計算機網絡體系結構

計算機網絡體系結構

計算機網絡層次結構模型
計算機網絡體系結構是指計算機網絡層次結構模型,它是各層的協議以及層次之間的端口的集合。在計算機網絡中實現通信必須依靠網絡通信協議。"計算機網絡體系結構"是計算機科學與技術、計算機技術專業碩士研究生的核心專業課,2019—2020學年第一學期,受河南省研究生教育優質課程資助,針對信息工程學院2019級的32名(25名脫産、7名非脫産)碩士研究生,融合在線視頻和企業微信,開展了"計算機網絡體系結構"線上視頻學習和企業微信群關鍵知識點讨論相結合的混合式教學模式。[1]
    中文名:計算機網絡 外文名:computer network architecture 适用領域:計算機科學技術 實質:各層的協議以及層次之間的端口的集合 主流模闆:OSI模型、TCP/IP模型 應用:計算機工程開發等

簡介

計算機網絡結構可以從網絡體系(Network Architecture)結構,網絡組織和網絡配置三個方面來描述。網絡體系結構是從功能上來描述,指計算機網絡層次結構模型和各層協議的集合;網絡組織是從網絡的物理結構和網絡的實現兩方面來描述;網絡配置是從網絡應用方面來描述計算機網絡的布局、硬件、軟件和通信線路。

計算機網絡體系結構是計算機網絡及其部件所應該完成功能的精确定義。這些功能究竟由何種硬件或軟件完成,是遵循這種體系結構的。體系結構是抽象的,實現是具體的,是運行在計算機軟件和硬件之上的。

世界上第一個網絡體系結構是美國IBM公司于1974年提出的,它取名為系統網絡體系結構SNA(System Network Architecture)。凡是遵循SNA的設備就稱為SNA設備。這些SNA設備可以很方便地進行互連。此後,很多公司也紛紛建立自己的網絡體系結構,這些體系結構大同小異,都采用了層次技術

OSI七層參考模型

為把在一個網絡結構下開發的系統與在另一個網絡結構下開發的系統互聯起來,以實現更高一級的應用,使異種機之間的通信成為可能,便于網絡結構标準化,國際标準化組織(ISO)于1984年形成了開放系統互連參考模型OSI/RM(Open Systems Interconnection Reference Model,簡稱OSI)的正式文件。

OSI從邏輯上,把一個網絡系統分為功能上相對獨立的7個有序的子系統,這樣OSI體系結構就由功能上相對獨立的7個層次組成,如圖1所示。它們由低到高分别是物理層、數據鍊路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

(1)物理層(Physical,PH)傳遞信息需要利用一些物理傳輸媒體,如雙絞線、同軸電纜、光纖等。物理層的任務就是為上層提供一個物理的連接,以及該物理連接表現出來的機械、電氣、功能和過程特性,實現透明的比特流傳輸。在這一層,數據還沒有組織,僅作為原始的比特流提交給上層——數據鍊路層。

(2)數據鍊路層(Data-link,D)數據鍊路層負責在2個相鄰的結點之間的鍊路上實現無差錯的數據幀傳輸。每一幀包括一定的數據和必要的控制信息,在接收方接收到數據出錯時要通知發送方重發,直到這一幀無差錯地到達接收結點,數據鍊路層就是把一條有可能出錯的實際鍊路變成讓網絡層看起來像不會出錯的數據鍊路。實現的主要功能有:幀的同步、差錯控制、流量控制、尋址、幀内定界、透明比特組合傳輸等。

(3)網絡層(Network,N)網絡中通信的2個計算機之間可能要經過許多結點和鍊路,還可能經過幾個通信子網。網絡層數據傳輸的單位是分組(Packet)。網絡層的主要任務是為要傳輸的分組選擇一條合适的路徑,使發送分組能夠正确無誤地按照給定的目的地址找到目的主機,交付給目的主機的傳輸層。

(4)傳輸層(Transport,T)傳輸層的主要任務是通過通信子網的特性,最佳地利用網絡資源,并以可靠與經濟的方式為2個端系統的會話層之間建立一條連接通道,以透明地傳輸報文。傳輸層向上一層提供一個可靠的端到端的服務,使會話層不知道傳輸層以下的數據通信的細節。傳輸層隻存在端系統中,傳輸層以上各層就不再考慮信息傳輸的問題了。

(5)會話層(Session,S)在會話層以及以上各層中,數據的傳輸都以報文為單位,會話層不參與具體的傳輸,它提供包括訪問驗證和會話管理在内的建立以及維護應用之間的通信機制。如服務器驗證用戶登錄便是由會話層完成的。

(6)表示層(Presentation,P)這一層主要解決用戶信息的語法表示問題。它将要交換的數據從适合某一用戶的抽象語法,轉換為适合OSI内部表示使用的傳送語法。即提供格式化的表示和轉換數據服務。數據的壓縮和解壓縮、加密和解密等工作都由表示層負責。

(7)應用層(Application,A)這是OSI參考模型的最高層。應用層确定進程之間通信的性質以滿足用戶的需求,以及提供網絡與用戶軟件之間的接口服務。

TCP/IP參考模型

20世紀70年代初期,美國國防部高級研究計劃局(ARPA)為了實現異種網之間的互聯與互通,大力資助網絡技術的研究開發工作。ARPANET開始使用的是一種稱為網絡控制協議(network control protocol,NCP)的協議。随着ARPANET的發展,需要更為複雜的協議。

1973年,引進了傳輸控制協議TCP,随後,在1981年引入了網際協議IP。1982年,TCP和IP被标準化成為TCP/IP協議組,1983年取代了ARPANET上的NCP,并最終形成較為完善的TCP/IP體系結構和協議規範。

TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol,傳輸控制協議/網際協議)由它的2個主要協議即TCP協議和IP協議而得名。TCP/IP是Internet上所有網絡和主機之間進行交流時所使用的共同“語言”,是Internet上使用的一組完整的标準網絡連接協議。通常所說的TCP/IP協議實際上包含了大量的協議和應用,且由多個獨立定義的協議組合在一起,因此,更确切地說,應該稱其為TCP/IP協議集。

TCP/IP共有4個層次,它們分别是網絡接口層、網際層、傳輸層和應用層。TCP/IP層次結構與OSI層次結構的對照關系如圖2所示。

(1)網絡接口層TCP/IP模型的最底層是網絡接口層,也被稱為網絡訪問層,它包括了可使用TCP/IP與物理網絡進行通信的協議,且對應着OSI的物理層和數據鍊路層。TCP/IP标準并沒有定義具體的網絡接口協議,而是旨在提供靈活性,以适應各種網絡類型,如LAN、MAN和WAN。這也說明,TCP/IP協議可以運行在任何網絡上。

(2)網際層是在Internet标準中正式定義的第一層。網際層所執行的主要功能是處理來自傳輸層的分組,将分組形成數據包(IP數據包),并為該數據包在不同的網絡之間進行路徑選擇,最終将數據包從源主機發送到目的主機。在網際層中,最常用的協議是網際協議IP,其他一些協議用來協助IP的操作。

(3)傳輸層傳輸層也被稱為主機至主機層,與OSI的傳輸層類似,它主要負責主機到主機之間的端對端可靠通信,該層使用了2種協議來支持2種數據的傳送方法,它們是TCP協議和UDP協議。

(4)應用層在TCP/IP模型中,應用程序接口是最高層,它與OSI模型中高3層的任務相同,都是用于提供網絡服務,如文件傳輸、遠程登錄、域名服務和簡單網絡管理等。

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