！褟?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題劃分為若干個較小的、單一的問題，在不同層上予以解決。就像編程時把問題分解為很多小的模塊來解決一樣。10/5/20253層次結(jié)構(gòu)方法要解決的問題1.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有哪些層次？每一層的功能是什么？（分層與功能）2.各層之間的關(guān)系是怎樣的？它們?nèi)绾芜M行交互？（服務(wù)與接口）3.通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸要遵循哪些規(guī)則？（協(xié)議）層次結(jié)構(gòu)方法包括三個內(nèi)容：分層及每層功能，服務(wù)與層間接口，協(xié)議。10/5/20254層次結(jié)構(gòu)方法的優(yōu)點把網(wǎng)絡(luò)操作分成復(fù)雜性較低的單元，結(jié)構(gòu)清晰，易于實現(xiàn)和維護定義并提供了具有兼容性的標準接口使設(shè)計人員能專心設(shè)計和開發(fā)所關(guān)心的功能模塊獨立性強——上層只需了解下層通過層間接口提供什么服務(wù)—黑箱方法適應(yīng)性強——只要服務(wù)和接口不變，層內(nèi)實現(xiàn)方法可任意改變一個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的變化不會影響另外一個區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，因此每個區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)可單獨升級或改造10/5/20255網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的幾個基本概念

協(xié)議：為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換（通信）而建立的規(guī)則、 標準或約定。(=語義+語法+規(guī)則)不同層具有各自不同的協(xié)議。

實體：任何可以發(fā)送或接收信息的硬件/軟件進程。

對等層：兩個不同系統(tǒng)的同名層次。

對等實體：位于不同系統(tǒng)的同名層次中的兩個實體。

協(xié)議是對等實體之間互相交流所使用的語言。

接口：相鄰兩層之間交互的界面，定義相鄰兩層之間的 操作及下層對上層的服務(wù)。

服務(wù)：某一層及其以下各層的一種能力，通過接口提供 給其相鄰上層。10/5/20256各層次要實現(xiàn)的功能封裝和解封裝發(fā)送端在數(shù)據(jù)前加上控制頭，接收端將頭部去掉差錯控制在對等實體之間實現(xiàn)無差錯的通信流量控制對發(fā)送端的發(fā)送速率進行控制，以便接收端來得及接收分段和裝配發(fā)送端把數(shù)據(jù)塊分割成更小的單位分開傳送，接收端收到后再組裝起來復(fù)用和解復(fù)用在一條低層連接上支持多個高層會話連接的管理在傳輸數(shù)據(jù)前建立連接并維護這個連接，數(shù)據(jù)傳送完后釋放連接每層實現(xiàn)以上一種或多種功能10/5/202573.2開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM）OSI/RM國際標準的正式文本是ISO7498OSI體系結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)的不同功能劃分為7層應(yīng)用層Application表示層Presentation會話層session傳輸層transport物理層Physical數(shù)據(jù)鏈路層DataLink網(wǎng)絡(luò)層Network7654321處理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)表示主機間通信進程間的連接尋址和最短路徑介質(zhì)訪問（接入）二進制傳輸10/5/20258比較：TCP/IP是一個事實上的國際標準TCP/IP體系結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)的不同功能劃分為4層應(yīng)用層Application傳輸層transport網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)際層Internetwork4321處理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用端到端的連接尋址和最短路徑(未定義實質(zhì)內(nèi)容,由具體物理網(wǎng)絡(luò)提供相應(yīng)功能)10/5/20259兩個開放系統(tǒng)之間的通信——對等層通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)禁止不同主機的對等層之間的直接通信。(想一想，為什么?)實際上，每一層必須依靠相鄰層提供的服務(wù)來與另一臺主機的對應(yīng)層通信。上層使用下層提供的服務(wù)—Serviceuser下層向上層提供服務(wù)—Serviceprovider以兩個人使用信件進行信息交流為例(見下頁圖)10/5/202510信件內(nèi)容郵件地址貨物地址發(fā)信人郵政局運輸系統(tǒng)信件內(nèi)容郵件地址貨物地址收信人對信件內(nèi)容的共識對信件如何傳遞的共識對貨物如何運輸?shù)墓沧RP3P2P1公路，鐵路，航空對等層通信示例：中德教師之間的對話問題：1、收信人與發(fā)信人之間、郵政局之間，他們是在直接通信嗎？2、郵政局、運輸系統(tǒng)各向誰提供什么樣的服務(wù)？3、郵政局、收發(fā)信人各使用誰提供的什么服務(wù)？郵政局運輸系統(tǒng)10/5/202511P3P2P1對等層通信的實質(zhì)：

對等層實體之間虛擬通信下層向上層提供服務(wù)實際通信在最底層完成右圖給出了對等層通信更一般的抽象。21321物理通信線路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1系統(tǒng)A系統(tǒng)B報文報文10/5/202512在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，對等層協(xié)議之間交換的信息單元統(tǒng)稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU,ProtocolDataUnit)。而傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：應(yīng)用層——報文（Message）傳輸層——數(shù)據(jù)段（Segment）網(wǎng)絡(luò)層——分組（數(shù)據(jù)包）（Packet）數(shù)據(jù)鏈路層——數(shù)據(jù)幀（Frame）物理層——比特（Bit）10/5/202513數(shù)據(jù)封裝一臺計算機要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一臺計算機，數(shù)據(jù)首先必須打包，打包的過程稱為封裝。封裝就是在數(shù)據(jù)前面加上特定的協(xié)議頭部。數(shù)據(jù)協(xié)議頭發(fā)送郵件的例子：信裝入寫有源地址和目的地址的信封中發(fā)送，還要寫明用航空或掛號…。數(shù)據(jù)10/5/202514網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中每一層都要依靠下一層提供的服務(wù)。為了提供服務(wù)，下層把上層的PDU作為本層的數(shù)據(jù)封裝，然后加入本層的頭部（和尾部）。頭部中含有完成數(shù)據(jù)傳輸所需的控制信息。這樣，數(shù)據(jù)自上而下遞交的過程實際上就是不斷封裝的過程。到達目的地后自下而上遞交的過程就是不斷拆封的過程。由此可知，在物理線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其外面實際上被包封了多層“信封”。但是，某一層只能識別由對等層封裝的“信封”，而對于被封裝在“信封”內(nèi)部的數(shù)據(jù)僅僅是拆封后將其提交給上層，本層不作任何處理。10/5/202515數(shù)據(jù)

段頭數(shù)據(jù)

段頭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)頭幀頭

段頭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)頭幀尾數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)包幀比特電脈沖數(shù)據(jù)多層封裝封裝拆封10/5/202516

TCP頭應(yīng)用層數(shù)據(jù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)

TCP頭應(yīng)用層數(shù)據(jù)IP頭幀頭

TCP頭應(yīng)用層數(shù)據(jù)IP頭幀尾實際例子：TCP/IP協(xié)議的封裝應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)際層數(shù)鏈層10/5/202517面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)ConnectionOrientedServiceConnectionlessService參考模式電話系統(tǒng)郵政系統(tǒng)特點靜態(tài)分配資源；傳輸前需要建立連接動態(tài)分配資源可靠性提供可靠的報文流服務(wù)不能防止報文的丟失、損壞、重復(fù)和失序?qū)δ康牡刂返囊髢H在連接階段需要完整的目的地址需要為每一個報文提供完整的目的地址適用場合在一段時間內(nèi)向同一目的地發(fā)送大量報文;實時性要求少量零星報文分類及示例1.可靠消息流-文件傳輸2.可靠字節(jié)流-遠程登錄3.可靠的數(shù)據(jù)報-掛號郵件1.數(shù)據(jù)報-廣播/組播2.不可靠連接-數(shù)字化聲音3.請求應(yīng)答-數(shù)據(jù)庫查詢10/5/202518理論與實際相結(jié)合的五層模型OSI/RM太復(fù)雜，不實用TCP/IP未定義數(shù)據(jù)鏈路層和物理層二者結(jié)合——五層協(xié)議的原理體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層Application傳輸層transport數(shù)據(jù)鏈路層DataLink網(wǎng)絡(luò)層Network54321物理層Physical10/5/2025193.3物理層的基本概念用于物理層的協(xié)議也常稱為物理層規(guī)(procedure)可以將物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： （1）機械特性。 （2）電氣特性。 （3）功能特性。 （4）規(guī)程特性。10/5/202520EIA-232-EIA-232-c是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的著名物理層標準。EIA-232是DTE與DCE之間的接口標準。DTE(DataTerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設(shè)備。數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)。DCE的作用就是在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。DTE通過DCE與通信傳輸線路相連，如圖所示。是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的著名物理層標準。10/5/20252110/5/20252210/5/2025233.4數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能歸納如下：（1）鏈路管理數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放就叫做鏈路管理。（2）幀同步（3）流量控制(flowcontrol)（4）差錯控制（5）將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開（6）透明傳輸（7）尋址10/5/2025243.4.2數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議1.面向字符型鏈路協(xié)議非常簡單的點對點協(xié)議PPP(Point-to-PointProtocol)。2.面向比特型鏈路協(xié)議面向比特的鏈路控制規(guī)程HDLC10/5/2025251.HDLC概述HDLC可適用于鏈路的兩種基本配置，即非平衡配置與平衡配置。非平衡配置的特點是由一個主站(primarystation)控制整個鏈路的工作。主站發(fā)出的幀叫做命令(command)。受控的各站叫做次站或從站(secondarystation)。次站發(fā)出的幀叫做響應(yīng)(response)。在多點鏈路中，主站與每一個次站之間都有一個分開的邏輯鏈路。10/5/2025262HDLC的幀結(jié)構(gòu)1．各字段的意義數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送是以幀為單位的。一個幀的結(jié)構(gòu)具有固定的格式，如圖所示。10/5/20252710/5/202528FCS：幀檢驗序列，一般采用CRC校驗。實現(xiàn)在物理媒體上透明地傳送原始比特流。不同層具有各自不同的協(xié)議。使設(shè)計人員能專心設(shè)計和開發(fā)所關(guān)心的功能模塊多路訪問協(xié)議所關(guān)心的問題：封裝就是在數(shù)據(jù)前面加上特定的協(xié)議頭部。識別并證實目的通信方的可用性DTE(DataTerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設(shè)備。-介質(zhì)訪問控制子層(MediaAccessControl，MAC)TCP/IP網(wǎng)際層的四個主要協(xié)議定義并提供了具有兼容性的標準接口問題：廣播鏈路如何解決訪問沖突問題？在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，對等層協(xié)議之間交換的信息單元統(tǒng)稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU,ProtocolDataUnit)。(=語義+語法+規(guī)則)面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)3.3網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層功能概述應(yīng)用層(Application)為用戶的應(yīng)用進程提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)識別并證實目的通信方的可用性使協(xié)同工作的應(yīng)用程序之間實現(xiàn)同步判斷是否為通信過程申請了足夠的資源處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問題，即信息的語義。應(yīng)用層協(xié)議的例子：

遠程登錄協(xié)議Telnet、文件傳輸協(xié)議FTP、超文本傳輸協(xié)議HTTP、域名服務(wù)DNS、簡單郵件傳輸協(xié)議SMTP、郵局協(xié)議POP3等10/5/202529傳輸層(Transport)為信源進程與信宿進程的通信提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；屏蔽各類通信子網(wǎng)的差異，使應(yīng)用層不受通信子網(wǎng)技術(shù)變化的影響。進行數(shù)據(jù)分段并組裝成報文流；提供“面向連接”（虛電路）和“無連接”（數(shù)據(jù)報）兩種服務(wù)；傳輸差錯校驗與恢復(fù)；信息流控制，防止數(shù)據(jù)傳輸過載。10/5/202530數(shù)據(jù)報：無連接的服務(wù)；虛電路：面向連接的服務(wù)數(shù)據(jù)報——每個分組作為一個獨立的信息單位傳送特征：不需要連接，也無需確認完整的網(wǎng)絡(luò)地址（源和目的）——信道利用率低不保證按序到達；每個分組均需進行路由選擇虛電路——傳輸前先建立一條邏輯連接，傳輸結(jié)束后拆除特征：需要建立連接僅在建立連接時需要全網(wǎng)地址，傳輸時用虛電路號按序到達；僅在建立連接時需要路由選擇兩類虛電路：永久虛電路——租用后便永久建立，退租后拆除。交換虛電路——需要通信時建立，通信結(jié)束便拆除。數(shù)據(jù)報與虛電路的概念10/5/202531網(wǎng)絡(luò)層(Network)使主機可以把分組發(fā)往任何網(wǎng)絡(luò)并使分組獨立地傳送到目標主機。提供以下服務(wù)路由選擇和數(shù)據(jù)分組中轉(zhuǎn)流量控制和擁塞控制差錯檢測與恢復(fù)流量統(tǒng)計和記賬10/5/202532路由選擇如何在多條通信路徑中找一條最佳路徑？

依據(jù)：速度,距離(步跳數(shù)),價格,擁塞程度路由表建立與維護靜態(tài)：人工設(shè)置，只適用于小型網(wǎng)絡(luò)動態(tài)：運行過程中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況自動地動態(tài)維護如何生成和維護路由表——路由算法距離向量算法：RIP、CGP等鏈路狀態(tài)算法：OSPF等10/5/202533數(shù)據(jù)鏈路層(DataLink)在物理線路上的兩個相鄰結(jié)點間提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使相鄰結(jié)點間的鏈路對網(wǎng)絡(luò)層呈現(xiàn)為一條無錯的鏈路。所關(guān)心的問題包括：物理地址、鏈路維護；組幀：把數(shù)據(jù)封裝在幀中,按順序傳送；定界與同步：產(chǎn)生/識別幀邊界；差錯恢復(fù)：采用重傳（ARQ）的方法；流量控制：收發(fā)雙方傳輸速率的匹配。10/5/202534廣播式鏈路問題(LANorWireless)有三種類型的“鏈路”:點到點(鏈路兩端各有一個站;如PPP,SLIP)廣播

(共享鏈路或媒體;如,以太網(wǎng),無線LAN,etc.)交換式(如,交換式以太網(wǎng),ATM,etc)點到點鏈路和交換式鏈路不存在訪問沖突問題廣播鏈路的共享性質(zhì)造成了使用時有沖突問題：廣播鏈路如何解決訪問沖突問題？10/5/202535多路訪問控制協(xié)議(MultipleAccessControlprotocol)單一的通信信道兩個或多個結(jié)點同時進行傳輸:產(chǎn)生沖突在某一時刻只有一個結(jié)點能夠發(fā)送成功

多路訪問協(xié)議(MAC協(xié)議)各站點如何共享信道的分布式算法，即決定一個站點何時能夠發(fā)送數(shù)據(jù)多路訪問協(xié)議所關(guān)心的問題：同步還是異步需要其它站點的什么信息魯棒性(例如,若信道出現(xiàn)錯誤怎么辦)性能

10/5/202536MAC協(xié)議的分類有3個主要的MAC協(xié)議類型:信道分割——即多路復(fù)用（WAN常用）把信道分割成小的“片”(時間片(槽)，頻道等)每個結(jié)點分配一個“片”，由該結(jié)點單獨使用隨機訪問（以太網(wǎng)，無線LAN常用）允許沖突沖突后設(shè)法“解決”它“輪流使用”（令牌環(huán)網(wǎng)，F(xiàn)DDI）對信道的訪問實行嚴格的協(xié)調(diào)，防止沖突目標:高效率,公平,簡單,分散控制10/5/202537處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問題，即信息的語義。FCS：幀檢驗序列，一般采用CRC校驗。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)的不同功能劃分為4層層次結(jié)構(gòu)方法包括三個內(nèi)容：分層及每層功能，服務(wù)與層間接口，協(xié)議。次站發(fā)出的幀叫做響應(yīng)(response)。在一條低層連接上支持多個高層會話動態(tài)：運行過程中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況自動地動態(tài)面向比特的鏈路控制規(guī)程HDLC可以將物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：有3個主要的MAC協(xié)議類型:為用戶的應(yīng)用進程提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)廣播式網(wǎng)絡(luò)的鏈路層分為兩個子層：-邏輯鏈路控制(LogicalLinkControl,LLC)-介質(zhì)訪問控制子層(MediaAccessControl，MAC)

解決共享介質(zhì)訪問控制問題。兩種主要的介質(zhì)訪問控制方法： -CSMA/CD-TOKENPASSINGTokenRing和TokenBus10/5/202538鏈路層幀的結(jié)構(gòu)A：地址字段，包括源地址和目的地址 C：控制字段FCS：幀檢驗序列，一般采用CRC校驗。其校驗范圍包括A、C和Data字段CAFCS校驗區(qū)間Data網(wǎng)絡(luò)層的分組被封裝在幀的Data域中10/5/202539物理層(Physical)實現(xiàn)在物理媒體上透明地傳送原始比特流。定義了激活、維護和關(guān)閉終端用戶之間機械的、電氣的、過程的和功能的特性。

數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE、數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCEDTE——用于處理用戶數(shù)據(jù)的設(shè)備。如計算機、路由器。DCE——用于把DTE發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合于在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男问?。如MODEM。

10/5/202540物理層的特性包括：機械特性：物理連接器的尺寸、形狀、規(guī)格電氣特性：信號電平，脈沖寬度，頻率，數(shù)據(jù)傳送速率，最大傳送距離等功能特性：接口引腳的功能作用規(guī)程特性：信號時序，應(yīng)答關(guān)系，操作過程10/5/2025413.4TCP/IP模型TCP/IP起源于美國國防部高級研究規(guī)劃署(DARPA)的一項研究計劃——實現(xiàn)若干臺主機之間的相互通信?，F(xiàn)在TCP/IP已成為Internet上通信的標準。TCP/IP模型包括4個概念層次：應(yīng)用層（application）傳輸層（transport）網(wǎng)際層（internet）網(wǎng)絡(luò)接口（networkinterface）10/5/202542TCP/IP與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系應(yīng)用層表示層會話層傳輸層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層7654321OSI參考模型應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)接口(數(shù)據(jù)鏈路層+物理層)網(wǎng)際層TCP/IP概念層次Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等TCP/IP支持所有標準的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議10/5/202543不能防止報文的丟失、損信息流控制，防止數(shù)據(jù)傳輸過載。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)的不同功能劃分為4層（1）鏈路管理數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放就叫做鏈路管理。TokenRing和TokenBusConnectionOriented層次結(jié)構(gòu)方法包括三個內(nèi)容：分層及每層功能，服務(wù)與層間接口，協(xié)議。解決共享介質(zhì)訪問控制問題。超文本傳輸協(xié)議HTTP、域名服務(wù)DNS、可以將物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的