网络体系结构与网络协议.
网络体系结构及网络协议课件
目 录
• 网络体系结构概述 • OSI模型 • TCP/IP模型 • 网络协议详解 • 网络安全与协议 • 未来网络体系结构展望
01 网络体系结构概述
什么是网络体系结构
总结词
网络体系结构是计算机网络中各层功 能及其相互关系的集合，定义了网络 中数据传输和通信的规则。
DNS协议
总结词
域名系统，将域名转换为IP地址。
详细描述
DNS协议是互联网上用于将域名转换为IP地址的一种分布式数据库系统。通过DNS协议，用户可以在 浏览器中输入域名，而不是IP地址，来访问网站。DNS协议将域名解析为相应的IP地址，以便计算机 能够相互通信。
FTP协议
总结词
文件传输协议，用于在网络上传输文件。
远程办公 企业通过SSH协议建立安全的远程登 录通道，保证远程办公数据的安全性。
域名系统（DNS） DNS通过DNSSEC协议提供安全可靠 的域名解析服务，保护用户免受DNS 欺骗攻击。
06 未来网络体系结构展望
软件定义网络（SDN）
总结词
软件定义网络是一种新型网络体系结构，通过将网络控制与 转发分离，实现网络资源的灵活管理和调度。
DNSSEC协议
DNSSEC协议是一种DNS安全扩展协议，可以为DNS查询提供数据完 整性和源认证等安全保护。
网络安全协议的应用场景
电子商务 电子商务网站通过SSL/TLS协议对用户 提交的敏感信息进行加密传输，保证交
易数据的安全性。 虚拟专用网络（VPN） VPN通过IPsec协议建立安全的网络 连接，保护数据传输的安全性。
应用层
直接为用户提供服务，如文件传输、电子邮件和网页 浏览等。
表示层
网络体系结构与协议
网络体系结构与协议一、OSI/RM模型OSI／RM是ISO在网络通信方面所定义的开放系统互连模型，1978 ISO（国际化标准组织）定义了这样一个开放协议标准。
有了这个开放的模型，各网络设备厂商就可以遵照共同的标准来开发网络产品，最终实现彼此兼容。
整个OSI／RM模型共分7层，从下往上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图1所示。
当接受数据时，数据是自下而上传输；当发送数据时，数据是自上而下传输。
下面简要介绍这几个层次。
（1）物理层这是整个OSI参考模型的最低层，它的任务就是提供网络的物理连接。
所以，物理层是建立在物理介质上（而不是逻辑上的协议和会话），它提供的是机械和电气接口。
主要包括电缆、物理端口和附属设备，如双绞线、同轴电缆、接线设备（如网卡等）、RJ－45接口、串口和并口等在网络中都是工作在这个层次的。
物理层提供的服务包括：物理连接、物理服务数据单元顺序化（接收物理实体收到的比特顺序，与发送物理实体所发送的比特顺序相同）和数据电路标识。
（2）数据链路层数据链路层是建立在物理传输能力的基础上，以帧为单位传输数据，它的主要任务就是进行数据封装和数据链接的建立。
封装的数据信息中，地址段含有发送节点和接收节点的地址，控制段用来表示数格连接帧的类型，数据段包含实际要传输的数据，差错控制段用来检测传输中帧出现的错误。
数据链路层可使用的协议有SLIP、PPP、X25和帧中继等。
常见的集线器和低档的交换机网络设备都是工作在这个层次上，Modem之类的拨号设备也是。
工作在这个层次上的交换机俗称“第二层交换机”。
具体讲，数据链路层的功能包括：数据链路连接的建立与释放、构成数据链路数据单元、数据链路连接的分裂、定界与同步、顺序和流量控制和差错的检测和恢复等方面。
（3）网络层网络层属于OSI中的较高层次了，从它的名字可以看出，它解决的是网络与网络之间，即网际的通信问题，而不是同一网段内部的事。
网络体系结构与网络协议
网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议是网络技术中两个最基本的概念。
本章将从层次、服务与协议的基本概念出发，对OSI参考模型、TCP／IP 协议与参考模型，以及网络协议标准化与制定国际标准的组织进行介绍。
学习要求：●掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念。
●掌握：网络体系结构的层次化研究方法。
●掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能。
●掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务功能与主要协议。
●了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较。
●了解：网络协议标准组织，RFC文档、Internet草案与Internet 协议标准的制定过程。
计算机网络的四个重要的概念➢协议（protocol）➢层次（layer）➢接口（interface）➢体系结构（architecture）计算机网络是由多个互联的结点组成的，结点之间需要不断地交换数据与控制信息。
要做到有条不紊地交换数据，每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。
一个协议就是一组控制数据通信的规则。
这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。
哲学家-翻译-秘书结构网络协议的概念网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；➢网络协议的三要素：语义、语法与时序：➢语义：用于解释比特流的每一部分的意义；➢--表示做什么➢语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；➢--表示要怎么做➢时序：事件实现顺序的详细说明。
➢--表示什么时候做社会上存在的邮政系统协议(Protocol)●协议是一种通信规约。
●为了保证计算机网络中大量计算机之间要有条不紊地交换数据，必须制定一系列的通信协议。
层次（layer）➢层次是人们对复杂问题处理的基本方法；➢将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；➢对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；➢不同的系统分成相同的层次；➢不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；➢不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；➢对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；➢高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。
第二章网络体系结构和网络协议
2.2 例题分析【例题2-1】在OSI参考模型中，当相邻高层的实体把——传到低层实体后，被低层实体视为______。
A.IDU,PDUB.PDU,IDUC.IDU,SDUD.PDU,SDU【例题2-2】在ISO的OSI参考模型中，提供流量控制功能的层是第(1)______；提供建立、维护和拆除端到端连接的层是(2)______；为数据分组提供在网络中路由功能的是(3）____；传输层提供(4)_____的数据传送；为网络层实体提供数据发送和接收功能和过程的是(5)____。
（1）A．1、2、3层B．2、3、4层C．3、4、5层 D.4、5、6层(2) A.物理层B．数据链路层C．会话层D．传输层(3) A．物理层B．数据链路层C．网络层D．传输层(4) A．主机进程之间B．网络之间C．数据链路之间D．物理线路之间(5) A．物理层B．数据链路层C．网络层D．传输层【例题2-3】TCP/IP参考模型是Internet采用的协议标准，是一个协议系列，由多个处在不同层次的协议共同组成，用于将各种计算机和设备组成实际的计算机网络。
TCP/IP参考模型分成四个层次：分别是主机—网络络层、互联网络层、传输层与应用层。
（1）______属于互联网络层的低层协议，主要用于完成IP地址向物理地址的转换：（2）________主要用于完成物理地址向IP地址的转换，多用在无盘工作站启动时利用物理地址解析出对应的IP地址；（3）________是与IP协议同层的协议，更确切的说是工作在IP协议之上，但又不属于传输层的协议，可用于Internet上的路由器报告差错或提供有关意外情况的信息；(4)________是一种面向连接的传输协议，在协议使用中存在着建立连接、传输数据、释放连接的过程；(5)_________是一种无连接的传输协议，采用这种协议时，每一个数捃包都必须独立地进行路由选择，特别适合于突发性短信息的传输。
A. RARPB. ICMPC. ARPD. IGMPA. RARPB. ARPC.DNSD.BOOTPA. IGMPB. ICMPC. DHCPD. SMTPA. SNMPB. HTTPC. TCPD. UDPA. HTTPB. FTPC. TCPD. UDP【例题2-4】计算机网络提供的服务可以分为有确认服务与无确认服务，二者之间有什么区别？在下列情况中，请说明哪些可能是有确认服务或无确认服务？哪些可？哪些两者皆不可？（1）建立连接（2）数据传输（3）释放连接2.3基础习题一、填空题1.在计算机网络中，_____和______的集合称为网络体系结构。
计算机网络技术计算机网络体系结构与协议
计算机网络技术计算机网络体系结构与协议计算机网络技术: 计算机网络体系结构与协议计算机网络技术是现代社会不可或缺的一部分，它推动着信息交流和全球化。
计算机网络体系结构和协议是构建计算机网络的基础。
本文将介绍计算机网络体系结构的三层模型和常见的网络协议。
一、计算机网络体系结构计算机网络体系结构是指计算机网络中不同层次的组织和协调关系。
最常见的计算机网络体系结构是OSI（开放式系统互联）参考模型和TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）模型。
1. OSI参考模型OSI参考模型是计算机网络体系结构的一种标准化框架，它将计算机网络划分为七个层次：（1）物理层：负责传输物理位，控制硬件设备之间的电信号传输。
（2）数据链路层：将物理传输的数据分组组装成帧，并提供错误检测和纠正。
（3）网络层：负责在网络中寻找最佳路径，并进行路由和转发。
（4）传输层：提供端到端的可靠数据传输，并进行流量控制和拥塞控制。
（5）会话层：负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。
（6）表示层：处理数据的格式，进行数据压缩和加密。
（7）应用层：提供应用程序之间的通信，并实现特定协议的功能。
2. TCP/IP模型TCP/IP模型是互联网通信协议族的基础，它将计算机网络划分为四个层次：（1）网络接口层：与物理网络硬件交互，提供数据链路和物理地址。
（2）网络层：进行源到目的地的传输，提供IP地址和路由功能。
（3）传输层：提供端到端的数据传输，包括TCP和UDP。
（4）应用层：实现特定的网络应用，包括HTTP、FTP、SMTP等。
二、常见的网络协议网络协议是计算机网络中进行通信和数据交换的规则和标准。
下面介绍几个常见的网络协议。
1. HTTP（超文本传输协议）HTTP是一种用于传输超文本的协议，它是Web应用的基础。
通过HTTP，客户端（浏览器）可以向服务器发送请求，并获取服务器返回的数据。
2. FTP（文件传输协议）FTP是一种用于在计算机之间传输文件的协议。
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网络体系结构（network architecture）
• 一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复 杂的协议集;
• 网络协议是按层次结构来组织的；
• 网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络 体系结构；
• 网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进 行了精确的定义；
路由选择、运输
运输部门的邮件运输业务
转送邮局、接收邮包
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2.1.2 协议、层次、接口与体系结构的概念
计算机网络的四个重要的概念： • 层次（layer） • 协议（protocol） • 接口（interface） • 体系结构（architecture）
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• 无连接服务中的数据传输过程不需要经过连 接建立、连接维护与释放连接的三个过程；
• 数据分组传输过程中，目的结点接收的数据 分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；
• 无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单， 通信效率较高。
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确认和重传机制的特点
• 网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证； • 确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分
2.3.1 TCP/IP参考模型的发展
• 在TCP/IP协议研究初期，并没有提出参考模型；
• 1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；
• 80年代Leiner、 Clark等人对TCP/IP参考模型进一步 的研究；
• TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本4、 版本5与版本6；
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网络安全体系结构及协议
2.1.3 协议的交互
1．应用程序协议 2．传输协议 3．网间协议 4．网络访问协议
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2.1.4 技术无关协议
网络协议描述的是网络通信期间实现的功能。在 面对面交谈的示例中，通信的一项协议可能会规 定，为了发出交谈结束的信号，发言者必须保持 沉默两秒钟。但是，这项协议并没有规定发言者 在这两秒钟内应该如何保持沉默。协议通常都不 会说明如何实现特定的功能。通过仅仅说明特定 通信规则所需要的功能是什么，而并不规定这些 规则应该如何实现，特定协议的实现就可以与技 术无关。
因特网协议通常又称为TCP/IP协议。
应用层 传输层 网络层 网络接口层 图 2-15 TC P/IP 协 议 分 层
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网络接口层实际上包含OSI模型的物理层和链 路层，TCP/IP并未对这两层进行定义，它支 持现有的各种底层网络技术和标准。该层涉及 操作系统中的设备驱动程序和网络接口卡。
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3．安全管理 为了更有效地运用安全服务，需要有其他措施来
支持它们的操作，这些措施即为安全管理。安全 管理是对安全服务和安全机制进行管理，把管理 信息分配到有关的安全服务和安全机制中去，并 收集与它们的操作有关的信息。 分为 系统安全管理 安全服务管理 安全机制管 理 4．安全层次
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2.3 TCP/IP参考模型及其安全体系
分层可以屏蔽下层的变化，新的底层技术的引 入，不会对上层的应用协议产生影响。
协议的实现要落实到一个个具体的硬件模块 和软件模块上，在网络中将这些实现特定功 能的模块称为实体（Entity）。
如图2-2所示，两个结点之间的通信体现为 两个结点对等层（结点A的N+1层与结点B的 N+1层）之间遵从本层协议的通信。
数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、 PPP、STP、帧中继等。
第三章 计算机网络体系结构与协议
高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务 的具体实现方法。
2. 各层次间的关系
网络协议都是按层的方式来组织，如图3-1所示，每一层都能完成 一组特定的、有明确含义的功能，每一层的目的都是向上一层提供 一定的服务，而上一层不需要知道下一层是如何实现服务的。
3. 网络层
网络层的主要任务是：进行路由选择，以确保数据分组从发送端到 达接收端，并在数据分组发生阻塞时进行拥塞控制。
网络层还要解决异构网络的互连问题，以实现数据分组在不同类 型的网络中传输。
网络层协议的代表有：IP、IPX、RIP、OSPF等。
4. 传输层
传输层的主要任务是：为上一层进行通信的两个进程之间提供一个 可靠的端到端服务，使传输层以上的各层不再关心信息传输的问题。 端到端是指：进行相互通信的两个节点不是直接通过传输介质连 接起来的，相互之间有很多交换设备（如路由器）。 传输层从会话层接收数据，形成报文（Message），并且在必要时 将其分成若干个分组，然后交给网络层进行传输。 传输层协议的代表有：TCP、UDP、SPX等。
（3）传输层
与OSI参考模型的传输层类似，TCP/IP参考模型的传输层的主要功 能是：使发送方主机和接收方主机上的对等实体可以进行会话。 在传输层上定义了以下两个端到端的协议：传输控制协议（TCP） 和用户数据报协议（UDP）。 TCP是一个面向连接的可靠传输协议，而UDP是一个面向无连接 的不可靠传输协议。
图3-2 对等实体间通信示意图
3. 层次间的关系举例
具体实例请参照教材P46学习。
计算机网络体系结构及协议
计算机网络体系结构及协议计算机网络是指将多台计算机通过通信线路连接在一起，形成一个互相连接的网络系统。
在计算机网络中，体系结构和协议是非常重要的概念。
本文将介绍计算机网络的体系结构和协议，并深入探讨它们在计算机网络中的作用和重要性。
一、计算机网络体系结构计算机网络体系结构是计算机网络的基本架构，分为两个层次：OSI七层参考模型和TCP/IP参考模型。
下面将对这两个模型进行详细介绍。
1. OSI七层参考模型OSI七层参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一种计算机网络通信协议体系结构。
它将计算机网络通信过程分为七个不同的层次，每个层次都有特定的功能和任务。
这七个层次从下到上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
物理层：负责将比特流传输到物理媒介上，完成数据的物理传输。
数据链路层：负责在直连的两个节点之间传输数据帧。
网络层：负责将数据从源节点传输到目标节点，通过路由选择和拥塞控制等算法实现数据的传输。
传输层：负责建立和维护端到端的连接，并提供可靠的数据传输。
会话层：负责建立、管理和终止不同计算机之间的会话。
表示层：负责数据的格式化、编码和解码，以便不同的计算机之间能够相互理解。
应用层：为用户提供具体的网络应用服务，如文件传输、电子邮件等。
OSI七层参考模型将计算机网络通信过程划分为多个层次，各层次之间相互独立，可以独立进行升级和维护，提高了网络的可靠性和灵活性。
2. TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型是互联网基于传输控制协议/互联网协议（TCP/IP）开发的一种通信协议体系结构。
它将计算机网络通信过程分为四个层次，分别是：网络接口层、网络层、传输层和应用层。
网络接口层：负责将数据从主机传输到网络。
网络层：负责将数据从源主机传输到目标主机，通过IP协议实现数据的传输。
传输层：负责提供端到端的数据传输服务，包括TCP协议和UDP协议。
应用层：为用户提供具体的网络应用服务，如HTTP、FTP等。
网络体系结构与网络协议
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(3) 网络层的主要功能
➢ 分组传送数据报，数据传输单元是分组 （Pocket） ➢ 通过路由选择算法为分组通过通信子网选 择最适当的路径； ➢ 实现拥塞控制、网络互连等功能。
➢ 负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保 点到点传输不中断； ➢ 管理数据交换。
(6) 表示层的主要功能 ➢ 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方 式； ➢ 数据格式变换； ➢ 数据加密与解密； ➢ 数据压缩与恢复。
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(7) 应用层的主要功能:
➢ 为应用程序提供了网络服务; ➢ 应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使 得协同工作的应用程序之间的同步; ➢ 建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机 制。
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(4) 传输层的主要功能：
➢ 向用户提供可靠端到端（end-to-end）的 服务；
➢ 处理数据包错误、数据包次序，以及其他一 些关键传输问题；
➢ 以字节为单位 ➢ 传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，
是计算机通信体系结构中关键的一层。
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(5) 会话层的主要功能
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(4) 接口（interface）
接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点; 同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口， 低层向高层通过接口提供服务;
图 2-2 接口示意图
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层次结构研究方法的优点
计算机网络中的网络协议与体系结构
计算机网络中的网络协议与体系结构计算机网络是信息交流和资源共享的重要基础设施，它的运行依赖于各种网络协议和体系结构。
本文将探讨计算机网络中的网络协议和体系结构的定义和功能，以及常见的几种网络协议和体系结构。
一、网络协议的定义和功能网络协议是计算机网络中用于实现主机之间通信的规则和约定。
它定义了数据交换的格式、传输速率、错误检测和纠正等细节，确保计算机网络的正确和可靠运行。
网络协议的功能主要包括以下几个方面：1. 数据格式：协议定义了数据的组织方式和传输格式，使得数据能够被正确地发送和接收。
2. 数据传输：协议规定了数据传输的方式和机制，包括数据的分割、传输顺序和流控制等。
3. 错误处理：协议定义了错误检测和纠正的方法，确保数据在传输过程中的完整性和可靠性。
4. 网络管理：协议提供了网络管理和监控的机制，包括地址分配、路由选择和带宽分配等。
5. 安全性保障：协议规定了数据的加密和认证等安全机制，确保网络的安全和可信。
二、常见的网络协议1. TCP/IP协议TCP/IP协议是互联网的基本协议，它由两个部分组成：传输控制协议（TCP）和网络互连协议（IP）。
TCP负责数据的可靠传输，将数据分割成小的数据包，并进行排序和重组；IP负责数据的路由和寻址，将数据包从源主机发送到目标主机。
2. HTTP协议HTTP协议（超文本传输协议）是用于在Web浏览器和Web服务器之间传输超文本的协议。
它定义了浏览器如何请求Web页面，服务器如何响应请求，并规定了数据的传输格式和响应状态码等细节。
3. FTP协议FTP协议（文件传输协议）用于在网络上进行文件的传输和共享。
它定义了客户端如何连接到服务器，进行文件的上传和下载操作，并提供了身份验证和文件权限控制等功能。
4. SMTP协议SMTP协议（简单邮件传输协议）是用于在网络中传输电子邮件的协议。
它定义了电子邮件的格式和传输方式，包括邮件的发送、接收和中转等操作。
三、网络体系结构网络体系结构是指计算机网络中的组织结构和层次方式。
网络体系结构与协议
网络体系结构与协议随着互联网的迅猛发展，网络体系结构和协议成为了支撑互联网运行的重要基础。
网络体系结构是指互联网中各种计算机网络之间的组织结构和关系，而协议则是指计算机网络中数据传输和通信所遵循的规则和标准。
本文将详细介绍网络体系结构和协议的概念、类型以及其在互联网中的重要性。
一、网络体系结构的概念和类型1.1 网络体系结构的概念网络体系结构是指不同计算机网络之间的组织结构和关系。
它定义了互联网中信息的传输路径、计算机之间的连接方式以及数据传输的工作方式。
网络体系结构主要包括两个关键要素：网络拓扑结构和网络协议。
1.2 网络体系结构的类型根据互联网中各种计算机网络的组织方式和关系不同，网络体系结构可以分为以下几种类型：1.2.1 集线式体系结构（Bus Architecture）集线式体系结构是最简单的一种网络结构，所有计算机都通过一条集线器连接在一根中央线上。
数据传输时，需要将数据从源计算机发送到中央线上，然后被所有计算机接收。
集线式体系结构简单易建设，但存在传输冲突和容错能力较差的问题。
1.2.2 星型体系结构（Star Architecture）星型体系结构是一种中央控制的网络结构，所有计算机都与一个中央交换机相连。
数据传输时，通过中央交换机进行路由选择，将数据从源计算机传输到目标计算机。
星型体系结构具有高容错性和灵活性，但对于中央交换机的性能要求较高。
1.2.3 环型体系结构（Ring Architecture）环型体系结构是一种将计算机连接成一个闭环的网络结构。
数据传输时，通过环上的节点依次传递，直到达到目标计算机。
环型体系结构具有较好的容错性和可扩展性，但对于节点故障会对整个网络产生影响。
1.2.4 树型体系结构（Tree Architecture）树型体系结构是一种层次结构的网络结构，类似于自然界中的树。
数据传输时，通过根节点到达目标节点的路径是唯一的。
树型体系结构具有良好的路由选择和扩展性，但对于根节点的性能要求较高。
网络体系结构及协议
3.3.2 数据链路控制协议举例---HDLC
标志 F 01111110 地址 A 8位 控制 C 8位 信息 I N位 帧校验序列 FCS 16 位 标志 F 01111110
图 3-4
HDLC 的帧结构
（1）标志字段(F) （2）地址字段(A)标志 （3）控制字段(C)字 （4）信息字段(I)信 （5）帧校验序列字段(FCS)息字段(I)段(F)
表示层协议
表示层
6-5接口 会话层协议
表示层
6-5接口
会话层
5-4接口 传输层协议
会话层
5-4接口
传输层
4-3接口 网络层协议
传输层 网络层
数据链路层协议 3-2接口 网络层协议 数据链路层协议 4-3接口
网络层
3-2接口
网络层
3-2接口
数据链路层
2-1接口 物理层协议
数据链路层
2-1接口
数据链路层
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3.1.1 协议及体系结构
1.网络协议 网络中的计算机与终端间要想正确的传送信 息和数据，必须在数据传输的顺序、数据的格式 及内容等方面有一个约定或规则，这种约定或规 则称做协议。网络协议主要有三个组成部分： （1）语法 （2）语义 （3）时序 协议实质上是网络通信时所使用的一种语言。
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2.网络的体系结构 计算机网络是一个十分复杂的系统， 其设计需要采用结构化的设计方法。结构化 的设计方法的思想是将一个复杂系统分解为 若干个容易处理的子系统，然后“分而治 之”。分层是系统分解的最好方法之一。所 谓网络的体系结构就是计算机网络各层次及 其协议的集合。
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3.4.2 路由选择 网络节点在收到一个分组后，要确定向下一节点 传送的路径，这就是路由选择。在数据报方式中，网 络节点要为每个分组路由做出选择；而在虚电路方式 中，只需在连接建立时确定路由。 根据对网络环境变化的适应性不同，路由算法可 以分为两大类：静态路由选择算法和动态路由选择算 法。 独立路由选择、集中路由选择和分布路由选择是 三种动态路由选择策略的具体算法。
计算机网络体系结构与协议
计算机网络体系结构与协议计算机网络体系结构是指计算机网络中各个层次之间的关系和功能划分，它是计算机网络的基础框架。
而协议则是计算机网络中用于实现通信的规则和约定。
本文将探讨计算机网络体系结构与协议的基本概念、分类以及重要协议的作用。
一、计算机网络体系结构的概念计算机网络体系结构是指计算机网络中各个层次之间的关系和功能划分。
通常情况下，计算机网络体系结构可以分为两大类：OSI参考模型和TCP/IP参考模型。
1. OSI参考模型OSI参考模型是国际标准化组织（ISO）为了统一计算机网络的设计而提出的一种体系结构方法。
它将计算机网络通信划分为七个层次：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
每个层次都有自己的功能和任务。
- 物理层：负责传输比特流，以传输数字信号。
- 数据链路层：负责进行节点之间的可靠数据传输。
- 网络层：负责数据在整个网络中的路由和转发。
- 传输层：负责提供端到端的可靠数据传输服务。
- 会话层：负责建立、维护和终止会话连接。
- 表示层：负责数据的格式化、加密和压缩等。
- 应用层：负责为用户提供特定的网络应用服务。
2. TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型是互联网所采用的一种网络体系结构，它是由传输控制协议（TCP）和网络互联协议（IP）构成的。
TCP/IP参考模型将计算机网络划分为四个层次：网络接口层、网络层、传输层和应用层。
- 网络接口层：负责将数据帧按照特定的协议传输到物理网络上。
- 网络层：负责数据在网络中的路由和转发。
- 传输层：负责提供端到端的可靠数据传输服务。
- 应用层：负责为用户提供特定的网络应用服务。
二、协议的分类协议是计算机网络中用于实现通信的规则和约定。
根据网络体系结构的不同，协议可以分为两种类型：传输层协议和应用层协议。
1. 传输层协议传输层协议位于网络体系结构的传输层，负责提供端到端的可靠数据传输服务。
常见的传输层协议有TCP和UDP。
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网络体系结构与网络协议《易经》说:“天地万物 , 阴阳五行 , 相生相克 , 周而复始 , 皆有规律可循”。
为了使世间各种事情有条不紊、规律的朝着人们所期待的方向行进, 我们总是喜欢发现规律、总结规律、创造规定、利用规律。
如此一来,当前人在考虑计算机网络的通信与资源交互时,必然要创造出统一遵守的计算机通信与资源交互的规定,以方便人们使用计算机进行有条不紊的大规模的数据、资源交换。
如此,人们就制定了大量的标准,这些标准规定了计算机网络通信与数据交换所需的共同遵守的条规, 这些标准就是协议。
大量的各种各样的协议共同构成了一套完整的体系。
由于大量的协议体系过于复杂, 于是人为的将这套协议体系划分为几个层次, 这样一来, 大量的协议就容易分门别类的化整为零, 将协议一层一层的实现。
由计算机互联通信所需的功能,,划分成定义明确的层次,规定了同层次进程通信的协议和相邻层之间的接口服务 (接口可理解为下层与上层交互的门户,下层通过接口向上层提供特定的服务。
这些层、同层进程通信的协议及相邻层接口统称为网络体系结构。
在学习网络体系结构和协议时,不免要和 RFC 打交道。
RFC 是 tcp/ip协议族的标准文档,里面写有 4000多个协议的定义。
在那么多的协议中, tcp 、 ip 协议可以说是互联网最基本的两个通信协议, tcp/ip的五层分层原理应用十分常见。
这五层,从上往下依次是:应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
它们之间的通信服务类型可分为面向连接服务和无连接服务, 混合上确认机制, 共有四种服务类型。
分别是面向连接确认服务、无连接确认服务、面向连接不确认服务和无连接不确认服务。
根据通信要求, 权衡效率与可靠性后, 可选择合适的通信服务类型。
在最高层应用层里,有 FTP 协议、 Telnet 协议、 HTTP 协议、 DNS 协议等等。
在传输层中,有著名的 TCP 和 UDP 协议。
在下层网络层里面,有 IP 协议、 ICMP 协议、 IGMP 协议、 ARP 协议、 RARP 等协议。
在数据链路层, 这个层次为待传送的数据加入一个以太网协议头, 并进行 CRC 编码,为最后的数据传输做准备。
PPP 协议、 Ethernet 协议、 HDLC (高级链路控制协议等协议在这一层。
最低层物理层, 属于硬件层次。
负责网络的传输, 这个层次的定义包括网线的制式,网卡的定义等等。
所以有些书并不把这个层次放在 tcp/ip协议族里面,因为它几乎和 tcp/ip协议的编写者没有任何的关系。
发送协议的主机从上自下将数据按照协议封装, 而接收数据的主机则按照协议从得到的数据包解开,最后拿到需要的数据。
为了便于理解网络体系结构层次与协议, 以下从最底层开始向最高层依次作出说明。
物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输, 主要为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。
这一层的媒介有:光纤、电缆、信道、路由器、中继器、交换机、网卡(也工作在数据链路层甚至插头和双绞线等,都属于物理层的媒介。
传输时数据单位为比特。
物理层的设计解决了所有物理接口特性不一致的问题。
数据链路层有三个目的:1为 IP 模块发送和接收 IP 数据报; 2为 ARP 模块发送ARP 请求和接收 ARP 应答; 3为 RARP 发送 RARP 请求和接收 RARP 应答。
ARP 叫做地址解析协议,用 IP 地址转换为 MAC 地址的一种协议。
RARP 叫做逆地址解析协议。
这一层的协议主要有:以太网协议 (网卡协议, ppp 协议 (adsl 宽带和 loopback 协议等。
二层交换机、网卡(也工作在物理层、网桥都工作在数据链路层。
数据链路层提供的功能主要有:差错控制、流量控制、透明传输和 MAC 寻址等。
此层使用的通信信道有:点到点信道(收发一对一和广播信道(发收一对多。
传输时数据单位为帧。
此层提供无连接不确认服务、无连接确认服务和面向连接确认服务。
数据链路层提供了并行数据向串行数据转换的过程,即使得计算机终端的数据可以在物理层上传输。
第三层网络层。
主要负责把网络协议数据通过路由选择、阻塞控制和网际互联等方式选择适当路径发送到目的端计算机, 是实现端对端的数据透明传送。
网络层中的 IP 协议是 TCP/IP协议族的最主要的协议之一。
IP 协议提供的是“尽力而为”的不可靠、无连接的传输服务;主要的功能有无连接数据报传送、数据报路由选择和差错控制。
在网络层与其相关的协议有: ARP 协议、 RARP 协议、 ICMP 协议和 IGMP 协议。
ARP 协议是地址解析协议, 就是在主机将数据帧发送到目标主机前, 将目标 IP 地址转换成目标主机的 MAC 地址的过程。
RARP 协议则是通过每个计算机唯一的 MAC 地址来寻找出拥有此 MAC 地址的目标主机的 IP 地址。
ICMP 是因特网控制报文协议,是面向无连接的协议。
主要是因为 IP 协议是不可靠的协议,没有差错控制和查询机制,所以用 ICMP 来传输出错报告控制信息, 包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。
网络层的传输数据时数据单位是分组。
常用的 Ping 命令和 Windows 下的 Tracert 命令都是基于 ICMP 协议的。
IGMP 是因特网组管理协议,可以使计算机向邻近的路由器报告它的广播组成员。
第四层是传输层。
它分割并重组上层提供的数据, 在终端用户之间提供透明的数据传输服务。
主要功能有分组、重组数据、端口寻址、连接管理、差错控制、流量控制和纠错。
在传输层,有 TCP 和 UDP 两大协议。
TCP 协议是一个可靠的面向连接的协议, UDP 是不可靠的无连接的协议。
TCP 协议规定在传输前需要进行著名的“三次握手” 来建立连接; 传输过程中, 双方的协议模块继续进行通信; 通信结束后, 双方还要使用改进的三次握手来关闭连接。
“三次握手”需要进行三次数据报的交换,系统开销较大;但是, TCP 在传输过程中确保了传输的可靠性:1是在“三次握手”后,序列号被初始化, 所以在传输过程中, TCP 继续用此序列号标记发送的数据报, 接受端可以依据序列号重装收到的数据,解决数据报的乱序问题; 2是在传输过程中,接收方收到一个数据段后, 会用 ACK 应答码向发送端回复一个 IP 包进行应答, 确认号 ACK (应答号用来告诉发送端哪些数据包已经成功接收, 发送方对未被应答的报文段提供重传,解决数据报丢失的问题; 3是接收端收到数据段后,查看序列号, 如果已经成功接收该数据包, 则丢弃后面这个数据段, 解决数据报传输重复的问题; 4是延时造成的第一个问题, 就是数据包达到接收端时乱序。
当延时严重时, 接收端一直未收到数据段,则不会回复 ACK ,发送端认为丢包,重发,这样就可以解决传输延时的问题。
需要注意的是“三次握手”实际上是面向虚电路的, 逻辑上的,物理上不存在的连接。
传输层传输数据时的数据单位为报文。
UDP 协议因为是不可靠的无连接的协议,不需要进行“三次握手”式的保证通信方法,所以占用系统的资源开销相比 TCP 协议而言较小。
如此一来, UDP 可以高效率的重传出现问题(如丢失的数据包。
因此, UDP 协议适宜用在高效可靠的网络环境、轻权通信(传输数据量很小、对实时性要求强(如:视频通话,客户机向服务器发送简单请求等环境中。
最高层应用层, 由若干面向用户提供服务的应用程序和支持应用程序的通信组件组成,直接向用户提供服务。
应用层的主要协议有 DNS 协议、 SNMP 协议、HTTP 协议、 FTP 协议 Telnet 协议和 SMTP 协议。
DNS 是域名系统的缩写,每一个域名都映射唯一一个 IP 地址,它将域名和 IP 地址相互映射成一个分布式数据库, 可以直接输入更容易记忆的域名来访问对应的 IP 地址。
DNS 域名空间设计成树型结构,查询时采用递归方式、交互方式。
SNMP 协议是简单网络管理协议, 它在网络设备之间实施管理信息的交换, 可以监测连接到网络上的设备是否有任何引起管理上关注的情况, 能够提高网络管理员的网络管理效能。
HTTP 协议是超文本传输协议的英文缩写,由请求和响应构成,是标准的 C/S结构模型, 是用于从 web 服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。
HTTP 的一次完整的操作有四步,分别是:1. 客户机与 web 服务器建立连接; 2. 客户机向 web 服务器发送标准格式的连接请求; 3.web 服务器收到请求,给客户机发送标准格式的响应信息; 4. 客户端接受 web 服务器返回的信息, 并通过浏览器或其他方式解析后输出在客户端的屏幕上。
FTP 协议是文件传输协议,用户可以通过 FTP 连接到远程服务器上,进行文件的移动、复制、改名等操作,也可以上传或下载文件。
FTP 工作时一个 TCP 连接用来交换命令和应答,另一个用来对文件操作。
Telnet 协议是因特网远程登陆服务的标准协议和主要方式, Telnet 协议提供一个相对通用的, 双向的, 面向八位字节的通信方法, 允许界面终端设备和面向终端的过程能通过一个标准过程进行交互,但是其效率不高。
Telnet 协议由网络虚拟终端、操作协商定义和协商有限自动机构成。
实现时, 整个协议软件分三个模块:1. 本地用户输入 /输出; 2. 远程系统输入 /输出; 3. 实现 Telnet 协议,维护协议状态机。
Telnet 客户机要做两件事:读取用户在键盘上键入的字符,并通过 TCP 连接把他们发送到远程服务器上;读取从 TCP 连接上收到的字符,并显示在用户的终端上。
SMTP 协议即简单邮件传输协议,是建立在 TCP 上的一种控制信件的中转规则,提供有效可靠传送电子邮件的协议,用于在两台邮件服务器间交换邮件。
以上只是粗略介绍了一些网络协议,网络协议的详细定义请参考 RFC 手册与其它资源。
参考以上说明,我们可以感性的认识到:遵循网络协议的标准,制作出来的各种程序软件, 通过分层结构, 下层为上层提供服务接口, 使计算机之间的数据通信有序、高效、持续、有保障的高速运转的理论系统,就是网络体系结构。