计算机网络与信息安全 OSI参考模型与TCP、IP协议.pptx

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1、第2章计算机网络体系结构,2.2OSI参考模型与TCP/IP协议,研究背景,一、OSI七层模型,1.OSI参考模型的特点网络发展中一个重要的里程碑便是国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)对开放系统互联(OpenSystemInterconnection,OSI)七层网络模型的定义。该模型的结构如图2-2-1所示。图2-2-1OSI参考模型的结构,研究背景,一、OSI七层模型,OSI参考模型现在已成为以前的和后续的各种网络技术评判、分析的依据，也成为网络协议设计和统一的参考模型。对该模型及其各层功能的掌握是网络技术入门者

2、的敲门砖。建立七层模型的主要目的是为解决异种网络互联时所遇到的兼容性问题。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开：服务说明某层为上一层提供一些什么功能；接口说明上一层如何使用下层的服务；协议涉及如何实现本层的服务。这样各层之间具有很强的独立性，互联网中各实体采用什么样的协议是没有限制的，只要向上提供相同的服务，并且不改变相邻层的接口就可以了。网络七层的划分也是为了使网络的不同功能模块(不同层次)分担起不同的职责，从而带来如下好处：,研究背景,一、OSI七层模型,（1）减轻问题的复杂程度。一旦网络发生故障，可迅速定位故障所处层次，便于查找和纠错。（2）在各层分别定义标准接口，使具

3、备相同对等层的不同网络设备能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协议可放在多种低层协议上运行。（3）能有效刺激网络技术革新。因为每次更新都可以在小范围内进行，不需对整个网络动大手术。（4）便于研究和教学。,2.OSI参考模型各层功能的介绍（1）物理层(PhysicalLayer)物理层是OSI模型的第一层或最底层，该层包括物理联网媒介，如电缆连线连接器。物理层的协议产生并检测电压，以便发送和接收携带数据的信号。在计算机上插入网络适配接口卡，计算机就具备了联网的基础。尽管物理层不提供纠错服务，但它能够设定数据传输速率并监测数据出错率。网络物理问题（如电线断开）将影响物理层。,一、OSI七层模

4、型,（2）数据链路层(DataLinkLayer)数据链路层是OSI模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。它的主要功能是在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。为了保证传输，从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来携带数据的结构包，它不仅包括原始数据，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息。其中的网络地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。数据链路层独立于网络和它的节点所采用的物理层类型，也独立于正在运行的应用软件。有一些连接设备（如交换机），由于它们要对帧解码，并使用帧信息将数据发送到正确的接收方，所以它们是工作在数据链路层的。,

5、一、OSI七层模型,（3）网络层(NetworkLayer)网络层是OSI模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点A到另一个网络中节点B的最佳路径。由于网络层处理路由，而网络中路由器即负责连接网络各段，并智能指导数据传送，所以它属于网络层设备。在网络中，“路由”是基于编址方案、使用模式以及可达性来指引数据发送的。,一、OSI七层模型,（4）传输层(TransportLayer)传输层是OSI模型中最重要的一层。传输层同时进行流量控制或者基于接收方可

6、接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。除此之外，传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割并排序。例如，以太网无法接收大于1500字节的数据包，所以发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片，同时对每一个数据片安排一个序列号，以便数据到达接收方节点的传输层时，能以正确的顺序重组。该过程也被称为排序。,一、OSI七层模型,（5）会话层(SessionLayer)会话层负责在网络中的两个节点之间建立和维持通信。会话层的功能包括建立通信链接、保持会话过程中通信链接的畅通、同步两个节点之间的对话、决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。当通过拨号向ISP(因特网服务提供商)请

7、求连接到因特网时，ISP服务器上的会话层将与拨号计算机上的会话层进行协商连接。若电话线偶然从墙上插孔脱落，计算机上的会话层将检测到连接中断并重新发起连接。会话层通过决定节点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限。,一、OSI七层模型,（6）表示层(PresentationLayer)表示层是应用程序和网络之间的翻译官。在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化，这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理。例如，在Internet上查询银行账户，使用的即是一种安全链接。账户数据在发送前被加密，在网络的另一端，表示层将对接收到的数据解密。除此之外

8、，表示层协议还对传输的图片和文件格式信息进行解码和编码。（7）应用层(ApplicationLayer)应用层负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特别的应用程序。应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理。,一、OSI七层模型,研究背景,3.OSI各层的数据格式、功能与连接方式以及典型设备（见表2-2-1）表2-2-1OSI各层介绍,一、OSI七层模型,研究背景,4.OSI参考模型中的数据传输OSI参考模型中，两台机器互相通信就是两台机器上对等进程之间的互相通信，即OSI模型中的源机器的第n层与目标机器的对应层之间的通信。这个通信

9、又被称为虚拟通信。之所以被称为虚拟通信，是因为实际上数据并不是从源机器的第n层直接传送到目标机器的第n层，而是通过如下过程实现的:,一、OSI七层模型,研究背景,（1）源机器源机器发送进程把数据传给应用层;应用层对接收到的数据与相关信息进行封装，加上一个AH(应用报头，可为空)，然后把数据包传送给它的下一层会话层；会话层也加上相关报头并对数据包进行封装，如此一直重复到物理层，此时的数据已经成了二进制0与1所表示的比特流了。在物理层，以比特流形式存在的数据将会被离散成电脉冲，然后通过传输介质传输到目标主机，这里的传输介质可能为电缆线、通信子网(通信线路与分组交换节点的集合)，也可能是通信卫星或地

10、面无线网络。,一、OSI七层模型,研究背景,（2）目标机器目标机器的物理层接收到源机器发送过来的数据后，就会将电脉冲所表示的数据还原成比特流，如此逐层进行拆封，到最后到达接收进程时，传输的数据就被还原成源机器主人要发送的数据形式了，因此目标机器的主人就收到了对方发给他的信息(这里只考虑正常情况下的通信，假设不存在ARP欺骗、嗅探这类特殊情况)。至此，一次通信正式完成，当目标机器主人要回复信息给源机器主人时，就是对上一过程的一次重复，通信过程如图2-2-2所示。,一、OSI七层模型,图2-2-2OSI参考模型通信示意图,一、OSI七层模型,上面整个通信过程中的关键是数据的实际传输方向是垂直的(因

11、为OSI参考模型的七层是一个低层到高层的垂直逻辑结构)，但是每层在编程时数据却好像一直是水平传输到目标主机的(即前面的虚拟通信)。例如，源机器的传输层接收到会话层给它的报文时，它会封装一个传输层报头(TH)并把此报文发给目标机器的传输层。从源机器的传输层来看，它实际上只是将数据给了它的下一层网络层。,一、OSI七层模型,TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）协议叫作传输控制/网际协议，它是源于美国国防部高等计划研究局的ARPANET网，现在已经成为Internet的通信协议。TCP/IP协议是网络中使用的基本通信协议。1.TCP

12、/IP协议的组成与主要特点（1）组成虽然从名字上看TCP/IP包括两个协议：传输控制协议(TCP)和网际协议(IP)，但TCP/IP实际上是一组协议，它包括上百个各种功能的协议，如远程登录、文件传输、电子邮件等，而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。通常说TCP/IP是Internet协议栈，而不单单是TCP和IP。,二、TCP/IP协议,（2）主要特点开放的协议标准，可以免费使用，并且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，可以运行在局域网和广域网中，更适合运行在互联网中。统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网络中都具有唯一的地址。标准化

13、的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,二、TCP/IP协议,2.TCP/IP协议的层次及功能从协议分层模型方面来讲，TCP/IP由4个层次组成:网络接口层、网络层、传输层和应用层。（1）网络接口层网络接口层是TCP/IP软件的最底层，负责接收IP数据报并通过网络发送，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给网络层。常见的网络接口层协议有Ethernet802.3、TokenRing802.5、X.25、FrameReley、HDLC、PPPATM等。,二、TCP/IP协议,（2）网络层网络层包括IP(InternetProtocol)、ICMP(InternetControlMessa

14、geProtocol,控制报文协议)、ARP(AddressResolutionProtocol,地址转换协议)、RARP(ReverseARP,反向地址转换协议)。网络层负责相邻计算机之间的通信。其功能包括以下三方面:处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。处理输入数据报。首先检查其合法性，然后进行寻径假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议;假如该数据报尚未到达信宿机，则转发该数据报。处理路径、流控、拥塞等问题。,二、TCP/IP协议,（3）传输层传输层提供应用程序间的通信。其

15、功能包括格式化信息流和提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送。传输层协议主要包括传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)和用户数据报协议UDP(UserDatagramProtocol)。,二、TCP/IP协议,TCP是面向连接的通信协议，通过“三次握手”建立连接，通信完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的，所以只能用于点到点通信。TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方

16、的发送速度。UDP是面向无连接的通信协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通信不需要连接，所以可以实现广播发送。UDP通信时不需要接收方确认，属于不可靠的传输，可能会出现丢包现象，在实际应用中要求在程序中编程验证。,二、TCP/IP协议,（4）应用层应用层向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录(Telnet)等。远程登录使用Telnet协议提供在网络其他主机上注册的接口。Telnet会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。应用层一般是面向用户的服务，如FTP、Telnet、DNS、SMTP、POP3

17、等。TCP/IP中的协议分层如图2-2-3所示。,二、TCP/IP协议,图2-2-3TCP/IP中协议示意图,二、TCP/IP协议,OSI是标准化组织为了实现设备互联而提出的一个纯理论的框架性的概念。也就是说，它只能告诉我们一个网络应该具备的功能，某个功能的实现是在某个层次，但具体的实现技术OSI是不进行规范的。因为OSI的网络模型标准比较严格，推出的时间也相对较晚，所以目前还没有完全按照OSI模型实现的网络。TCP/IP是另一种网络模型，是我们实际应用最广泛的一种网络模型。在这个模型中，不只是划分了功能层，还有具体的实现技术，即协议。TCP和IP就是这个模型中最重要的两个层次的代表协议。,三

18、、TCP/IP参考模型与OSI参考模型的联系与区别,TCP/IP和OSI这两个模型之间可以说是完全独立的，因为OSI是一种理论上的指导，而TCP/IP是一种事实上的标准。但两者也是有一定联系的，两者都是网络模型，都存在某些相同的层次。另外，OSI是一个通用性的指导，它不仅可以解释TCP/IP,还可以解释任何一种类型的网络。而TCP/IP是无法解释其他网络的。TCP/IP和OSI参考模型的对照如图2-2-4所示。图2-2-4TCP/IP和OSI参考模型的对照,三、TCP/IP参考模型与OSI参考模型的联系与区别,OSI参考模型与TCP/IP参考模型都有待完善。由于在ISO制定OSI参考模型过程中仅仅着眼于通信模型所必需的功能，理想化地等待依靠政府行为来统一各种网络协议，在制定过程中忽略了互联网协议的重要性，由于功能复杂、难以实现等原因，失去了市场。而TCP/IP模型在现存的协议基础上，考虑到“将协议实际安装到计算机中如何进行编程最好”的实际应用问题，使得在实现上比较容易，得到了广大用户的支持，也得到了广大厂商的支持，所以TCP/IP参考模型得到了发展。,三、TCP/IP参考模型与OSI参考模型的联系与区别,