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1、计算机网络体系结构,第二章 计算机网络体系结构 2.1 计算机网络体系结构 2.2 开放系统互连参考模型 2.3 TCP/IP参考模型 2.4 OSI与TCP/IP体系结构的比较 2.5 客户服务器方式,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA(System Network Architecture)。现在它是世界上使用得相当广泛的一种网络体系结构。为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开
2、放系统互连基本参考模型OSI/RM(Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为OSI。,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,一、协议,为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。一个网络协议主要由以下三个要素组成：（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；（3）时序，即事件实现顺序的详细说明。两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,一、协议,为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网
3、络协议。一个网络协议主要由以下三个要素组成：（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；（3）时序，即事件实现顺序的详细说明。两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,二、分层设计,为了降低协议设计的复杂性，网络体系采用层次化结构，每一层都建立在其下层之上，每一层的目的是向其上一层提供一定的服务，把服务的具体事项细节对上层屏蔽。如下图所示,分层可以带来如下好处：（1）各层之间是独立的（2）灵活性好（3）易于实现和维护（4）结构上可分割开（5）能促进标准化工作。,计算机网络体系结构,2
4、.1 计算机网络体系结构,三、相关概念,计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(architecture)，也就是说，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,三、相关概念,(1)实体和系统(2)协议(3)协议栈(4)接口和服务(5)服务原语(6)协议数据单元(7)服务和协议的关系(8)面向连接的服务和无连接的服务,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,三、相关概念,(一)协议和服务 协议和服务在概念上是很不一样的。首先，协议的
5、实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。其次，协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,三、相关概念,(二)SAP、SDU 在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方，通常称为服务访问点 SAP(Service Access Point)。OSI将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU(Ser
6、vice Data Unit)。在任何相邻两层之间的关系可概括为图2-4所示的那样。在服务提供者的上一层的实体，也就是“服务用户”，它使用服务提供者所提供的服务。,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,三、相关概念,(三)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两大类，即面向连接的(connection-oriented)与无连接的(connectionless)。1面向连接服务 所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接。当数据交换结束后，则应终止这个连接。面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放
7、这三个阶段。面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。,计算机网络体系结构,2.1 计算机网络体系结构,三、相关概念,(三)面向连接服务与无连接服务 2无连接服务 在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留。这些资源将在数据传输时动态地进行分配。无连接服务的另一特征就是它不需要通信的两个实体同时是活跃的(即处于激活态)。（1）数据报(datagram)（2）证实交付(confirmed delivery)（3）请求回答(request-reply),开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,对等层协议,应用层,应用层,表示
8、层,表示层,会话层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,物理层,数据链路层,网络层,传输层,相邻层协议,开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,一、物理层（physical layer）,物理层提供建立、维护、释放物理连接所需的机械、电气、功能及规程特性，透明地传送比特流。“透明”是一个很重要的术语。它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。物理层提供为建立、维护、释放物理连接所需的机械、电气、功能及规程的特性。在几种常用物理层标准中，通常将具有一定数据处理及发送、接收数据能力的设备称为数据终端设备(Data Terminal Equipment,DTE)，而把介
9、于DTE与传输介质之间的设备称为数据电路终接设备(Data Circuit-terminating Equipment,DCE)。,开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,一、物理层（physical layer）,物理接口标准点以来物理层与物理传输介质之间的边界与接口。物理接口的四个特性是：机械特性、电气特性、功能特性与规程特性。不同的接口标准在以上四个特性上都不尽相同。实际中广泛使用接口标准有EIA-232-D、EIARS-449和CCITT建议的X.21。下面介绍一下EIA-232-D。机械特性:25针插座。电气特性:低于-3伏表示“1”，高于4伏表示“0”，最大速率为20K
10、bps,最大电缆长度为15米。功能特性:引脚信号的含义，如DTR表示DTE通电，DSR表示DCE通电 规程特性：动作的顺序。,计算机网络体系结构_体系结构,计算机网络体系结构_体系结构,计算机网络体系结构_体系结构,计算机网络体系结构_体系结构,开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,二、数据链路层(data link layer),数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧(frame)为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。数据链路层有时也常简称为链路层。数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下看去好像是一条不出差错的链路。数据链路层
11、向网络层提供如下服务：组成帧，传输帧 流量控制 差错控制 链路管理 寻址,开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,二、数据链路层(data link layer),在ISO标准协议集中，数据链路层采用高层数据链路控制(High-level Data Link Control,HDLC)协议。数据链路层的数据传输是以帧为单位，在OSI模型中帧是数据链路层的协议数据单元。HDLC帧的结构如下图所示：,开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,三网络层(network layer),网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。在网络层，数据的传送单位是分组或包。在TCP/IP体
12、系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。设置网络层的主要目的是要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，网络用户不必关心网络的拓扑结构与所使用的通信介质。OSI参考模型规定网络层的主要功能有以下三点:（1）路径选择与中继（2）流量控制（3）网络连接建立与管理,开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,四运输层(transport layer),运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文段(segment)。运输层具有复用(multiplexing)和分用(demultiplexing)的功能。因特网的运输层可使用两种不同协议。即面向连接的传
13、输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)，和无连接的用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)。,开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,五、会话层（1）为不同系统的两个进程进行会话连接（2）管理对话六、表示层（1）字符集转换（2）数据压缩与恢复（3）数据加密与解密（4）实际终端与虚拟终端间转换七、应用层(application layer)应用层是原理体系结构中的最高层。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要(这反映在用户所产生的服务请求)。,开放系统互连参考模型,2.2 开放系统互连参考模型,九、OSI参考模
14、型中的数据传输,TCP/IP参考模型,2.3 TCP/IP参考模型,国际标准化组织的OSI参考模型只是理论上的计算机网络体系结构模型，实际上目前广泛应用的Internet是以TCP/IP协议为核心的。TCP/IP协议实际上是一组协议，称为TCP/IP协议族，其中的IP协议为各种不同的通信子网或局域网提供一个统一的互连平台，TCP协议为应用程序提供端到端的通信和控制功能。TCP/IP协议族也是一种层次体系结构，它共分为四层，即网络接口层、网络层、传输层和应用层，其结构如下图所示。,OSI与TCP/IP参考模型的比较,2.4 OSI与TCP/IP的比较,一、OSI与TCP/IP参考模型的对照关系,
15、OSI与TCP/IP参考模型的比较,2.4 OSI与TCP/IP的比较,二、OSI与TCP/IP参考模型的差异,在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是很不相同的。（1）TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连问题。（2）TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重。（3）TCP/IP有较好的网络管理功能。,OSI的七层协议体系结构复杂、不实用，但其概念清楚，体系价格低廉，理论较完整。TCP/IP的协议得到了世界的承认，但它并没有一个完整的体系结构。TCP/IP是一个四层的体系结构，它包含应用层、运输层、网际层和网络接口层。但从实质上讲，TCP/IP只有三层，即应用层、运输层和网际层
16、，最下面的网络接口层并没有什么具体内容。因此在学习计算机网络的原理时往往采取折衷的办法，也就是综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种原理体系结构，它只有五层，这样既简洁又能将概念阐述清楚。,客户服务器方式,2.5 客户服务器方式,在TCP/IP的进程之间的通信经常使用客户服务器方式。应用层协议并不是解决用户各种具体应用的协议，而是为最终用户提供服务。为了解决具体的应用问题而彼此通信的进程就称为“应用进程”。而应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。,客户服务器方式,2.5 客户服务器方式,一、客户软件
17、,（1）在进行通信时临时成为客户，但它也可在本地进行其他的计算。（2）被用户调用，在用户的计算机上运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信。（3）可与多个服务器进行通信。（4）不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。,客户服务器方式,2.5 客户服务器方式,二、服务器软件,（1）是专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地客户的请求。（2）在共享计算机上运行。当系统启动时即自动调用，且不断地运行着。（3）被动地等待并接受来自多个客户的通信请求。（4）一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。客户与服务器的通信关系一旦建立，通信就是双向的，客户和服务器都可发送和接收信息。大多数的应用进程都是使用TCP/IP协议进行通信。,客户服务器方式,客户、服务器进程使用TCP/IP协议进行通信,客户服务器方式,2.5 客户服务器方式,二、服务器软件,功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程。由于运行服务器进程的机器往往有许多特殊的要求(不同于普通的PC机)，因此经常将主要运行服务器进程的机器(硬件)不严格地称为服务器。,
