计算机网络体系结构与协议.ppt

第二章 计算机网络体系结构(layered Architecture),主要内容: 第一节 计算机网络体系结构 第二节 开放系统互联参考模型（OSI/RM） 第三节 TCP/IP体系结构,2,了解层次: 1、网络分层的意义 2、网络体系结构的定义 掌握层次: 1、OSI分层模型和TCP/IP体系结构各层的名称 2、协议的三要素 3、描述数据在源与目标设备间的传送过程 4、主要层的功能: 应用层、传输层、网络层、 数据链路层和物理层,第一节 计算机网络体系结构 (Computer network layered architecture),1、网络体系结构提出的背景(background) 2、计算机网络体系结构的定义(definition) 3、网络体系结构的分层原理(theory) 4、通信协议(protocol),4,第一节 计算机网络体系结构,1、网络体系结构提出的背景计算机网络的 复杂性、异质性 不同的通信介质有线、无线、 不同种类的设备主机host、路由器router、交换机switch、复用设备、 不同的操作系统Unix、Windows、 不同的软/硬件、接口和通信约定（协议） 不同的应用环境固定、移动、 不同种类业务分时、交互、实时、 宝贵的投资和积累有形、无形、 用户业务的延续性不允许出现大的跌宕起伏,解决方法：分而治之！,空中旅行的组织,机票 (购买) 行李 (托运) 旅客 (出发) 飞机 (起飞) 飞行航线,机票 (投诉) 行李 (认领) 旅客 (到达) 飞机 (着陆) 飞行航线,飞行航线,一个生活中的例子：空中旅行的组织(airline system),分层的空中旅行组织: 服务,从出发地到目的地的航线：导航服务(air traffic control),柜台-to-柜台：“旅客+行李” 票务服务(ticket agents),行李托运-to-行李认领：行李服务(baggage checkers),登机入口-to-到达出口：旅客乘务服务(gate personnel),跑道-to-跑道：飞机“航运”服务(airplane),层次的观点： 每层实现一种特定的服务 通过自己内部的功能 依赖自己的下层提供的服务,层次化方法在其它领域的应用,程序设计 把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来 实现，如操作系统。 邮政系统 邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输 。,2、计算机网络体系结构的定义,计算机网络中也采用了分层方法。把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题，在不同层上予以解决。 计算机网络中，层次（layer）及每层功能、层间接口（interface）和协议（protocol）的集合被称为计算机网络体系结构。,网络的层次结构方法要解决的问题： 网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）分而治之 同一个系统的各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）如邮箱就是发信人和邮递员之间的接口。 通信双方的数据传输要遵循哪些通信规则？（协议）如写信的约定语言和信封格式。,10,网络体系结构的发展过程 最早的网络体系结构有IBM的SNA和DEC的DNA等； 由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标准是OSI/RM； 实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构成为事实上的标准。,层次结构方法的优点(advantages),独立性强 把网络操作分成低复杂性单元，上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务。 适应性强 只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。 灵活性好，易于设计、实现和维护 把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单 的子单元： 使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单 和容易。 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。 促进标准化 允许各个供应商进行开发,3、网络体系结构的分层原理,基本概念： 实体entity：每一层中实现该层功能的软件或硬件。（任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程） 对等层peer-to-peer layer：两个不同系统的同级层次。 对等实体peer-to-peer entity：分别位于不同系统对等层中的两个实体。 接口interface：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。 服务service：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。 服务访问点service access point：同一结点中，相邻两层的实体相互作用的地方。是上下层实体之间信息交换的接口。（简称SAP） 协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。,分层模拟图,14,对等通信例：两个人收发信件,想一想： 收信人与发信人之间、邮局之间，是在直接通信吗？ 邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务？ 邮局、收发信人各使用谁提供的什么服务？,信件内容,邮件地址,货物地址,发信人,邮局,运输系统,信件内容,邮件地址,货物地址,收信人,对信件内容的约定,对信件如何传递的约定,对货物如何运输的约定,协议P3,公路，铁路，航空,邮局,运输系统,协议P2,协议P1,网络体系结构中通信的实质,网络中的任何一个系统都是按照层次结构来组织的 同一网络中，任意两个端系统必须具有相同的层次 网络中每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机的对等层(peer-to-peer layer)通信。 上层使用下层提供的服务Service user； 下层向上层提供服务Service provider。 第n+1层是第n层的服务用户，第n-1层是第n层的服务提供者 第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服务 通信是对等层实体之间的通信，但它们实现的是虚拟的逻辑通信； 实际通信在最底层通过物理线路的传输完成。,人相互交流的协议和通信协议之间的对比,time,4、 通信协议protocol,4、 通信协议protocol,协议的定义： 定义网络实体间发送和接收报文的格式(format)、顺序(order of messages)以及当传送和接收消息时应采取的行动(actions taken on the transmission)。（语义semantics 、语法Grammar和时序Timing）。 说明： 计算机系统之间 网络中所有的通信活动（交换数据与控制信息）都是由协议所控制,18,4、 通信协议,通信协议的三要素： 语义-对协议中各协议元素的含义的解释，包括需发出何种控制信息，完成何种动作或做何种应答。 What to do? 例如：在HDLC协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束。 语法-控制信息或数据的结构和格式,包括数据格式、编码、信号电平。 How to do?例如： HDLC高级数据链路控制（High level Data Link Control)，FCS（帧校验序列） 时序-通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则 (也称同步，即实体通信实现顺序的详细说明 ) When to do?,HDLC,19,t,t,时序例：,计算机网络体系结构中层与协议的关系： 每层可能会有若干个协议 一个协议只属于一个层次 协议的实现： 网络驱动程序、网络通信协议等软件 网络硬件 常用协议组： TCP/IP（Windows、Unix、Linux、） NetBEUI（Windows） IPX/SPX（NetWare、Windows）,21,计算机网络体系结构总结： 一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集; 网络协议是按层次结构来组织的； 网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构； 网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义； 体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。,22,1、OSI参考模型的基本概念 2、OSI/RM 参考模型的结构 3、OSI/RM 参考模型的各层功能,第二节 开放系统互联参考模型（OSI/RM）,23,1、OSI参考模型的基本概念 （1）1984， ISO（国际化标准组织, International Organization for Standardization）发表了OSI（开放系统互连）模型，Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM），实际上，在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是： 国际电报与电话咨询委员会（CCITT，Consultative Committee of International Telegraph and Telephone）主要是考虑通信标准的制定。 国际标准化组织（ISO），主要是考虑信息处理与网络体系结构。 （2）在OSI中 的“开放”是指希望只要遵循OSI标准，一个系统就可以与同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信。,第二节 开放系统互联参考模型（OSI/RM）,OSI/RM 参考模型的结构分为7层,应用层Application,表示层Presentation,会话层Session,传输层Transport,物理层Physical,数据链路层Data Link,网络层Network,7 6 5 4 3 2 1,为网络应用提供服务 数据表示（加密Encryption、压缩Compression等） 在用户间建立会话(session)关系 不同主机(host)进程(Process)间的通信 在主机间传输分组(packet) 在节点间可靠地传输帧(frame) Bit位流的透明传输,2、OSI/RM 参考模型的结构,25,OSI/RM模型的数据流向,PDU,协议数据单元,协议头或PCI,注意：每一层只处理本层的协议头部！,主机A,主机B,26,封装与解封装,封装(capsulation )：数据要通过网络进行传输，要从高层一层一层地向下传输，如果一个主机要传送数据到别的主机，先把数据装到一个特殊协议报头中，这个过程叫封装或打包。 封装分为：切片和加控制信息。 解封装(encapsulation )：上述的逆向过程。,27,OSI模型的意义和缺陷,提供了网络间互连的参考模型。 成为实际网络建模、设计的重要参考工具和理论依据。 OSI/RM的思想为我们提供了进行网络设计与分析的方法。 实际的网络几乎都是分层结构，功能分层，协议分层，只是根据实际需要，层次有多有少。模块化的结构便于同时开发、升级换代、维护管理。 OSI 模型协议制定在TCP/IP协议使用后。人们不会轻易改动协议。 OSI 模型设计亦有一定缺陷，以及与其相关的服务定义和协议极其复杂，实现起来困难且操作效率不高。 实际应用中几乎没有完全按OSI七层模型设计的产品。,28,（一）物理层（Physical layer） 它直接与物理信道(Physical channel)相连，起到数据链路层(Data Link layer)和传输介质(media)之间的逻辑接口作用， 提供建立(establish)、维护(maintenance)和释放(release)物理连接(physical connection )的方法。 任务：在物理介质上正确地(correctly)、透明地(Transparent)传送比特bit流。,3、OSI/RM 参考模型的各层功能,29,（二）数据链路层（Data link layer） 任务：在两个相邻节点(Adjacent nodes)间可靠地传输数据，使之对网络层呈现为一条无错的链路(Reliable link)。 在相邻节点之间建立链路； 传送以帧（Frame）为单位的数据信息；并且进行检错(error detecting)和纠错(error correcting )。,30,（三）网络层（Network layer，Internet layer） 任务：简言之，选择合适的路由，把分组从源端传送到目的端。(Network layer is responsible for moving packets from one host to another) 在数据链路层提供服务的基础上，向上面的资源子网提供服务。,31,（四）传输层（Transport layer） 任务(tasks)：在源端与目的端之间提供可靠的透明(Transparent)数据传输，使上层服务用户不必关心通信子网的实现细节。 由于通信子网向传输层提供通信服务的可靠性有差异(Differences)，所以无论通信子网提供的服务可靠性如何，经传输层处理后都应向上层提交可靠的、透明的数据传输。,32,（五）会话层（Session layer） 会话层是利用传输层提供的端到端的服务，向表示层或会话用户提供会话服务，是用户和网络的接口。 在ISO/OSI环境中，所谓一次会话，就是两个用户进程(User process)之间为完成一次完整的通信而进行的过程，包括建立、维护和结束会话连接。即通讯的双方在正式传输前的沟通。 会话协议的主要目的就是提供一个面向用户的连接服务，并对会话活动提供有效的组织和同步所必须的手段，对数据传送提供控制和管理。 保证不同应用间的数据区分，如有FTP数据，HTTP数据，那怎么区别(How to distinguish)?,33,（六）表示层（Presentation layer） 表示层处理的是OSI的两个通信系统之间用户信息的表示问题。 表示层不像OSI/RM的低五层只关心将信息可靠地从一端传输到另外一端，它主要涉及被传输信息的内容(Content)和表示形式(form)，如文字、图形、声音的表示。 另外，信息的表示方式（一般用编码的方式）、数据格式变换(Data format conversion)、数据压缩与恢复(Data compression and recovery)等、数据加密与 解密(Data encryption and decryption)等工作都是由表示层负责处理。 数据采用什么编码方式?，是JPEG，ASCII，EBCDIC。,34,（七）应用层（Application layer） 最直观，是计算机网络与最终用户间的接口(Interface)。 任务：为用户的应用进程(Application process)提供网络通信服务(Communications network services)。 功能： 提供各种不同的应用协议(Application Protocol)以满足应用进程的需求； 识别并证实目的通信方的可用性； 使协同工作的应用进程之间进行同步； 为通信过程申请资源。 常用的网络服务包括文件服务(File services)、电子邮件（E-mail）服务、打印服务(Print services)、集成通信服务、目录服务、网络管理服务、安全服务、多协议路由与路由互连服务、分布式数据库服务、虚拟终端服务等。Telnet，SMTP，HTTP，FTP,35,小结：,下三层，统称为低层(Lower layer)，称为通信子网，构成了开放的网络通信平台，实现OSI/RM面向通信(含传输和交换)的功能。 物理层(PH) 数据链路层(DL) 网络层(N) OSI/RM的高层(或称为上三层)构成资源子网，主要面向用户的应用进程，进行分布的信息处理。 会话层(S) 表示层(P) 应用层(A) 中间的第四层为传输层(T)，它是计算机通信的关键层次，为高低层间提供接口与服务，起到通信两端桥梁的作用。,36,小结：,OSI参考模型各层的主要功能,（地位最低、任务最重、传输“比特”）,（位居老二、在节点间传递“帧”）,（位居老三、在网络中寻路传送“包”）,（位居老四、关键位置、端到端地传输“段”）,（位居老五、准备对话，信息）,（位居老六，表示数据，信息）,（位居老七、提供服务，信息）,37,第三节 TCP/IP体系结构 1、TCP/IP参考模型的发展(Development) 2、TCP/IP参考模型的结构 3、TCP/IP协议综述 4、两种体系结构的比较,38,1、TCP/IP参考模型的发展(Development) 1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型； 1985年Leiner等人进一步对它开展了研究； 1988年Clark在参考模型出现之后对其设计思想进行了讨论; TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本 4、版本5与版本6； 目前我们使用的是版本4，一般被称为IPv4 ； IPv6被称为下一代的IP协议。,TCP/IP体系结构分为4层： 应用层 传输层 网际层 网络接口层 数据链路层物理层,注： TCP/IP体系结构有时也采用5层表示方法，即用数据链路层和物理层代替网络接口层。,2、TCP/IP参考模型的结构(Architecture),40,TCP头,应用层数据,应用层数据,TCP头,应用层数据,IP头,帧头,TCP头,应用层数据,IP头,帧尾,实例：TCP/IP协议的传输过程,应用层,传输层,网络层,链路层,应用层,传输层,网络层,链路层,41,3、TCP/IP协议综述,开放的协议标准; 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， 更适用于因特网中； 统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网 中都具有唯一的地址； 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,（1）TCP/IP协议的特点(Characteristics),42,TCP/IP不是一个单个的协议，而是由数十个具有层次 结构的协议组成的一个协议集，其中TCP和IP是该协议集 中的两个最重要的核心协议。 TCP/IP是Internet上的标准通信协议集。 TCP/IP以“请求注释”（RFC）文档发布： TCP RFC 768, UDP RFC793 IP RFC 791 DNS RFC 1034, 1035, FTP RFC 959, 1635,（2）TCP/IP协议概述,RFC(Request For Comments)包含了关于 Internet 的几乎所有重要的文字资料，制定于1969年（当时 Internet 是 ARPANET）。RFC 文档主要涉及计算处理和计算机通信方面的网络技术协议、过程、程序和理论概念。这种英特网协议组规范文档，由 Internet 工程任务组（IETF）及 Internet 工程指导小组（IESG）共同制定，命名为 RFC。,43,Message（报文）,Segment（段）,Packet（分组，包）,Frame（帧）,Bit（比特）,TCP/IP协议集,对应的PDU,应用层 HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet,传输层 TCP, UDP,网际层 IP, ICMP, ARP, RARP,网络接口（数据链路层+物理层） PPP, Ethernet, Token ring, ATM,（3）TCP/IP的各层介绍,两种体系结构的比较,TCP/IP与OSI/RM的对应关系,45,OSI和TCP/IP有着许多的共同点： 采用了协议分层方法，将庞大且复杂的问题划分为若干个较容易处理的范围较小的问题； 各协议层次的功能大体上相似，都存在网络层、传输层和应用层。两者都可以解决异构网的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信； 都是计算机通信的国际性标准，虽然OSI是国际通用的，但TCP/IP是当前工业界使用最多的； 都能够提供面向连接和无连接两种通信服务机制； 都基于一种协议集的概念，协议集是一簇完成特定功能的相互独立的协议。,46,OSI和TCP/IP的主要差异,模型设计的差别 OSI参考模型是在具体协议制定之前设计的，对具体协议的制定进行约束。TCP/IP正好相反，协议在先，模型在后。 层数和层间调用关系不同 OSI协议分为7层，而TCP/IP协议只有4层，且层次之间的调用关系不像OSI那么严格。 在OSI中，两个实体通信必须涉及到下一层实体，下层向上层提供服务，上层通过接口调用下层的服务，层间不能有越级调用关系。TCP/IP协议有时候可以在保持基本层次结构的前提下，允许越过紧挨着的下一级而直接使用更低层次提供的服务。,47,OSI和TCP/IP的主要差异,对可靠性的强调不同 OSI认为数据传输的可靠性应该由点到点的数据链路层和端到端的传输层来共同保证，而TCP/IP分层思想认为，可靠性是端到端的问题，应该由传输层解决。因此，它允许单个的链路或机器丢失或损坏数据，网络本身不进行数据恢复。对丢失或被损坏数据的恢复是在源节点设备与目的节点设备之间进行的。在TCP/IP网络中，可靠性的工作是由主机完成。 市场应用和支持上不同 OSI本身无成熟产品推出，妨碍了第三方厂家开发相应的软、硬件，进而影响了OSI的市场占有率和未来发展。另外，在OSI出台之前TCP/IP就代表着市场主流，TCP/IP成为“既成事实”的国际标准。,48,补充：网络协议标准组织和文档,国际电信联盟（ITU，International Telecommunications Union） 国际标准化组织（ISO, International Organization for Standardization） 电子工业协会(EIA，Electronic Industries Association) 电气电子工程师协会(I