为了对体系结构与协议有一个初步了解,我们先分析一下实际生活中的邮政系统,如图1.14所示,人们平时写信时,都有个约定,即信件的格式和内容。一般必须采用双方都懂的语言文字和文体,开头是对方称谓,最后是落款等。这样,对方收到信后才能看懂信中的内容,知道是谁写的,什么时候写的等。信写好之后,必须将信件用信封封装并交由邮局寄发。寄信人和邮局之间也要有约定,这就是规定信封写法并贴邮票。邮局收到信后,首先进行信件的分拣和分类,然后交付有关运输部门进行运输,如航空信交付民航,平信交铁路或公路运输部门等。这时,邮局和运输部门也有约定,如到站地点、时间、包裹形式等。信件送到目的地后进行相反的过程,最终将信件送到收信人手中。由上可知,邮政系统可分为三层,而且上下层之间,同一层之间均有协定,亦即协议。

图1.14邮政系统分层模型

1.4.2 网络系统的体系结构

1. 层次结构

人类思维能力不是无限的,如果同时面临的因素太多,就不可能做出精确的思维。处理复杂问题的一个有效方法,就是用抽象和层次的方式去构造和分析。同样,对于计算机网络这类复杂的大系统,亦可如此。如图1.15所示,可将一个计算机网络抽象为若干层。其中,第n层是由分布在不同系统中的处于第n层的子系统构成。

图1.15网络层次结构

2.网络协议

在计算机网络中,为使各计算机之间或计算机与终端之间能正确地传递信息,必须在有关信息传输顺序、信息格式和信息内容等方面的一组约定或规则,这组约定或规则即所谓的网络协议。

(1)语义。指对构成协议的协议元素含义的解释。不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容。例如在基本型数据链路控制协议中,规定协议元素SOH的语义表示所要传输报文报头开始,协议元素ETX的语义表示正文结束。

(2)语法。指用于规定将若干个协议元素组合在一起表达一个更完整的内容时所应遵循的格式。例如,在传输一份数据报文时,可用适当的协议元素和数据,按照下面的格式来表达,其中SOH、ETX如上面所述,HEAD表示报头,STX表示正文开始,TEXT是正文,BCC是校验码。

SOH

HEAD

STX

TEXT

ETX

BCC

(3)规则。规则规定事件的执行顺序。

由此可见,网络协议实质上是实体间通信时所使用的一种语言。在层次结构中,每一层都可能由若干个协议,当同层的两个实体间相互通信时,必须满足这些协议。

3.网络体系结构

计算机网络的层次及其协议的集合,即网络的体系结构(Architecture)。具体而言是关于计算机网络应设置哪几层,每层应提供哪些功能的精确定义。至于这些功能应如何实现,则不属于网络体系结构部分。

1.4.3 国际标准化的组织推荐的网络系统结构参考模型ISO/OSI

1.有关标准化组织

为确保发送方和接受方能彼此协调,若干组织促进了通信标准的开发,先简单介绍5个这种组织:ANSI、ITU(CCITT)、EIA、IEEE和ISO。

(1)ANSI:美国国家标准协会(American National Standard Institute)

ANSI设计了ASCII代码组,它是一种广泛使用的通信标准代码。

(2)ITU:国际电信联盟(International Telecommunication Union)

ITU有3个主要部门:无线通信部门(ITU-R),电信标准化(ITU-T),开发部门(ITU-D)。

1953年——1993年,ITU-T被称为CCITT(国际电报电话咨询委员会)。ITU-T和CCITT都在电话和数据通信领域提出建议。人们常常遇到CCITT建议,例如CCITT的X.25,虽然自1993年这些建议都打上了ITU-T标记。

(3)EIA:电子工业协会(Electronic Industries Association)

EIA是美国的电子厂商组织,最为人们熟悉的EIA标准之一是RS-232接口,这一通信接口允许数据在设备之间交换。

(4)IEEE:电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers)

IEEE设置了电子工业标准,IEEE分成一些标准组织(或工作组),每个工作组负责标准的一个领域,工作组802设置了网络设备和如何彼此通信的标准。

(5)ISO:国际标准化组织(International Standard Organization)

ISO开发了开放式系统(OSI,Open System Interconnection)网络结构模型,模型定义了用于网络结构的七个数据处理层。网络结构是在发送设备和接收设备间进行数据传输的一种组织方案,网络结构层准备了传输的数据。

2.开放系统互连参考模型的制定

虽然自20世纪70年代以来,国外一些主要计算机生产厂家都先后推出了本公司的网络体系结构,但它们都属于专用性的。为使不同计算机厂家生产的计算机能相互通信,以便在更大范围内建立计算机网络,有必要建u盘装系统软件立一个国际范围的网络体系结构标准。国际标准化组织信息处理系统技术委员会(ISO TC97)于1978年为开放系统互连建立了分委员会SC16,并于1980年12月发表了第一个开放系统互连参考模型(OSI/RM:Open Syterms Interconnection/Reference Model)的建议书,1983年它被正式批准为国际标准,即著名的OSI7498国际标准。我国相应的国家标准是GB93980通常人们也将它称为OSI参考模型,并记为OSI/RM,有时简称为OSI。

3.开放系统互连参考模型的七层体系结构

OSI参考模型的体系结构如图1.18所示,由低层至高层分别称为物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层,各层主要功能如下:

图1.16OSI网络系统结构参考模型及协议

各层主要功能如下:

(1)物理层(PH:Physical Layer)

传送信息要利用物理媒体,如双绞线、同轴电缆、光纤等。但具体的物理媒体并不在OSI的七层之内。有人把物理媒体当做第0层,因为它的位置处在物理层的下面。物理层的任务就是为其上一层(即数据链路层)提供一个物理连接,以便透明地传送比特流。在物理层上所传数据的单位是比特。

(2)数据链路层(DL:Data Link Layer)

数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。帧是数据的逻辑单位,每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。和物理层相似,数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时,若接收结点检测到所传数据中有差错,就要通知发方重发这一帧,直到这一帧正确无误地到达接收结点为止。在每帧所包括的控制信息中,有同步信息、地址信息、差错控制,以及流量控制信息等。这样,链路层就把一条有可能出差错的实际链路,转变成让网络层向下看起来好像是一条不出差错的链路。

(3)网络层(N:Network Layer)

在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能要经过许多个结点和链路,也可能还要经过好几个通信子网。在网络层,数据的传送单位是分组或包。网络层的任务就是要选择合适的路由,使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站,并交付给目的站的运输层。这就是网络层的寻址功能。

(4)运输层(T:Transport Layer)

这一层有几个译名,如传送层、传输层或转送层,现在多称为运输层。在运输层,信息的传送单位是报文。当报文较长时,先要把它分割成好几个分组,然后交给下一层(网络层)进行传输。

运输层的任务是根据通信子网的特性最佳地利用网络资源,并以可靠和经济的方式,为 两个端系统(即源站和目的站)的会话层之间,建主一条运输连接,透明地传送报文。或者 说,运输层向上一层(会话层)提供一个可靠的端到端的服务。它屏蔽了会话层,使它看不见运输层以干的数据通信的细节。在通信子网中没有运输层。运输层只能存在于端系统(即主机)之中。运输层以上的各层就不再管信息传输的问题了。正因为如此,运输层就成为计算机网络体系结构中最为关键的一层。

(5)会话层(S:Session Layer)

这一层也称为会晤层或对话层。在会话层及以上的更高层次中,数据传送的单位没有另外再取名字,一般都可称为报文。

会话层虽然不参与具体的数据传输,但它却对数据传输进行管理。会话层在两个互相通信的应用进程之间,建立、组织和协调其交互(Interaction)。例如,确定是双工工作(每一方同时发送和接收),还是半双工工作(每一方交替发送和接收)。当发生意外时(如已建立的连接突然断了),要确定在重新恢复会话时应从何处开始。

(6)表示层(P:Presentation Layer)

表示层主要解决用户信息的语法表示问题。表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法(Abstract Syntax),变换为适合于OSI系统内部使用的传送语法(Transfer Symax)。有了这样的表示层,用户就可以把精力集中在他们所要交谈的问题本身,而不必更多地考虑对方的某些特性。例如,对方使用什么样的语言。此外,对传送信息加密(和解密)也是表示层的任务之一。

(7)应用层(A:Application Layer)

应用层是OSI参考模型中的最高层。它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);负责用户信息的语义表示,并在两个通信者之间进行语义匹配,也即应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远程操作,而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理(User Agent),来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必需的功能。

为了对ISO/OSI/RM有更深刻的理解,表1-1给出了两个主机用户A与B对应各层之间的通信联系几个层操作的简单含义。

表1-1主机间通信及各层操作的通俗含义

1.4.4 TCP/IP协议

1.TCP/IP协议分层

前已介绍,OSI模型最基本的技术就是分层,TCP/IP也采用分u盘装系统视频层体系结构,每一层提供特定的功能,层与层间相对独立,因此改变某一层的功能就不会影响其他层。这种分层技术简化了系统的设计和实现,提高了系统的可靠性及灵活性。

TCP/IP也采用分层体系结构,共分四层,即网络接口层、Internet层、传输层和应用层。每一层提供特定功能,层与层之间相对独立,与OSI七层模型相比,TCP/IP没有表示层和会话层,这两层的功能由应用层提供,OSI的物理层和数据链路层功能由网络接口层完成。TCP/IP参考模型及协议族如图1.17所示。

图1.17TCP/IP参考模型

(1)网络接口层

网络接口层是TCP/IP参考模型的最低层,它负责通过网络发送和接收IP数据报。TCP/IP参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议,例如局域网协议或其他一些协议。

(2)Internet层

Internet层也称为互连层,是TCP/IP参考模型的第二层,它相当于OSI参考模型的网络层的无连接网络服务。Internet层负责将源主机的报文分组发送到目的主机,源主机与目的主机可以在同一个网上,也可以在不同的网上。

(3)传输层

传输层是TCP/IP参考模型的第三层,它负责在应用进程之间的“端—端”通信。传输层的主要目的是:在互联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。从这一点上看,TCP/IP参考模型的传输层与OSI参考模型的传输层功能是相似的。

(4)应用层

应用层是TCP/IP参考模型的最高层,它包括所有的高层协议,并且不断有新的协议加入。

2.TCP/IP协议简介

TCP/IP是通过一系列协议来提供各层的功能服务,以实现网间的数据传送。其协议族的主要协议、所在层次如图1.19所示。

TCP/IP的最高层是应用层。在这层中有许多著名协议,如远程登录协议Telnet,文件传输协议FTP,简单邮件传送协议SMTP等。

再往下的一层是TCP/IP的传输层,也称主机到主机层。这一层可使用两种不同的协议:一种是面向连接的传输控制协议(TCP,Transmission Control Protocol),另一种是无连接的用户数据报协议(UDP,User Data Protocol)。传输层传送的数据单位是报文(message)或数据流(stream)。报文也常称为报文段(segment)。

传输层下面是TCP/IP的互连层,其主要的协议是无连接的网络互连协议(IP, Internet Protocol)。该层传送的数据单位是分组(packet)。与IP协议配合使用的还有四个协议;Internet控制报文协议(ICMP, Internet Control Message Protocol)、Internet组管理协议(IGMP,Internet Group Manage Protocal)、地址解析协议(ARP, Address Resolution Protocol)和逆地址解析协议(RARP, Reverse Address Resolution Protocol)。

处于最底层的网络接口层支持所有流行的物理网络协议,如IEEE802系列局域网协议、BSC、HDLC等系列广域网协议以及各种代表物理网产品,如以太网、ATM网等。

1.4.5 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

OSI模型和TCP/IP模型之间有很多相似之处:它们都采用了层次体系结构,每一层实现的特定功能大体相似。当然,除了一些基本的相似之处以外,这两个模型之间也存在着许多差异。OSI模型有三个主要概念:服务、接口和协议,TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议。两个模型在层的数量上有明显的差别:OSI模型有七层,而TCP/IP协议模型只有四层。另一个差别是OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信,但是在传输层仅有面向连接的通信:TCP/IP模型在网间网层只有一种通信模式,在传输层支持两种模式,特别要指出的是,这两者的协议标准是不相同的。相对而言,TCP/IP协议要简单得多,ISO/OSI协议在数量上也要远远大于TCP/IP协议。