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第4章 网络体系结构与网络协议 韩维良 青海师范大学教师教育学院 Hwljxq@ 本章学习要求： 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 功能与协议族 了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较 第一节 网络体系结构的基本概念 体系结构是电脑网络的“灵魂”，它是科学家们为了网络数据传输的规范性而设计的一种通用型网络结构。它就像动物的骨架或一篇文章的大纲。 电脑网络体系结构是工业界统一的标准，所有网络设备的制造者都必须按照这个标准来生产。 一、协议（Protocol） 计算机网络的通信是一个非常复杂的过程，因此通信双方都应遵循一定的规则和规程，这就是协议（Protocol）。即通信双方在通信过程中必须遵守的规则的集合。 协议代表着标准化，它是一组规则的集合，是进行交互的双方必须遵守的约定。 在网络系统中，为了保证数据通信双方能正确而自动地进行通信，针对通信过程的各种问题，制定了一整套约定，这就是网络系统的通信协议。 从本质上讲，协议是一种特殊的软件，是一套语义和语法规则，用来规定有关功能部件在通信过程的操作。 协议有三个要素，即： ○ 语法（Syntax）——数据与控制信息的格式、数据编码等。如：数据格式、编码、信号电平等。 ○ 语义（Semantic）——控制信息的内容，需要做出的动作及响应。如：需要发生何种控制信息，完成何种动作，做出何种应答等。 ○ 时序（Timing）——事件先后顺序和速度匹配。是对事件实现顺序的详细说明，如：速度匹配、排序等。 以两个人打电话为例来说明协议的概念： 甲要打电话给乙，首先甲拨通乙的电话号码，对方电话振铃，乙拿起电话，然后甲乙开始通话，通话完毕后，双方挂断电话。 在这个过程中，甲乙双方都遵守了打电话的协议。 其中，电话号码就是“语法”的一个例子，一般电话号码由五到八位阿拉伯数字组成，如果是长途要加拨区号，国际长途还有国家代码等等；两人之间的谈话选择使用什么语言也是语法 甲拨通乙的电话后，乙的电话振铃，振铃是一个信号，表示有电话打进，乙选择接电话，讲话；这一系列的动作包括了控制信号、响应动作、讲话内容等等，就是“语义”的例子； “时序”的概念更好理解，因为甲拨了电话，乙的电话才会响，乙听到铃声后才会考虑要不要接，这一系列事件的因果关系十分明确，不可能没有人拨乙的电话而乙的电话会响，也不可能在电话铃没响的情况下，乙拿起电话却从话筒里传出甲的声音。 二、层次（layer） 近40年来，计算机网络飞速发展，已成为一种复杂、多样的大系统，计算机网络的实现要解决很多复杂的技术问题：支持多种通信媒体（如电话线、铜缆、光纤、卫星等）；支持多厂商、异种机互联，包括软件的通信约定至硬件接口的规范；支持多种业务，如批处理、交互分时、数据库等；支持高级人机接口，满足人们对多媒体日益增长的需求，如何有效地解决这所有的问题？。 网络设计者通常采用分层模型来开发网络协议，分层模型描述了把通信问题分为几个子问题的方法，每个子问题对应一层。即“分而治之”，将一个复杂的系统分解成一个个容易处理的子问题，然后加以解决。 分层设计方法是按照信息的传输过程将网络的整体功能划分为一个个子功能层，每层完成特定功能，同等功能层之间采用相同的协议，相邻功能层之间通过接口进行信息传递；各层协调起来实现整个网络系统。 层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。分层结构还有利于交流、理解和标准化。 在所示的一般分层结构中，n 层是n-1层的用户，又是n+1层的服务提供者。 n+1层虽然只直接使用了n层提供的服务，实际上它通过n层还间接地使用了n-1层以及以下所有各层的服务。 分层的基本规则： 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；定义每一层向上一层提供的服务，以保证每层的功能相互独立。 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； 对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定； 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。 三、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，低层向高层通过接口提供服务；高层通过接口调用服务获得服务。 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。 四、网络体系结构（network architecture） 所谓网络的体系结构