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计算机网络体系结构计算机网络体系结构 第三章第三章 为什么要研究计算机网络体系为什么要研究计算机网络体系 结构？结构？ 为了能够使网络中位于不同地理位置且功能为了能够使网络中位于不同地理位置且功能 相对独立的计算机之间实现资源共享，计算机相对独立的计算机之间实现资源共享，计算机 网络系统需要涉及和解决许多复杂的问题，包网络系统需要涉及和解决许多复杂的问题，包 括信号传输、差错控制、寻址、数据交换和提括信号传输、差错控制、寻址、数据交换和提 供用户接口等一系列问题。供用户接口等一系列问题。 计算机网络体系结构是我们为简化这些问题计算机网络体系结构是我们为简化这些问题 的研究、设计与实现而抽象出来的一种结构模的研究、设计与实现而抽象出来的一种结构模 型。型。 体系结构研究的着眼点体系结构研究的着眼点: :为实现网络功能，各节为实现网络功能，各节 点系统所具备的功能及功能的划分点系统所具备的功能及功能的划分 ( (层次结构层次结构) )。 资源子网 通信子网 CCP Host Destination Host Host Source Host CCP CCP CCP CCP CCP 网络通信的一般模型 计算机网络体系结构所采用的一般模型为 层次模型. 实体entity Layer N+1 Layer N-1 Layer NLayer N Layer N+1 Layer N-1 Layer N protocol Layer N+1 protocol Layer N-1 protocol 接口 接口 接口 接口 应用层 数据链路层 表示层 会话层 传输层 网络层 物理层 应用层 数据链路层 表示层 会话层 传输层 网络层 物理层 系统A系统B 应用层协议 表示层协议 会话层协议 物理层协议 链路层协议 网络层协议 传输层协议 物 理 介 质 接口协议 OSI参考模型 分层的优越性 分层的降低了复杂性，提高了灵活性：各层之间相互 独立，各层实现技术的改变不影响其他层，易于实 现和维护，有利于促进标准化，为计算机网络协议 的设计和实现提供了很大方便 You Wenzhou Airport Postoffice A Your friend Postoffice B Beijing Airport Post rule User rule Airport rule 信 邮包 货运箱 邮包 信 分层的原则分层的原则 根据功能进行抽象分层，每个层次所要实现的功能或根据功能进行抽象分层，每个层次所要实现的功能或 服务均有明确的规定。服务均有明确的规定。 每层功能的选择应有利于标准化。每层功能的选择应有利于标准化。 不同系统分成相同的层次，对等层次具有相同功能。不同系统分成相同的层次，对等层次具有相同功能。 高层使用下层提供的服务，并向它的上层提供服务，高层使用下层提供的服务，并向它的上层提供服务， 下层服务的实现对上层是不可见的下层服务的实现对上层是不可见的 层的数目要适当。层次太少功能不明确，层次太多体层的数目要适当。层次太少功能不明确，层次太多体 系结构过于庞大。系结构过于庞大。 同一节点内各相邻层次之间通过接口协议通信同一节点内各相邻层次之间通过接口协议通信 不同节点的同等层按照协议实现同等层之间通信不同节点的同等层按照协议实现同等层之间通信 与层次模型相关的若干术语 源和目标 实体与对等实体 服务与接口 协议与协议数据单元 源和目标 源（source) 通信过程中，数据的发送方 目标(destination) 通信过程中，数据的接收方 实体 & 对等实体 实体 (Entity ) 每一层上的活动元素，包括 实现该层功能的所有硬件与软件。 对等实体(Peer to peer entity) 相互通信的两个不同机器上的 同一层次。 服务 & 接口 服务 (Service ) 每一层为上一层所提供的功能称为服务。 N层使用N-1层所提供的服务，向N+1层提 供更高的服务。 接口 (Interface) 定义下层向其相邻的上层提供的服务及 原语操作，但服务的实现细节对上层是透明 的（不可见的）。 协议和N层协议 从源到目标会出现数据传送的混乱,为 了使两个对等实体之间能够有效地通信 ，对等实体需要就交换什么信息、如何 交换信息等问题制定相应的规则或进行 某种约定。 对等实体之间交换数据或通信时所必须 遵守的规则、约定或标准的集合称为协 议(protocol)。 协议可以使通信更有效地进行协议可以使通信更有效地进行。 协议的三大要素 语法：定义数据和控制信息的格式 语义：规定协议语法成分的含义 时序：协议语法成分的顺序和速度匹配关系 协议数据单元（PDU） 网络中所传送的数据的逻辑组成单元 其数据格式由每层协议所决定 对等实体采用该层上的相同协议 一个比喻：信件传输过程 在源端，从高层到下层，存在数据的封装过 程 在目的端，从下层到高层，存在数据的拆封 过程 服务用户和服务提供者之间要进行交互，交互 的信息称为服务原语。 请求(request)：一个实体请求得到某种服务。 由(N+1)向N层发出的，要求N层提供服务。 指示(indication)：把关于某一事件的消息告诉 某一实体。由N向(N+1)层发出，表示服务开始。 响应(response)：一个实体愿意响应某一事件. 由(N+1)向N层发出，表示对指示的响应。 证实(confirm)：确认一个实体的服务请求。由N 向(N+1)层发出，表示请求已完成。 4种服务原语： 服务原语的相互关系 证实型服务 非证实型服务 计算机网络的体系结构 计算机网络体系结构是指网络功能分 层结构与各层协议的统称。 不同的网络体系结构中分层的数量、 各层的名称、内容与功能会有所不同。 网络体系结构的例子： IBM的SNA（系统网络结构）-1974 DEC的DNA（分布型网络的数字网络 体系）-1975 网络体系结构的标准化网络体系结构的标准化 上个世纪80年代早中期，计算机网络 发展面临以下多方面的问题： 计算机网络规模与数量的急剧增长； 许多不同规格与实现的网络产品之间 难以进行互操作； 专用系统严重阻碍了计算机网络的发 展。 专用技术与开放技术的对比专用技术与开放技术的对比 专用（Proprietary） 个别厂商开发、拥有并控制； 一个公司或一个公司集团掌握了整 个技术。 开放(Open) 技术的免费使用是对公众开放的； 不同厂商的网络产品可以互相兼容 ，进行互操作。 ISO ISO 的计算机网络体系的计算机网络体系 结构模型结构模型 从从19791979年开始，年开始，ISOISO通过对当时已有的计算 机网络体系结构进行研究，借鉴其精华之处，于 1984年公布了一个标准（文件ISO 7048）。 OSI RM Open System Interconnecting Reference Model 一个概念模型，并未确切描述用于各层的协议 和服务，因此不是严格意义上的体系结构。 目前在计算机网络通信中的主流概念模型。 OSI OSI 模型及各层的名称模型及各层的名称 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 物理层的功能物理层的功能 位于 OSI参考模型的最低层，它直接面 向原始比特流的传输。 解决：传输介质、信道类型、数据与信 号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声 等在内的一系列问题。 物理层标准要给出关于物理接口的机械 、电气、功能和规程特性，以便于不同的 制造厂家既能够根据公认的标准各自独立 地制造设备，又能使各个厂家的产品能够 相互兼容。 数据链路层的功能数据链路层的功能 在物理层发送和接收数据的过程中，会出现一些 物理层自己不能解决的问题。例如： 节点如何知道它所接收的数据是否正确？如果噪声 改变了一个分组的目标地址，节点如何察觉它丢失了本应 收到的分组呢？当多个节点同时试图在一条线路上发送数据时的冲 突？ 数据链路层实现两个相邻的机器间的无差错的传 输。通过对物理层提供的原始比特流传输服务的 加强，向网络层提供服务。 为实现相邻节点间的无差错传输，数据链路层最 小提供了成帧、物理寻址、确认、差错控制和流 量控制等机制。 网络层的功能网络层的功能 主要涉及在通信子网中选择一条合适的 路径，使发送端传输层所传下来的数据能 够通过所选择的路径到达目的端。 必须使用寻址方案来确定存在哪些网络以及设 备在这些网络中所处的位置； 在确定了目标结点的位置后，负责找到通过网 络的最优路径，引导数据包正确地通过网络即路 由选择。 还需要提供拥塞控制机制以避免因子网中同时 出现过多的分组而出现的网络瓶颈。 还要解决异构网络互连问题。 传输层的功能传输层的功能 唯一负责端到端节点间数据传输和控制功能的层。 OSI七层模型中承上启下的层，它下面的三层主要 面向网络通信，以确保信息被准确有效地传输；它 上面的三个层次则面向用户主机，为用户提供各种 服务。 通过弥补网络层服务质量的不足，为会话层提供端 到端的可靠数据传输服务，并屏蔽了传输层以下层 的数据通信细节，使会话层不会受到下三层技术变 化的影响。 传输层为了向会话层提供可靠的端到端传输服务， 也使用了差错控制和流量控制等机制。 会话层的功能会话层的功能 建立、管理和终结不同机器上的应用 程序或进程间的会话 为表示层提供服务 会话(Dialogue)的管理： 令牌（Token) 会话的同步 检查点（Checkpoint) 表示层的功能表示层的功能 表示层以下各层只关心可靠的数据传输，而表示 层关心的是所传送数据的语法和语义。 完成语法格式的转换 不同的计算机可能有不同的内部数据表示（抽象 语法），表示层收到应用层传过来的某种语法形式的数据 后，将其转换成适合在网络实体间传送的公共语法（传送 语法）表示的数据。 包括数据表示格式和转换、数据压缩、加密与解 密、协议转换等 与接收方协商所采用的公共语法类型 表示层对等实体间连接的建立、数据传送与连接 释放。 应用层的功能应用层的功能 OSI的最高层，是计算机网络与用户之间的界 面，负责为用户的应用程序提供网络服务。 与OSI其他层不同的是，它不为任何其他OSI层 提供服务，而只是为OSI模型以外的应用程序提 供服务。 由若干的应用协议组成。常见应用层服务： 电子邮件 文件传输 虚拟终端 Application protocol Representation protocol Session protocol Transport protocol APDU PPDU Frame Bits Packet SPDU Segment OSIOSI网络通信模型网络通信模型 通信子网 资源子网 OSIOSI中的数据传输中的数据传输 源端： 数据封装 目的端： 数据拆封 OSIOSI中的数据传输中的数据传输( (续续) ) 数据流从源的上层逐层流向下层，在 目的端则由下层逐层流向上层 源 数据封装: APDU - PPDU - SPDU - Segments - Packet - Frame - Bits 目的 数据的拆封: Bits - frame - Packet - Segment - SPDU - PPDU - APDU TCP/IPTCP/IP与与InternetInternet 20世纪70年代中期：ARPA实现异种网互连， TCP/IP出现。 1980年前后：ARPA将ARPA上的所有机器转 向该协议，并资助开发用于UNIX的TCP/IP协 议。 1985年：NFS涉及TCP/IP协议的研究与开发 ，其所资助的所有网络机构均采用该协议。 NOW：若干协议组成的完整的协议簇/一个网 络协议体系。 TCP/IP模型是异种网络互连的唯一协议体系， 适用于不同机型（从PC到巨型机）、不同类型的 网络（从局域网到广域网）。 Network Access TCP/IPTCP/IP模型各层的主要协议模型各层的主要协议 关于关于TCP/IPTCP/IP的说明的说明 FTP: file transport protocol (文件传输协议) DNS: domain name service(域名服务) HTTP:hypertext transfer protocol(超文本传输协议) SMTP:simple mail transport protocol(简单邮件传输 协议) TFTP: trivial file transport protocol(小型文件传输 协议 TCP：transport control protocol(传输控制协议) UDP:user datagram protocol(用户数据报协议) IP：internet protocol(网际协议) 关于关于TCP/IPTCP/IP的说明的说明 TCP/IP是OSI模型之前的产物，所以两者 间不存在严格的对应关系。 不存在与OSI中的物理层与数据链路层相 对应的部分。因为TCP/IP用于异构网络的 互连，支持各种网络拓朴结构，所以在该 两层无限定。 最主要的协议是TCP协议与IP协议。两者 可联合使用，也可单独与其他协议配合使 用。 OSIOSI与与TCP/IPTCP/IP的比较的比较 类似之处类似之处 均为层次结构； 具有功能相当的网络层、传输层 均有应用层，虽然其所提供的服务有所 不同； 均是一种基于协议数据单元的包交换网 络； 作为概念上的模型和事实上的标准，具 有同等的重