02网络基础与OSI参考模型ISSUE10.docx

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02网络基础与OSI参考模型ISSUE10

课程DA000001

网络基础与OSI参考模型

ISSUE1.0

课程说明1

课程介绍1

课程目标1

相关资料

第1章网络概述

1.1什么是网络

网络（network）是一个复杂的人或物的互连系统。

我们周围无时无刻不存在一张网，例如电话网、电报网等；即使我们身体内部也存在许许多多的网络系统，例如神经系统、消化系统等等。

本课程我们将学习计算机网络。

在计算机网络出现的前期，计算机都是独立的设备，每台计算机独立工作，互不联系。

计算机与通信技术的结合，对计算机系统的组织方式产生了深远的影响，使计算机之间的相互访问成为可能。

不同种类的计算机通过同种类型的通信协议（protocol）相互通信，产生了计算机网络（computernetwork）。

计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机以及专门的外部设备利用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享信息资源。

（注：

我们给出一个如此广泛的定义是因为IT业迅速发展，各种网络互连终端设备层出不穷，像计算机、打印机、WAP（WirelessApplicationProtocol）手机、PDA（PersonnalDigitalAssistate）、网络电话等等各种支持网络互连的设备。

一般来说，计算机网络可以提供以下一些主要特性：

●资源共享

网络的出现使资源共享变得很简单，交流的双方可以跨越空间的障碍，随时随地传递信息。

●信息传输与集中处理

数据是通过网络传递到服务器（server）中，由服务器集中处理后再回送到终端。

●负载均衡（loadbalancing）与分布处理（distributedprocessing）

举个典型的例子：

一个大型ICP（Internet内容提供商）为了支持更多的用户访问他的网站，在全世界多个地方放置了相同内容的WWW（WorldWideWeb）服务器；通过一定技术使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的相同页面，这样来实现各服务器的负荷均衡，同时用户也节省了访问时间。

●综合信息服务

网络的一大发展趋势是多维化，即在一套系统上提供集成的信息服务，包括来自政治、经济等各方面资源，甚至同时还提供多媒体信息，如图像、语音、动画等。

在多维化发展的趋势下，许多网络应用的新形式不断涌现，如：

电子邮件（E-mail）、视频点播（VOD，VideoOnDemand）、电子商务（E-commerce）、视频会议（Videoconference）等等。

协议（protocol）是什么？

拿电报来做比较，在拍电报时，必须首先规定好报文的传输格式，多少位的码长，什么样的码字表示启动，什么样的码字又表示结束，出了错误怎么办，怎样表示发报人的名字和地址等，这种预先定好的格式及约定就是协议。

网络协议是为了使计算机网络中的不同设备能进行数据通信而预先制定一整套通信双方相互了解和共同遵守的格式和约定。

网络协议是一系列规则和约定的规范性描述，定义了网络设备之间如何进行信息交换。

网络协议是计算机网络的基础。

只有遵从相应协议的网络设备之间才能够通信。

就像保障我们国家稳定健康运行的法律法规一样，如果任何人违反了法律法规的约束，必然会导致法律的制裁。

网络协议就是约束各种网络互连终端设备的法律，如果任何一台设备不支持用于网络互连的协议，它就不能与其他设备通信。

网络协议多种多样，主要有TCP/IP（TransferControlProtocol/InternetProtocol）协议、NovellIPX/SPX（InternetworkPacketeXchange/SequencedPacketeXchange）协议、IBMSNA（SyetemNetworkArchitecture）等等。

目前最为流行的是TCP/IP协议栈，它已经成为Internet的标准协议。

计算机网络起始于六十年代，当时网络的概念主要是基于主机（host）架构的低速串行（serial）联接，提供应用程序执行、远程打印和数据服务功能。

IBM的SNA（SystemNetworkArchitecture，系统网络架构）架构与非IBM公司的X.25公用数据网络是这种网络的典型例子。

这时候，由美国国防部资助，建立了一个名为ARPANET（即为阿帕网）的基于分组交换（packetswitching）的网络，这个阿帕网就是今天的Internet最早的雏形。

七十年代，出现了以个人电脑为主的商业计算模式。

最初，个人电脑是独立的设备，由于认识到商业计算的复杂性，要求大量终端设备的协同操作，局域网（LAN，LocalAreaNetwork）产生了。

局域网的出现，大大降低了商业用户打印机和磁盘昂贵的费用。

八十年代至九十年代，远程计算的需求不断地增加，迫使计算机界开发出多种广域网络协议（包括TCP/IP协议、IPX/SPX协议），满足不同计算方式下远程联接的需求，互联网快速发展起来，TCP/IP协议得到了广泛应用，成为互联网的事实协议。

1.2

LAN和WLAN

由于连接介质的不同，通信协议的不同，计算机网络的种类划分方法名目繁多。

但一般来讲，计算机网络可以按照它覆盖的地理范围，划分成局域网和广域网，以及介于局域网和广域网之间的城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）。

本部分重点介绍局域网和广域网。

●局域网-LAN（LocalAreaNetwork）

局域网是将小区域内的各种通信设备互连在一起所形成的网络，覆盖范围一般局限在房间、大楼或园区内。

局域网一般指分布于几公里范围内的网络，局域网的特点是：

距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠。

标准（standard）是广泛使用的、或者由官方规定的一套规则和程序。

标准描述了协议的规定，设定了保障网络通信的最简性能集。

IEEE802.X标准是当今居于主导地位的LAN标准。

目前我国常见的局域网类型包括：

以太网（Ethernet）、异步传输模式（ATM，AsynchronousTransferMode）等，它们在拓朴结构、传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同。

其中应用最广泛的当属以太网——一种总线结构的LAN，是目前发展最迅速、也最经济的局域网。

LAN的设计目标主要面对有限的地理区域，它允许同时访问高带宽的介质。

LAN通过局部管理控制网络的私有权利，提供全时的局部服务，其连接物理设备一般在相对较近的环境中。

局域网络建设时常用网络设备有：

线缆（cable）：

局域网的距离扩展通常需要通过线缆来实现，不同的局域网有不同连接线缆，如光纤（fiber）、双绞线（twistedpair）、同轴电缆等。

网卡（NIC，NetworkInterfaceCard）插在计算机主板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，通过网络介质传输。

它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。

集线器（Hub）是单一总线共享式设备，提供很多网络接口，负责将网络中多个计算机连在一起。

所谓共享是指集线器所有端口共用一条数据总线，同一时刻只能有一个用户传输数据，因此平均每用户（端口）传递的数据量、速率等受活动用户（端口）总数量的限制。

交换机（Switch）也称交换式集线器（SwitchedHub）。

它同样具备许多接口，提供多个网络节点互连。

但它的性能却较共享集线器（SharedHub）大为提高：

相当于拥有多条总线，使各端口设备能独立地作数据传递而不受其它设备影响，表现在用户面前即是各端口有独立、固定的带宽。

此外，交换机还具备集线器欠缺的功能，如数据过滤、网络分段、广播控制等。

路由器（Router）：

路由器是一种用于网络互连的计算机设备，它工作在OSI参考模型的第三层（网络层），为不同的网络之间报文寻径并存储转发。

通常路由器还会支持两种以上的网络协议以支持异种网络互联，一般的路由器还会运行一些动态路由协议以实现动态寻径。

ATM交换机（ATMSwitch）用于ATM网络互连。

ATM技术将在高级课程中阐述，不是本书的重点，感兴趣的学员可以查阅相关资料。

WAN连接地理范围较大，常常是一个国家或是一个洲。

中国公用分组交换网（CHINAPAC）、中国公用数字数据网（CHINADDN），以及建议中的国家教育和科研网（CERnet），CHINANET等都属于广域网。

WAN的目的是为了让分布较远的各局域网互连，所以它的结构又分为末端系统（endsystem，两端的用户集合）和通信系统（中间链路）两部分。

通信系统是广域网的关键，它主要有以下几种：

公共电话网：

即PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork），这种系统使用电路交换技术，必须给每一个通话分配一个专用的语音通道，消息是以模拟的形式在PSTN上传送的。

传输介质是普通电话线。

它的特点是费用低，易于建立，且分布广泛。

综合业务数字网：

即ISDN（IntegratedServiceDigitalNetwork），是一种拨号连接方式。

ISDNBRI提供的是2B+D的数据通道，每个B通道速率为64Kbps，其速率最高可达到128kbps。

ISDNPRI有两种标准：

欧洲标准（30B＋D）和北美标准（23B＋D）。

ISDN为数字传输方式，具有连接迅速、传输可靠等特点，并支持对方号码识别。

ISDN话费较普通电话略高，但它的双通道使其能同时支持两路独立的应用，是一项对个人或小型办公室较适合的网络接入方式。

专线：

即LeasedLine，在中国称为DDN，是一种点到点的连接方式，速度一般选择64kbps～2.048Mbps。

专线的好处是数据传递有较好的保障，带宽恒定；但价格昂贵，而且点到点的结构不够灵活。

X.25网：

是一种出现较早且依然应用广泛的广域网方式，速度为9600bps～2Mbps；有冗余纠错功能，可靠性高，但由此带来的副效应是速度慢，延迟大。

帧中继：

即FrameRelay，是在X.25基础上发展起来的较新技术，速度一般选择为64kbps～2.048Mbps。

帧中继的特点是灵活、弹性：

可实现一点对多点的连接，并且在数据量大时可超越约定速率（CIR：

CommitedInformationRate）传送数据，允许用户在传输数据时有一定的突发量，是一种较好的商业用户连接选择。

异步传输模式：

即ATM（AsynchronousTransferMode），是一种信元交换网络，最大特点的速率高、延迟小、传输质量有保障。

ATM大多采用光纤作为连接介质，速率可高达上千兆，但成本也很高。

ATM也可以称作广域网协议。

WAN通常采用两种交换模式运行，即电路交换（circuitswitching）和分组交换（packetswitching）技术。

电路方式是基于电话网电路交换的原理，当用户要求发送数据时，交换机就在主叫用户和被叫用户之间接通一条物理的数据传输通路。

特点是时延小、“透明”传输（即传输通路对用户数据不进行任何修正或解释）、信息传输的吞吐量大。

缺点是所占带宽固定，网络资源利用率低。

传统的PSTN/ISDN网络基于电路交换模式。

分组方式是一种存储转发的交换方式。

它是将需要传输的信息划分为一定长度（ATM）或可变长度的包（分组），以分组为单位进行存储转发的。

每个分组信息都载有接收地址和发送地址的的标识。

分组方式在线路上采用动态复用的技术来传送各个分组，带宽可以复用，网络资源利用率高。

缺点是实时性不好。

广域网在超过局域网的地理范围内运行，它通过各种类型的串行连接以便在更大的地理区域内实现接入。

通常，企业网往往通过广域网线路接入到当地ISP。

广域网可以提供全部时间和部分时间的连接，允许通过串行接口在不同的速率工作。

广域网常用设备有：

路由器（Router）：

广域网通信过程根据地址来寻找到达目的地的路径，这个过程在广域网中称为路由（Routing）。

路由器负责在各段广域网和局域网间根据地址信息建立路由，将数据送到最终目的地。

调制解调器（Modem）：

作为末端系统和通信系统之间信号转换的设备，是广域网中必不可少的设备之一。

Modem分为同步和异步两种，分别用来与路由器的同步和异步串口相连接，同步可用于专线、帧中继、X.25等，异步用于PSTN的连接。

带宽（bandwidth）和延迟（delay）是衡量网络性能的两个主要指标。

LAN和WAN都使用带宽（bandwidth）来描述网络上数据在一定时刻从一个节点传送到任意节点的信息量。

带宽分为两类：

模拟带宽和数字带宽。

本书所述的带宽指数字带宽。

带宽的单位是位每秒（bps，bitpersecond），代表每秒钟一个网段发送的数据位数。

带宽是一个比较模糊的概念，我们可以这样理解：

假定您正在一条8车道的高速公路上驱车回家，当您驶离高速公路后，道路可能会变窄，变为4车道，当到您家门口时，变为了2车道。

带宽就像道路。

高速公路就像广域网线路的带宽，其他道路就像局域网的带宽。

道路上的汽车就像物理链路上承载的数据信息。

如果高速公路上车辆过多，会堵车；同样地，如果网络中数据流量过大，也会发生拥塞现象。

目前常见的网络带宽有以太网技术的10M，100M，1000M等；Modem拨号上网带宽为56kbps；ISDNBRI带宽最高为128Kbps；E1/PRI带宽为2Mbps，E3带宽为34Mbps；OC-3带宽为155Mbps，OC-12带宽为622Mbps，OC-48带宽为2.5Gbps，OC-192带宽为10Gbps。

网络的时延（delay），又称延迟，定义了网络把一位数据从一个网络节点传送到另一个网络节点所需要的时间。

网络延迟主要由传导延迟（propagationdelay）、交换延迟（switchingdelay）、介质访问延迟（accessdelay）和队列延迟（queuingdelay）组成。

总之，网络中产生延迟的因素很多，可能是网络设备的问题，也可能是传输介质、网络协议标准的问题；可能是硬件，也可能是软件的问题。

拓扑（topology）结构定义了组织网络设备的方法。

LAN有总线（bus）型、星型（star）等多种拓扑结构。

在总线拓扑中，网络中的所有设备都连接到一个线性的网络介质上，这个线性的网络介质称为总线。

当一个节点在总线拓扑网络上传送数据时，数据会向所有节点传送。

每一个设备检查经过它的数据，如果数据不是发给它的，则该设备丢弃数据；如果数据是发向它的，则接收数据并将数据交给上层协议处理。

典型的总线拓扑具有简单的线路布局，该布局使用较短的网络介质，相应地，所需要的线缆花费也较低。

缺点是很难进行故障诊断和故障隔离，一旦总线出现故障，就会导致整个网络故障；而且，LAN任一个设备向所有设备发送数据，消耗了大量带宽，大大影响了网络性能。

星型拓扑结构有一个中心控制点。

当使用星型拓扑时，连接到局域网上的设备间的通信是通过与集线器或交换机的点到点的连线进行的。

星型拓扑易于设计和安装，网络介质直接从中心的集线器或交换机处连接到工作站所在区域；星型拓扑易于维护，网络介质的布局使得网络易于修改，并且更容易对发生的问题进行诊断。

在局域网构建中，大量采用了星型拓扑结构。

当然，星型拓扑也有缺点，一旦中心控制点设备出现了问题，容易发生单点故障；每一段网络介质只能连接一个设备，导致网络介质数量增多，局域网安装成本相应提升。

这些拓扑结构是逻辑结构，和实际的物理设备的构型没有必然的关系，如逻辑总线型和环型拓扑结构通常表现为星型的物理网络组织。

WAN常见的网络拓扑结构有星型、树型、全网状（Fullmeshed）、半网状等等。

1.3

网络标准化组织

在计算机网络的发展过程中有许多国际标准化组织做出了重大的贡献，他们统一了网络的标准，使各个网络产品厂家生产的产品的可以相互连通。

目前为网络的发展做出贡献的标准化组织主要有：

国际标准化组织（ISO，InternationalOrgnizationforStandardization）：

该组织负责制定大型网络的标准，包括与Internet相关的标准。

ISO提出了OSI参考模型。

OSI参考模型描述了网络的工作机理，为计算机网络构建了一个易于理解的、清晰的层次模型。

电子电器工程师协会（IEEE，InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）：

提供了网络硬件上的标准使各种不同网络硬件厂商生产的硬件设备相互连通。

IEEELAN标准是当今居于主导地位的LAN标准。

它主要定义了802.X协议族，其中802.3为以太网标准协议簇、802.4为令牌总线网（TokingBus）标准、802.5为令牌环网（TokingRing）标准、802.11为无线局域网（WLAN）标准。

美国国家标准局（ANSI，AmericanNationalStandardsInstitute）：

ANSI是由公司、政府和其他组织成员组成的自愿组织，主要定义了光纤分布式数据接口（FDDI）的标准。

电子工业协会（EIA/TIA，ElectronicIndustriesAssociation/TelecommIndustriesAssociation）：

定义了网络连接线缆的标准，如RS232、CAT5、HSSI、V.24等。

同时定义了这些线缆的布放标准如EIA/TIA568B。

国际电信联盟（ITU，InternationalTelecommUnion）：

定义了作为广域连接的电信网络的标准，如X.25、FrameRelay等。

INTERNET架构委员会（IAB：

InternetArchitectrueBoard）：

下设工程任务委员会（IETF）、研究任务委员会（IRTF）、号码分配委员会（IANA）负责各种INTERNET标准的定义，是目前最具影响力的国际标准化组织。

第2章

OSI参考模型

2.1OSI参考模型层次结构

自从20世纪60年代计算机网络问世以来，得到了飞速增长。

国际上各大厂商为了在数据通信网络领域占据主导地位，顺应信息化潮流，纷纷推出了各自的网络架构体系和标准，例如IBM公司的SNA，NovellIPX/SPX协议，Apple公司的AppleTalk协议，DEC公司的DECnet，以及广泛流行的TCP/IP协议。

同时，各大厂商针对自己的协议生产出了不同的硬件和软件。

各个厂商的共同努力无疑促进了网络技术的快速发展和网络设备种类的迅速增长。

但由于多种协议的并存，同时也使网络变得越来越复杂；而且，厂商之间的网络设备大部分不能兼容，很难进行通信。

为了解决网络之间的兼容性问题，帮助各个厂商生产出可兼容的网络设备，国际标准化组织ISO于1984年提出了OSIRM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，开放系统互连参考模型）。

OSI参考模型很快成为计算机网络通信的基础模型。

在设计OSI参考模型时，遵循了以下原则：

1、各个层之间有清晰的边界，便于理解；

2、每个层实现特定的功能；

3、层次的划分有利于国际标准协议的制定；

4、层的数目应该足够多，以避免各个层功能重复。

OSI参考模型依层次结构来划分：

第一层，物理层（Physicallayer）；第二层，数据链路层（datalinklayer）；第三层，网络层（networklayer）；第四层，传输层（transportlayer）；第五层，会话层（sessionlayer）；第六层，表示层（presentationlayer）；第七层，应用层（applicationlayer）。

通常，我们把OSI参考模型第一层到第三层称为底层（lowerlayer），又叫介质层（MediaLayer）。

这些层负责数据在网络中的传送，网络互连设备往往位于下三层。

底层通常以硬件和软件相结合的方式来实现。

OSI参考模型的第五层到第七层称为高层（upperlayer），又叫主机层（hostlayer）。

高层用于保障数据的正确传输，通常以软件方式来实现。

七层OSI参考模型具有以下优点：

1简化了相关的网络操作；

2提供即插即用的兼容性和不同厂商之间的标准接口；

3使各个厂商能够设计出互操作的网络设备，加快数据通信网络发展；

4防止一个区域网络的变化影响另一个区域的网络，因此，每一个区域的网络都能单独快速升级；

5把复杂的网络问题分解为小的简单问题，易于学习和操作。

需要注意的是，由于种种原因，现在还没有一个完全遵循OSI七层模型的网络体系，但OSI参考模型的设计蓝图为我们更好的理解网络体系，学习计算机通信网络奠定了基础。

物理层涉及到在通信信道（channel）上传输的原始比特流，它实现传输数据所需要的机械、电气、功能特性及过程等手段。

物理层涉及电压、电缆线、数据传输速率、接口等的定义。

物理层的主要网络设备为中继器、集线器等。

数据链路层的主要任务是提供对物理层的控制，检测并纠正可能出现的错误，使之对网络层显现一条无错线路，并且进行流量调控（可选）。

流量调控可以在数据链路层实现，也可以由传输层实现。

数据链路层与物理地址、网络拓扑、线缆规划、错误校验、流量控制等有关。

数据链路层主要设备为以太网交换机。

网络层检查网络拓扑，以决定传输报文的最佳路由，其关键问题是确定数据包从源端到目的端如何选择路由。

网络层通过路由选择协议来计算路由。

存在于网络层的设备主要有路由器、三层交换机等。

后面您将学习到更多关于网络层的知识。

传输层的基本功能是从会话层接受数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。

传输层建立、维护虚电路，进行差错校验和流量控制。

会话层允许不同机器上的用户建立、管理和终止应用程序间的会话关系，在协调不同应用程序之间的通信时要涉及会话层，该层使每个应用程序知道其它应用程序的状态。

同时，会话层也提供双工（duplex）协商、会话同步等等。

表示层关注于所传输的信息的语法和意义，它把来自应用层与计算机有关的数据格式处理成与计算机无关的格式，以保障对端设备能够准确无误地理解发送端数据。

同时，表示层也负责数据加密等。

应用层是OSI参考模型最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务。

应用层识别并验证目的通信方的可用性，使协同工作的应用程序之间同步。

我们可以给每一个对等层数据起一个统一的名字为------协议数据单元，即PDU（ProtocolDataUnit）。

相应地，应用层数据称为应用层协议数据单元（APDU，ApplicationProtocolDataUnit），表示层数据称为表示层协议数据单元（PPDU，PresentationProtoc

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