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第2讲
网络体系结构与网络协议
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。
社会上存在的邮政系统
2.1 网络体系结构的基本概念
2.1.1 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
协议（protocol）
层次（layer）
接口（interface）
体系结构（architecture）
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；
协议:邮政系统中用中文或英文写信;信封的书写方法等。
协议栈：网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列。
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；
虚拟通信：数据不是在对等层之间直接通信，而是经 过下层交换通信。
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。
服务：下层向上层提供的功能。
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，低层通过接口向高层提供服务;
只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。
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;
网络协议按层次结构来组织；
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；
2.2 OSI参考模型
2.2.1 OSI参考模型的基本概念
制定计算机网络标准的两大国际组织：
国际电报与电话咨询委员会
（Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT ）；主要负责通信标准的制定；
国际标准化组织
（International Standards Organization ，ISO），主要负责信息处理与网络体系结构。
在OSI中 的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信；
OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。
2.2.2 OSI参考模型的结构
ISO划分七层结构的基本原则
网中各结点都具有相同的层次；
不同结点的同等层具有相同的功能；
同一结点内相邻层之间通过接口通信；
每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；
不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。
OSI参考模型的结构
CCP（通信控制处理机）
2.2.3 OSI参考模型各层的功能
物理层的主要功能：
利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；
实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；
物理层的数据传输单元是比特。
数据链路层的主要功能：
在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；
传输以“帧”为单位的数据包；
采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。
物理线路与数据链路
线路 — 链路
物理线路 — 数据链路
网络层的主要功能： 分组
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；
为数据在结点之间传输创建逻辑链路；
实现拥塞控制、网络互连等功能。
传输层的主要功能： 报文
向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务；
处理数据包错误、数据包次序等传输问题；
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。
会话层的主要功能：
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。
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。
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。
2.2.4 OSI环境中的数据传输过程
1. OSI环境（OSI environment）
实际数据路径
与虚拟数据路径
2. OSI环境中的数据传输过程
2.2.5 面向连接服务与无连接服务
在网络体系结构中讨论的服务可以分为:
整个网络系统为用户提供的服务；
通信子网对网络中数据传输所提供的服务（指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性所提供的保证机制）；
通信服务可以分为两大类：
面向连接服务（connect-oriented service）；
无连接服务（connectless service）。
面向连接服务的特点
面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；
面向连接的服务在数据传输过程中，各分组可以不携带目的结点的地址；
面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠性好，协议复杂，通信效率不高。
无连接服务的特点
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；
无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各分组在系统中独立传送；
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，协议相对简单，通信效率较高。
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组后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；
在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；
确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。
连续ARQ协议举例
(a) 后退N帧ARQ协议 (b) 选择性ARQ协议
全双工线路
后退N帧ARQ协议
第2帧出错, 随后的3,4, 5帧被丢弃，重发第2、3、 4、5帧。
全双工线路
选择重发ARQ协议
第2帧出错, 随后的3, 4, 5帧不丢弃，只重发第2帧。
服务类型与服务质量
通信协议四种类型：
面向连接与确认服务；
面向连接与不确认服务；
无连接与确认服务；
无连接与不确认服务。
设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。
2.3 TCP/IP参考模型
2.3.1 TCP/IP参考模型的发展
OSI七层参考模型：先有模型，后有协议！
TCP/IP参考模型： 先有协议，后有模型！
1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；
20世纪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；
目前我们使用的是版本4，它的网络层IP协议一般记作IPv4 ；
版本6的网络层IP协议一般记作IPv6（或IPng, IP next generation）；
IPv6是下一代的IP协议。
TCP/IP协议的特点
开放的协议标准;
独立于特定的计算机硬件与操作系统；
独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；
统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址；
标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。
2.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能
应用层（application layer）
传输层（transport layer）
互连层（internet layer）
主机-网络层（host-to-network layer）
TCP/IP 参考模型与 OSI 参考模型的对应关系
主机-网络层
参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报;
允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等。
互连层
处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；
IP协议是一种无连接的网络层协议。
传输层
主要功能：在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；
传输控制协议TCP (Transport Control Protocol)是一种可靠的面向连接协议；
用户数据报协议UDP (User Datagram Protocol)是一种不可靠的无连接协议。
应用层协议主要有：
网络终端协议Telnet：
用于实现互联网中远程登录功能；
文件传输协议FTP：
用于实现Internet中交互式文件传输功能；
简单邮件传输协议SMTP：
用于实现Internet中电子邮件传送功能；
应用层
域名系统DNS：
用于实现网络设备名到IP地址映射的网络服务；
简单网络管理协议SNMP：
用于管理与监视网络设备；
超文本传输协议HTTP：
用于WWW服务。
TCP/IP协议栈
地址解析协议：ARP / RARP
2.4 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较
2.4.1 对OSI参考模型的评价
层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；
寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；
数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；
参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；
严格按照层次模型编程的软件效率很低。
2.4.2 对TCP/IP参考模型评价
在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其他非TCP/IP协议族；
TCP/IP参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；
物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而TCP/IP参考模型却没有做到这点。
2.6 一种建议的参考模型
小结
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；
网络中计算机之间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。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。功能完备的网络需要制定一系列的协议；
网络协议就是按照层次结构模型来组织的，网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构；
ISO定义的开放系统互联参考模型对推动网络协议标准化的研究起到了重要的作用；
Internet的广泛应用使TCP/IP协议成为事实上的标准。

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