网络体系结构及协议.ppt

网络工程概论 第3章 网络体系结构与协议 1 第3章 网络体系结构与协议 3.1 网络协议及OSI参考模型 3.2 物理层 3.3 数据链路层 3.4 网络层 3.5 运输层 3.6 高层协议介绍 3.7 TCP/IP参考模型及协议 2 3.1网络协议及OSI参考模型 3.1.1 协议及体系结构 3.1.2 OSI参考模型 3 3.1.1 协议及体系结构 1.网络协议 网络中的计算机与终端间要想正确的传送信息和 数据，必须在数据传输的顺序、数据的格式及内容等 方面有一个约定或规则，这种约定或规则称做协议。 网络协议主要有三个组成部分： (1 ） 语法 （2）语义 （3）时序 协议实质上是网络通信时所使用的一种语言。 4 2.网络的体系结构 计算机网络是一个十分复杂的系统，其设 计需要采用结构化的设计方法。结构化的设计 方法的思想是将一个复杂系统分解为若干个容 易处理的子系统，然后“分而治之”。分层是 系统分解的最好方法之一。所谓网络的体系结 构就是计算机网络各层次及其协议的集合。 5 6 层次结构具有以下的特点： 1) 除了在物理媒体上进行的是实通信之 外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。 2) 对等层的虚通信必须遵循该层的协议 。 3) n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n -1层提供的服务以及n-1层的通信来实现的。 7 开放系统划分层次结构须遵循以下原则： 1) 每层的功能应是明确的，并且是相互独 立的。当某一层的具体实现方法更新时，只要 保持上、下层的接口不变，便不会对其他层产 生影响。 2) 层间接口必须清晰，跨越接口的信息量 应尽可能少。 3) 层数应适中。若层数太少，则造成每一 层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过 于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。 8 3.1.2 OSI参考模型 1. OSI分层体系结构 9 10 (1)物理层 物理层的主要功能是为数据链路层 提供一个物理链接，以保证在通信信道上透明地传输 比特流。物理层协议的设计就是用来屏蔽这些传输介 质的差异，物理层的数据单元是比特。 11 (2)数据链路层 数据链路层的主要功能是在两 个相邻结点间的线路上，无差错的传输数据帧 。数据链路层的数据单元是数据帧。 12 (3)网络层 网络层的主要功能是为数据分组进行路由 选择，并负责通信子网的流量控制、拥塞控制。网络 层的数据单元为分组。对一个通信子网，各节点只包 含到网络层为止的最低三层协议。 13 (4)运输层 运输层又称传输层或传送层，主要功能是 为会话层提供一个可靠的端-端连接，以使两个端系 统之间透明地传输报文运输层只存在于端主机系统， 通信子网中无运输层。运输层的数据单元是报文。 运输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁， 它完成资源子网中两节点间的直接逻辑通信， 实现通信子网端到端的可靠传输。传输层在七 层网络模型的中间起到承上启下的作用，是整 个网络体系结构中的关键部分。 14 （5)会话层 会话层又称会晤层，主要功能是使用运输 层提供的可靠的端-端连接，在两个应用进程之间建 立会话连接，并对“会话”进行管理和控制，保证“ 会话”数据可靠传送。在会话层以上各高层协议中， 数据单元都称为报文。 (6)表示层 表示层的主要功能是完成被传输数 据的表示工作，包括数据格式、数据转化、数据加密 和数据压缩等语法的变换服务。 (7)应用层 应用层是体系结构的顶层，主要功能是直 接为用户服务，通过应用软件实现网络与用户的直接 对话。这一层是最终用户应用程序访问网络服务的地 方，负责整个网络应用程序协同工作。 15 2.数据传送模型 16 简化的五层OSI结构 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer) 数据链路层 5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 17 3.2 物理层 物理层并不是指具体的物理设备，也不是指信 号传输的物理媒体，而是指在物理媒体之上为数据链 路层提供一个传输原始比特流的物理连接。它主要考 虑的是怎样才能在连接开放系统的传输媒体上传输各 种数据的比特流。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽 掉这些差异，使数据链路层只需考虑如何完成本层的 协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体的不同 。 18 3.2.1 物理层的功能 为了实现数据链路实体之间比特流的透明传输， 物理层应具有下述功能： （1）物理连接的建立、维持和拆除 （2）数据传输 （3）物理层管理 19 3.2.2 物理层接口的特性 物理层协议规定与建立、维持及断开物理信道有 关特性，这些特性包括机械的、电气的、功能性的和 规程性的四个方面。这些特性保证物理层能通过物理 信道在相邻网络节点之间正确地收、发比特流信息， 即保证比特流能送上物理信道，并且能在另一端取下 它。物理层仅单纯关心比特流信息的传输，而不涉及 比特流中各比特之间的关系（包括信息格式及其含义 ），对传输差错也不作任何控制。 实际网络中比较广泛使用的物理接口标准有EIA-232 -D、EIA RS-449和CCITT建议的X.21。 20 3.3 数据链路层 3.3.1 数据链路层功能 数据链路层的作用是对物理层传输原始比特流的 功能的加强，将物理层提供的可能出错的物理连接改 造成为逻辑上无差错的数据链路，即使之对网络层表 现为一条无差错的链路。数据链路层应具有下述主 要功能 ： 1. 帧同步 2. 差错控制 3. 流量控制功能 4. 数据链路管理 21 3.3.2 数据链路控制协议举例-HDLC （1）标志字段(F) （2）地址字段(A)标志 （3）控制字段(C)字 （4）信息字段(I)信 （5）帧校验序列字段(FCS)息字段(I)段(F) 22 3.4 网络层 网络层是OSI参考模型中的第三层，它在数据路层提 供的两个相邻结点之间的数据帧的传送功能上，进一 步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若 干个中间节点传送到目的端，从而向运输层提供最基 本的端到端的数据传送服务。网络层关系到通信子网 的运行控制，体现了网络应用环境中资源子网访问通 信子网的方式，是OSI模型中面向数据通信的低三层 中最为复杂、关键的一层。 网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明 传送，具体功能包括路由选择、拥塞控制和网际互连 等 。 23 3.4.1 网络层提供的服务 网络层可以向运输层提供两类不同质量的网络服务 ：面向连接的网络服务和无连接的网络服务。 1. 面向连接的网络服务 面向连接的网络服务具体实现是虚电路服务虚电路 服务是网络层向运输层提供的一种使所有分组按序到 达端系统的可靠的数据传输方式。 2.无连接的网络服务 无连接的网络服务具体实现是数据报服务。 24 3.4.2 路由选择 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。在数据报方式中，网 络节点要为每个分组路由做出选择；而在虚电路方式 中，只需在连接建立时确定路由。 根据对网络环境变化的适应性不同，路由算法可 以分为两大类：静态路由选择算法和动态路由选择算 法。 独立路由选择、集中路由选择和分布路由选择是 三种动态路由选择策略的具体算法。 25 3.5 运输层 3.5.1 运输层的功能和服务 1 运输层的两个主要目的是：第一，提供可靠的端到 端的通信；第二，向会话层提供独立于网络的传输服 务。 2 传输服务有两大类，即面向连接的服务和面向无 连接服务。面向连接的服务提供传输服务用户之间逻 辑连接的建立、维持和拆除，是可靠的服务，可提供 流量控制、差错控制和序列控制。无连接服务，只能 提供不可靠的服务。 26 3.5.2 运输层协议和通信子网的关系 根据用户要求和差错性质，网络服务按质量可分 为A、B、C三种类型。 运输层的功能按级别划分，OSI定义了五种协议级 别。 运输层的功能是要弥补从网络层获得的服务和拟 向传输服务用户提供的服务之间的差距，它所负责的 是提高服务质量，包括优化成本。 服务质量划分的较高的网络，仅需要较简单的协 议级别；反之，服务质量划分的较低的网络，就需要 较复杂的协议级别。 27 3.6 高层协议介绍 3.6.1 会话层 在两个不同系统统的互相通信的应应用进进程之间间建立、组组 织织和协调协调 交互。例如，确定是双工还还是半双工工作 。若出现现意外，则则需确定从何处处开始重新恢复会话话 。 3.6.2 表示层 表示层层是处处理所有与数据表示及传输传输 有关的问题问题 ，完 成某些特定的功能。 3.6.3 应用层 应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提 供网络与用户应用软件之间的接口服务，还为应用进 程提供访问OSI环境的手段。 28 3.7 TCP/TP参考模型及协议 3.7.1 TCP/IP体系结构与协议 1. TCP/IP参考模型 TCP/IP参考模型共有四层：应用层、传输层 、网际互联层和主机至网络层，如图3-6所示 。与OSI参考模型相比，TCP/IP参考模型没有 表示层和会话层。网际互联层相当于OSI模型 的网络层，主机至网络层相当于OSI模型中的 物理层和数据链路层。 29 30 TCP/IP的各层协议形成了一组从上到下单向 依赖的协议栈，也叫协议族。 31 3.7.2 TCP/IP的网络层 1IP 32 IP协议提供以下功能： (1) IP地址寻址 (2) IP数据报的分段和重组 (3) IP数据报的路由转发 33 2. 互连网控制报文协议ICMP ICMP报文是放在一个IP数据报的数据部分中 通过互联网的。Internet 控制报文协议允许路由 器向其它路由器或主机发送差错或控制报文 34 3.7.3 TCP/IP的传输层 传输层对应于OSI参考模型的运输层，提供端到端 的数据传输服务。该层定义了两个主要的协议：传输 控制协议TCP和用户数据报协议UDP。 TCP提供的是面向连接的可靠的传输服务；而 UDP提供的是无连接的不可靠的传输服务，一般用于 数据量比较小的传输。 TCP和UDP使用端