ZXR10Ⅰ0104 OSI参考模型Word文档格式.docx
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2.6网络层20
2.6.1逻辑地址21
2.6.2工作在网络层的设备21
2.6.3冲突域与广播域小结22
2.7传输层23
2.7.1面向连接的数据通讯25
2.8高层25
第一章网络概述
知识点
网络的发展历史及分类
网络的拓扑结构
常见的国际标准化组织
一.1网络的定义
网络是为实现某种目的的互连系统。
日常生活中到处可以见到网络的存在，例如公路交通网、无线电话网、互联网等。
本课程中我们研究的范畴的是计算机网络。
计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。
这里的“互连”意味着连接的两台或两台以上计算机能够交互信息，达到资源共享的目的。
而“自治”是指计算机地理上分散、独立工作。
互联网就是一个大型的计算机网络。
计算机网络的这个定义涉及到两方面的内容：
互连的目的是交互信息和资源共享，这些资源的集合称为计算机网络的资源子网。
常见的互联网提供的浏览、文件下载、网络游戏都属于资源子网的范畴。
计算机必须互相连接，并且通信双方需要约定好共同遵循的格式和规范，才能识别对方的计算机语言，实现资源的共享。
通信双方约定并且共同遵守的格式和规范就是协议。
著名的TCP/IP协议就是互联网事实上的标准协议。
为双方提供通信服务的设备和协议的集合称为计算机网络的通信子网。
因此，计算机网络，就是把地理分散的计算机与外设利用通信线路互连成一个系统，从而使众多的计算机可以方便地交互信息，共享资源。
一般来说，计算机网络可以提供以下功能：
数据通信
数据通信是计算机网络的基本功能，用以实现计算机与终端之间或计算机与计算机之间的传递各种信息，将地理上分散的单位和部门通过计算机网络连接起来进行集中管理。
资源共享
利用计算机网络可以共享网络中的各种硬件和软件资源，实现互通有无、分工协作。
可靠性
网络中的计算机可以互为备份，当一台计算机瘫痪后，其他计算机可以接替工作，以提高系统的可靠性。
信息分布处理
对于较大型的综合性信息通过某些算法将数据处理功能交给不同的计算机处理，以达到均衡使用网络资源，实现分布处理的目的。
计算机网络是计算机技术与通信技术的结合的产物，它的出现必将对人们的生活产生深远的影响。
一.2网络发展历史
如图1.21所示，网络的发展历史可划分为三个阶段。
图1.21网络发展历史
第一阶段：
具有通信功能的联机系统―单终端系统与具有通信功能的分时系统－多终端系统。
早期的计算机由于功能不强，体积庞大，是单机运行的，需要用户到机房上机。
为解决不便，人们在远离计算机的地方设置远程终端，并在计算机上增加通信控制功能，经线路连接输送数据进行成批处理这就产生了具有通信功能的单终端联机系统。
1952年，美国半自动地面防空系统（CAGE）的科研人员首次研究把远程雷达或其它测量设备的信息，通过通信线路汇接到一台计算机上，进行集中处理和控制。
60年代初，美国航空公司与IBM联手研究并首先建成了由一台计算机遍布全美2000多个终端组成的美国航空订票（SABRE-1）。
在该系统中，各终端采用多条线路与中央计算机连接。
SABRE-1系统的特点是出现了通信控制器和前端处理机，采用了实时、分时与分批处理的方式，提高了线路的利用率，使通信系统发生了根本变革。
严格意义上讲，第一阶段远程终端与分时系统的主机相连的形式并不能算作计算机网络。
第二阶段：
计算机网络－多机系统。
1969年9月，美国国防部高级研究计划所和十几个计算机中心一起，研制出了ARPA网，该网的目的是将若干大学、科研机构和公司的多台计算机连接起来，实现资源共享。
ARPAnet是第一个较为完善地实现了分布式资源共享的网络。
70年代后期，在全世界已经出现了为数众多的计算机网络，并且各个计算机网络均为封闭状态。
国际标准化组织在1977年开始着手研究网络互连问题，并在不久以后，提出了一个能使各种计算机在世界范围内进行互连的标准框架，也就是开放系统互连参考模型。
第三阶段：
互联网－多网络系统。
互联网是全球范围的计算机网络。
它属于网络－网络的系统，在全球已有几万个网络进行互连。
互联网的发展历史可以追溯到70年代末，由于APRA网的发展，并成功地采用了TCP/IP协议，使网络可以在TCP/IP体系结构和协议规范的基础上进行互连。
1983年，伯克利加州大学开始推行TCP/IP协议，并以APRAnet为主干网络建立了早期的互联网。
进入90年代，互联网进入了高速发展时期，到了21世纪，互联网的应用越来越普及。
互联网已进入我们生活的方方面面。
一.3网络的分类
计算机网络的种类划分方法名目繁多，可以根据连接介质来划分，也可以按照通信协议或覆盖地理范围来划分。
计算机网络按照覆盖的地理范围可以划分为局域网、城域网、广域网，如图1.31所示。
图1.31网络的分类
局域网（LAN）
局域网（LAN）是一个高速数据通信系统，它在较小的区域内将若干独立的数据设备连接起来，使用户共享计算机资源。
局域网的地域范围一般只有几公里。
局域网的基本组成包括服务器、客户机、网络设备和通信介质。
通常局域网中的线路和网络设备的拥有，使用，管理一般都是属于用户所在公司或组织的。
局域网的基本特点是距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠。
城域网（MAN）
MAN是数据网的另一个例子，它在区域范围和数据传输速率两方面与LAN有所不同：
其地域范围从几公里至几百公里，数据传输速率可以从几Kbit/s到几Gbit/s。
MAN能向分散的LAN提供服务。
对于MAN，最好的传输媒介是光纤，因为光纤能够满足MAN在支持数据、声音、图形和图像业务上的带宽容量和性能要求。
广域网（WAN）
广域网主要用于互连局域网，在大范围区域内提供数据通信服务。
广域网覆盖范围几百公里至几千公里，是由终端设备、节点交换设备和传送设备组成的。
一个广域网的骨干网络常采用分布式网络网状结构，在本地网和接入网中通常采用的是树型或星型连接。
广域网的线路与设备的所有权与管理权一般是属于电信服务提供商，而不属于用户。
广域网可以分为：
综合业务数字网（ISDN）、数字数据网（DDN）、X.25分组交换网、帧中继（FrameRelay）、异步传输模式（ATM）。
一.4网络拓扑结构
网络的拓扑可以分为星形网、总线型网、树型网、环形网、分布式网络、复合型网络，如图1.41所示。
图1.41网络拓扑
星型网
每一终端均通过单一的传输链路与中心交换节点相连，具有结构简单，建网容易且易于管理的特点。
缺点是中心设备负载过重，当其发生故障时会导致全网故障。
另外，每一节点均有专线与中心节点相连，使得线路利用率不高，信道容量浪费较大。
树型网
它是一种分层网络，适用于分级控制系统。
树型网的同一线路可以连接多个终端，与星型相比，具有节省线路，成本较低和易于扩展的特点。
缺点是对高层节点和链路的要求较高。
分布式网络
该网络结构是由分布在不同地点且具有多个终端的节点机互连而成的。
网中任一节点均至少与两条线路相连，当任意一条线路发生故障时，通信可转经其它链路完成，具有较高的可靠性。
同时，网络易于扩充。
缺点是网络控制机构复杂，线路增多使成本增加。
分布式网络又称网型网，较有代表性的网型网就是全连通网络。
可以计算，一个具有N个节点的全连通网需要有N（N-1）/2条链路，这样，当N值较大时，传输链路数很大，而传输的链路的利用率较低，因此，在实际应用中一般不选择全连通网络，而是在保证可靠性的前提下，尽量减少链路的冗余和降低造价。
总线型网
它是通过总线把所有节点连接起来，从而形成一条信道。
总线型网络结构比较简单，扩展十分方便。
该网络结构常用于计算机局域网中。
环型网
各设备经环路节点机连成环型。
信息流一般为单向，线路是公用的，采用分布控制方式。
这种结构常用于计算机局域网中，有单环和双环之分，双环的可靠性明显优于单环。
复合型网络
该网络结构是现实中常见的组网方式，其典型特点是将分布式网络与树型网结合起来。
如可在计算机网络中的骨干网部分采用网型网结构，而在基层网中构成星型网络，这样既提高了网络的可靠性，又节省了链路成本。
一.5常见的国际标准化组织
以下标准化组织为网络的发展作出重大的贡献，他们指定和统一了网络的标准，使各个厂家的产品的可以互通：
国际标准化组织（ISO）
国际电信联盟（ITU）
电子电气工程师协会（IEEE）
美国国家标准局（ANSI）
电子工业协会（EIA/TIA）
Internet工程任务组（IETF）
Internet架构委员会（IAB）
Internet上的IP地址编号机构（IANA）
下面分别对这些标准化组织进行简单介绍。
国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）
ISO成立于1947年，是世界上最大的国际标准化专门机构。
ISO的宗旨是在世界范围内促进标准化工作的发展，其主要活动是制定国际标准，协调世界范围内的标准化工作。
ISO标准的制定过程要经过四个阶段，即工作草案（WD：
workingdocument）、建议草案（DP：
draftdocument）、国际标准草案（DIS：
draftinternationalstandard）和国际标准（IS：
internationalstandard）。
国际电信联盟（InternationalTelecommUnion，ITU）
ITU成立于1932年，其前身为国际电报联合会（UTI）。
ITU的宗旨是维护与发展成员国间的国际合作以改进和共享各种电信技术；
帮助发展中国家大力发展电信事业；
通过各种手段促进电信技术设施和电信网的改进与服务；
管理无线电频带的分配和注册，避免各国电台的互相干扰。
其中国际电信联盟－电信标准部（ITU－T）是一个开发全球电信技术标准的国际组织，也是ITU的4个常设机构之一。
ITU-T的宗旨是研究与电话、电报、电传运作和关税有关的问题，并对国际通信用的各种设备及规程的标准化分别制定了一系列建议，具体有：
F系列：
制定有关电报、数据传输和远程信息通信业务
I系列：
制定有关数字网的建议（含ISDN）
T系列：
制定有关终端设备的建议
V系列：
制定有关在电话网上的数据通信的建议。
X系列：
制定有关数据通信网络的建议
电子电气工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）
电子电气工程师协会（IEEE）是世界上最大的专业性组织，其工作主要是开发通信和网络标准。
IEEE制定的关于局域网的标准已经成为当今主流的LAN标准。
美国国家标准局（AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI）
美国在ISO中的代表是ANSI（美国国家标准局），实际上该组织与其名称不相符，它是一个私人的非政府非盈利性组织。
其研究范围与ISO相对应。
电子工业协会（ElectronicIndustriesAssociation/TelecommIndustriesAssociation，EIA/TIA）
电子工业协会（EIA/TIA），该协会曾经制定过许多有名的标准，是一个电子传输标准的解释组织。
EIA开发的RS-232和ES-449标准在今天数据通信设备中被广泛使用。
因特网工程任务组（InternetEngineeringTaskForce，IETF）
IETF成立于1986年，是推动Internet标准规范制定的最主要的组织。
对于虚拟网络世界的形成，IETF起到了无以伦比的作用。
除TCP/IP外，几乎所有互联网的基本技术都是由IETF开发或改进的。
IETF工作组创建了网络路由、管理、传输标准，这些正是互联网赖以生存的基础。
IETF工作组定义了有助于保卫互联网安全的安全标准，使互联网成为更为稳定环境的服务质量标准以及下一代互联网协议自身的标准。
IETF是一个非常大的开放性国际组织，由网络设计师、运营者、服务提供商和研究人员组成，致力于Internet架构的发展和顺利操作。
大多数IETF的实际工作是在其工作组（WorkingGroup）中完成的，这些工作组又根据主题的不同划分到若干个领域（Area），如路由、传输、网络安全等。
互联网架构委员会（InternetArchitectureBoard,IAB）
互联网架构委员会（InternetArchitectureBoard,AB）负责定义整个互联网的架构，负责向IETF提供指导，是IETF最高技术决策机构。
Internet上的IP地址编号机构（IANA）
Internet的IP地址和AS号码分配是分级进行的。
IANA（InternetAssignedNumbersAuthority）是负责全球Internet上的IP地址进行编号分配机构。
按照IANA的需要，将部分IP地址分配给地区级的Internet注册机构IR（InternetRegistry），地区级的IR负责该地区的登记注册服务。
现在，全球一共有3个地区级的IR：
InterNIC、RIPENIC、APNIC，InterNIC负责北美地区，RIPENIC负责欧洲地区，亚太区国家的IP地址和AS号码分配由APNIC管理。
第二章OSI参考模型
OSI参考模型概述
OSI各层的功能
二.1OSI模型概述
ISO/IEC是国际标准化组织和国际电工委员会的英文缩写，它是致力于国际标准的、自愿和非赢利的专门机构。
OSI模型就是基于ISO的建议，作为各种网络层上使用的协议国际标准化。
这一模型被称为ISOOSI开放系统互联参考模型，简称OSI模型。
OSI模型有7层，其分层原则为根据不同层次的抽象的分层，每层都可以实现一个明确的功能，每层功能的制定都有利于明确网络协议的国际标准，层次明确避免各层的功能混乱。
分层的好处是利用层次结构可以把开放系统的信息交换问题分解到一系列容易控制的软硬件模块－层中，而各层可以根据需要独立进行修改或扩充功能，同时，有利于个不同制造厂家的设备互连，也有利于我们学习、理解数据通讯网络。
OSI参考模型中不同层完成不同的功能，各层相互配合通过标准的接口进行通信，如图2.11所示。
图2.11OSI模型
其中：
应用层提供网络应用程序通信接口；
表示层处理数据格式、数据加密等；
会话层建立、维护和管理会话；
传输层建立主机端到端连接；
网络层负责寻址和路由选择；
数据链路层提供介质访问、链路管理等；
物理层提供比特流传输。
应用层、表示层和会话层合在一起常称为高层或应用层，其功能通常是由应用程序软件实现的；
物理层、数据链路层、网络层、传输层合在一起常称为数据流层，其功能大部分是通过软硬件结合共同实现的。
二.2OSI模型层次间的关系
OSI参考模型中层次与层次间的关系是：
每层都利用下一层提供的服务与对等层进行通讯，如图2.21所示。
图2.21OSI模型层次间的关系
例如发送端主机的传输层在数据段头部加入传输层控制信息，封装上层数据后利用网络层提供的服务将数据段发送到对端主机，对端主机的传输层收到数据段后检查其端口号等控制信息，决定将其内部携带的数据部分发送给上层那个应用进程进行处理。
二.3数据封装与解封装
二.3.1数据封装
OSI参考模型中每个层次接收到上层传递过来的数据后都要将本层次的控制信息加入数据单元的头部，一些层次还要将校验和等信息附加到数据单元的尾部，这个过程叫做封装，如图2.31所示。
图2.31数据封装
每层封装后的数据单元（协议数据单元，PDU）的叫法不同，在应用层、表示层、会话层的协议数据单元统称为data（数据），在传输层协议数据单元称为segment（数据段），在网络层称为packet（数据包），数据链路层协议数据单元称为frame（数据帧），在物理层叫做bits（比特流）。
二.3.2数据解封装
当数据到达接收端时，每一层读取相应的控制信息，根据控制信息中的内容向上层传递数据单元，在向上层传递之前去掉本层的控制头部信息和尾部信息（如果有的话）。
此过程叫做解封装，如图2.32所示。
图2.32数据解封装
这个过程逐层执行直至将对端应用层产生的数据发送给本端的相应的应用进程。
二.4物理层
物理层是OSI参考模型的第一层，也是最低层，如图2.41所示。
在这一层中规定的既不是物理媒介，也不是物理设备，而是物理设备和物理媒介相连接时一些描述的方法和规定。
物理层功能是提供比特流传输。
物理层提供用于建立、保持和断开物理接口的条件，以保证比特流的透明传输。
图2.41物理层
物理层协议主要规定了计算机或终端（DTE）与通信设备（DCE）之间的接口标准，包含接口的机械、电气、功能与规程四个方面的特性。
物理层定义了媒介类型、连接头类型和信号类型。
RS232和V.35是同步串口的标准。
IEEE802.3标准定义了Ethernet网物理层常用的接口线缆标准：
10Base-T、100Base-TX/FX、1000Base-T、1000Base-SX/LX。
二.4.1Ethernet/802.3
以太网在物理拓扑结构上可以是总线型的，也可以是星型的，如图2.42所示，但在逻辑拓扑结构中是总线结构。
IEEE802.3u定义了百兆CSMA/CD局域网的标准，即快速以太网。
图2.42Ethernet/802.3
对100Base-TX以太网标准而言，100表示的是100M的速率、Base表示基带传输、TX表示传输介质是双绞线电缆。
二.4.2工作在物理层的设备
HUB工作在物理层，对信号只起简单的再生，放大，除噪声的作用。
通过HUB连接的工作站构成的网络在物理上是星型拓朴结构，但在逻辑上是总线拓朴结构。
所有的工作站通过HUB相连都共享同一个传输媒体，所以所有的设备都处于同一个冲突域，所有的设备都处于同一个广播域，设备共享相同的带宽。
HUB的表示如图2.43所示。
图2.43物理层HUB
注意
对于10M的HUB而言10M是物理带宽，所有连接在这个HUB上的主机共享的有效带宽小于10M，因为以太网中包含冲突等事件产生的协议开销。
二.4.3冲突
以太网使用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带有冲突监测的载波侦听多址访问）机制，当终端数量增多时，冲突也会随之增多。
冲突域：
连接在同一导线上的所有工作站的集合，或者说是同一物理网段上所有节点的集合或以太网上竞争同一带宽的节点集合。
这个域代表了冲突在其中发生并传播的区域，这个区域可以被认为是共享段。
在OSI模型中，冲突域被看作是第一层的概念。
所以一个冲突域中如果主机数量过多会导致过多的冲突存在，消耗有效带宽，导致网络性能下降，甚至造成网络瘫痪。
如图2.44所示。
图2.44CSMA/CD
冲突在以太网中并不是一种故障现象，可以认为冲突机制是以太网所使用的流量控制方式，但过多的冲突就是以太网的故障。
二.5数据链路层
数据链路层是OSI参考模型的第二层，如图2.51所示，它以物理层为基础，向网络层提供可靠的服务。
数据链路层的主要功能就是保证将源端主机网络层的数据包准确无误地传送到目的主机的网络层。
为了保证数据传输的准确无误，数据链路层还负责定义网络拓扑、差错校验、流量控制、帧的顺序控制等。
图2.51数据链路层
数据链路层的作用包括：
定义物理源地址和物理目的地址。
在实际的通讯过程中依靠数据链路层地址在设备间进行寻址。
数据链路层的地址在局域网中是MAC（媒体访问控制）地址，在不同的广域网链路层协议中采用不同的地址，如在FRAMERELAY中的数据链路层地址为DLCI（数据链路连接标识符）。
通过服务访问点（SAP）负责底层协议与网络层协议的通信。
定义网络拓扑结构。
如以太网的总线拓扑结构，交换式以太网的星型拓扑结构，令牌环的环型拓扑结构，FDDI的双环拓扑结构等。
数据链路层通常还进行流量控制，差错验证等。
二.5.1MAC地址
MAC地址为48位2进制数字，前24位由IEEE分配，后24位由厂商自行分配，例如中兴通讯的数据通讯产品的MAC地址的前六位十六进制数是00d0d0。
理论上全世界设备接口的MAC地址是唯一的。
但目前随着3层交换机的使用，这种情况有所变化。
所有MAC地址在同一个局域网中都必需是唯一的。
具有相同MAC地址的两台设备不能在同一链路层中。
具体如下图2.52所示。
图2.52MAC地址
二.5.2工作在数据链路层的设备
工作在数据链路层的典型设备是交换机和网桥。
使用网桥或交换机可以将一个大的冲突域划分成多个小的冲突域，大大提高了网络的性能。
每个端口连接的网段就是一个单独的冲突域。
所有的网段处于同一个广播域。
广播域：
接收同样广播消息的节点的集合，所有能够接收其他广播的节点被划分为同一个逻辑网段。
如图2.53所示。
图2.53数据链路层设备
二.5.3交换机工作原理
网桥与交换机根据数据帧的目的MAC地址决定转发出口，网桥或交换机的每个端口连接的网段就是一个单独的冲突域。
如图2.54所示。
图2.54交换机工作原理
网桥和交换机对接收到的广播数据帧做洪泛的操作，即从除了进入端口外所有其他端口转发。
二.6网络层
网络层是OSI参考模型中的第三层，如图2.61所示，介于传输层与数据链路层之间，在数据链路层提供的两个相邻节点间的数据帧传送功能上，进一步管理网络中的数据通讯，将数据设法从源端经过若干中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务。
网络层的关键技术是路由选择。
图2.61网络层
网络层功能包括：
定义逻辑源地址和逻辑目的地址，提供寻址的方法，连接不同的数据链路层等。
常见的网络层协议包括IP协议，IPX协议与APPLETALK协议等。
二.6.1逻辑地址
网络层使用的地址也叫作逻辑地址。
逻辑地址通常包含两部分，一部分为网络地址，一部分为主机地址。
不同的网络层协议使用不同的编址方式。
如图2.62所示。
图2.62逻辑地址
IP地址是长度为32位2进制的数字，其中网络位与主机位不固定，所以需要采用相同长度的掩码来确定哪些位是网络位，哪些位是主机位。
I
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