《计算机网络教学资料》第3章_网络结构与协议.ppt

1 第3章 网络体系结构与协议 问题 原由 计算机网络经过40年的发展, 使得计算机网络已经 成为一个海量、多样化的复杂系统。相互通信的两 个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协 调”是相当复杂的。 本章重点讨论计算机网络体系结构的概念、OSI与 TCP/IP模型等。 教学 重点 能力 要求 掌握：计算机网络体系结构的基本概念、掌握协议 、服务、接口概念等。 熟悉：OSI/RM参考模型、TCP/IP模型。 了解：OSI/RM与TCP/IP的相同点和不同点。 2 3.1 体系结构的形成 3.4 TCP/IP与OSI/RM的比较 3.3 TCP/IP参考模型 3.2 开放系统互连/参考模型 本章内容本章内容 3 * v相互通信的两个计算机 系统必须高度协调工作 才行，而这种“协调” 是相当复杂的。 v“分层”可将庞大而复 杂的问题，转化为若干 较小的局部问题，而这 些较小的局部问题就比 较易于研究和处理。 u网络通信主要问题 p硬件故障 p网络拥塞 p包延迟 p包丢失 p数据损坏 p数据重复 p数据乱序 协议软件首先必须能检 测其次能纠正这些问题 “分而治之” 3.1 网络体系结构的形成 4 *4 文件传送模块 计算机 1计算机 2 文件传送模块 只看这两个文件传送模块 好像文件及文件传送命令 是按照水平方向的虚线传送的 把文件交给下层模块 进行发送 把收到的文件交给 上层模块 v 第一类工作与传送文件直接有关。 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 双方协调好一致的文件格式。 v 两个计算机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由 下面的模块负责。 1.划分层次的概念举例 3.1 网络体系结构的形成 5 *5 再设计一个通信服务模块 文件传送模块 计算机 1计算机 2 文件传送模块 只看这两个通信服务模块 好像可直接把文件 可靠地传送到对方 把文件交给下层模块 进行发送 把收到的文件交给 上层模块 通信服务模块通信服务模块 6 *6 再设计一个网络接入模块 文件传送模块 计算机 1计算机 2 文件传送模块 通信服务模块通信服务模块 网络接入模块网络接入模块 通信网络 网络 接口 网络 接口 网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作 例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。 7 灵活性好 易于实现 和维护 各层之间 相互独立 有利于促 进标准化 2 2、网络体系结构的优点、网络体系结构的优点 计算机网络系统采用层次化网络体系结构具有以下优点。 8 * 各层设计的共性问题 v差错控制 v流量控制 v分段和重装 v复用和分用 v路径选择 v建立（拆除）连接和寻址 9 v层次（layer） v协议（protocol） v 接口（interface） v 体系结构（architecture） 3.1.3 网络系统的体系结构 10 层次（layer） v层次是人们对复杂问题的一种处理方法。通常将系统 中能提供某种或某类型服务功能的逻辑构造称为层。 v对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定； v不同的系统分成相同的层次； v不同系统的最低层之间存在着“物理”通信； v不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信； v对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定； v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。 3.1.3 网络系统的体系结构 11 接口（interface） v接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点; v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; v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。 3.1.3 网络系统的体系结构 12 3.1.3 网络系统的体系结构 协议:为进行网络中的数据交换而建立的标准。 网络协议主要由以下三个要素组成： 语法:确定通信双方“如何讲”,即对通信双方采用的数 据格式、编码等进行定义。 语义:确定通信双方“讲什么“,定义了用于协调同步和 差错处理等控制信息。 同步:确定通信双方“讲话的次序“,定义了速度匹配和 排序等，即确定通信状态的变化和过程,例如通信双方的应答 关系、是采用同步传输还是异步传输等。 13 *13 v 面向字符型BSC协议的数据报文格式： 报头开始 14 3.1 网络体系结构的形成 网络体系结构是为了完成计算机间的协同工作，把计算机 间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程 通信的协议及相邻层之间的接口服务。网络体系结构是网络各 层及其协议的集合,所研究的是层次结构及其通信规则的约定。 公用电话网Internet LAN用户 服务器 LAN 防火墙 远程移动用户 路由器主交换机 部门交换机 15 * 实体、服务和服务访问点 v 实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两 个对等实体间的通信 使得本层能够向上一 层提供服务。要实现 本层协议，还需要使 用下层所提供的服务 16 * 3.2 实体、协议、服务和服务访问点 v 本层的服务用户只能看见服务而无法 看见下面的协议。下面的协议对上面 的服务用户是透明的。 v 协议是“水平的”，即协议是控制对 等实体之间通信的规则。 v 服务是“垂直的”，即服务是由下层 向上层通过层间接口提供的。 v 同一系统相邻两层的实体进行交互的 地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。 接口处提供服务的地方,逻辑接口 17 3.2 开放系统互联/参考模型 1 1、问题的提出、问题的提出 OSI是Open System Interconnection 的缩写，意为开放 式系统互联参考模型。在OSI出现之前，计算机网络中存在众 多的体系结构，其中以IBM公司的SNA和DEC公司的数字网络体 系结构最为著名。 为了解决不同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组 织ISO(注意不要与OSI搞混）于1981年制定了开放系统互连参 考模型。 “开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标 准的系统都具备互联的能力。 3.2.1 OSI/RM的基本概念 18 3.2.2 OSI/RM的层次结构 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 通信介质（物理媒体） 开放系统A开放系统B 应用层协议 表示层协议 会话层协议 传输层协议 图 OSI/RM结构示意图 1 1、层次结构模型、层次结构模型 OSI/RM整个网络按照功能划分成7个层次。 19 * OSI参考模型的结构 20 3.2.3 OSI/RM各层的功能 1 1、物理层、物理层 规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电 气的、功能性的和规程的特性.主要功能是利用物理传输介质 为数据链路层提供物理联接，以透明地传送比特流。 21 3.2.3 OSI/RM各层的功能 2 2、数据链路层、数据链路层 数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供 服务，其最基本的服务是将源机网络层来的数据可靠地传输 到相邻节点的目标机网络层。 22 *22 Main functions v 成帧：将接收到的来自网络层的比特流划分称为帧的易处理数据 单元。 v 物理寻址：数据链路层在帧的头部添加发送方的物理地址（源地 址）与接收方的物理地址（目的地址）。 v 流量控制：当接收方接收数据的速率小于发送方发送的速率，数 据链路层采用流量控制机制以防止接收方过载。 v 差错控制：数据链路层增加一些机制用来检测与重发损坏帧或丢 失帧，从而增加了物理层的可靠性。也用了一个机制来防止重复 帧。差错控制通常在一个帧的结束处增加一个尾部来处理。 v 访问控制：当两台以上设备连接到同一条链路上时，数据链路协 议必须能决定在任意时刻由哪一台设备来获取对链路的控制权。 23 24 vv3 3、网络层、网络层 数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。主要 解决如何使数据分组跨越各个子网从源地址传送到目的地 址的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外， 为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要 对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网 才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。 25 v逻辑寻址：由数据链路层完成的物理寻址处理本地 寻址问题。如果一个包通过网络边界，就需要另一 个寻址系统来帮助区分源与目的系统。网络层给来 自上一层的包增加一个头部，它包括发送方与接收 方的逻辑地址。 v路由：通信子网络源节点和目的节点提供了多条传 输路径的可能性。网络节点在收到一个分组后，要 确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择 v网络层向传输层提供的服务类型分为数据报和虚电 路服务。 26 v 因为两个设备位于不同的网络, 因此不能仅用物理地址来进行 标识,物理地址仅具有局部有效 性。需要一个可以跨越局域网 边界的通用地址。网络（逻辑 地址）地址具有通用性。 v 网络层包含有逻辑地址，这些 地址在从最初的源地址到最终 的目的地址的过程是不变的。 当数据从一个网络传到另一个 网络时，它们也不会改变。但 是，当包由一个网络到达另一 个网络时，物理地址会发生改 变。 27 4 4、传输层（、传输层（Transport LayerTransport Layer） v 传输层是第一个端到端，也就是主机到主机的层次。即 传输层向高层用户屏蔽了下面通信子网的细节，使高层 用户看见的好象是在两个传输实体之间有一条端到端的 可靠的通信链路。 v 负责整个报文从源端到目的端（端到端）的传递过程。 v 处理端到端的差错控制、流量控制。 28 v 服务点寻址：从源端到目的端的传递是指从一台计算机 上的一个特定进程（运行的程序）传递到另一台计算机 上的一个特定进程（运行的程序）。因此，传输层消息 的头部就必须包含服务点地址（端口地址）。网络层将 每个包送到指定的计算机上，而传输层则将整个报文传 送给该计算机上的指定进程。 v 拆分和组装：将报文分解成可传输的片段，并且给这些 片段编上序号。这些序号不仅使传输层可以在接收端将 报文正确地组装，而且可以用来标识和替换传输中丢失 的包。 v 传输层提供“面向连接” 和“无连接” 两种服务。 29 30 3.2.3 OSI/RM各层的功能 5 5、会话层、会话层 会话层的主要任务是实现会话进程间通信的管理和同步, 允许不同机器上的用户建立会话关系。具体功能是： 提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以 提供单方向会话或双向同时进行会话。 在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以 从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。 31 vv 6 6、表示层、表示层 表示层的主要任务是完成语法格式转换，在计算机所处理 的数据格式与网络传输所需要的数据格式之间进行转换。 表示层的具体功能是： 32 *32 v 翻译：两个系统中的进程（运行程序）通常以字符串、数 字等格式来交换信息。在传输前，信息必须变换成比特流 。因为不同计算机采用不同的编码系统，因此表示层负责 不同编码方式之间的互操作。发送方的表示层将信息从发 送方使用的格式转换为一个公共的格式。接收方机器的表 示层将公共格式转换成接收方使用的格式。 v 加密：为了传送敏感信息，一个系统必须保证秘密。加密 是指发送方将原来的信息转换成另一种形式，并在网络上 发送转换后形式。解密是将信息转换回它的原始形式。 v 压缩：数据压缩减少需传输数据的位数。数据压缩对于多 媒体（如文本、音频和视频等）的传输显得特别重要。 33 3.2.3 OSI/RM各层的功能 7 7、应用层、应用层 应用层是OSI模型的最高层,是计算机网络与用户之间 的界面，由若干个应用进程(或程序)组成，包括电子邮件、 目录服务、文件传输等应用程序。 OSI提供的常用应用服务有： 目录服务:记录网络对象的各种信息，提供网络服务对象 名字到网络地址之间的转换和查询功能。 电子邮件:提供不同用户间的信件传递服务，自动为用户 建立邮箱来管理信件。 文件传输:包括文件传送、文件存取访问和文件管理功能。 虚拟终端:将各种类型实标终端的功能一般化、标准化后 得到的终端类型。 34 3.2.4 OSI/RM的数据传输 1 1、数据传输单元、数据传输单元 (1)协议数据单元(PDU):同等层水平方向传送的数据单元， 由服务数据单元和控制信息单元组成。 (2) 服务数据单元(Service Data Unit，SDU)：用户数据， 是上一层传下来的数据单元。 (3) 协议控制信息(Protocol Control Information，PCI）: 本层的控制信息，用来协调本层对等实体之间的通信。 有时NSDU较长，而N协议 所要求的PDU较短。这时就 要对NSDU进行分段处理， 将一个SDU分成两个或多个 PDU来传送。 35 * 2.OSI环境中的数据传输过程 OSI环境（OSI environment） 36 * 2.OSI环境中的数据传输过程 37 *37 关于开放系统互连参考模型 v 只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何 地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。 v 在市场化方面 OSI 却失败了。 OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产 的设备无法及时进入市场； OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次 中重复出现。 38 数据的实际传递过程 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层 01010101010101010（比特流） IP数据报 TCP报文段 MAC帧 MAC尾 应用数据 TCP头 IP头 MAC头 发送方 接收方 3.2.5 五层协议的原理体系结构 39 *39 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 应用进程数据先传送到应用层 加上应用层首部，成为应用层 PDU 40 *40 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 应用层 PDU 再传送到运输层 加上运输层首部，成为运输层报文 41 *41 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 运输层报文再传送到网络层 加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组） 42 *42 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 IP 数据报再传送到数据链路层 加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧 43 *43 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 数据链路层帧再传送到物理层 最下面的物理层把比特流传送到物理媒体 44 *44 计算机 1 向计算机 2 发送数据 v应用层(application layer) 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 物理传输媒体 计算机 1 AP2 AP1 电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层 计算机 2 45 *45 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 物理层接收到比特流，上交给数据链路层 46 *46 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层 47 *47 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层 48 *48 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层 49 *49 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程 50 *50 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 51 *51 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 应 用 程 序 数 据 应用层首部 H5 10100110100101 比 特 流 110101110101 注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次 应 用 程 序 数 据 H5应 用 程 序 数 据 H4H5应 用 程 序 数 据 H3H4H5应 用 程 序 数 据 H4 运输层首部 H3 网络层首部 H2 链路层 首部 T2 链路层 尾部 52 *52 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 10100110100101 比 特 流 110101110101 计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层 H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据 53 *53 H3H4H5应 用 程 序 数 据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层 H2T2H3H4H5 应 用 程 序 数 据 54 *54 H4H5应 用 程 序 数 据 H3H4H5应 用 程 序 数 据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层 55 *55 H5应 用 程 序 数 据 H4H5应 用 程 序 数 据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层 56 *56 应 用 程 序 数 据 H5应 用 程 序 数 据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程 57 *57 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 58 3.3 TCP/IP参考模型 1 1、TCP/IPTCP/IP协议的起源协议的起源 美国国防部高级研究计划局(ARPA)从20世纪60年代开始 致力于研究不同类型计算机网络之间的相互联接问题,并成功 开发出了著名的传输控制协议/网际协议（TCP/IP）协议。 2 2、TCP/IPTCP/IP协议的特点协议的特点 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、广域网, 更适用于互联网中。 统一的网络地址分配方案：使得整个TCP/IP设备在网 中都具有唯一的IP地址。 标准化的高层协议：可以提供多种可靠的用户服务。 3.3.1 TCP/IP的基本概念 59 3.3.2 TCP/IP的层次结构 1 1、结构模型、结构模型 TCP/IP参考模型分为四层：应用层、传输层、互联层、网 络接口层。 图 TCP/IP模型与OSI模型对照 网络互连层是整个TCP/IP协议栈的 核心。它的功能是把分组发往目标 网络或主机。 应用层面向不同的网络应用引入不 同的应用层协议。 主机到网络层 网络互连层 传输层 应用层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 应用层 表示层 这一层次未被定义，所以其具体的 实现方法将随着网络类型的不同而 不同。 传输层的功能是使源端主机和目标 端主机上的对等实体可以进行会话 。 60 应用层 传输层 互联层 主要功能是为用户提供网络服务，比如 FTP、Telnet、DNS和SNMP等。 主要功能是提供可靠的数据流传输服务, 确保端到端应用进程间无差错地的通信, 常称为端到端（End-to-End）通信。 负责异构网或同构网进程间的通信,将传 输层分组封装为数据报格式进行传送,每 个数据报必须包含目的地址和源地址。 网络接口层 是网络访问层，其主要功能是负责与物 理网络的连接。 3.3.3 TCP/IP各层的功能 61 互联层 v 相当OSI参考模型网络层无 连接网络服务； v 主要功能是分组转发和路 由选择功能； v IP协议是无连接的、提供“ 尽力而为”服务的网络层协 议。 v IP协议运行在TCP/IP网络 中所有的结点上。IP协议 不能避免有分组丢失，也 不能保证分组到达的顺序 。这种方式可以大大提高 其分组转发的效率。 传输层 v 主要功能是在互连网中源主 机与目的主机的对等实体间 建立用于会话的端-端连接； v 可以向应用程序提供两种不 同服务质量的传输服务。传 输层协议只能运行在主机系 统上（不在路由器上）。对 面向连接服务和无连接服务 并重 p 传输控制协议TCP是一种可靠 的面向连接协议； p 用户数据报协议UDP是一种不 可靠的无连接协议。 *61 62 *62 OSI 与 TCP/IP体系结构的比较 应用层 运输层 网络层 表示层 会话层 数据链路层 物理层 7 6 5 4 3 2 1 OSI 的体系结构 应用层 网络接口层 网际层 IP (各种应用层协议如 TELNET, FTP, SMTP 等) 运输层(TCP 或 UDP) TCP/IP 的体系结构 无连接分组交付服务 运输服务 (可靠或不可靠) 各种 应用服务 TC