计算机网络与通信_3.ppt

a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 chapter 3 chapter 3 a architecturerchitecture of computer network of computer network 该章主要介绍该章主要介绍osiosi参考模型的有关概念，包括各参考模型的有关概念，包括各 层功能划分、各层典型协议及思想、流量控制技术、拥层功能划分、各层典型协议及思想、流量控制技术、拥 塞控制技术、路由选择算法等。全面了解塞控制技术、路由选择算法等。全面了解osiosi参考模型参考模型 的意义与功能。的意义与功能。 重点难点：重点难点： osiosi参考模型的构成，包括各层功能划分、各层典参考模型的构成，包括各层功能划分、各层典 型协议及思想、流量控制技术、拥塞控制技术、路由选型协议及思想、流量控制技术、拥塞控制技术、路由选 择算法择算法 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.1 view of network architecture3.1 view of network architecture 为什么需要网络体系结构？ 网络体系结构的发展 1974年，美国的ibm公司宣布了它研制的系统网络 体系结构sna (system network architecture)。 国际标准化组织iso提出的著名的开放系统互连基 本参考模型osi/rm (open systems interconnection reference model)，简称为osi。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.1.1 network protocol3.1.1 network protocol 两个实体要想实现通信，它们必须具有相同的语言，交流 什么、怎样交流及何时交流等都必须遵从有关实体间某些相互 都能接受的规则。这些规则的集合称为协议（protocol），因 而协议可以定义为：为进行网络中的数据交换而建立的规则、 标准或约定。一个网络协议主要由以下三个要素组成： （1）语法：即数据与控制信息的结构或格式； （2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作 以及做出何种响应； （3）同步：即事件实现顺序的详细说明。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 为了减少协议设计的复杂性，大多数计算机网为了减少协议设计的复杂性，大多数计算机网 络将其功能划分为若干个层次（络将其功能划分为若干个层次（layerlayer）。每一层都有）。每一层都有 一些实体组成每一层的目的都是向它的上一层提供一定一些实体组成每一层的目的都是向它的上一层提供一定 的服务。的服务。 在实际的数据通信时，数据不是从一台机在实际的数据通信时，数据不是从一台机 器的第器的第n n层直接传到另一台机器的的第层直接传到另一台机器的的第n n层，而是把数据层，而是把数据 和控制信息交给它的下一层，直到最下层。最下层是物和控制信息交给它的下一层，直到最下层。最下层是物 理介质，它进行实际的通信。每一对相邻层之间都有一理介质，它进行实际的通信。每一对相邻层之间都有一 个接口，通过接口，下层向高层提供服务。个接口，通过接口，下层向高层提供服务。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 分层可以带来如下好处：分层可以带来如下好处： （1 1）各层之间是独立的。）各层之间是独立的。 （2 2）灵活性好。）灵活性好。 （3 3）结构上可分割开。）结构上可分割开。 （4 4）易于实现和维护。）易于实现和维护。 （5 5）能促进标准化工作。）能促进标准化工作。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 计算机网络的各层及其协议的集合计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的称为网络的 体系结构体系结构(architecture)(architecture)，也就是说，也就是说，计算机网络的体计算机网络的体 系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的 精确定义精确定义。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是 真正在运行的计算机硬件和软件真正在运行的计算机硬件和软件。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.1.2 reference model of open system 3.1.2 reference model of open system interconnectioninterconnection 国际标准化组织（国际标准化组织（international standard international standard organizationorganization，isoiso）在）在19771977年成立一个分委员会专门研究年成立一个分委员会专门研究 网络通信的体系结构问题，并提出了开放系统互连参考模型网络通信的体系结构问题，并提出了开放系统互连参考模型 osi/rmosi/rm（reference model of open system reference model of open system interconnectioninterconnection），它是一个定义异种计算机连接标准的），它是一个定义异种计算机连接标准的 框架结构。框架结构。osiosi为连接分布式应用处理的为连接分布式应用处理的“开放开放”系统提供系统提供 了基础。所谓了基础。所谓“开放开放”是指任何两个系统只要遵守参考模型是指任何两个系统只要遵守参考模型 和有关标准，都能够进行互连。和有关标准，都能够进行互连。osiosi采用了层次化结构的构采用了层次化结构的构 造技术。造技术。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 osiosi参考模型共有如图所示的参考模型共有如图所示的7 7层，由低层至高层分 层，由低层至高层分 别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层 、表示层、应用层。、表示层、应用层。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 osiosirmrm参考模型中的参考模型中的1 13 3层主要负责通信功能层主要负责通信功能 ，一般称为通信子网层。上三层即，一般称为通信子网层。上三层即5 57 7层属于资源子网层属于资源子网 的功能范畴，称为资源子网层。传输层起着衔接上下三的功能范畴，称为资源子网层。传输层起着衔接上下三 层的作用。层的作用。 physical layerphysical layer：提供建立、维护和拆除物理：提供建立、维护和拆除物理 链路所需的机械、电气、功能和规程特性；提供有关在链路所需的机械、电气、功能和规程特性；提供有关在 传输介质上传输非结构的位流及物理链路故障检测指示传输介质上传输非结构的位流及物理链路故障检测指示 。 data link layerdata link layer：为网络层实体提供点到点无 ：为网络层实体提供点到点无 差错帧传输功能，并进行流控制。差错帧传输功能，并进行流控制。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 network layer network layer：为传输层实体提供端到端的交：为传输层实体提供端到端的交 换网络数据传送功能。使得传输层摆脱路由选择、交换方式换网络数据传送功能。使得传输层摆脱路由选择、交换方式 、拥挤控制等网络传输细节；可以为传输层实体建立、维持、拥挤控制等网络传输细节；可以为传输层实体建立、维持 和拆除一条或多条通信路径；对网络传输中发生的不可恢复和拆除一条或多条通信路径；对网络传输中发生的不可恢复 的差错予以报告的差错予以报告 transport layertransport layer：为会话层实体提供透明、可靠：为会话层实体提供透明、可靠 的数据传输服务，保证端到端的数据完整性；选择网络层能的数据传输服务，保证端到端的数据完整性；选择网络层能 提供最适宜的服务；提供建立、维护和拆除传输连接功能。提供最适宜的服务；提供建立、维护和拆除传输连接功能。 session layersession layer：为彼此合作的表示层实体提供建：为彼此合作的表示层实体提供建 立、维护和结束会话连接的功能；完成通信进程的逻辑名字立、维护和结束会话连接的功能；完成通信进程的逻辑名字 与物理名字间的对应；提供会话管理服务。与物理名字间的对应；提供会话管理服务。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 presentation layer presentation layer：为应用层进程提供能：为应用层进程提供能 解释所交换信息含义的一组服务，如代码转换、格式转解释所交换信息含义的一组服务，如代码转换、格式转 换、文本压缩、文本加密与解密等。换、文本压缩、文本加密与解密等。 application layerapplication layer：提供：提供osiosi用户服务用户服务 ，例如事务处理程序、电子邮件和网络管理程序等。，例如事务处理程序、电子邮件和网络管理程序等。 参考模型的信息流向参考模型的信息流向 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 有关概念或术语有关概念或术语 实体实体(entity)(entity)这一名词表示任何可发送或接收信这一名词表示任何可发送或接收信 息的硬件或软件进程。息的硬件或软件进程。 协议协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合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。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能 够向上一层提供够向上一层提供服务服务。要实现本层协议，还需要使用下。要实现本层协议，还需要使用下 面一层所提供的服务（用原语实现）。面一层所提供的服务（用原语实现）。 协议和服务在概念上是很不一样的。协议和服务在概念上是很不一样的。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 在同一系统中相邻两层的实体进行交互在同一系统中相邻两层的实体进行交互( (即交换信即交换信 息息) )的地方，通常称为服务访问点的地方，通常称为服务访问点sap (service access sap (service access point)point)。 osi osi将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据 单元单元sdu (service data unit)sdu (service data unit) osi osi参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元 统称为协议数据单元统称为协议数据单元(pdu, protocol data unit)(pdu, protocol data unit)。 而传输层及以下各层的而传输层及以下各层的pdupdu另外还有各自特定的名称另外还有各自特定的名称 ： 传输层：数据段（传输层：数据段（segmentsegment）；网络层：分组（数据）；网络层：分组（数据 报）（报）（packetpacket）；数据链路层：数据帧（）；数据链路层：数据帧（frameframe）；物理层）；物理层 ：比特（：比特（bitbit） a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.2 the physical layer3.2 the physical layer 物理层是提供数据传输的物理媒体。国际标准化 组织（iso）在其“开放系统互连”的7层参考模型中对物 理层有如下定义： 物理层为启动、维护和释放数据链路实体之间二 进制位传输而进行的物理连接提供机械的、电气的、功能 的和规程的特性。这种物理连接可以通过中间系统，每次 都在物理层内进行中继的二进制位传输。这种物理连接允 许进行全双工或半双工的二进制位流传输。物理服务数据 单元（即二进制位）的传输可以通过同步方式或异步方式 进行。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.2.1 3.2.1 物理 物理层层层层功能功能 1 1机械特性机械特性 物理层的机械特性规定了物理连接时所采用的可物理层的机械特性规定了物理连接时所采用的可 接插连接器的规格、尺寸，连接器中引脚的数量和排列情况接插连接器的规格、尺寸，连接器中引脚的数量和排列情况 等。等。 2 2电气特性电气特性 物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进 制位流时线路上信号电压高低、阻抗匹配情况、传输率和距制位流时线路上信号电压高低、阻抗匹配情况、传输率和距 离的限制等。最常见有关电气特性的技术标准是国际电话电离的限制等。最常见有关电气特性的技术标准是国际电话电 报咨询委员会（报咨询委员会（ccittccitt）建议的）建议的v.10v.10标准（新的非平衡型）、标准（新的非平衡型）、 v.11v.11标准（新的平衡型）和标准（新的平衡型）和v.28v.28标准（非平衡型）。标准（非平衡型）。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3功能特性 物理层的功能特性规定了物理接口上各条 信号线的功能分配和确切定义。物理接口上的信号线一 般可以分为：数据线、控制线、定时线和地线。 4规程特性 物理层的规程特性定义了利用信号线进行 二进制位流传输的一组操作过程，即各信号线的工作的 规则和先后顺序。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.2.23.2.2 典型协议 典型协议rs232crs232c eia rs232c eia rs232c是美国电子工业协会（是美国电子工业协会（electronic electronic industry associationindustry association）制定的物理接口标准。）制定的物理接口标准。 rs(recommendedrs(recommended standard) standard)的意思是推荐标准，的意思是推荐标准， 232232是一个标识号码，是一个标识号码，c c表示该标准已被修改过的次数。表示该标准已被修改过的次数。 rs232crs232c接口是数据通信中最重要的、而且是完接口是数据通信中最重要的、而且是完 全遵循数据通信标准的一种接口。它的作用就是定义全遵循数据通信标准的一种接口。它的作用就是定义dtedte设设 备（终端、计算机、文字处理机和多路复用机等）和备（终端、计算机、文字处理机和多路复用机等）和dcedce设设 备（将数字信号转换成模拟信号的调制调解器）之间的接口备（将数字信号转换成模拟信号的调制调解器）之间的接口 。下图显示了一个数据通信模式。下图显示了一个数据通信模式。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 rs232crs232c接口完成下列两项工作：提供接口完成下列两项工作：提供dtedte与与dcedce之间之间 的物理连接；规定它的的物理连接；规定它的2525个插脚的每个信号的含义。个插脚的每个信号的含义。 1 1rs232crs232c机械特性机械特性 rs232crs232c接口的机械特性与接口的机械特性与dtedte，dcedce实际的物理实际的物理 连接有关。一般来说，在每一端引线被捆扎在一起连到一个连接有关。一般来说，在每一端引线被捆扎在一起连到一个 插头（阴性或阳性）上。插头（阴性或阳性）上。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 2 2rs232crs232c的电气特性的电气特性 rs232rs232的电气特性规定，逻辑的电气特性规定，逻辑“1”1”或信号状态的或信号状态的 电压范围为电压范围为-15v-15v-5v-5v；逻辑；逻辑“0”0”或空号状态的电压范围为或空号状态的电压范围为+5v+5v +15v+15v，所允许的线路电压降为，所允许的线路电压降为2v2v。数据传输率为。数据传输率为0 020kb/s20kb/s， 电缆长度限制在电缆长度限制在30m30m内。内。 3 3rs232crs232c功能特性功能特性 rs232crs232c的功能特性定义了的功能特性定义了2525针连接器中的针连接器中的2020条连条连 接线。接线。2 2条是地线，条是地线，4 4条是数据线，条是数据线，1111条控制线，条控制线，3 3条定时信号线条定时信号线 ，其余，其余5 5条线是备用的或未定义的。保护地连接到设备的机架上条线是备用的或未定义的。保护地连接到设备的机架上 ，是否使用该线应参照设备的使用规定，必要时要连接到大地，是否使用该线应参照设备的使用规定，必要时要连接到大地 。信号地是为所有的信号提供一个公共的参考电位，是必须连。信号地是为所有的信号提供一个公共的参考电位，是必须连 接的。接的。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 4 4规程特性规程特性 rs232crs232c的规程特性主要规定了控制信号在不同的规程特性主要规定了控制信号在不同 情况下有效（接通状态）和无效（断开状态）的顺序和相情况下有效（接通状态）和无效（断开状态）的顺序和相 互的关系。互的关系。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.3 the data link layer3.3 the data link layer 3.3.13.3.1 数据链路层功能 数据链路层功能 l l数据链路的建立和拆除数据链路的建立和拆除 2 2帧传输和帧同步帧传输和帧同步 3 3差错与流量控制差错与流量控制 4 4数据链路管理数据链路管理 3.3.23.3.2 数据链路层帧边界的划分方法 数据链路层帧边界的划分方法 帧（帧（frameframe）是数据链路层的传输单位，帧分为帧）是数据链路层的传输单位，帧分为帧 头、信息和帧尾三个字段。帧头包含各种控制信息，信息头、信息和帧尾三个字段。帧头包含各种控制信息，信息 字段包含传送的数据，而帧尾包含校验信息。字段包含传送的数据，而帧尾包含校验信息。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 4种成帧方法： l字符计数法； 2带字符填充的首尾界符法 3带填充位的首尾标志法 ； 4物理层编码违例法 3.3.33.3.3 流量控制 流量控制 在数据链路层及较高层中，流量控制是一个重要的设 计问题。通常，流量控制是与差错处理一起完成的，特别是在 双工通信时，利用“捎带”技术使发送方知道接收方的速度是 否能跟得上发送方，从而能够决定是继续发送下一帧还是暂停 发送，等待收到某个反馈信息后再继续发送。 1停止-等待协议； 2滑动窗口协议 （原理请自 学） a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.3.4 3.3.4 典型协议典型协议hdlchdlc hdlchdlc的全称是高级数据链路控制协议（的全称是高级数据链路控制协议（high level high level data link controldata link control）, ,它是国际标准化组织（它是国际标准化组织（isoiso）根据）根据ibmibm 公司的公司的sdlcsdlc（synchronous data link controlsynchronous data link control）协议扩展）协议扩展 开发而成的。开发而成的。 hdlchdlc是面向比特的传送协议，采用是面向比特的传送协议，采用“ “0”0”插入技术实现插入技术实现 数据的透明传送，它使用滑动窗口，可以全双工传送。数据的透明传送，它使用滑动窗口，可以全双工传送。hdlchdlc 用统一结构的帧进行同步传送。用统一结构的帧进行同步传送。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.4 the network layer3.4 the network layer 3.4.13.4.1 网络层功能 网络层功能 为传输层提供建立、维持和释放网络连接的手为传输层提供建立、维持和释放网络连接的手 段，完成路由选择、拥塞控制、网络互连等功能。段，完成路由选择、拥塞控制、网络互连等功能。 根据传输层的要求选择网络服务质量。根据传输层的要求选择网络服务质量。 对数据传输过程实行流量控制、差错控制及顺序控对数据传输过程实行流量控制、差错控制及顺序控 制，向传输层报告未恢复的差错。制，向传输层报告未恢复的差错。 提供资源子网主机节点与通信子网间的接口，向传提供资源子网主机节点与通信子网间的接口，向传 输层提供虚电路服务或数据报服务输层提供虚电路服务或数据报服务 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.4.23.4.2 虚电路和数据报 虚电路和数据报 网络层上有两种不同的数据传输方式，一种 是虚电路（virtual circuit）方式，另一种是数据报 （datagram）方式。面向连接的服务采用虚电路方式， 而面向无连接的服务采用数据报方式。虚电路服务和数 据报服务的主要差别不仅仅在于它们所采用的形式，还 在于它们所能提供的服务。前者可以提供由子网完成的 差错控制和顺序控制，而对于后者，这两种控制需要由 主机完成。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.4.33.4.3 路由选择算法 路由选择算法 1随机式 2多路式（洪泛 式） 3固定式 4孤立式 5反向学习式 6分布式 7集中式 3.4.43.4.4 拥塞控制技术 拥塞控制技术 1许可证法 2抑制分组 3分组丢弃法 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.5 the transport layer3.5 the transport layer 3.5.13.5.1 传输层功能 传输层功能 提供建立、维护和拆除传输层连接； 选择网络层提供合适的服务； 提供端到端的错误恢复和流量控制； 向会话层提供独立于网络层的传送服务和可靠 的透明数据传送。 a architecturerchitecture of computer network of computer network revised 7/2005revised 7/2005 3.5.23.5.2 传输层协议分类 传输层协议分类 传输协议其所以复杂是因为支持传输层的网络服务 的多种多样，而网络服务的好坏直接影响传输协议的实现。 iso定义了三种类型的网络服务： a型，网络连接具有可接受的差错率和可接受的故 障率。 b型，网络连接具有可接受的差错率和不可接受的 故障率。 c型，网络连接具有不可接受的差错