计算机网络体系结构 (1).ppt
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第10章计算机网络体系结构第第10章计算机网络体系结构章计算机网络体系结构10.1网络体系结构概述10.1网络体系结构概述10.2网络体系结构的几个重要概念10.2网络体系结构的几个重要概念10.3ISO/OSI的参考模型的参考模型10.4TCP/IP网络体系结构网络体系结构10.5TCP/IP模型的特点及其与模型的特点及其与ISO/OSI模型的比较模型的比较第10章计算机网络体系结构10.1网络体系结构概述网络体系结构概述在第9章中，为了更好地了解和研究通信网，我们根据通信网的功能对它的体系结构进行了分层处理，在纵向上将其分为了应用层、传输网和业务网3个层次。
而计算机网络虽然以通信网为基础和核心，但它的任务决定了其体系结构比通信网更为细致和复杂。
这一章我们就对计算机网络的体系结构给予一个系统的介绍。
第10章计算机网络体系结构早在20世纪60年代，计算机系统设计者就提出了计算机网络体系结构的概念，它是指从整个计算机网络系统的角度研究网络的结构特征。
具体来说，就是研究计算机网络的逻辑结构和功能的分配。
其目的是为了使计算机网络系统能够在统一的原则下进行设计、建造、互连、使用和发展。
它提出的问题并不是针对某个网络产品或部件，也不涉及某个具体的网络或系统，以及具体技术上的实现细节，而仅仅从概念上和功能上抽象和概括计算机网络的结构框架。
由于它从全局的观点研究、探讨计算机网络，因此对促进网络的合理化、标准化、通用化、高性能化将产生重要的影响和作用。
第10章计算机网络体系结构目前，常见的网络体系结构实例有IBM公司的（SNA，SystemsNetworkArchitecture），DEC公司的DNA（DigitalNetworkArchitecture），美国国防部的TCP/IP网络体系结构等。
由于不同的网络体系结构互不兼容，使得各种体系结构的计算机网络不能互连，这给计算机网络的发展带来了很多困难。
这一问题受到了国际标准化组织（ISO，InternationalStandardOrganization）的重视，第10章计算机网络体系结构于是，在1977年3月召开的第九次全会上决定成立一个新的技术委员分会（ISO/TC97/SC16）专门研究此课题。
经过几年的努力，1983年ISO/TC97/SC16提出了开放系统互连参考模型OSIRM（OSI，OpenSystemInterconnectReferenceMode）,即著名的ISO7498国际标准。
它采用了抽象化、虚拟化和分层化的方法研究计算机网络的各层功能、接口及协议。
其中，采用抽象化的方法，给出了OSI的参考模型、服务定义和协议规范；第10章计算机网络体系结构基于虚拟化的方法，提出了逻辑通道、虚拟电路、虚拟终端等高度概括与理想的产物，而并未具体到某一器件、装置、程序和组件，这为研究网络体系结构找到了目标和对象；用分层化的方法定义了OSI的七层模型，为进一步开发OSI标准提供了共同的框架。
第10章计算机网络体系结构狭义地讲，网络体系结构就是计算机网络的各层及其协议的集合，网络上的每一层功能都是由该层的协议和服务来实现的。
具体地说，就是为完成计算机之间的通信合作，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次，规定出同等层进程间通信协议和相邻层之间的接口及服务，将这些分层模型、同等层进程通信协议规范和相邻层接口服务规范等的集合统称为计算网络体系结构。
第10章计算机网络体系结构需要强调的是，由于网络体系结构只是精确定义了计算机网络中的逻辑构成及所应完成的功能，至于这些功能究竟是用何种硬件或软件实现并未说明。
这样做是为了促进网络互连的发展，促进计算机网络技术的提高而又不带来副作用。
所以，体系结构只是抽象的，而实现则是具体的，是需要硬件和软件来完成的。
第10章计算机网络体系结构10.2网络体系结构的几个重要概念网络体系结构的几个重要概念10.2.1网络协议在计算机网络中要完成计算机之间的信息传输，就必须遵循它们事先约定好的信息交换规则,这是因为相同的数字信号可携带不同的信息。
我们把在计算机网络中为进行信息（数据）交换而建立的一系列规则、标准或约定称为网络协议。
具体地讲，网络协议包括语法、语义和同步三要素，其中，语法约定了数据和控制信息的格式或结构、编码及信号电平等；第10章计算机网络体系结构语义是为协调完成某种动作或操作而规定的控制和应答信息；同步是对事件实现顺序的详细说明，指出事件的顺序以及速度匹配。
为了减少网络协议的复杂性，网络设计者并不是为所有形式的通信设计一个单一、巨大的协议，而是采用对协议分层的方法设计网络协议。
所谓协议分层就是按照信息的流动过程将网络通信的整体功能分解为一个个的子功能层，位于不同系统上的同等功能层之间按相同的协议进行通信，而同一系统中上下相邻的功能层之间通过接口进行信息传递。
第10章计算机网络体系结构为了便于理解协议分层的概念，我们以两个计算机之间通过通信网络传递邮件的过程为例，具体地说明协议的分层过程和方法。
从宏观上看，甲乙双方只要将信息通过计算机外设输入计算机，然后启动计算机应用程序的邮件发送或接收功能即可完成邮件的传送和交流。
如果对整个通信过程细分的话，根据完成任务的不同，可以将该通信过程划分为以下三个层次（如图101所示）：
第10章计算机网络体系结构图101协议分层实例示意图邮件收发模块通信模块网络接入模块邮件收发模块通信模块网络接入模块DDNISDNX.25第10章计算机网络体系结构第一层次：
提供邮件发送服务。
为了保证该服务的实现，在这一层次上必须首先约定好通信双方邮件的格式、邮件内容所采用的语言文字（即字符）等，以便通信双方能够知道是谁写的信、信中的内容是什么等，我们称此规定的内容为邮件协议。
如果两个计算机所采用的邮件格式或语言文字不同，则邮件发送服务程序必须提供完成邮件格式及文字转换的功能模块。
这一层上只保证邮件的发送和接收，以及彼此双方邮件的识别，我们用邮件收发模块来实现。
至于邮件能否可靠地传递到对方不是这一层所关心的问题而是由下一层来保证的。
第10章计算机网络体系结构第二层次：
提供通信服务，即在两个计算机之间为邮件的传递提供可靠的通信服务，我们用通信模块来完成。
这表明，邮件发送服务的实现是完全建立在通信服务的基础上。
为了保证双方间邮件的可靠传递，在这一层次上必须约定好收发邮件所需的控制、应答信号以及差错控制等信息，我们称此规定的内容为通信协议。
第10章计算机网络体系结构第三层次：
网络接入服务。
由于通信服务的实现是建立在通信网络的基础之上，因此，该层负责完成与通信网络的接口功能。
为此，在这一层次上必须约定好与通信网络连接接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性等，我们称此规定的内容为连接接口协议。
第10章计算机网络体系结构显然，采用协议分层结构的突出特点是：
其一，层的独立性和封装性。
由于每一层都是相对独立的功能模块，只要彼此相邻间的接口所提供的服务不变，那么至于各层的模块如何实现以及如何发生变化或修改，都不会影响其它各层。
它不仅将整个系统设计的复杂程度降低了，而且对系统的维护和管理提供了方便，同时也为在硬件和软件方面适应新技术的发展和更新提供了灵活性。
其二，利于促进标准化。
因为每一层的功能都有精确的定义和说明。
第10章计算机网络体系结构10.2.2网络服务由上述分析可知，网络的协议是作用在不同系统中的同等层间。
为了使同等层间具有通信的能力，在网络的每一层中至少有一个实体。
所谓实体泛指能够发和接收信息的任何东西，它既可以是软件实体（如进程），也可以是硬件实体（如某一接口芯片）。
不同系统上的同一层实体叫对等实体（或同等实体）。
在网络协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够为它相邻的上一层提供服务。
第10章计算机网络体系结构所以，网络服务是指彼此相邻的下层向上层提供通能力或操作而屏蔽其细节的过程。
其中下层是服务提供者，上层是服务用户。
由于网络分层结构中的单向依赖关系，使得网络的底层总是向它的上层提供服务，且每一层的服务又都是借助于它的下层以及以下各层的服务能力。
服务的表现形式是服务原语（比如库函数或系统调用等），即上层是利用下层提供的服务原语通过层间接口的信息交换来使用下层的服务，共有请求、指示、响应、证实四种类型服务原语。
第10章计算机网络体系结构其中请求原语类型（Request）用以使服务用户能从服务提供者那里请求一定的服务，比如，建立连接、发送数据、释放连接、报告状态等；指示原语类型（Indication）用以使服务提供者能向服务用户提示某种状态，如连接指示、输入数据、释放连接指示等；响应原语类型（Response）用以使服务用户能响应先前的指示原语，如接受连接或释放等；证实原语类型（Confirmation）用以使服务提供者能报告先前请求原语请求成功与否。
它们相互作用的关系如图102所示。
第10章计算机网络体系结构图102服务原语间的关系主机1证实原语请求原语服务用户服务提供者Request命令ACK命令指示原语响应原语服务提供者主机2服务用户第10章计算机网络体系结构值得注意的是，协议和服务在概念上是有很大区别的。
首先协议的实现保证了该层能够向它相邻的上一层提供服务，服务用户只能看见服务提供者提供的服务而看不见它的协议，即协议对服务用户是透明的，这就意味着，协议是服务存在的基础，而服务是协议实现的最终体现；其次，协议是“水平”的，而服务是“垂直”的。
从图102中也可以看出它们间的联系和区别。
第10章计算机网络体系结构在同一系统中，相邻层间的实体进行信息交换的地方通常称为服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）。
SAP实际上就是一个逻辑接口，更具体地说，就是为实现层间接口的通信所定义的数据结构，它有唯一地址加以标识。
第10章计算机网络体系结构在网络分层体系结构中，同等层间或相邻层间的数据交换是按数据单元进行的，即约定同等层间按协议数据单元（PDU，ProtocolDataUnit）进行通信；相邻层间按接口数据单元（IDU，InterfaceDataUnit）实施通信；服务数据单元SDU（ServeDataUnit）是服务用户交给服务提供者所传递的数据单位，它只需在同等层的服务用户之间保持一致，而不管在传输过程中经过什么变化。
它们间的联系和区别如图103所示。
第10章计算机网络体系结构图103数据单元间的联系（n1）协议控制信息（n1）SDU（n1）PCI（n1）UD（n1）SDU作为（n1）PDU的用户数据（n1）PDU（n）接口控制信息（n1）PDU作为（n）IDU的接口数据（n）ICI（n）ID（n）IDU（n）SUD（n）PCI（n）UD（n）PDU（n）SAP（n-1）ICI（n-1）ID（n）IDU（n1）（n）（n）（n-1）（n-1）SAP（n-1）SUD第10章计算机网络体系结构从图中可以看到，（n）层实体为了将服务用户的（n+1）SDU传递到对等层（n）层实体的服务用户中，首先给（n+1）SDU外加一些协议控制信息，使之变换成（n+1）PDU，这是因为对等层实体是按协议数据单元通信的。
由于实际数据的流向是穿过发送端系统的各层，并通过对接的传输介质传递到接收端系统中的底层（即物理层），然后再由底层逐层传递，直到与发送端对接的同等层为止。
第10章计算机网络体系结构因此，还必须在（n+1）PDU上外加一些接口控制信息，使之变换成（n）IDU，以便通过相邻层间的接口SAP传递至（n）层。
当数据传递到（n）层后，接口控制信息的作用已经完成。
此时，（n）层最终接收的数据又作为（n-1）层的服务用户数据，即（n）SDU，并借助（n-1）层的网络服务将数据继续向下层传递（这一传递过程常常称为打包过程），即按各同等层间的协议组装数据，直到网络的底层物理层后，通过传输介质传送到接收端。
第10章计算机网络体系结构接收端再按相反的方向由底层向上层逐层传递接收的数据（这一传递过程常常又称为解包过程），即各同等层间按协议解释数据，直到与发方对接的同等层为止。
至此完成了通信双方间的数据传递。
值得注意的是，各类数据单元的大小都是有一定限制的。
所以，在各类数据单元之间转换的过程中，常常需要在发送端对数据进行分段或分块，而在接收端对数据进行合段或合块。
图103仅给出了一对一的转换关系图。
第10章计算机网络体系结构10.2.3面向连接服务与无连接服务从通信的角度看，各层所提供的服务可分为面向连接服务和无连接服务两种。
1.面向连接服务所谓连接是指在同等层的两个对等实体间所设定的逻辑通路。
利用建立的连接进行数据传送或交换的方式称为面向连接的数据传输。
面向连接服务的过程类似于电话通信中电路交换的过程，即需要经历连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。
在网络层中该服务类型称为虚电路服务。
第10章计算机网络体系结构其中“虚”表示在两个服务用户的通信过程中并没有自始至终占用一条端到端的完整物理线路。
这是因为采用分组交换时，通信的链路是按信道逐段占用的，但对服务用户来说，却好像一直占用了一条完整的通信电路。
显然，面向连接服务比较适应数据量大、实时性高的数据传输应用场合。
若两个服务用户之间需要经常进行频繁的数据通信时，则可建立永久虚电路。
类似于建立的专用电话线路，这样可以免除每次通信时的连接建立和连接释放。
第10章计算机网络体系结构2.无连接服务无连接服务的过程类似于电子邮件信件的通信，其特点是：
通信前，同等层的两个对等实体间不需要事先建立连接，通信链路资源完全在数据传输过程中动态地进行分配。
此外，通信过程中，双方并不需要同时处于激活（或工作）状态，如同在信件传递过程中，收件人不必要当时位于目的地一样。
显然，无连接服务的优点是灵活方便，信道的利用率高，特别适合于短报文的传输。
但是，由于通信前事先未建立连接，因此，传递的每个分组信息必须标明源地址和目的地址。
第10章计算机网络体系结构根据服务的质量，无连接服务可分为数据报、证实交付、请求回答三种类型。
其中，数据报是一种不可靠的服务，通信过程类似于一般平信的投递，其特点是不需要接收端做任何响应；证实交付是一种可靠的服务，它要求每一报文的传输都有一个证实应答给发信方的服务用户，不过这个证实来自于收信方的服务提供者而不是服务用户，这就意味着这种证实只能保证报文已经发给目地站，但并不能保证目地站的服务用户已收到该报文；请求应答也是一种可靠的服务，它要求收方的服务用户每收到一个报文就向发方的服务用户发送一个应答报文。
第10章计算机网络体系结构10.3ISO/OSI的参考模型的参考模型ISO/OSI作为计算机网络体系结构模型和开发协议标准的框架，将计算机网络划分为了七个层次（如图104所示）。
它不仅是不同系统互连的体系结构，而且要求支持OSI标准的各大公司按OSI标准制造计算机网络，以便实现网络的互联。
ISO/OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概念清晰，其各层次的主要功能简述如下。
第10章计算机网络体系结构图104ISO/OSI网络参考模型通信子网边界应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层相邻层间按接口通信系统A发送进程同等层间按协议通信系统B接收进程应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层网络数据链路物理网络数据链路物理相邻层间按接口通信每一层向相邻的上层提供服务数据比特流的物理传输第10章计算机网络体系结构10.3.1物理层物理层是处于OSI模型的最低层，它完成相邻节点之间原始比特流的传输。
向它的相邻层数据链路层提供物理连接建立和数据比特流的透明传输服务。
其中，透明是对数据链路层而言的，意指数据比特流经过哪些实际电路传输，又是如何传输等过程细节，数据链路层是一概不知或看不见的。
第10章计算机网络体系结构物理层协议关心的典型问题是：
使用什么样的物理信号来表示数据“1”和“0”？
一位信号的持续时间多长？
是否可同时在两个方向上进行数据传输？
初始的物理连接如何建立以及完成通信后如何终止物理连接？
物理层与传输介质的连接接口（插头和插座）有多少引脚以及各引脚的功能和动作时序等。
第10章计算机网络体系结构物理层的设计主要涉及物理层接口的机械、电气、功能和规程特性，以及物理层接口连接的传输介质等问题。
物理层由两个主要部分组成：
传输介质和连接策略。
典型的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、卫星、微波和无线电波等。
连接策略共有三种形式：
电路交换、报文交换和分组交换。
第10章计算机网络体系结构10.3.2数据链路层1.链路和数据链路链路是一条无源的点到点的信道或物理线路。
数据链路由信道和控制传输的协议组成，如图105所示。
数据链路层最重要的作用就是通过数据链路层协议，在不太可靠的物理介质上实现可靠的数据传输。
第10章计算机网络体系结构图105链路与数据链路示意图链路控制MODEMMODEM数据传输数据链路节点交换机节点交换机链路控制第10章计算机网络体系结构2.数据链路层的功能数据链路层的主要功能有：
实现数据链路的建立、维持和释放的管理；从收到的比特流中区分一帧的开始和结束的功能；控制发送数据的速率与收方接收数据的速率相匹配，即数据的流量控制；数据的检错和纠错控制；在多点连接的情况下，保证每一帧都能传输到通信的对方，并被对方所识别的寻址功能。
这样，数据链路层就把一条有可能出现差错的实际链路转变成为让网络层看起来好像是一条无差错的链路。
数据链路层的控制传输协议分为面向字符型协议和面向位（比特）型协议，后者是数据链路层的主要协议。
第10章计算机网络体系结构10.3.3网络层网络层又称为通信子网层，它为传输层提供端节点间的可靠通信服务。
它的主要功能是为端节点间的数据传输寻找最佳路径，避免拥塞。
以便让传输层可以专注于自己的工作，而不必关心两主机间数据传输过程中的具体细节。
对于由广播信道构成的通信子网，不存在路径选择和拥塞控制问题，因此这种子网的网络层非常简单，甚至可以没有。
第10章计算机网络体系结构由于在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能要经过许多个节点和链路，也可能要经过若干个通过路由器互连的不同通信子网，因此，网络层的控制传输协议规定了网络节点和信道间的标准接口，完成虚拟线路的建立、拆除和网络通信管理。
网络层一般给传输层提供两种类型的接口：
虚电路和数据报，其中，虚电路提供的是面向连接服务，数据报提供的是面向无连接服务。
第10章计算机网络体系结构10.3.4传输层传输层是位于通信子网之上的主机之中，它的主要功能是依据通信子网的特性最佳地利用网络资源，为两端主机的进程之间提供可靠、透明的报文传输服务。
由于传输层为上层提供可靠、有效的网络连接和数据传输服务，因此，使得上面的三个层次不再考虑数据的传输问题。
正因为如此，传输层成为计算机网络体系结构中非常重要的一层。
第10章计算机网络体系结构10.3.5会话层会话层不再参与具体的数据传输控制，但它却对数据传输进行管理，包括在两个端用户间建立、组织和协调一个连接或会话所必需的协议。
会话层的连接是建立在传输层连接的基础上，一个传输连接一次只为一个会话服务，如果传输连接由于一个网络故障而中断，会话层将请求另一个传输连接，从而使会话不致于被中断。
第10章计算机网络体系结构为了便于会话管理，会话层提出了令牌控制、会话同步和事务等方法。
比如会话层通过交换数据令牌管理全双工和半双工的通信，只有获得数据令牌的用户才有权进行发送；在会话过程中，若发生了错误，会话层用户通过在数据流中定义主同步点和次同步点，使得会话实体可返回到一个定义的同步点处，从而避免大的损失；通过会话事务的引入，保证一个会话的完整性和一致性。
第10章计算机网络体系结构10.3.6表示层表示层主要解决用户信息的语法表示（代码和格式）问题，消除网络内部各个实体间的语义差异。
它将预交换的数据从适合于某一用户的抽象语法转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法，为执行通用数据交换功能提供公共通信服务和标准应用接口，如终端格式转换（行长、显示特性、字符集等）、数值计算的通解、正文压缩、数据的加密和解密等，以便使应用层不必关心信息的表示问题。
第10章计算机网络体系结构10.3.7应用层应用层是OSI参考模型的最高层，直接面向用户。
它为用户访问OSI提供手段和服务。
值得注意的是，OSI的应用层并不是要把各种应用进行标准化，它所标准化的是一些应用进程经常使用的功能，以及执行这些功能所要使用的协议。
具体地说，它对应用进程进行了抽象，只保留应用层中与进程间交互有关的那些部分，为网络用户之间的通信提供专用的服务，并建立相关的一系列应用协议。
第10章计算机网络体系结构经过抽象后，应用层将应用服务分为公共应用服务元素（CASE,CommonApplicationServiceElement）和特定应用服务元素（SASE,SpecialApplicationServiceElement）两大部分。
其中，CASE为各应用进程提供公共的服务，其本身由联系控制服务元素、可靠传输服务元素、远程操作服务元素和委托、并发与恢复元素组成。
SASE完成某一方面的特定应用，如文件传输、访问和管理、虚拟终端、作业传送与操作、报文处理系统和目录服务等。
综上所述，ISO/OSI参考模型七层的主要功能可归纳为如表101所示。
第10章计算机网络体系结构表101OSI参考模型各层的主要功能第10章计算机网络体系结构10.4TCP/IP网络体系结构网络体系结构10.4.1TCP/IP协议分层由于Internet已经得到了全世界的承认，因此Internet所使用的TCP/IP协议集自然也就成为当今计算机网络领域中使用最广泛的互联网络体系结构，而OSI参考模型成为对通信功能进行分类的标准模型。
TCP/IP协议分层结构如图106所示。
在Internet所使用的各种协议中，第10章计算机网络体系结构最重要和最著名的协议是传输控制协议（TCP，TransmissionControlProtocol）、用户数据报协议（UDP，UserDataProtocol）和网际协议（IP，InternetProtocol）。
这三种协议一般由网络操作系统内核来实现，用户往往感受不到它们的存在。
第10章计算机网络体系结构从图中可见，TCP/IP协议分层与OSI协议分层的明显区别有两点，其一，无表示层和会话层，这是因为在实际应用中所涉及的表示层和会话层功能较弱，所以，将其内容归并到应用层；其二，无数据链路层和物理层，但有网络接口层，这是因为TCP/IP模型建立的首要目标是实现异构网的互连，所以，在该模型中并未涉及底层网络的技术，而是通过网络接口层屏蔽底层网络之间的差异，向上层提供统一的IP报文格式，以支持不同物理网络之间的互连、互通。
第10章计算机网络体系结构图106TCP/IP网络体系结构应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层（WWWFTPTelnetSMTP等）传输层（TCPUDP协议层）网络互连层（IP协议层）网络接口层（以太网、FDDIX.25ATM等）硬件数据包或数据流消息分组IP数据包数据帧层间传输的数据
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