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了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的基本概念 主要功能 典型协议及其应用了解TCP IP的层次结构及与OSI RM的关系 3 1计算机网络体系结构 网络体系结构NA NetworkArchitecture 是计算机网络的分层 各层的协议 功能和层间接口的集合 不同的计算机网络具有不同的体系结构任何计算机网络 每一层都为了它的上层提供一定的服务而设置的 而且每一层都对上层屏蔽了协议的实现细节 网络的体系结构与具体的物理实现无关 NA告诉设计者 做什么 网络的具体实现解决 如何做 涉及到具体的软件和硬件 邮政系统进行信件传递的工作过程 划分层次的举例 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 3 1网络体系结构及其概念 3 1 1层次结构及相关概念2 网络的层次结构及相关概念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 类似于信件投递过程 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 实体 协议 接口和服务访问点 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 Protocol 是控制两个同等层实体进行通信的规则的集合 接口 Interface 定义了两相邻层之间的原语操作和服务 服务访问点 SAP 是同一系统相邻两层实体交换信息的地方 是相邻两层实体的逻辑接口 N层SAP就是N 1层可以访问N层的地方 每个SAP都有一个唯一的地址 供服务用户建立连接使用 各层的协议只对所属层的操作有约束力 而不涉及其他层 同等层协议 简称协议 是 水平的 即协议是对等实体之间通信的规则 接口协议 简称接口 是 垂直的 是相邻层实体的通信规则 实体 协议 服务和服务访问点 协议 n 1 SAP SAP 服务原语 服务原语 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 1 网络协议 在计算机网络中 相互通信的双方处在不同的地理位置 要使网络上的两个进程之间相互通信 就要都遵循双方事先约定好的交换规则 即要通过交换信息来协调它们的动作和达到同步 我们把计算机网络中为进行数据传输而建立的一系列规则 标准或约定称为网络协议 Protocol 网络协议组成 网络协议主要由语义 语法和时序三要素构成 1 语义是为协调通信完成某些动作或操作而规定的控制和应答信息 如规定通信双方要发出的控制信息 执行的动作和返回的应答等 2 语法规定通信双方彼此应该如何操作 确定协议元素的格式 如数据和控制信息的格式或结构 编码及信号电平等 3 时序 也称定时 是对事件实现顺序的详细说明 指出事件的顺序和速率匹配等 语义 规定通信方准备 讲什么 语法 规定通信双方 如何讲 时序 规定通信双方的 应答关系 协议很复杂 协议必须把所有不利的条件事先都估计到 而不能假定一切都是正常的和非常理想的 看一个计算机网络协议是否正确 不能光看在正常情况下是否正确 而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况 3 1网络体系结构及其概念 3 1 2网络协议和服务2 网络服务网络服务是指彼此相邻的两层间下层为上层提供通信能力或操作而屏蔽其细节的过程 下层是服务提供者 上层是用户 低层通过服务访问点向高层提供服务 高层通过原语或过程调用相邻低层的服务形式上是由一种原语来描述的 如库函数或系统调用 Winsock库中accept 表示接受连接 listen 监听连接 1 服务原语 通知服务提供者采取某些行动或报告某个同等实体的活动 1 请求 Request 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 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 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 使服务提供者能报告先前请求成功与否 服务原语 示例 3 1网络体系结构及其概念 3 1 2网络协议和服务2 网络服务2 服务形式从通信角度看 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 网络体系结构的国际标准 不同网络体系结构所构成的计算机网络无法互连和互操作 ISO致力于在各种终端设备之间 计算机之间 网络之间 操作系统进程之间 能够实现标准化 达到互连和互操作的目的 1984年 国际标准化组织 ISO 颁布了 开放系统互联参考模型 即OSI RM OpenSystemInterconnectReferenceModel 定义了网络互联的7层框架 因特网上使用的TCP IP协议及其体系结构成为业界公认的事实标准 3 1网络体系结构及其概念 3 1 3OSI参考模型1 OSI参考模型 通信子网路由器 交换机 集线器等设备 资源子网 2 OSI中数据的类型 协议数据单元 协议数据单元 PDU 在N层对等实体间传输的数据叫N层协议数据单元 用 N PDU表示 由用户数据和控制信息组成 分别表示为 N UD N PCIN 1层实体将整个 N PDU作为N 1层的数据 N 1 UD OSI RM模型的协议数据单元 APDU PPDU SPDU 报文 分组 帧 比特流 APDU PPDU SPDU 报文 分组 帧 比特流 3 1网络体系结构及其概念 3 1 3OSI参考模型3 OSI中数据流动过程 局域网 广域网 主机H1 主机H2 路由器R1 路由器R2 路由器R3 电话网 局域网 主机H1向H2发送数据 从层次上来看数据的流动 OSI参考模型各层功能概述1 OSI参考模型各层功能概述2 OSI参考模型各层功能概述3 具有五层协议的体系结构 TCP IP是四层的体系结构 应用层 传输层 网际层和网络接口层 但最下面的网络接口层并没有具体内容 因此往往采取折中的办法 即综合OSI和TCP IP的优点 采用一种只有五层协议的体系结构 TCP IP协议的体系结构 应用层 applicationlayer 传输层 transportlayer 网络层 networklayer 主机到网络层 hosttonetworklayer 数据链路层 4应用层 3传输层 2网络层 1主机到网络 五层协议的体系结构 应用层 applicationlayer 运输层 transportlayer 网络层 networklayer 数据链路层 datalinklayer 物理层 physicallayer 数据链路层 5应用层 4传输层 3网络层 2数据链路层 1物理层 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 应用进程数据先传送到应用层 加上应用层首部 成为应用层PDU 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PDU再传送到运输层 加上运输层首部 成为运输层报文 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 运输层报文再传送到网络层 加上网络层首部 成为IP数据报 或分组 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 IP数据报再传送到数据链路层 加上链路层首部和尾部 成为数据链路层帧 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 数据链路层帧再传送到物理层 最下面的物理层把比特流传送到物理媒体 主机1向主机2发送数据 应用层 applicationlayer 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 物理传输媒体 主机1 AP2 AP1 电信号 或光信号 在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层 主机2 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 物理层接收到比特流 上交给数据链路层 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取出数据部分 上交给网络层 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 网络层剥去首部 取出数据部分上交给运输层 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 运输层剥去首部 取出数据部分上交给应用层 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 应用层剥去首部 取出应用程序数据上交给应用进程 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 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 物理传输媒体 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 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DCE设备和DTE设备联系的物理接口 DTE通过DCE与通信传输线路相连 DTE DCE DCE 串行比特传输 信号线与控制线 用户环境 通信环境 用户设施 通信设施 DTE 信号线与控制线 用户设施 用户环境 举例 通过Console口配置路由器 将RJ45的一端插入到路由器的Console口中 另外一端为9针的串口接口和一个25针的串口接口 接在计算机合适的串口上 1 物理层的基本概念 国际电报电话咨询委员会CCITT 已改为国际电信联盟电信技术分会ITU T 以下均称为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 机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸 引线数目和排列 固定和锁定装置等等 电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围 功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义 规程特性指明DTE和DCE之间各接口信号线实现数据传输的操作过程 规定事件的先后顺序 物理层的主要任务 物理层的主要任务是为物理上相互关联的通信双方提供物理连接 物理信道 并在物理连接上透明地传输比特流 2 物理层的主要功能 1 物理连接的建立 维持和拆除 2 实体间信按比特传输 3 实现四大特性的匹配 3 2 2物理层接口协议 DTE 如主机 和DCE 如网卡 之间有若干条信号线和控制线DCE将DTE的数据按比特顺序发送到传输线路 或者接收比特流交给DTE DTE和DCE的接口标准称为物理层接口协议物理层接口协议的主要功能是在DTE与DCE或DCE与DCE之间通过物理介质把数据信号由一方传输到另一方 不负责传输的错误检测 1 典型协议 EIARSC232协议 DCE 空调制解调器方式 举例 通过Console口配置路由器 将RJ45的一端插入到路由器的Console口中 另外一端为9针的串口接口或一个25针的串口接口 接在计算机合适的串口上 1 机械特性1 25芯连接器 DTE为孔式结构 DCE为针式结构 DB25 DB9 3 23RS232协议 EIARS 232插头 2 电气特性 1 采用负逻辑 1 5V 15V 0 5V 15V2 数据速率有300bps 600bps 1200bps 9600bps 19200bps 3 最长通信距离15m4 单端发送 接收5 非平衡传输 unbalancedtransmission 所有电路共享一个公用地线 3 功能特性 4 规程特性DCE DTE DTE DCE PSTN 拨号 请求 1 DTE A置引脚20 DTE就绪 ON 同时通过引脚2 发送电话数据 向DCE A传送电话号码数据DCE A向DCE B拨号 20 DTE就绪 2 发送电话号码 DCE A向DCE B拨号 22 振铃指示 20DTE就绪 6DCE就绪 8载波检测 6 DCE就绪 8 载波检测 4 请求发送 5 允许发送 数字信号转换为模拟信号向DCE B发送 2 发送数据 指示 响应 2 DCE B置引脚22 振铃指示 ON 通知DTE B有入呼叫信号到达DTE B置引脚20 DTE就绪 ON DCE B产生载波信号 置引脚6 DCE就绪 ON 表示已准备好接收数据 20 DTE就绪 2 发送电话号码 DCE A向DCE B拨号 22 振铃指示 20DTE就绪 6DCE就绪 8载波检测 6 DCE就绪 8 载波检测 4 请求发送 5 允许发送 数字信号转换为模拟信号向DCE B发送 2 发送数据 连接建立 确认 3 DEC A检测到载波信号 置引脚8 载波检测 ON 引脚6 DCE就绪 ONDCE A通过引脚3 接收数据 向DTE A发送在其屏幕上显示的信息 4 DEC A向DCE B发送载波信号