《网络工程导论》课件第2章 计算机网络体系结构

OSI参考模型
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
TCP/IP层次模型中各层功能
网络接口层其实并没有什么内容，TCP/IP参考模 型并没有真正描述这一部分。
网际层，它是整个体系结构的关键部分。它的功 能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独 立地传向目标。
传输层位于网际层之上，它的功能是使源端和目 标端主机上的对等实体进行会话。
2.3.1 OSI参考模型
协议模型的7个层次中，每一个层次都定义 了各自的计算机网络通信协议，使上层与 下层的实现细节隔离。
它们一起将用户和数据通信的具体细节隔 离开来。如果充分实现的话，它们将允许 不兼容的设备互相通信。
OSI层次模型中各层功能
较低的3个层次，主要处理网络通信的具体问题。 物理层负责发送和接收比特流，而不管其具体
不同机器上同一层的实体叫做对等实体（pFra Baidu biblioteker entity）。
2.2 网络体系结构基本概念
N层实体实现的服务为n+1层所利用。 在这种情况下，n 层被称为服务提供者（service
provider），n+1层为服务用户（service user）。 N层利用n-1层的服务来提供它自己的服务。
这些为网络数据交换而制定的规定、约束与标 准被称为网络协议（Protocol）。
2.2 网络体系结构基本概念
一个网络协议主要由以下三个要素组成： 1）语法：用户数据与控制信息的结构和格式。 2）语义：需要发出何种控制信息以及完成的动
作和做出的响应。 3）时序：对事件实现顺序的详细说明。
2.2 网络体系结构基本概念
2.3.2 TCP/IP参考模型
TCP/IP 是 美 国 政 府 资 助 的 高 级 研 究 计 划 署 (ARPA)在20世纪70年代的一个研究成果，用 来使全球的研究网络联在一起形成一个虚拟网 络，这也就是国际互联网。
1975年，TCP/IP(传输控制/网间互联)协议产 生，
1983年1月1日成为Internet的标准协议, 现在 该标准协议已融入UNIX、Linux、Windows等 操作系统中。
2.2 网络体系结构基本概念
服务是在服务接入点SAP（service access point）提供给上层使用的。
n层SAP就是n+1层可以访问n层服务的地方。 每个SAP都有一个唯一地标明它的地址。 相邻层之间要交换信息，对接口必须有统一
的规则。
网络体系结构基本概念
在典型的接口上，n+1层实体通过SAP把一个接 口数据单元IDU（ Interface Data Unit）传递给n 层实体。IDU由服务数据单元SDU（Service Data Unit）和一些控制信息组成。SDU是将要跨过网 络传递给对等实体，然后向上交给n+1层的信息。 控制信息用于帮助下一层完成任务（如SDU中的 字节数），它本身不是数据的一部分。
不同开放系统对等层之间的虚通信必须遵循相 应层的协议，如有运输层协议（即图中T层协 议）、会话层协议（即图中S层协议）等。
在同一开放系统中，相邻层次间的界面称为接 口，在接口处由低层向高层提供服务。比如说， 在会话层和表示层的接口处由会话层向表示层 提供会话服务。
在相邻层提供服务过程中以及对等层虚通信过 程中都涉及信息的交换。信息的基本单位在 OSI中统称为数据单元（Data Unit）。
会话层在大多数应用中很少用到，表示层几乎是空 的。在数据链路层与网络层有很多的子层插入，每 个子层都有不同的功能。
同时，寻址、流控与差错控制在每一层里都有重复 出现，必然要降低系统效率。虚拟终端协议最初安 排在表示层，现在安排在应用层。
关于数据安全性、加密与网络管理等方面的问题也 在参考模型的设计初期被忽略了。
它还实现加密和解密。 最后，也是最高层，即应用层，它包括许多用
户服务，比如电子邮件、文件传输和虚拟终端 等。它直接与用户或应用程序通信。
表2-1 OSI各层功能总结
层次 7. 应用层 6. 表示层 5. 会话层 4. 运输层 3. 网络层 2. 数据链路层 1. 物理层
功能
提供电子邮件、文件传输等用户服务 转换数据格式，数据加密和解密 通信同步错误恢复和事务操作 网络决策实现分组和重新组装 路由选择计费信息管理 错误检测和校正，组帧 数据的物理传输
层实现技术的改变不影响其它层。 4）易于实现和维护。 5）有利于促进标准化。
2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考 模型
2.3.1 OSI参考模型 为层次的划分建立了一个标准的框架是国际化
标准组织ISO（International Standardization Organization）的开放系统互连参考模型 OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model）的主要贡献。
物理层（physical layer）
2.4.1 物理层
将一个比较复杂的问题分解成若干个容易处理的 子问题，而后“分而治之”逐个加以解决，这种 结构化设计方法是工程设计中常用的手段。
分层就是系统分解的最好方法之一。
2.1 网络体系结构的形成
裸机 图 2-1 层次结构
2.1 网络体系结构的形成
世界上第一个网络体系结构由IBM公司于1974年 提出，命名为“系统网络体系结构SNA”。
第2章 计算机网络体系结构
本章学习目标
通过本章学习，应该掌握以下内容： 了解计算机网络体系结构分层原因； 掌握协议、层次、服务、接口与网络体
系结构的基本概念； 了解OSI参考模型、TCP/IP参考模型及两
者之间的异同点； 掌握具有5层协议的网络体系结构。
2.1 网络体系结构的形成
将多台位于不同地点的计算机设备通过各种通信 信道和设备互连起来，使其能协同工作，以便于 计算机的用户应用进程交换信息和共享资源，这 是一个复杂的工程设计问题。
层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是
虚通信）来实现的。
分层可以遵守以下几个主要原则：
1）每层功能应是明确的并且相互独立。 2）接口层清晰，跨越接口的信息量应尽可
能少。 3)层数应当适中。
计算机网络中采用层次结构， 有以下好处：
1）各层之间相互独立。 2）灵活性好。 3）各层都可以采取最合适的技术来实现，各
2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考 模型
2.3.1 OSI参考模型 OSI模型共分为7层，从下到上依次为物理层
（physical layer）、数据链路层（ data link layer ） 、网络层（ network layer ） 、传输 层（transport layer ） 、会话层（session layer ） 、表示层（presentation layer）和应 用层（ application layer ） 。
在此之后，许多公司纷纷提出了各自的网络体系 结构。
随着信息技术的发展，各种计算机系统联网和各 种计算机网络的互联成为人们迫切需要解决的课 题。
2.2 网络体系结构基本概念
两台计算机通信时，对传送信息内容的理解， 信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必 须遵循一个共同的约定规则，这些规则精确地 规定了所交换数据的格式和时序。
网络协议对于计算机网络是不可缺少的，一 个功能完备的计算机网络需要制定一套复杂 的协议集，对于复杂的计算机网络协议最好 的组织方式就是层次结构模型。
我们将计算机网络层次结构模型和各层协议 的集合定义为计算机网络体系结构（Network Architecture）。
2.2 网络体系结构基本概念
网络体系结构是对计算机网络应完成的功能的 精确定义，而这些功能是用什么样的硬件和软 件实现的，则是具体的实现问题。
虚通信 实通信
计算机 B
… n+1 层
n层 n-1 层
…
图 2-2 计算机网络的层次模型
计算机网络的层次模型：
我们把要点归纳如下： 1）除了在物理媒体上进行实通信外，其余
各对等层实体间都是进行虚通信。 2）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。 3）n层的虚通信是通过n-1/n层间接口处n-1
第n+1层 接口 第n层
IDU ICI SDU
SAP
ICI
SDU
SAP 服务接入点 IDU 接口数据单元 SDU 服务数据单元 PDU 协议数据单元 ICI 接口控制信息
报头 SDU
n-PDU
第N层实体在它 们的第n层协议 里交换n-PDU
服务和协议是完全不同的两个 概念，但二者又紧密相关。
服务是各层向它上层提供的一组操作。服务定 义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层 是服务提供者。
应用层位于体系结构的最上层。它包含众多的高 层协议，直接为用户提供服务。
2.3.3 OSI参考模型与TCP/IP参 考模型的比较
OSI参考模型与TCP/IP参考模型的共同之处是 它们都采用了层次结构的概念，但是二者在 层次划分、使用的协议上是有很大区别的。
造成OSI协议不能流行的原因 之一是模型与协议自身的缺陷。
2.3.2 TCP/IP参考模型
TCP/IP网络体系结构中，共分4层，分别是 应用层、传输层、网际层与网络接口层。
图2-5给出了TCP/IP参考模型及与OSI参考 模型的层次对应关系。
TCP/IP参考模型及与OSI参考模型 的层次对应关系:
TCP/IP参考模型
应用层
传输层 网络层 网络接口层
2.3.3 OSI参考模型与TCP/IP参 考模型的比较
OSI参考模型由于要照顾各方面的因素，变得 大而全，效率很低。尽管这样，它的很多研究 结果、方法以及提出的概念对今后网络发展还 是有很高的指导意义的，但是它没有流行起来。
TCP/IP协议应用广泛，但它的参考模型的研究 却很薄弱。
2.4 具有五层协议的网络体 系结构
体系结构是抽象的，而实现是具体的，其具体 实现是通过特定的硬件和软件来完成的。
2.2 网络体系结构基本概念
在具有层次结构的网络模型中，每一层的功能 是为它的上层提供服务的。
每一层的活动元素通常被称为实体（entity）。 实体既可以是软件实体（如一个进程），也可 以是硬件实体（如智能输入/输出芯片）。
协议是定义在同层对等实体之间交换的帧、分 组和报文的格式及意义的一组规则。实体利用 协议来实现它们的服务定义。
只要不改变提供给用户的服务，实体可以任意 地改变它们的协议。这样，服务和协议就被完 全的分离开来。
计算机网络的层次模型：
计算机 A
… n+1 层 n层 n-1 层
…
虚通信
n+1 层协议 n 层协议 n-1 层协议
含义。 数据链路层为物理层提供差错检测。数据链路
层也包含竞争策略。 底部3个层次的最高层就是网络层。它包含路由
策略，路由算法负责在两节点间寻找最佳的路 径，
OSI层次模型中各层功能
顶部的4个层次为用户服务。其中的最低层是传 输层。它提供缓冲、多路复用和连接管理等功 能。
会话层负责管理用户间的会话。 表示层解决数据表示中存在的差异问题。另外
很多“原语”在软件的很多高级语言实现起来是容 易的，但严格按照层次模型编程的软件效率很低。
TCP/IP参考模型与协议也有它 自身的缺陷：
首先，它在服务、接口与协议的区别上就不清 楚。。
其次，TCP/IP的主机—网络本身并不是实际的 一层，它定义了网络层与数据链路层的接口。 物理层与数据链路层的划分是必要和合理的， 一个好的参考模型应该将它们区分开来，而 TCP/IP参考模型却没有做到这点。
2.3.1 OSI参考模型
端开放系统
A
P
S
T
中继开放系统
N
N
DL
DL
PH
PH
A 层协议 P 层协议
S 层协议 T 层协议
通信子网
中继开放系统
DL PH
主机
IMP
IMP
图 2-3 ISO/OSI 层次模型
中继开放系统
N DL PH
IMP
端开放系统 A P S T N DL PH
主机
2.3.1 OSI参考模型
在学习计算机网络原理时往往采取折中的方 法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种 只有5层协议的体系结构，以便简洁清楚的 阐述概念。
应用层（ application layer）
传输层（transport layer）
网络层（network layer）
数据链路层（datalink layer）