网络技术基础第2章1

第二章OSI参考模型和TCP/IP协议学习要求理解OSI七层模型中每一层的主要功能。理解明数据在OSI参考模型中传递过程重点：OSI参考模型的分层结构、TCP/IP协议，以及它们之间的对应关系。2.1分层次的网络体系结构在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据就必须遵守一些事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式和相关的同步问等等。这些在网络中的数据交换所制定的规则、标准、或约定即称为网络协议。2.1.1计算机网络的分层模型网络协议主要由以下三部分组成。（1）语法，即数据信息与控制信息的结构和格式。（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作，以及作出何种应答。（3）同步，即事件实现顺序的详细说明。由此可见网络协议是计算机网络中不可缺少的部分。图2.1网络分层模型的示意图图2.1给出了计算机网络分层模型的示意图，该模型将计算机网络中的每台机器抽象为若干层(layer)，每层实现一种相对独立的功能。优点：（1）各层之间独立，每一层并不需要知道下一层是如何实现的，仅仅知道通过该层提文件传输模块通信服务模块网络接入模块文件传输模块通信服务模块网络接入模块文件及文件传送命令与通信有关的报文网络接口供的接口服务即可。（2）灵活性好，当任何一层发生变化，只要接口不变，其他各层均不受影响。（3）结构上分割开，各层均可采用最合适的技术（4）易于维护和实现，因为整个系统被分层若干个相对独立的系统，使得实现和调试整个系统变得相对容易（5）能促进标准化工作，因为每一层的功能及服务均做了详细的说明。计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。2．2ISO/OSI网络参考模型1979年，国际标准化组织（ISO）成立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统的计算机网络体系结构，并于1983年正式提出了开放式系统互连OSI（OpenSystemInterconnection）参考模型，简称OSI/RM。这是一个定义连接异种计算机的标准体系结构，所谓开放是指任何计算机系统只要遵守这一国际标准，就能同其他位于世界上任何地方的、也遵守该标准的计算机系统进行通信。2．2．1ISO/OSI七层模型国际标准化组织制定了开放式系统互联（OSI，opensysteminterconnect)的参考模型，该模型是设计和描述网络通信的基本框架，它描述了网络硬件和软件如何以层的方式协同工作，进行网络通信。建立计算机之间互联所需的功能层次的全球标准，生产厂商可根据OSI模型的标准设计自己的产品。OSI模型把通信会话需要的各个处理分为7个不同的层次，这个层次按照通信会话过程的自然序组织，1～3层提供物理访问，4～7层专用于支持物理访问,如表2.1所示。表2.1ISO/OSI七层模型层次描述层号应用层7表示层6会话层5传输层4网络层3数据链路层2物理层11．物理层(physicallayer)最底部的层次称为物理层，负责二进制流的传输。它接收来自第二层二进制流的传输，一次一位。同时还负责数据流的接受，一次一位，这些流传给数据链路层，进行重新组帧。物理层只看到0和1，它没有确定的接收和传输位的意义的机制，只考虑电气和光电信号的物理特征，包括用于传输信号的电流电压，介质类型和阻抗特征等等。2．数据链路层(datalinklayer)OSI参考模型的第二层，它有两组功能传输和接收。负责提供数据端到端的验证。在传输方面，数据链路层负责打包指令和数据，进而组成帧。同时它含有自己的地址结构，这个编址只适用于本地连接。帧：数据链路层固有的结构，含有足够的信息，保证数据能够通过网络成功的发送到目的地。成功的传输意味着该帧没有改变得到达目的地，帧还必须能够验证投递时内容的完整性。（1）目的节点必须在确认接受之前验证帧的内容的完整性（2）源节点必须收到接收方的每个帧已经由目的地节点成功接受的确认（3）有许多情况会导致传输帧不能到达目的地，或在传输过程中被损坏不能使用，数据链路层负责纠正和检测这样的错误。同时还负责将从物理层来的二进制流重新组装成帧。3．网络层(networklayer)网络层负责建立源计算机和目的计算机之间的路由，这一层本身没有检测错误和纠正机制，所以必须依靠数据链路层提供可靠的端到端的服务。由于有路由寻址体系结构，网络层可以建立与超出本地局域网的计算机系统通信。中所处的位置，不同网络层协议所采用的寻址方案是不同的。在确定了目标结点的位置后，网络层还要负责引导数据包正确地通过网络，找到通过网络的最优路径，即路由选择。如果子网中同时出现过多的分组，它们将相互阻塞通路并可能形成网络瓶颈，所以网络层还需要提供拥塞控制机制以避免此类现象的出现。另外，网络层还要解决异构网络互连问题。4．传输层(transportlayer)传输层提供与数据链路层相似的服务，负责端到端的数据完整性。与数据链路层不同的是，传输层能够提供超出本地局域网的这个功能，它可以检测由路由器丢失的数据包，并自动产生传输请求。传输层的另外一个重要功能是重新定序乱序数据报。在任何情况下均能标识数据包的原始数据，并在数据包传递给会话层之前，使数据包回到该次序。5．会话层(sessionlayer)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。主要功能是在两个计算机连接过程中，协商和管理通信流程，这个通信流程称为会话。它确定通信流程是单项还是双向，并保证在完成一个请求之后，才接受下一个请求。该层是参考模型的第五层，使用相对较少，许多协议把这一层捆绑到传输层中。6．表示层(presentationlayer)表示层负责管理数据的编码方法，提供不兼容的数据编码方案之间的数据转换。还可以提供加密解密服务。7．应用层(applicationlayer)OSI参考模型的最上一层是应用层，但这一层不包括应用程序，而提供应用程序和网络服务之间的接口。这一层可以被看成是启动通信会话的原因。2.2.2数据在参考模型中的传递在OSI模型中，同等实体间所传输的数据称为协议数据单元(protocoldataunit,pou)。如图2.4所示，假设计算机1上的某个应用程序要发送数据给计算机2，则该应用程序把数据交给了应用层，应用层在数据前面加上应用层的报头H7，从而得到一个应用层的数据包。报头(header)及报尾(tailer)是指对等层之间相互通信所需的控制信息，增加报头(报尾)的过程称为封装。封装后得到的应用层数据包被称为应用层协议数据单元（applicationprotocoldataunit,APDU）。封装完成后，应用层将该APDU交给表示层。表示层接收应用层传下来的APDU，它并不关心APDU中哪一部分是用户数据，哪一部分是报头，它只在收到的APDU前面加上包含本层控制信息的报头H6，构成表示层的协议数据单元(presentationpretocoldataunit,PPDU)，再交给会话层。这一过程重复进行直到数据抵达物理层。数据在传输层被封装后得到的协议数据单元称为分段(segment)，在网络层被封装后得到的协议数据单元被称为分组(packet)，在数据链路层被封装后得到的协议数据单元被称为帧(frame)。物理层在收到数据链路层送过来的数据后，并不像其他层那样对接收的数据加上本层的控制信息，而是直接将它转换为电信号，通过传输介质送到接收端，所以在物理层不存在专门的协议数据单元名称。在接收端，当数据一层层向上传递时，各种报头(尾)将被一层一层地剥去。例如，数据链路层在将数据交给网络层之前要去掉帧的封装，即帧头与帧尾；网络层则在将数据交给传输层之前要去掉分组报头，依此类推，最后数据以应用层PDU格式到达接收方的应用层。图2.4数据在参考模型中的传递2.3TCP/IP体系结构目前绝大多数网络协议都使用自己的分层模型，这些模型在遵循OSI参考模型的划分的程度上是不同的。这些模型把OSI七层模型压缩成5个或更少层次是相当常见的，而且高层不完全对应OSI的对应层次。20世纪70年代中期，美国国防高级研究计划局为研究异构系统之间的互联，成立研究组，研究通信协议。70年代末期完成研发工作，形成TCP/IP协议，即传输控制协议TCP和网际协议IP，随后广泛应用于UNIX操作系统。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理传输媒体H7+数据部分H6+数据部分H5+数据部分H4+数据部分H3+数据部分H2+数据部分二进制的比特流应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层物理层TCP/IP是因特网采用的协议标准，也是全世界采用最广泛的工业标准，实际上它是一个协议系列，包括100多个协议，TCP和IP是两个最重要、最基本的协议，同时还包含应用层的协议规范，如电子邮件，终端仿真等。1.TCP/IP协议族1）网际协议IP。网际协议是第三层的主要协议，也是因特网中最重要最基本的协议，负责将数据单元从一个节点传输到另一个节点，对应于OSI参考模型的网路层。它提供了三个基本功能。（1）基本数据单元传送，规定了传输数据的格式。（2）IP路由功能，选择传递数据的路径（3）确定主机和路由器如何确定分组的规则，以及产生差错后的处理方法。为了区分因特网的分组合其他网络分组，IP定义的分组称为IP数据报，IP数据报是有限长度的，包括报头和数据，报头信息包括源地址、目的地址、报文长度等信息，由接受端主机和路由器处理报头信息。因特网采用分组交换的方法传输IP数据报。2）地址转换协议（ARP)和反向地址转换协议（RARP)。（1）在局域网中，所有站点（即计算机）使用网络介质访问控制层的MAC地址来确定报文发送的目的地，而在因特网中采用IP地址来确定的，由于MAC地址和IP地址没有直接的关系，必须通过IP协议族中的另外两个协议ARP和RARP来动态的发现MAC地址和IP地址的对应关系。（2）ARP协议采用广播消息的方法获取网上IP地址对应的MAC地址，对于使用低层介质访问机制的IP地址来说是非常通用的。当一台主机发送报文时，首先通过ARP获取MAC地址，并把结果存储在ARP缓存中的IP地址和MAC地址对照表中，下次发送时就不必发送ARP请求，只需直接到ARP缓存中查询即可。（3）与此对应RARP也是采用广播的方法来决定与MAC对应的IP地址。（4）存在缓存中的地MAC和IP地址的对应关系不是一成不变的，必须根据变化随时更新。通过这一技术可将MAC和IP地址绑定，防止其他用户盗用IP地址。3）传输控制协议（TCP)。（1）传输控制协议是为了解决因特网上分组交换通道中数据流量超载和传输拥塞而设计的，使数据传输和通信更加可靠。TCP负责将数据从发送方正确的传到接收方，是端到端的数据流传送。TCP是面向连接的，因此在数据传递之前首先建立连接，由于数据在发送过程有可能丢失，TCP能检测到数据丢失，并且控制数据重发，直到数据被正确的、完整地接收。（2）TCP协议被用来在一个不可靠的网络中为应用程序提供可靠的端点间的字节流服务。4）用户数据协议。UDP协议是一种简单的面向数据包的传输协议，它提供的是无连接、不可靠的数据报服务，通常用在一个不要求可靠传输的场合。Ping、FTP、snmp等协议采用UDP协议传输。5）网络文件系统（NFS)。NSF提供了在异机种、异种操作系统的网络环境下共享文件的简便方法，它是基于客户/服务器模式，主要特点是：提供透明的文件访问及文件传送，用户不必了解细节直接获取远程数据等等。2．4TCP/IP协议与OSI参考模型的关系对应开放式互联OSI模型层次，可将TCP/IP分为四个层次结构，分别对应OSI的数据链路层、网络层、传输层和应用层。1.数据链路层与TCP/IP协议的对应关系数据链路层也称网络接口层，对应的协议地址有：地址转换协议(ARP)和反向地址转换协议（RARP)，其功能是接受和发送IP数据包，它包括设备驱动器和网络接口卡。2.8OSI模型和TCP/IP模型的比较2.网络层和TCP/IP协议的对应关系网络层也称Internet层，即网络互联层，对应的协议有IP和ICMP。它负责网上的分组传输和路由，它接受请求，将传输