1、 计算机网络应用教程计算机网络应用教程第第 3 3 章 计算机网络体系结构章 计算机网络体系结构2011.01 第第 3 章 计算机网络体系结构章 计算机网络体系结构计算机网络系统结构概述1物理层2数据链路层3网络层4传输层5高层6 第第 3 章 计算机网络体系结构章 计算机网络体系结构计算机网络系统结构概述1物理层2数据链路层3网络层4传输层5高层6 3.1.1 网络体系结构网络体系结构1.网络的体系结构及其划分所遵循的原则网络的体系结构及其划分所遵循的原则计算机网络系统是一个十分复杂的系统。分层就是系统分计算机网络系统是一个十分复杂的系统。分层就是系统分解的最好方法之一。一般分层结构中，解
2、的最好方法之一。一般分层结构中，n 层是层是 n-1 层的用层的用户，又是户，又是 n+1 层的服务提供者。层的服务提供者。n+1 层虽然只直接使用了层虽然只直接使用了n 层提供的服务，实际上它通过层提供的服务，实际上它通过 n 层还间接地使用了层还间接地使用了 n-1层以及以下所有各层的服务。层以及以下所有各层的服务。3.1.1 网络体系结构网络体系结构所谓网络的体系结构（所谓网络的体系结构（Architecture）就是计算机网络各）就是计算机网络各层次及其协议的集合。层次结构一般以垂直分层模型来表层次及其协议的集合。层次结构一般以垂直分层模型来表示。示。3.1.1 网络体系结构网络体系结
3、构2.OSI 参考模型参考模型ISO（International Standards Organization）成立于）成立于 1947年，是世界上最大的国际标准化组织。它的宗旨就是促进世界范年，是世界上最大的国际标准化组织。它的宗旨就是促进世界范围内的标准化工作，以便于国际间的物资、科学、技术和经济方围内的标准化工作，以便于国际间的物资、科学、技术和经济方面的合作与交流。面的合作与交流。1977 年，年，ISO 专门建立了一个委员会，在分析和消化已有网络专门建立了一个委员会，在分析和消化已有网络的基础上，考虑到联网方便和灵活性等要求，提出了一种不基于的基础上，考虑到联网方便和灵活性等要求，提
4、出了一种不基于特定机型、操作系统或公司的网络体系结构，即开放系统互联参特定机型、操作系统或公司的网络体系结构，即开放系统互联参考模型考模型 OSI/RM（Open System Interconnection，OSI）。）。OSI 参考模型采用分层结构化技术，将整个网络的通信功能分为参考模型采用分层结构化技术，将整个网络的通信功能分为7 层层。3.1.1 网络体系结构网络体系结构具体的具体的 7 层由低层至高层分别是：物理层、数据链路层、网络层由低层至高层分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。层、传输层、会话层、表示层、应用层。3.1.1 网络体系结构网络体系结构
5、OSI 参考模型各层功能的简单描述如图所示。参考模型各层功能的简单描述如图所示。3.1.1 网络体系结构网络体系结构3.层次结构的数据传递层次结构的数据传递层次结构模型中数据的实际传送过程如图所示。图中发送进程送层次结构模型中数据的实际传送过程如图所示。图中发送进程送给接收进程的数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物给接收进程的数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体；通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的理媒体；通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。传递，最后到达接收进程。3.1.2 网络协议网络协议协议是为进行计算机网络中的数据交
6、换而建立的规则、标准或协议是为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。约定的集合。网络协议的三个要素：网络协议的三个要素：语义（语义（Semantics)。涉及用于协调与差错处理的控制信息。涉及用于协调与差错处理的控制信息。语法（语法（Syntax)。涉及数据及控制信息的格式、编码及信号。涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。电平等。定时（定时（Timing)。涉及速度匹配和排序等。涉及速度匹配和排序等。常见的网络协议主要有：常见的网络协议主要有：TCP/IP、IPX/SPX 和和 NetBEUI（NetBIOS）协议。）协议。语义语义语法语法网络协议网络协议网络协议网
7、络协议定时定时 3.1.3 网络服务网络服务1 服务服务是某层次对上一层是某层次对上一层的支持，属于外观的支持，属于外观的表象。的表象。3协议协议相当于一种工具，相当于一种工具，层次“内部”的功层次“内部”的功能和“对外”的服能和“对外”的服务都是在本层“协务都是在本层“协议”的支持下完成议”的支持下完成的。的。2功能功能是本层内部的活动是本层内部的活动，是为了实现对外，是为了实现对外服务应从事的工作服务应从事的工作。网络体系结构网络体系结构 3.1.3 网络服务网络服务2无连接服务无连接服务该类服务的过程类似于邮政系该类服务的过程类似于邮政系统的信件通信。无论何时，计统的信件通信。无论何时，
8、计算机都可以向网络发送想要发算机都可以向网络发送想要发送的数据。通信前，无须在两送的数据。通信前，无须在两个同等层实体之间事先建立连个同等层实体之间事先建立连接，通信链路资源完全在数据接，通信链路资源完全在数据传输过程中动态地进行分配。传输过程中动态地进行分配。1面向连接的服务面向连接的服务所谓“连接”，是指在同等层所谓“连接”，是指在同等层的两个同等实体间所设定的逻的两个同等实体间所设定的逻辑通路。利用建立的连接进行辑通路。利用建立的连接进行数据传输的方式就是面向连接数据传输的方式就是面向连接的服务。面向连接的服务过程的服务。面向连接的服务过程可分为三部分：建立连接、传可分为三部分：建立连接
9、、传输数据和撤消连接。输数据和撤消连接。服务形式服务形式 第第 3 章 计算机网络体系结构章 计算机网络体系结构计算机网络系统结构概述1物理层2数据链路层3网络层4传输层5高层6 3.2.1 物理层的功能物理层的功能1.物理层的定义物理层的定义ITU-T 对物理层的定义：利用机械的、电气的、功能的和规程的对物理层的定义：利用机械的、电气的、功能的和规程的特性在特性在 DTE 和和 DCE 之间实现对物理信道的建立、维持和拆除功能。之间实现对物理信道的建立、维持和拆除功能。2.物理层的接口协议物理层的接口协议(1)机械特性机械特性也称物理特性，它规定了也称物理特性，它规定了 DTE 和和 DCE
10、 之间连接器的几何参数，包之间连接器的几何参数，包括形状、几何尺寸、引线数目和排列方式等。括形状、几何尺寸、引线数目和排列方式等。机械特性典型的机械特性典型的 ISO 标准有：标准有：ISO 2110（25 针），针），ISO 2593（34 针），针），ISO 4902（37 针或针或 9 针），针），ISO 4903（15 针）。针）。3.2.1 物理层的功能物理层的功能(2)电气特性电气特性规定了规定了 DTE 与与 DCE 之间多条信号线的电气参数及有关电路的之间多条信号线的电气参数及有关电路的特征，如电气接口连接方式、信号源输入特征，如电气接口连接方式、信号源输入/输出阻抗、信号电输
11、出阻抗、信号电压范围、传输速率和距离的限制等。压范围、传输速率和距离的限制等。接口连接有单端驱动单端接收、单端驱动差分接收和双端驱接口连接有单端驱动单端接收、单端驱动差分接收和双端驱动差分接收三种方式，可分别称为非平衡型、半平衡型和平动差分接收三种方式，可分别称为非平衡型、半平衡型和平衡型连接。衡型连接。按功能区分，接口信号线有地线、数据线、控制线和定时线按功能区分，接口信号线有地线、数据线、控制线和定时线四种类型，有时还有备用信号线（次信道或辅信道线）。四种类型，有时还有备用信号线（次信道或辅信道线）。3.2.1 物理层的功能物理层的功能(3)规程特性规程特性规定了规定了 DTE 和和 DC
12、E 之间各接口信号线实现数据传输时的控制过之间各接口信号线实现数据传输时的控制过程，也就是在物理连接的建立、维持和拆除时，各信号线的动程，也就是在物理连接的建立、维持和拆除时，各信号线的动作规则和步骤等。作规则和步骤等。物理层协议主要任务是实现物理层协议主要任务是实现 DTE 与与 DCE 之间数据比特的透明传输。之间数据比特的透明传输。物理层协议很多，也比较成熟，如物理层协议很多，也比较成熟，如 ISO、ITU-T、EIA 等机构等机构制定的协议。制定的协议。3.2.2 物理层的功能物理层的功能1RS 232 协议协议是由美国电子工业协会是由美国电子工业协会EIA 发布的物理层标发布的物理层
13、标准。准。3X.21 协议协议是是 ITU-T 于于 1976 年年推出的一种数字接口标推出的一种数字接口标准。准。2RS 449、RS422-A 和和 RS423-A协议协议是是 EIA 于于 1977 年推年推出的对出的对 RS 232 协议改协议改进的标准。进的标准。典型的物理层标准典型的物理层标准 3.2.2 物理层的功能物理层的功能1.EIA RS-232 EIA RS-232C 是由美国电子工业协会是由美国电子工业协会 EIA（Electronic Industry Association）在）在 1969 年颁布的一种目前使用最广年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接。泛的串行物
14、理接。Recommended Standard 的意思是“推的意思是“推荐标准”，荐标准”，232 是标识号码，如果后缀有“是标识号码，如果后缀有“C”则表示该推荐则表示该推荐标准已被修改过的次数。标准已被修改过的次数。RS-232C 的远程连接和近地连接见的远程连接和近地连接见下图。下图。3.2.2 物理层的功能物理层的功能RS-232C 的功能特性定义了的功能特性定义了 25 芯标准连接器中的芯标准连接器中的 20 根信号根信号线，其中线，其中 2 根地线、根地线、4 根数据线、根数据线、11 根控制线、根控制线、3 根定时信根定时信号线、剩下的号线、剩下的 5 根线做备用或未定义。表根线
15、做备用或未定义。表 3-1 给出了其中最常给出了其中最常用的用的 10 根信号的功能特性。根信号的功能特性。3.2.2 物理层的功能物理层的功能若两台若两台 DTE 设备，如两台计算机在近距离直接连接，则可采设备，如两台计算机在近距离直接连接，则可采用用下图下图的方法的方法。3.2.2 物理层的功能物理层的功能2.RS 449、RS422-A 和和 RS423-A由于由于 RS-232C 标准信号电平过高、采用非平衡发送和接收方标准信号电平过高、采用非平衡发送和接收方式，所以存在传输速率低（式，所以存在传输速率低（20Kbps）、传输距离短）、传输距离短（15m）、串扰信号较大等缺点。）、串扰
16、信号较大等缺点。1977 年底，年底，EIA 颁布了一个新标准颁布了一个新标准 RS-449，次年，这个接口，次年，这个接口标准的两个电气子标准：标准的两个电气子标准：RS-423（采用差动接收器的非平衡方（采用差动接收器的非平衡方式）和式）和 RS-422（平衡方式）也相继问世。这些标准在保持与（平衡方式）也相继问世。这些标准在保持与RS-232C 兼容的前提下重新定义了信号电平，并改进了电路方兼容的前提下重新定义了信号电平，并改进了电路方式，以达到较高的传输速率和较大的传输距离。式，以达到较高的传输速率和较大的传输距离。RS-449 标准的电器特性有两个标准，即平衡式的标准的电器特性有两个
17、标准，即平衡式的 RS-422 标准标准和非平衡式的和非平衡式的 RS-423 标准。标准。3.2.2 物理层的功能物理层的功能3.ITU-T X.21 协议协议CCITT 对对 DTE-DCE 的接口标准有的接口标准有 V 系列和系列和 X 系列两大类建议。系列两大类建议。V 系列接口标准一般指数据终端设备与调制解调器或网络控制器系列接口标准一般指数据终端设备与调制解调器或网络控制器之间的接口，这类系列接口除了用于数据传输的信号线外，还定之间的接口，这类系列接口除了用于数据传输的信号线外，还定义了一系列控制线，是一种比较复杂的接口。义了一系列控制线，是一种比较复杂的接口。X 系列接口是较晚系
18、列接口是较晚制定的，这类接口适用于公共数据网的宅内电路终接设备和数据制定的，这类接口适用于公共数据网的宅内电路终接设备和数据终端设备之间的接口，定义的信号线很少，因此是一种比较简单终端设备之间的接口，定义的信号线很少，因此是一种比较简单的接口。的接口。第第 3 章 计算机网络体系结构章 计算机网络体系结构计算机网络系统结构概述1物理层2数据链路层3网络层4传输层5高层6 3.3.1 数据链路层的功能数据链路层的功能如何将数据组合成数据块，在数据链路层中将这种数据块称为如何将数据组合成数据块，在数据链路层中将这种数据块称为帧，帧是数据链路层的传送单位；如何控制帧在物理信道上的传帧，帧是数据链路层
19、的传送单位；如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使之与接收方输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使之与接收方相匹配；在两个网路实体之间提供数据链路通路的建立、维持和相匹配；在两个网路实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放管理。释放管理。1.帧同步功能帧同步功能2.差错控制功能差错控制功能3.流量控制功能流量控制功能4.链路管理功能链路管理功能 3.3.2 数据链路层标准数据链路层标准数据链路控制协议也称链路通信规程，也就是数据链路控制协议也称链路通信规程，也就是 OSI 参考模型中的参考模型中的数据链路层协议。链路控制协议可分为异步协议和同步协议两
20、大数据链路层协议。链路控制协议可分为异步协议和同步协议两大类。类。异步协议以字符为独立的信息传输单位，在每个字符的起始处开异步协议以字符为独立的信息传输单位，在每个字符的起始处开始对字符内的比特实现同步，但字符与字符之间的间隔时间是不始对字符内的比特实现同步，但字符与字符之间的间隔时间是不固定的（即字符之间是异步的）。固定的（即字符之间是异步的）。同步协议是以许多字符或许多比特组织成的数据块帧为传输单同步协议是以许多字符或许多比特组织成的数据块帧为传输单位，在帧的起始处同步，使帧内维持固定的时钟。位，在帧的起始处同步，使帧内维持固定的时钟。同步协议又可分为面向字符的同步协议、面向比特的同步协议
21、及同步协议又可分为面向字符的同步协议、面向比特的同步协议及面向字节计数的同步协议三种类型。面向字节计数的同步协议三种类型。第第 3 章 计算机网络体系结构章 计算机网络体系结构计算机网络系统结构概述1物理层2数据链路层3网络层4传输层5高层6 3.4.1 网络层概述网络层概述1.网络层的概念网络层的概念网络层是通信子网的最高层，它用于控制和管理通信子网的操作。网络层是通信子网的最高层，它用于控制和管理通信子网的操作。它体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式。网络层它体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式。网络层的数据传输单位为数据分组（包）。的数据传输单位为数据分组（包）。网络
22、层的主要任务：在数据链路服务的基础上，实现整个通信子网络层的主要任务：在数据链路服务的基础上，实现整个通信子网内的连接，向传输层提供端到端的数据传输通路，为报文分组网内的连接，向传输层提供端到端的数据传输通路，为报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的主机提供服务。以最佳路径通过通信子网到达目的主机提供服务。2.网络层的功能网络层的功能(1)建立、维持和拆除网络连接建立、维持和拆除网络连接(2)路由选择路由选择(3)流量控制流量控制(4)网络传输控制网络传输控制 3.4.2 数据报和虚电路数据报和虚电路端点之间的通信是依靠通信子网中的节点间的通信来实现的，在端点之间的通信是依靠通信子网中的节点间
23、的通信来实现的，在OSI 模型中，网络层是网络节点中的最高层，所以网络层将体现模型中，网络层是网络节点中的最高层，所以网络层将体现通信子网向端系统所提供的网络服务。在分组交换方式中，通信通信子网向端系统所提供的网络服务。在分组交换方式中，通信子网向端系统提供虚电路和数据报两种网络服务，而通信子网内子网向端系统提供虚电路和数据报两种网络服务，而通信子网内部的操作也有虚电路和数据报两种方式。部的操作也有虚电路和数据报两种方式。1.虚电路操作方式虚电路操作方式在虚电路操作方式中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的在虚电路操作方式中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间先要建立一条逻辑通路，
24、因为这条逻辑通路不是专用节点之间先要建立一条逻辑通路，因为这条逻辑通路不是专用的，所以称之为“虚”电路。的，所以称之为“虚”电路。图图 3-8 给出一个虚电路表建立的示例，这里假设建立了给出一个虚电路表建立的示例，这里假设建立了 6 条虚电条虚电路。路。3.4.2 数据报和虚电路数据报和虚电路 3.4.2 数据报和虚电路数据报和虚电路2.数据报操作方式数据报操作方式在数据报操作方式中，每个分组被称为一个数据报，若干个数据在数据报操作方式中，每个分组被称为一个数据报，若干个数据报构成一次要传送的报文或数据块。每个数据报自身携带有足够报构成一次要传送的报文或数据块。每个数据报自身携带有足够的信息，
25、它的传送是被单独处理的。一个节点接收到一个数据报的信息，它的传送是被单独处理的。一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一个节点。个合适的出路，把数据报原样地发送到下一个节点。3.虚电路服务虚电路服务虚电路服务是网络层向传输层提供的一种使所有分组按顺序到达虚电路服务是网络层向传输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式。进行数据交换的两个端系统目的端系统的可靠的数据传送方式。进行数据交换的两个端系统之间存在着一条为它们服务的虚电路。之间存在着
26、一条为它们服务的虚电路。4.数据报服务数据报服务数据报服务一般仅由数据报交换网来提供。端系统的网络层同网数据报服务一般仅由数据报交换网来提供。端系统的网络层同网络节点中的网络层之间，一致地按照数据报操作方式交换数据。络节点中的网络层之间，一致地按照数据报操作方式交换数据。3.4.3 网络层协议网络层协议CCITT 提出的提出的 X.25 协议描述了主机（协议描述了主机（DTE）与分组交换网）与分组交换网（PSN）之间的接口标准，使主机不必关心网络内部的操作就）之间的接口标准，使主机不必关心网络内部的操作就能方便地实现对各种不同网络的访问。能方便地实现对各种不同网络的访问。1.X.25 分组级的
27、功能分组级的功能X.25 分组级的主要功能是将链路层所提供的连接分组级的主要功能是将链路层所提供的连接 DTE-DCE 的一的一条或多条物理链路复用成数条逻辑信道，并且对每一条逻辑信道条或多条物理链路复用成数条逻辑信道，并且对每一条逻辑信道所建立的虚电路执行与链路层单链路协议类似的链路建立、数据所建立的虚电路执行与链路层单链路协议类似的链路建立、数据传输、流量控制、顺序和差错检测、链路的拆除等操作。传输、流量控制、顺序和差错检测、链路的拆除等操作。2.X.25 分组级分组格式分组级分组格式在链路层上传输时，分组应嵌入到信息帧（在链路层上传输时，分组应嵌入到信息帧（I 帧）的信息字段中帧）的信息
28、字段中，即表示成见表，即表示成见表 3-2 中的格式。中的格式。第第 3 章 计算机网络体系结构章 计算机网络体系结构计算机网络系统结构概述1物理层2数据链路层3网络层4传输层5高层6 3.5.1 传输层服务传输层服务传输层是传输层是 OSI 中最重要，最关键的一层，是唯一负责总体的数据中最重要，最关键的一层，是唯一负责总体的数据传输和数据控制的一层。传输层提供端到端的交换数据的机制。传输和数据控制的一层。传输层提供端到端的交换数据的机制。传输层对会话层等高三层提供可靠的传输服务，对网络层提供可传输层对会话层等高三层提供可靠的传输服务，对网络层提供可靠的目的地站点信息。靠的目的地站点信息。1.
29、传输层的概念传输层的概念OSI 中中 1 到到 3 层面向数据通信，是由通信子网所完成的通信功能层面向数据通信，是由通信子网所完成的通信功能的集合，通信子网就是基于低三层通信协议构成的网络；的集合，通信子网就是基于低三层通信协议构成的网络；5 到到 7层是由端主机进程所完成的面向应用功能的集合。传输层是层是由端主机进程所完成的面向应用功能的集合。传输层是 OSI中高层与低层之间的接口层。中高层与低层之间的接口层。对于网络中通信的两个主机，其端到端的可靠通信最后要靠传输对于网络中通信的两个主机，其端到端的可靠通信最后要靠传输层来完成。传输层是层来完成。传输层是 OSI 中负责通信的最高层，是唯一
30、总体负责中负责通信的最高层，是唯一总体负责数据传输和控制的层次。传输层还是数据传输和控制的层次。传输层还是 OSI 中用户功能的最低层。中用户功能的最低层。3.5.1 传输层服务传输层服务2.传输层的功能传输层的功能(1)传输层连接管理传输层连接管理(2)向会话层提供独立于通信子网的、可靠的、透明的数据传输服务向会话层提供独立于通信子网的、可靠的、透明的数据传输服务(3)多路复用多路复用(4)寻址寻址(5)差错控制差错控制 3.5.2 传输层服务和协议传输层服务和协议传输层的服务包括的内容有：服务的类型、服务的等级、数据的传输层的服务包括的内容有：服务的类型、服务的等级、数据的传输、用户的接口
31、、连接管理、快速数据传输、状态报告、安全传输、用户的接口、连接管理、快速数据传输、状态报告、安全保密等。保密等。1.服务类型服务类型2.服务等级服务等级3.服务质量服务质量4.传输层协议等级传输层协议等级5.传输服务原语传输服务原语 1)请求（请求（Request）。）。2)指示（指示（Indication）。）。3)响应（响应（Response）。）。4)确认（确认（Confirm）。）。第第 3 章 计算机网络体系结构章 计算机网络体系结构计算机网络系统结构概述1物理层2数据链路层3网络层4传输层5高层6 3.6.1 会话层会话层会话层的功能是在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接。会
32、话层的功能是在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接。它是在传输连接的基础上建立会话连接，并进行数据交换管理，它是在传输连接的基础上建立会话连接，并进行数据交换管理，允许数据进行单工、半双工和全双工的传送。会话层提供了令牌允许数据进行单工、半双工和全双工的传送。会话层提供了令牌管理和同步两种服务功能。会话层的主要功能包括：管理和同步两种服务功能。会话层的主要功能包括：1)建立连接。为给两个对等会话服务用户建立一个会话连接，建立连接。为给两个对等会话服务用户建立一个会话连接，相应的工作包括将会话地址映射为传输地址，选择需要的服务质相应的工作包括将会话地址映射为传输地址，选择需要的服务质量参数（
33、量参数（QoS），对会话参数进行协商，识别各个会话连接，），对会话参数进行协商，识别各个会话连接，传送有限的透明用户数据。传送有限的透明用户数据。2)数据传输。在两个会话用户之间实现有组织的、同步的数据数据传输。在两个会话用户之间实现有组织的、同步的数据传输。用户数据单元为传输。用户数据单元为 SSDU，而协议数据单元为，而协议数据单元为 SPDU。会。会话用户之间的数据传送过程是将话用户之间的数据传送过程是将 SSDU 转变成转变成 SPDU。3)连接释放。连接释放是通过有序释放、废弃、有限量透明用连接释放。连接释放是通过有序释放、废弃、有限量透明用户数据传送等功能释放会话连接。户数据传送等功能释放会话连接。3.6.2 表示层表示层表示层以下的各层只关心可靠的数据传输，而表示层关心的是所表示层以下的各层只关心可靠的数据传输，而表示层关心的是所传输数据的语法和语义。它主要涉及处理在两个通信
