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第2章 计算机网络协议和体系结构,本章学习内容及要求,了解 OSI参考模型、TCP/IP协议蔟和局域网络体系结构的特点 网络体系结构层次化的研究方法 掌握 网络协议、层次、接口、服务的基本概念，以及相互的联系 5层计算机网络体系结构的基本知识,2.1 计算机网络协议,2.1.1 计算机网络协议的作用 2.1.2 计算机网络协议的要素 2.1.3 计算机网络协议的格式,2.1.1 计算机网络协议,网络协议,计算机网络协议：计算机网络中的计算机设备之间在相互通信时遵循的规则、标准和约定。 语法定义了怎么做，语义定义了做什么，同步时序关系定义了什么时候做,5,协议三要素： 语法：数据与控制信息的结构或格式。协议数据单元格式，包括哪些字段，字段的作用 语义：用来说明通信双方应当怎么做。给出何种控制信息、完成何种操作、做出何种响应，即各字段中若干二进制位0或1的组合代表什么样的含义； 同步：详细说明事件如何实现。即收、发双方能分辨出通信的开始和结束，哪些动作先执行，哪些动作后执行。,网络协议与人类通信所使用协议的比较,人们之间的会话也在使用分层的概念，人们只所以感觉不到是因为人们已经习惯了。以两个人之间的自然语言通信为例，可以认为分为三个层次：传输层；语言层；知识层,2.1.3 计算机网络协议的格式,在计算机网络中用协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）描述通信协议 PDU由控制部分和数据部分组成 控制部分由若干字段组成，表示通信中用到的双方可以理解和遵循的协议,2.2 计算机网络体系结构,2.2.1 计算机网络体系结构的定义 2.2.2 网络体系结构分层的原则 2.2.3 网络体系结构中的服务 2.2.4 网络层次接口和数据单元 2.2.5 协议和服务的关系 2.2.6 对等协议的通信过程,网络体系结构：指计算机网络的各个层和在各层上使用的全部协议 网络体系结构定义了一个框架，它使这些用不同媒介连接起来的不同设备和网络系统在不同的应用环境下可实现互操作，并满足各种业务的需求。 网络体系结构采用分层处理方法解决问题，把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。,9,2.2.1 计算机网络体系结构的定义,2.2.2 网络体系结构分层的原则,根据计算机网络两级子网的结构，可以看出层次划分的轮廓。人们把计算机网络的功能划到5个层次： 计算机设备及端系统和通信子网的连接处，以及网络节点与节点之间的物理连接处，应划分一个层次，用于实现物理连接，称为物理层，位置在各个节点上 网络中相邻节点之间实现可靠的传输应划分为一个层次，称为数据链路层，位置在相邻节点上 源主机节点和目的主机节点之间实现网络传输的功能可划分为一个层次，称为网络层，位置在协议包传输路由经过的各个节点上，传输路由从源主机节点、中间经过的节点，到目的主机节点 在源端节点到目的端节点，即两个通信的计算机设备之间，为实现应用进程可靠传输所提供的功能划分为一个层次，称为运输层，位置在端节点上 网络应用之间的可靠传输可划分为一个层次，称为应用层，位置在端节点上,层次功能的分布式实现,飞机 (起飞),飞机 (着陆),飞行航线,起飞机场,到达机场,中间空中交通枢纽,飞行航线,飞行航线,机票 (购买),机票 (投诉),行李 (托运),行李 (认领),旅客 (出发),旅客 (到达),划分层次的概念举例,主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。 可以将要做的工作进行如下的划分。 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。 两个主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。,两个主机交换文件,文件传送模块,主机 1,主机 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,再设计一个通信服务模块,文件传送模块,主机 1,主机 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,再设计一个网络接入模块,文件传送模块,主机 1,主机 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。,分层的好处,各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。,2.2.3 网络体系结构中的服务,计算机网络中的通信服务有两种不同类型 一种是面向连接服务(connection-oriented service) 另一种是无连接服务(connectionless service),计算机网络中服务类型及应用,服务原语,网络服务用服务原语描述 服务原语由三部分组成： 原语名；原语类型；原语参数 服务原语的格式为： 原语名.原语类型（原语参数） 原语名说明服务的内容 原语名和原语类型之间由点进行间隔 原语类型说明层与层之间信息传输的流向 原语名用大写字母表示,服务原语的4种类型,原语类型有4种，用小写字母表示： 请求request 发送方希望得到某些服务 指示indication 接收方得知某个事件发生 响应response 接收方对某个事件应答 证实confirm 发送方得知请求的结果,服务原语的图示,4种原语类型： 请求request 发送方希望得到某些服务 指示indication 接收方得知某个事件发生 响应response 接收方对某个事件应答 证实confirm 发送方得知请求的结果,2.2.4 网络层次接口和数据单元,在相邻层次之间交换信息要遵循一组规则，这组规则涉及到一组相关的协议数据单元 服务数据单元SDU、协议控制信息PCI、接口控制信息ICI、接口数据单元IDU、协议数据单元PDU等,协议和服务的关系,服务和协议是两个完全不同的概念 服务要靠协议来实现，通过服务原语的描述，可以清晰的给出上、下层接口和对等层之间的联系 服务 各层为上层提供的一组原语操作，但未涉及这些操作如何完成 协议 定义同层对等实体之间交换的协议数据单元（位流、帧、分组、报文段、报文）的格式及意义的一组约定和规则,24,接口： 每层都是建筑在它的前一层的基础上，每层间有相应的通信协议，相邻层之间的通信约束称为接口。 接口用于说明上层如何使用下层的服务。 服务： 在分层处理后，相似的功能出现在同一层内，每一层仅与其相邻上、下层通过接口通信，该层使用下层提供的服务，并向上层提供服务。 服务用于说明某一层为上一层提供一些什么功能。 上、下层之间的关系是下层对上层服务，上层是下层的用户。,实体、协议、服务和服务访问点,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。,实体、协议、服务和服务访问点（续）,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。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 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。 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)。,实体、协议、服务和服务访问点（续）,协议(n + 1),SAP,SAP,交换原语,交换原语,实体(n + 1),服务提供者,第 n 层,第 n + 1 层,实体(n + 1),服务用户,实体(n),实体(n),协议(n),服务访问点,服务访问点,对等协议的通信过程,在发送端协议数据单元PDU经过从上层向下层的封装 到达对方后，再经由底层向上，每一层去掉协议头，称为拆包，此时相当于对等层彼此理解,2.3 OSI参考模型,国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联参考模型（OSI） ， 是计算机互联的国际标准。 “开放”是指任何两个遵守参考模型和有关标准的系统都可进行互联。 如传统的电话系统。 “系统”是指计算机、外部设备、终端、传输设备、操作人员以及相应 软件的集合。 OSI参考模型将数据从一个站点到达另一个站点的工作按层分割成七 个不同的任务。,30,ISO/OSI 参考模型,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。,31,ISO/OSI 参考模型,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,1,2,3,4,5,6,7,高三层: 归于资源子网范畴 负责主机之间的数据传输,低三层: 归于通信子网范畴 负责网络数据传输,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data Link,Physical,32,ISO/OSI 参考模型,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,1,2,3,4,5,6,7,提供应用程序间通信，处理网络应用,数据如何表示，处理数据格式、数据加密等,建立、维护和管理会话,建立主机端到端连接,寻址和路由选择,提供介质访问、链路管理等,比特流传输,各层功能及应用,1.物理层： 面向硬件,规定不同种类传输设备,传输媒介如何将数字信号 从一端送到另一端; 包括：机械的、电气的、功能的、过程的特性； 工作在本层的设备主要有：中继器和集线器； 通信单位：比特(Bit) 2.数据链路层：完成相邻结点间有效传送数据的任务； 最典型的数据链路层协议是IEEE 802系列规范； 工作在本层的设备主要有：网桥、交换机、网卡； 通信单位：帧(Frame),33,ISO/OSI 参考模型各层的功能,3.网络层： 负责确保信息从发送端传送到接收端； 主要协议有IP协议和IPX协议； 工作在本层的设备主要有：路由器和三层交换机； 通信单位：数据包或分组(Packet) 4.传输层： 负责端口到端口的数据传输，保证数据包无差错、按顺序、 无丢失和无冗余的传输； 协议：TCP协议、UDP协议； 两种服务：面向连接的服务和无连接服务； 工作在本层的设备主要有：网关(GateWay) 通信单位：数据段或报文(Segment),34,ISO/OSI 参考模型各层的功能,5.会话层： 负责远程用户或进程间的通信； 允许两个程序能够相互识别并建立和维护通信连接； 如： SQL、NFS、RPC等 会话层、表示层和应用层构成高3层 6.表示层： 负责将数据转换成计算机内的表示方法或特定程序的表示方法； 关心的是：信息的语义和语法； 各种数据格式协议也属表示层，如：ASCII、MPEG、JPEG等 7.应用层： 直接提供服务给使用者的应用软件； 如：文字处理、电子邮件、在线交谈程序,35,ISO/OSI 参考模型各层的功能,2.3.4 OSI参考模型中的数据传输,OSI中数据传输,L7 data,H6,L7 data,L6 data,H5,L5 data,H4,L4 data,H3,L3 data,H2,T2,0101010101011010,L7 data,H6,L7 data,L6 data,H5,L5 data,H4,L4 data,H3,L3 data,H2,T2,0101010101011010,Transmission medium,Data flow,Sender,Receiver,A,P,S,T,N,DL,Ph,2.4 TCP/IP协议参考模型,2.4.1 TCP/IP协议的产生背景 2.4.2 TCP/IP协议的层次结构 2.4.3 网络协议的捆绑 2.4.4 OSI与TCP/IP的比较,2.4.1 TCP/IP协议的产生背景,1972年美国加州大学洛杉矶分校的Vinton G. Cerf(温特瑟夫)和Bobert E. Kahn(鲍伯卡恩)进行了“网络互连项目”研究,TCP/IP协议具有的特点,TCP/IP协议具有以下特点： 是一个开放的网络协议蔟，免费使用 做到与计算机硬件与操作系统无关，与特定的网络硬件无关 做到与低层通信子网平台无关，低层网络可以是广域网、局域网、无线网等 提供统一的网络逻辑地址IP地址，用于标识网络中的一个连接，使得异种计算机、异种计算机网络互连成为可能 运输层协议TCP提供可靠的端到端数据传输，可以屏蔽通信子网的差异。应用层协议内容丰富,2.4.2 TCP/IP协议的层次结构,TCP/IP协议结构为4个层次： 网络接口层NIL；IP层；TCP层；应用层,TCP/IP协议簇（ Protocol Suite）,TCP/IP协议簇及联系,Telnet,FTP,SMTP,SNMP,TFTP,TCP,UDP,ICMP,IP,ARP,Ethernet software,Ethernet hardware,Port,Protocol ID,Type,MAC,23,21,25,161,69,6,17,1,0800H,0806H,TCP/IP中层次和地址,Process,TCP,UDP,IP and other protocols,Underlying physical networks,Application layer,Transport layer,Network layer,Data link layer,Physical layer,Physical address,IP address,Port address,Domain address,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应 用 程 序 数 据,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,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 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,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 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,H2,T2,H3,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层,H4,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层,应 用 程 序 数 据,H5,应 用 程 序 数 据,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 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,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,2.4.3 网络协议的捆绑,人们可能会问在具体组网时TCP/IP协议在哪里呢？TCP/IP协议与底层网络协议之间是怎样联系的？ 在配置网络协议时，先配置底层网络协议 这需要安装网卡和网卡驱动程序 再绑定IP层协议、TCP层协议和应用层协议 这些操作可以在相应的操作系统中指定所采用的网络协议，设置IP地址、子网掩码、网关地址等，从而完成整个TCP/IP协议设置 要清楚网络协议层次绑定的概念 绑定是按自底向上的顺序进行的,2.4.4 OSI与TCP/IP的比较,TCP/IP模型与OSI模型的一个重要区别是可靠性问题 OSI模型在所有各层都进行差错校验和处理。而TCP/IP仅在TCP层，即仅在端到端进行差错控制,2.5 局域网络体系结构参考模型,2.5.1 局域网络体系结构的层次 2.5.2 局域网络体系结构各层的功能 2.5.3 局域网络体系结构的特点,2.5.1 局域网络体系结构的层次,局域网络体系结构的层次与5层体系结构的对应,2.5.2 局域网络体系结构各层的功能,MAC子层用来描述一个具体的LAN，只有看到了MAC，才能知道这是一个什么样的LAN,2.5.3 局域网络体系结构的特点,局域网络中的通信牵涉到三个方面： 进程；站点（节点）；网络 进程与两个计算机系统之间应用程序联系