冶金工业出版社

温州科技职业学院计算机应用技术教研室1天空网上课堂第3章计算机网络体系结构与协议本章教学目标：（1）认识计算机网络的基本概念。（2）了解网络结构的分层思想。（3）理解OSI参考模型概念。（4）理解TCP/IP参考模型的概念。（5）重点掌握OSI参考模型的七层结构、功能。（6）了解TCP/IP协议的由来。温州科技职业学院计算机应用技术教研室2天空网上课堂3.1网络体系结构的基本概念3.2ISO/OSI参考模型3.3物理层3.4数据链路层3.5网络层3.6传输层3.7会话层3.8表示层3.9应用层3.10网络协议3.11实训温州科技职业学院计算机应用技术教研室3天空网上课堂3.1网络体系结构的基本概念所谓的网络体系结构就是为了完成主机之间的通信，把网络结构划分为有明确功能的层次，并规定了同层次虚通信的协议及相邻层次之间的接口与服务。因此，网络的层次结构模型与各层协议和层间接口的集合统称为网络体协结构。3.1.1网络结构的分层3.1.2层次体系结构温州科技职业学院计算机应用技术教研室4天空网上课堂3.1.1网络结构的分层建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共享，而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。对于网络通信的广泛实施，国际标准化组织（ISO）于1977年制定了异种机相互连接的标准ISO/OSIRM参考模型，给网络设计者提供了一个参考规范。在这样的规范下，计算机网络才能发展到今天这样一个结构复杂的、功能强大的庞大系统。温州科技职业学院计算机应用技术教研室5天空网上课堂3.1.2层次体系结构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：即需要发出何种信息、完成何种动作以及做出何种应答。（3）同步（定时）：即事件实现顺序的详细说明。实际上，我们将网络的功能分解为许多层次，每一个层次都必须解决上面三个问题，而层次之间则有相互服务的关系，下一层对上一层提供“透明”的服务。所以每一层的网络协议是计算机网络中最重要的组成部分。在体系结构的理解中，有两个概念是非常重要的，它们是协议和协议分层。1.协议2.协议分层温州科技职业学院计算机应用技术教研室6天空网上课堂3.2ISO/OSI参考模型3.2.1OSI参考模型的基本概念3.2.2开放系统互连参考模型3.2.3OSI中的重要概念和术语温州科技职业学院计算机应用技术教研室7天空网上课堂3.2.1OSI参考模型的基本概念20世纪70年代中期，网络应用已初具规模，许多公司竟相进行网络产品的开发。但由于采用的网络结构和通信规则不同，使得网络系统不能互相兼容，给用户带来不便。为了规范网络结构规则，国际标准化组织ISO于1984年提出开放互连参考模型，该模型只是对层次划分和各层协议内容作了说明，而不是指某一个具体的网络，这样各设计者可以根据这一标准，设计出符合各自特点的网络。OSI参考模型是标准化、开放式的计算机网络层次模型。其含义是任何遵守OSI参考模型和有关标准的系统都可以互相连接。在这里“系统”是指计算机、终端或其他外部设备等。目前用的比较普遍的是两个著名的网络体系结构，一个是国际标准化组织推出的ISO参考模型，一个是工业标准TCP/IP参考模型。温州科技职业学院计算机应用技术教研室8天空网上课堂3.2.2开放系统互连参考模型OSI体系结构就是OSI参考模型，但不是OSI标准的全部。在OSI中，采用自上而下逐步求精法，形成三级抽象：体系结构、服务定义（servicedefinition）和协议规范（protocolspecification）。其中最高一级是约束最少的，然后逐步精细地进行描述，并加上更多约束。下面具体讲一下OSI参考模型，OSI模型是一个分层结构的模型，如图3-1所示。它定义了异种计算机互连标准的主体结构。每一层都有特定的功能，连接了较低层和较高层的服务。图3-1OSI参考模型温州科技职业学院计算机应用技术教研室9天空网上课堂1.OSI参考模型的基本功能ISO制定的开放系统互连基本参考模型由七层组成（1）物理层。（2）数据链路层。（3）网络层。（4）传输层。（5）会话层。（6）表示层。（7）应用层。温州科技职业学院计算机应用技术教研室10天空网上课堂2.OSI参考模型的主要特征（1）OSI/RM定义的是一种抽象结构，它给出的仅是功能上和概念上的标准框架，与具体实现无关。（2）每层是独立的，完成各自所定义的功能，对某层功能的修改不影响其他层。同一系统内部相邻实体间的接口定义了服务原语以及向上层提供的服务。（3）不同系统的同层实体间使用该层协议进行通信，只有最底层才发生直接发送数据。（4）两种不同的协议可能隶属于模型的同一层功能实现。如HDLC和SDLC均归属数据链路层，但它们之间并不能协同工作，只有执行相同协议的实体才能彼此通信。（5）OSI/RM模型的最大作用是提出了功能划分原则，描述了网络通信所需的各种服务。温州科技职业学院计算机应用技术教研室11天空网上课堂3.2.3OSI中的重要概念和术语协议与服务的概念表示，如图3-2所示。(n+1)实体(n)实体提供服务交换原语(n+1)实体(n)实体提供服务交换原语n+1层n层n层协议提供n层服务n-1层n层服务用户n层服务提供者系统A系统B图3-2协议与服务温州科技职业学院计算机应用技术教研室12天空网上课堂（1）开放系统互连环境：就是OSI参考模型描述的范围。其中要分清楚实系统环境和网络环境的区别。实系统环境包括计算机和数据通信网，而网络环境则是指数据通信网和计算机内的通信子系统，因此实系统包括了网络环境。（2）实体：表示可以发送或接受信息的硬件和软件进程。一般实体是一个特定的软件模块。不同子系统中同一层相互交互实体就构成对等实体。（3）服务：在N层中，两个实体间的通信，使这一层能够向上一层N+1层提供服务，这个服务就称为N层服务。提供N层服务的是N层服务提供者，接受N层服务的是上一层的实体，称为N层服务用户。（4）协议：是对等实体之间的通信规程，它们之间协议的实现需要低一层的实体提供连接。（5）服务访问点：同一个系统中相邻两层的实体进行交互的地方就称为服务访问点SAP。实际上是N层实体和N+1层实体的逻辑接口，可以称为接口或者端口，不同于两个设备之间的并行接口和串行接口。温州科技职业学院计算机应用技术教研室13天空网上课堂3.3物理层物理层是OSI模型的最低层，它向下直接与传输介质相连接，向上相邻且服务于数据链路层。它的作用是在数据链路实体之间合理地通过中间系统，为位传输所需要的物理连接的建立、保持和拆除提供机械、电气、功能和规程特性。物理层所包含的另一个非常重要内容是数据终端设备（DTE）与数据电路终接设备（DCE）之间的连接。（1）机械特性。（2）电气特性。（3）功能特性。（4）规程特性。温州科技职业学院计算机应用技术教研室14天空网上课堂3.3.1物理层常用的几种标准1.EIA—232—D2.RS4493.X.21建议书温州科技职业学院计算机应用技术教研室15天空网上课堂3.3.2物理层设备与组件1.物理层传输主要问题2.物理层网络连接设备温州科技职业学院计算机应用技术教研室16天空网上课堂1.物理层传输主要问题信号的衰减是传输中的第一大问题。原始的比特流信号在传输的过程中越来越弱，导致信号能量无法别识别。产生信号衰减的原因包括介质吸收、反射或散射等，其限制了信号的传输距离，这就是所有传输介质都存在的最大传输距离受限制的原因。当然，不同的传输介质其衰减率不同，其衰减还常常带来信号的变形。所有物理层需要采用放大器和整形的方法来保证信号的准确。信号在传输过程第二大问题是噪音。噪音只附加在原始信号上所有不期望的信号，也就是干扰。物理线路上的热噪音、线路端接点的近端串扰、交流供电电路中的接地噪声和来自无线干扰、电磁干扰都是产生噪音的原因。这使得接收端无法提取正确的数据。所有我们在物理层采取了一些必要的措施来减少噪声，如抵消、屏蔽。我们使用（signalmoiseratio，S/N）来表示噪音对信号的影响程度，信噪比越大信号的质量就越好，所以减少干扰的最终目的是提高信噪比。温州科技职业学院计算机应用技术教研室17天空网上课堂2.物理层网络连接设备1）中继器中继器工作在OSI参考模型的物理层上，其功能是对通过物理介质传输时受干扰或衰减的信号进行再生和放大。然后发送到另一电缆段。不同的介质其传输的最大距离都有不同规定。例如，同轴电缆的最大传输距离为500m，非屏蔽双绞线的最大传输距离是100m。如果要“延长”网络的距离，那么就需要安装一个中继器。2）集线器集线器实际上是一个多端口的中继器，它工作原理与中继器基本相同。两者的主要区别在于，中继器一般为两个端口，一个接入数据端口；一个进行放大转发端口。而集线器具有多个端口，数据到达一个端口后被转发到其他端口。集线器是对网络集中管理的最小单元。多台计算机连接到一个集线器的网络是一个星型网络，集线器是这个网络的中心。温州科技职业学院计算机应用技术教研室18天空网上课堂3.4数据链路层3.4.1数据链路层基本设计内容3.4.2二进制同步通信规程3.4.3数据链路控制规程3.4.4数据链路层的设备和组件温州科技职业学院计算机应用技术教研室19天空网上课堂3.4.1数据链路层基本设计内容网络层调用数据链路层的服务，数据链路层为网络层提供服务，通过网络层与数据链路层之间的接口，以服务原语的形式完成服务的调用与被调用。因而设计数据链路层时必须完成下面几个特定的功能，实现在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输，为网络层提供高质量的服务。1.数据链路的服务2.数据成帧3.差错检测和校正4.差错控制5.流量控制温州科技职业学院计算机应用技术教研室20天空网上课堂3.4.2二进制同步通信规程这里简单介绍两种最常用的用于同步传输的协议：（1）面向字符的“基本型”协议。（2）面向位的“高级数据链路控制规程”（HDLC）。在异步传输的链路级协议中，可以依照“基本型”协议的控制方法，而对异步传输的链路级协议就比较复杂和高级。在高级数据链路控制规程（HDLC）问世以后，由于面向字符的链路控制规程比高级数据链路控制规程有明显的劣势，因而，面向字符的链路控制规程的地位逐渐被HDLC所取代。温州科技职业学院计算机应用技术教研室21天空网上课堂3.4.3数据链路控制规程“高级数据链路控制规程”是面向位的通信规程，它出自IBM公司系统网络体系结构所用的链路协议。从70年代初期问世以来，它表现出比面向字符的规程更高的可靠性及高传输效率等优点，所以它越来越受到各方的关注，应用也越来越广泛了。HDLC的特点有：一是使用固定“封装”式的帧结构和0插入、检出技术来传输数据，实现了数据的透明传输；二是传输方式是面向位的，即任意比特数的任何序列都能以帧的形式传输。它主要由三部分组成：帧结构、规程要素、规程分类。温州科技职业学院计算机应用技术教研室22天空网上课堂1.帧结构HDLC以帧（frame）作为传输单位，无论信息本身还是控制信息，都用统一的称为标志的8位编码结构来把它打包成一个帧进行传输。一个帧由标志字段F、地址字段A、控制字段C、信息字段I、帧校检序列FCS五个部分构成，所有的收发数据都用这种统一的格式进行传输。还有一种只含有监控序列的帧，这种帧不带信息字段。2.帧类别HDLC协议有三种帧：信息帧（Information）、监控帧（Supervisory）以及无序号帧（Unnumbered）。3.规程要素和分类规程要素是指规程在不同的网络结构中的不同工作方式，同时还包括了由帧控制字段的三种格式所定义的信息帧、监控帧和无编号帧的功能。网络的链路结构可以分成平衡型和非平衡型两大类，所以HDLC可以有三个子集：正规响应类、异步响应类、平衡异步响应类。温州科技职业学院计算机应用技术教研室23天空网上课堂3.4.4数据链路层的设备和组件数据链路层的设备主要有交换机，网桥，网卡。1.交换机交换机是工作在数据链路层的网络互连设备。2.网桥网桥也叫桥接器，也是工作在数据链路层的一种网络