第03章-网络体系结构与协议.ppt

第3章网络体系结构与协议 本章要点及要求 本章要点计算机网络层次结构的基本概念 OSI参考模型 各层次的基本任务 重要概念 主要功能 主要协议 服务类型 工作原理及典型标准协议 TCP IP体系结构 本章要求了解网络层次结构的基本概念理解网络体系结构及协议的概念和组成理解OSI参考模型中7个层次的关系和工作原理了解低三层中基本概念 主要功能 典型协议及应用 特别是物理层的四个特性 了解TCP IP的层次结构及与OSI RM的关系 3 1网络体系结构及其概念 3 1 1层次结构及相关概念1 网络体系结构计算机网络从概念上可分为两个层次 即两个子网 提供信息传输服务的通信子网和提供资源共享服务的资源子网 内层的通信子网主要由通信媒体 传输介质 和通信设备等组成 主要提供高速度 高效率 低成本 且又安全 可靠的信息传输服务 外层的资源子网由各类计算机系统及外围设备组成 它们利用内层通信子网的通信功能 实现彼此间的系统互连 为用户提供资源共享服务 计算机网络体系结构的概念及内容都比较抽象 为了便于理解 以邮寄信件的工作过程为例说明 2 网络的层次结构及相关概念所谓层次结构就是指把一个复杂的系统设计问题分解成多个层次分明的局部问题 并规定每一层次所必须完成的功能 层次结构提供了一种按层次来观察网络的方法 它描述了网络中任意两个结点间的逻辑连接和信息传输 3 1 2网络协议和服务1 网络协议 Protocol 网络协议是为网络数据交换而制定的规则 约定与标准 网络协议的三要素 语义 语法与时序 语义 用于解释比特流的每一部分的意义 语法 语法是用户数据与控制信息的结构与格式 以及数据出现的顺序的意义 时序 也称定时或同步 事件实现顺序的详细说明 2 网络服务由于网络分层结构中的单向依赖关系 使得网络的底层总是向它的上层提供服务 而每一层的服务又都是借助于其下层及以下各层的服务能力 1 服务原语 ServicePrimitive 1 请求 Request 用以使服务用户能从服务提供者那里请求一定的服务 如建立连接 发送数据 释放连接 报告状态等 2 指示 Indication 用以使服务提供者能向服务用户提示某种状态 如连接指示 输入数据 释放连接指示等 3 响应 Response 用以使服务用户能响应先前的指示原语 如接受连接或释放连接 4 证实 Confirm 用以使服务提供者能报告先前请求原请求成功与否 从通信角度看 各层所提供的服务有两种形式 面向连接的服务和无连接的服务 面向连接的服务过程可分为三部分 建立连接 传输数据和撤销连接 面向连接的服务又可分为永久性连接服务和非永久性连接服务 无连接服务可分为数据报 证实交付和请求回答三种类型 2 服务形式 网络体系结构 NetworkArchitecture 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 3 1 3OSI参考模型1 OSI参考模型 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 现称 国际电信联盟 InternationalTelegraphUnion ITU 国际标准化组织 ISO CCITT与ISO的工作领域不同 CCITT主要是考虑通信标准的制定 ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构 CCITT ConsultativeCommittee InternationalTelegraphandTelephone 在OSI中的 开放 是指只要遵循OSI标准 一个系统就可以与位于世界上任何地方 同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信 OSI标准中 采用的是三级抽象 体系结构服务定义协议说明 ISO划分七层结构的基本原则 网中各结点都具有相同的层次 不同结点的同等层具有相同的功能 同一结点内相邻层之间通过接口通信 每层可以使用下层提供的服务 并向其上层提供服务 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信 按不同等级的抽象划分层次 选择通过信息量最少的边界为层间界面 层次数既不太多 也不太少 OSI参考模型 7应用层6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层 衔接 资源子网 完成用户数据处理 通信子网 完成传送服务 注意层次顺序 通信系统的OSI组成模型 A B OSI各层次对应的协议 2 OSI中数据的类型 在OSI环境中 对等实体间按协议 数据单元 进行通信 相邻层实体间靠服务 数据单元 进行通信 N 服务数据单元 为实现 N 服务所要传送的逻辑数据单元 简写为 N SDU N 协议数据单元 在不同站点的各层对等实体之间为实现该层协议所交换的信息单元 简写为 N PDU N 用户数据 N 实体之间为 N l 实体提供 N 服务而传送的数据 记为 N UD N 协议控制信息 为协调 N 实体之间的联合操作 在 N 实体之间能够保证按该层协议指定的规则进行通信的控制信息 记为 N PCI PDU ProtocolDataUnitSDU ServiceDataUnitPCI ProtocolControlInformationUD UserData PDU PCI UDUDn PDUn 1PDUn SDUn 1 各数据的类型之间的关系 N层 N 1层 各数据的类型之间的关系示意图 PCI PCI PDU 服务数据单元SDU 服务访问点SAP 协议数据单元PDU PCI 协议控制信息 3 OSI中数据流动过程 3 2物理层 物理层是OSI参考模型中的最低层 也是最重要 最基础的一层 它是建立在通信介质基础上的 实现设备之间联系的物理接口 3 2 1物理层概述 国际电信联盟电信技术分会ITU T对物理层做了如下定义 利用机械的 电气的 功能的和规程的特性 在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立 维持和拆除功能 物理层的功能 为数据链路层提供物理连接 实现比特流的透明传输 所传数据的单位是比特 物理层定义了通信设备与传输线接口硬件的机械 电气 功能和规程的特性 用以建立 维持和释放物理连接 1 机械特性机械特性规定接口所用接线器的形状 几何尺寸 引线数目和排列方式 固定和锁定装置等 例如 ISO2110关于插头座的标准 就是使用25根引脚的DB 25插头座 它的两个固定螺丝中心之间的距离为47 04 0 17mm 其他的尺寸也都有详细规定 引脚分上 下两排 分别有13和12根引脚 当引脚指向人时 从左到右的编号为1至13和14至25 物理层的特性 DTE DataTerminalEquipment 是数据终端设备 是具有一定的数据处理能力和发送 接收数据能力的设备 DCE DataCommunication Circuit terminatingEquipment 是数据电路端接设备 它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能 并且负责建立 保持和释放数据链路的连接 识记两个术语 DTE通过DCE与通信传输线路相连 DTE DCE DCE 信号线与控制线 用户环境 通信环境 用户设施 DTE 信号线与控制线 用户设施 用户环境 物理层标准举例 EIARS 232C V 24接口标准RS是RecommendedStandard的缩写 即推荐标准 232是标识号码 而后缀 C 则表示该推荐标准已被修改过的次数 RS 232 C接口标准与CCITT的V 24标准兼容 是一种非常实用的异步串行通信接口 RS232 ISO2110 连接器的机械特性 25芯 9芯及37芯的D型连接器实物图 记住 DTE侧为插针 DCE侧为插孔 25芯的RS 232 C9芯的RS 232 C 37芯的RS 449 各种DTE DCE接口示例 了解 接口示例 了解 上图列出了各类已被ISO标准化了的DCE连接器的几何形状及插孔芯数和排列方式 一般来说 DTE的连接器常用插针形式 其几何尺寸与DCE连接器相配合 插针芯数和排列方式与DCE连接器成镜像对称 2 电气特性在DTE与DCE之间有多条信号线 除了地线之外 每条信号线都有其发送器和接收器 电气特性规定这些信号的连接方式 发送器和接收器的电气参数 包括信号源输出阻抗 负载输入阻抗 信号 1 或 0 的电压范围 传输速率和距离的限制等 电气特性还给出有关互联电缆方面的技术指导 3 功能特性功能特性对接口连线的功能给出确切的定义 说明某条连线上出现的某一电平的电压所表示的意义 EIA 232 V 24的信号定义 1 保护地 2 发送数据 3 接收数据 4 请求发送 5 允许发送 6 DCE就绪 7 信号地 8 载波检测 20 DTE就绪 22 振铃指示 DTE DCE 计算机或终端 调制解调器 两台计算机或终端近距离直接连接 DB9和DB25的常用信号脚说明 两个同类型设备的直接相联 4 规程特性物理层的规程特性 或过程特性 规定了使用接口线实现数据传输的操作过程 也就是在物理连接的建立 维持和解释时 DTE DCE双方在各电路上的动作序列 对不同的应用场合 电话网 公用数据网 同步 异步 单工 半双工 全双工等 有不同的操作过程 EIARS 232C接口标准小结 用于连接远程设备时 利用电话网络作为传输介质 并通过调制解调器将远程设备连接起来 用于两台近地设备的连接时 可以使用电缆直接连接 1 机械特性 使用25芯的标准连接器 实际应用中常做变通性简化 可使用一个9芯的标准连接器将不常用的信号线舍弃 2 电气特性 逻辑 1 的电平为 15V 5V 逻辑 0 的电平为 5V 15V 有更强的抗干扰性 最大距离仅15m 通信速率分为150 300 600 1200 2400 4800 9600和19200b s等 EIARS 232C接口标准小结 3 功能特性 定义了25芯标准连接器中的20根信号线 其中2根地线 4根数据线 11根控制线 3根定时信号线 4 规程特性 RS 232C的工作过程是在各根控制信号线有序的 ON 和 OFF 状态的配合下进行的 EIARS 232接口标准有两个较大的弱点 即数据传输速率最高不超过20Kb s 连接电缆的最大长度不超过15m RS 422A RS423A与RS 232C主要参数比较 物理层常用的标准 以太网 物理层常用的标准 快速以太网 物理层常用的标准 千兆以太网 3 3数据链路层 负责建立 维持和释放数据链路的连接 在两个相邻结点间的线路上 无差错地传送以帧为单位的数据 如果接收结点查出所传数据中有差错 就要通知发方重发这一帧 直到正确无误地到达接收结点为止 因此 在每一帧中必须带有同步 地址 差错控制以及流量控制等控制信息 数据链路层把一条有可能出差错的实际链路转变为对网络层来说好像是一条不出差错的链路 3 3 1数据链路层功能 1 基本概念链路就是数据传输中任何两个相邻结点间承载信息的物理线路段 注意 链路间没有任何其他结点存在 帧 Frame 是数据链路层的信息传输单位 为便于差错控制 将在相邻两结点间传输的数据加上一层 包封 这就构成了帧 1 数据链路的建立 维持和拆除 2 帧同步 3 差错控制 4 流量控制 2 数据链路层的主要功能 3 数据链路层的服务 数据链路层最基本的服务是将源系统网络层来的数据可靠地传输到目的系统的网络层 这个基本服务过程可以看成是两个数据链路层使用数据链路协议进行的数据通信 数据链路层可以提供多种不同类型的服务 实际提供的服务因系统不同而不同 一般有无确认无连接服务 有确认无连接服务和有确认面向连接服务3种 3 3 2差错控制 流量控制与滑动窗口机制 1 差错控制 差错不可避免 差错控制在数据链路层是必须的 方法如 ARQ FEC2 流量控制流量控制就是要控制相邻两个结点之间的数据链路上信息流量 使发送端发送数据的能力不大于接收端接收数据的能力 3 滑动窗口机制 滑动窗口机制是用于差错控制和流量控制的重要方法 点击绿色按钮选择演示 注意 应答帧丢失 演示过程后半部分有错 了解 滑动窗口控制流程 发送窗口 Ws 与接收窗口 WR 关系 Ws WR 2nWR 1 最前端 最后端 Ws 2n 1 3 3 3数据链路控制规程与协议 1 数据链路层协议功能数据链路层协议是建立在物理层基础上的 通过一些数据链路层协议 在不太可靠的物理连接上实现可靠的数据传输 一般来说 数据链路控制规程的基本功能包括以下部分 1 把用户 网络层 的数据分成块 组成帧 帧的开头和结尾都要有明确的标识 2 提供识别和寻址一个特别发送端或接收端的手段 该发送端或接收端可能是多点连接的设备中的一个 3 提供检错和纠错机制 以保证报文的完整性 还必须提供流量控制手段 使得发送端发送帧的速率不大于接收端接收帧的能力 2 数据链路控制规程类型 数据链路控制规程有两大类 面向字符型与面向比特型典型的面向字符型有IBM公司的二进制同步通信协议 BinarySynchronousCommunication BSC 通常也称其为基本型协议 典型的面向比特型有ISO的高级数据链路控制协议 High levelDataLinkControl HDLC 和IBM的同步数据链路控制协议 SynchronousDataLinkControl SDLC 数据链路层常用于差错控制和流量控制的协议有停止等待协议 连续ARQ协议和选择重传ARQ协议等 3 停止等待协议 停止等待协议简称停等协议 它是最简单也是最基本的差错控制和流量控制协议 停等协议的信道利用率低 传输效率低 适用于半双工信道 a 正常情况 b 数据帧出错 c 数据帧丢失 d 应答帧丢失 数据帧在链路上传输的几种情况 在数据传输过程中 发送方发送一个数据帧后 一直要等到接收方发来一个确认帧或否认帧后 才能确定是否重发或发送下一数据帧 这就是停止等待协议 4 连续ARQ协议 连续ARQ协议又称为连续传输协议 是一种改进的方法 连续ARQ协议是发送端一次可连续发送若干信息帧 即发送一帧后 不必停下来等待 而是继续发送 该协议在用于差错控制和流量控制时有不同的方法 1 连续ARQ协议用于差错控制2 连续ARQ协议用于流量控制 连续ARQ协议示意图 5 选择重传ARQ协议 选择重传ARQ协议是设法只重传出现差错的帧 当接收端发现某帧出错后 将其后的正确的帧先接收下来 存放在一个缓冲区里 同时要求发送端重传出错的那一帧 接收端一旦收到重传的新帧并确认后 与原已存放在缓冲区的各帧一起按正确顺序交付给上一层 选择重传ARQ协议可避免重复传输那些已经正确接收到接收端的数据帧 但代价是在接收端必须设置具有一定容量的缓冲区 选择重传ARQ协议示意图 3 3 4典型数据链路层协议HDLC HDLC High levelDataLinkControl 协议是一种面向比特型的传输控制协议 其数据单位为帧 有固定的统一帧格式 在链路上传输信息采用连续发送方式 即发送一帧信息后 不用等到对方的应答就可发送下一帧 直到接收端发出请求重发某一信息帧时 才中断原来的发送 1 HDLC的配置与数据传输模式 为了适应不同配置和不同数据传输模式 HDLC定义了 3种类型的站两种链路配置3种数据传输模式 1 3种类型的站 1 主站 PrimaryStation 主站的主要功能是发出命令帧 接收响应帧 并负责整个链路的控制 2 从站 SecondaryStation 从站的主要功能是发出响应帧 接收主站的命令帧 并配合主站参与差错恢复等链路控制 3 复合站 CombinedStation 复合站具有主站和从站的双重功能 既能发送 又能接收命令帧和响应帧 并负责整个链路的控制等 2 两种链路配置 1 非平衡配置 该配置适用于点对点或点对多点链路 这种配置是由一个主站和一个或多个从站组成 支持半双工或全双工通信 2 平衡配置 该配置只适用于由两个复合站组成的点到点链路 支持半双工或全双工通信 注意 非平衡配置又分为点对点配置和点对多点配置 3 3种数据传输模式 1 正常响应模式 NRM 正常响应模式是一种非平衡配置的传输模式 只有主站才能启动数据传输 从站仅当收到主站的询问命令后 才能发送数据 从站的响应信息可由一个或多个帧组成 并指出哪一个是最后一帧 从站发出最后的响应帧后将停止发送 在这种模式中 主站负责管理整个链路 负责对超时 重发和各类恢复操作的控制 并有查询从站和查询从站向从站发送信息的权利 NRM NormalResponseMode 2 异步响应模式 ARM 异步响应模式 ARM 是一种非平衡配置的传输模式 但这种传输模式与正常响应模式的不同之处在于 从站不必确切地接收到来自主站的允许传输命令 就可开始传输 在传输帧中可包含信息帧 或是仅以控制为目的而发送的帧 由从站来控制超时或重发 异步传输可以是一帧 也可以是多帧 ARM AsynchronousResponseMode 3 异步平衡模式 ABM 异步平衡模式 ABM 是一种平衡配置的传输模式 它传输的可以是一帧或多帧 传输是在复合站之间进行的 在传输过程中 一个复合站不必接收到另一个复合站的允许 就可以开始发送 ABM AsynchronousBalancedMode 2 HDLC的帧格式无论是信息报文 还是监控报文 都是以帧为单位传输的 有固定的帧格式 帧格式如图3 13所示 它由F A C I FCS F等6个字段组成 1 标志字段F Flag 2 地址字段A Address 3 控制字段C Control 4 信息字段I Information 5 帧校验序列FCS FrameCheckSequence 3 HDLC的帧类型 了解 帧控制字段的8bit中有2bit表示帧的传输类型 HDLC的传送帧有3类 信息帧 I帧 监控帧 S帧 和无编号帧 U帧 见表3 4 C字段的第1bit为 0 时 表示该帧为信息帧 第1 2bit为 10 时 表示该帧为监控帧 第1 2bit为 11 时 表示该帧为无编号帧 1 信息帧 I帧 2 监控帧 S帧 1 00表示接收准备好 RR 2 01表示拒绝接收 REJ 3 10表示接收未准备好 RNR 4 11表示选择拒绝 SREJ 3 无编号帧 U帧 U帧本身不带编号 即无N S 和N R 它是用5个位 控制字段的第3 4 6 7 8位 表示不同的U帧 U帧用于链路的建立和拆除阶段 由主站和从站来扩充链路控制功能 它可以在任何需要的时刻发出 而不影响带序号的信息帧的交换顺序 无编号命令和响应有多种 在此不做详细介绍 3 4网络层 网络层以上了解 3 4 1网络层的功能和服务网络层是OSI参考模型的第三层 介于传输层与数据链路层之间 网络层又称为通信子网层 是通信子网与网络高层的界面 网络层用于控制通信子网的操作 它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 1 网络层功能 概括地说 网络层主要具有以下功能 1 建立 维持和拆除网络连接 2 组包 拆包 3 路由选择 4 流量控制 2 网络层服务在网络层中 面向连接的网络服务与无连接的网络服务的具体实现是数据报服务和虚电路服务 虚电路服务和数据报服务在数据链路上以不同的形式实现数据传输 它们的区别不仅体现在它们的定义 还体现在把顺序控制 差错控制和流量控制等功能交给通信子网去完成 还是由端系统自己来完成 3 4 2路由选择路由选择算法可分为两大类 静态路由选择算法动态路由选择算法 1 静态路由选择算法 1 最短路由选择算法2 扩散式路由选择算法3 基于流量的路由选择算法 2 动态路由选择算法 1 孤立式路由选择算法2 集中式路由选择算法3 分布式路由选择算法 3 4 3流量控制1 流量控制2 网络死锁3 流量控制方法1 滑动窗口法2 预约缓冲区法3 许可证法4 丢弃分组法 3 5传输层 3 5 1传输层概述1 传输层的地位和作用 2 传输服务传输层的主要任务是向会话层提供服务 服务内容包括传输连接服务和数据传输服务 前者是指能在两个传输层用户之间建立 维持和在传输结束后拆除传输连接 后者是要求在一对用户之间提供互相交换数据的方法 传输层的服务 使高层的用户可以完全不考虑信息在物理层 数据链路层和网络层通信的详细情况 方便了用户使用 1 传输连接服务2 数据传输服务 3 5 2传输层功能传输层有以下几方面主要功能 1 寻址2 多路复用3 建立连接 传送数据和拆除连接 1 建立连接 2 传送数据 3 拆除连接 4 流量控制5 差错控制 1 重传策略 2 重复检测 3 故障恢复 3 6高层 会话层 表示层和应用层一起构成OSI RM的高层 它们与低层不同 低层涉及提供可靠的端到端通信 而高层主要考虑的是面向用户的服务 高层协议中所涉及的许多内容 目前还正处在研究阶段 将形成一套完整的标准 3 6 1会话层 1 会话层功能 1 提供会话双方之间的会话连接的建立 数据传送和释放功能 2 管理会话双方的对话活动 主要是对会话权标管理 以及对单工 半双工或全双工数据传送方式的设定 3 在数据传送流中插入适当的同步点 当发生差错时 会话用户可以从双方同意的同步点重新开始 4 适当中断一个对话 并经过一段时间后在其已预先定义好的同步点上重新开始对话 2 会话管理会话管理主要分为两大部分 会话连接管理与会话数据交互 会话连接管理实际上也分为会话连接建立 数据传输和连接释放三个阶段 实现交互管理的方法是使用权标 Token 进行的 权标有4种类型 数据权标 释放权标 次同步权标和主同步 或活动 权标 3 会话同步会话层定义了两类同步点 主同步点和次同步点 1 主同步点 用于在连续的数据流中划分会话单元 一个主同步点是一个会话单元的结束和下一会话单元的开始 只有持有主同步权标的用户才有权申请设置主同步点 2 次同步点 用于在一个会话单元内部实现数据结构化 只有持有次同步权标的用户才有权申请设置次同步点 4 活动管理活动管理是上述同步点概念的一个扩展 它为会话用户提供了可以将整个对话分解成若干离散活动的方法 一个活动代表一个逻辑工作段 它可以包括若干对话单元 每一个活动可以看成一次独立的数据传送 或者看成是会话服务用户间传送数据中的一个特定阶段 活动的标识完全由用户完成 活动可以被中断 然后经过一段时间在同一会话连接 甚至在另外一次会话连接上被恢复 在一个会话连接中可以分成几个活动 有时一个活动也可由几个不同的连接组成 每个活动又由若干对话单元组成 3 6 2表示层1 表示层服务2 语法转换3 数据压缩4 数据加密和解密5 抽象语法表示法 3 6 3应用层1 应用层概述2 应用服务元素1 公共应用服务元素2 特定应用服务元素3 文件传送 访问和管理 FTAM 协议4 作业传送与操作JTM5 电子邮件EMS6 报文处理系统MHS7 X 500目录服务8 虚拟终端协议VTP 3 7TCP IP体系结构 3 7 1TCP IP概述与层次结构1 TCP IP概述1974年Kahn定义了最早的TCP IP参考模型 80年代Leiner Clark等人对TCP IP参考模型进一步的研究 TCP IP协议一共出现了6个版本 目前我们使用的是