第3章网络协议与体系结构.ppt

计算机网络 3网络协议及体系结构 1网络协议与体系结构的定义计算机网络是个复杂的系统网络的状况 网络的异质性多种通信媒介 有线 无线 不同种类的设备 通用 专用 不同的操作系统 Unix Windows 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它们互相交织 形成了非常复杂的系统应用环境 3网络协议及体系结构 网络异质性问题的解决网络体系结构就是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实现互操作性 并满足各种业务的需求的一种粘合剂 它营造了一种 生存空间 任何厂商的任何产品 以及任何技术只要遵守这个空间的行为规则 就能够在其中生存并发展 网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方法 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 就像编程时把问题分解为很多小的模块来解决一样 层次结构方法要解决的问题1 网络应该具有哪些层次 每一层的功能是什么 分层与功能 2 各层之间的关系是怎样的 它们如何进行交互 服务与接口 3 通信双方的数据传输要遵循哪些规则 协议 层次结构方法包括三个内容 分层及每层功能 服务与层间接口 协议 计算机网络体系结构 计算机网络的层次结构和各层协议的集合 NetworkArchitecture 网络协议对计算机网络是必不可少的 结点之间交换数据和控制信息时 必须遵守一些事先约定好的规则 这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序 网络协议网络协议有三个要素 1 语法 即数据及控制信息的格式 编码及信号电平等 2 语义 即发出何种控制信息 完成什么动作以及做出何种应答 3 时序 事件或操作执行的顺序关系 计算机网络需要制定一套复杂的协议集 复杂的计算机网络协议最好的组织方式是层次结构模型 网络体系结构 对计算机网络应该实现的功能进行了精确而详尽地定义 使实现者可以为每一功能层进行硬件设计或编写程序 并使之符合相关协议 但要注意的是 网络协议或具体功能实现的细节这些功能是用什么样的硬件与软件去完成的 则是具体的实现问题 不属于网络体系结构的内容 因为它们隐含在机器内部 对外部说来是不可见的 体系结构实例 IBM的SNA SystemsNetworkArchitecture DEC的DNA DigitalNetworkArchitecture 美国国防部的TCP IP网络结构等不同体系结构的计算机系统互不兼容 难以互连 3 2ISO OSI基本参考模型 开放系统互联 OpenSystemInterconnection 基本参考模型是由国际标准化组织 ISO 1977年制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型 又称ISO OSI参考模型 1 标准开放系统互连基本参考模式 OSI RM 的目的 制定一系列计算机网络互连的标准 这些标准 1 能够支持异种计算机之间的互连和通信 2 能够支持多种通信媒体 3 能够支持多种业务处理 4 能够支持高级的人机接口 能够具有可扩充能力 2 OSI子模块 层 划分的原则 1 各层 子模块 具有相对的独立性 层间交互的信息最少 2 各层 子模块 只能引用其下层提供的服务 单向调用 3 在使用下层服务的基础上 各层完成特定的通信功能 增值服务 层次结构方法的优点把网络操作分成复杂性较低的单元 结构清晰 易于实现和维护定义并提供了具有兼容性的标准接口使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块独立性强 上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务 黑箱方法适应性强 只要服务和接口不变 层内实现方法可任意改变一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络 因此每个区域的网络可单独升级或改造 2 开放系统互联参考模型 需要强调 OSI参考模型并非具体实现的描述 它只是一个为制定标准而提供的概念性框架 在OSI中 只有各种协议是可以实现的 网络中的设备只有与OSI和有关协议相一致时才能互联 互连的系统必须具有相同的层次结构 ISO OSI七层协议 网络体系结构的几个基本概念 协议 为进行网络中的数据交换 通信 而建立的规则 准或约定 语义 语法 规则 不同层具有各自不同的协议 实体 任何可以发送或接收信息的硬件 软件进程 对等层 两个不同系统的同名层次 对等实体 位于不同系统的同名层次中的两个实体 协议作用在对等实体之间 接口 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 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 服务原语互连系统内部层次之间的局部流控所需的原语和参数 以及层次之间交换状态信息的原语和参数都不包括在OSI服务定义中 对于面向连接的服务 有四种形式的服务原语 即请求原语 指示原语 响应原语和确认原语 这些原语表示在图3 8中 图3 8抽象的服务原语 3 数据传输各个实体之间的信息传输是由各种数据单元实现的 这些数据单元表示在图3 12中 图3 12各种数据单元 N 协议控制信息通过 N 1 连接在两个 N 实体之间交换 用以协调 N 实体之间的合作 N 用户数据来自 N 实体为之服务的 N 1 实体 N 实体并不了解也不解释其内容 N 协议数据单元包含 N 协议控制信息 也可能包含 N 用户数据 N 接口控制信息是在 N 1 实体和 N 实体之间交换的信息 用以协调两个实体间的合作 N 接口数据是 N 1 实体交给 N 实体发往远端的另一个 N 1 实体的信息 或者是 N 实体收到的 由远端 N 1 实体发来的 送往本地 N 1 实体的信息 N 接口数据单元是 N 1 实体和 N 实体在一次交互作用中通过服务访问点传送的信息单位 由 N 接口控制信息和 N 接口数据组成 N 服务数据单元是通过 N 连接从一端传送到另一端的 N 接口数据的集合 这个集合在传送期间保持其标识不变 基于分层原则的OSI特点 1 互连的系统必须具有相同的层次结构 2 只有相同层次的实体 功能的实施者 才能进行有意义的通信 并且只能借助于其下层的服务来实现 OSI各层功能概述 第7层 应用层 Application 为用户的应用程序提供网络通信服务识别并证实目的通信方的可用性使协同工作的应用程序之间进行同步判断是否为通信过程申请了足够的资源应用层协议的例子 远程登录协议Telnet 文件传输协议FTP 超文本传输协议HTTP 域名服务DNS 简单邮件传输协议SMTP 邮局协议POP3等 第6层 表示层 Presentation 处理被传送数据的表示问题 即信息的语法和语义 如有必要 使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换 例如 在日期 货币 数值 特别是浮点数 等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换 本地表示1 本地表示2 公共表示 公共表示 表示层 传输层 ISO OSI基本参考模型 计算机联网的最终目的是实现用户之间的数据交换 而不同的计算机可能采用不同的数据表示 例如在不同的机器上常用不同的代码来表示字符串 ASCII或EBCDIC 整型数 反码或补码 以及机器字的不同字节顺序等 PC机采用的是ASCII码 而IBM主机采用的是EBCDIC码 对于同样一个整数 有些机器可能采用2个字节表示 而有些计算机系统则可能采用4个字节表示 3 OSI的层次 七层体系结构 OSI参考模型将网络的不同功能划分为7层OSI七层模型从下到上分别为 物理层 PhysicalLayer 数据链路层 DataLinkLayer 网络层 NetworkLayer 运输层 TransportLayer 会话层 SessionLayer 表示层 PresentationLayer 应用层 ApplicationLayer 如 PC机采用的是ASCII码 而IBM主机采用的是EBCDIC码 如果不加以处理 不同的信息描述 表示 将导致通信的计算机系统之间无法正确地识别信息 所以需要在数据传输时进行数据格式的转换 ISO OSI基本参考模型 为了让采用不同数据表示法的计算机之间能够相互通信并交换数据 在通信过程中使用抽象的数据结构 如抽象语法表示ASN 1 来表示传送的数据 而在机器内部仍然采用各自的标准编码 管理这些抽象数据结构 并在发送方将机器的内部编码转换为适合网上传输的传送语法以及在接收方做相反的转换等工作都是由表示层来完成的 另外 表示层还涉及数据压缩和解压 数据加密和解密等工作 ISO OSI基本参考模型 表示层功能总结 数据变换把应用层送入的字符变换为相应的代码数据格式化把输入的数据按照一定的格式加以组织和改变数据压缩及数据加密 第5层 会话层 Session 建立 管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话 会话 完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换 同步 解决失败后从哪里重新开始 设置检查点 会话失败后 恢复到最后一个检查点处 而不用从头开始 例如 数据送到打印服务器上打印 接收的数据已被确认 但打印机出现故障 这时没必要再从头开始打印 只要在每页开始处设置检查点 打印出错时只需重传最后一个检查点以后的页面 传输层功能 第4层 传输层 Transport 连接管理定义允许两个用户象直接连接一样交谈的规则流量控制 FlowControl 传输层定义了端用户之间的流量控制 数据链路协议定义了两个中间相邻接点的流量控制差错检测 ErrorDetection 数据链路层提供了可靠的链路传输 但在路由器将含有分组的帧重新格式化 可能会出现影响分组内容的错误 帧校验和是在新帧创建后计算的 包含了错误数据 传输层的差错检测用于检测此错误 对用户请求的响应包括发送和接收数据拥塞控制 congestioncontrol ISO OSI基本参考模型 传输层在ISO模型中所处的位置 传输层的特点传输层以上各层 面向应用 以下各层 面向传输 传输层位于资源子网和通信子网的交界处 起着承上启下的作用 与网络层的部分服务有重叠交叉 如何平衡取决于两者的功能划分 真正意义上的从源到目标实现 端到端 连接的层 1 3层 链接中继 4 7层 端到端 传输协议 Transportprotocol 是整个网络体系结构中的关键协议之一实现进程到进程的可靠通信服务通信进程传输层为应用进程之间提供逻辑通信 网络层为主机之间提供逻辑通信将多对进程通信复用到一条网络连接上向高层用户屏蔽了低层通信子网的细节 网络拓扑 协议等 端口号定义 传输层根据端口号来决定把报文提交给某个应用进程熟知端口 Well knownport IANA负责分配给一些常用的应用程序 范围 1 1024 如ftp21 telnet23 smtp25等 注册端口 1024 49151 IANA不指派也不控制 可在IANA注册以防止重复 动态端口 49152 65535 IANA不指派也不控制 客户端进程动态生成 端口号 TCP和UDP都用端口 socket 号把信息传到上层 端口号指示了正在使用的上层协议 FTP SMTP TFTP DNS Telnet SNMP 21 23 25 53 69 161 TCPUDP 应用层 传输层 保留的端口号 255 公共应用255 1023 公司 1023 未规定 第3层 网络层 Network 路由器连接两个网络在源端与目的端之间建立 维护 终止网络的连接 功能和服务最佳路由选择和数据包中转路由路径流量控制和拥塞控制差错检测与恢复流量统计和记账 WhatisRouting 路由选择路由路径如何在多条通信路径中找一条最佳路径 依据 速度 距离 步跳数 价格 拥塞程度路由表建立与维护静态 人工设置 只适用于小型网络动态 运行过程中根据网络情况自动地动态维护路由算法 WhatisRouting WhatisRouting 路由表的基本内容 目的网络 路由 下一站点 距离 172 16 0 0 202 168 0 0 10 0 0 0 202 168 0 2 202 168 0 0 直接 172 16 0 0 10 0 0 0 A B 路由器A的路由表 直接 1 1 2 1 0 0 1 路由协议的核心就是路由算法 即需要何种算法来获得路由表中的各路由表项 ISO OSI基本参考模型 第2层 数据链路层 DataLink 链路 是一条无源的点到点的物理线路数据链路 物理线路和控制传输的协议 也称为逻辑链路 ISO OSI基本参考模型 数据链路层最重要的作用就是通过数据链路层协议 在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输为了保证数据传输的可靠性 发送方把用户数据封装成帧 并按顺序传送各帧 但由于物理线路的不可靠 因此发送方发出的数据帧有可能在线路上发生出错或丢失 所谓丢失实际上是数据帧的帧头或帧尾出错 从而导致接收方不能正确接收到数据帧 ISO OSI基本参考模型 为了保证能让接收方对接收到的数据进行正确性判断 发送方为每个数据块计算出CRC 循环冗余检验 并加入到帧中 这样接收方就可以通过重新计算CRC来判断数据接收的正确性 一旦接收方发现接收到的数据有错 则发送方必须重传这一帧数据 然而 相同帧的多次传送也可能使接收方收到重复帧 因此数据链路层必需解决由于帧的损坏 丢失和重复所带来的问题 ISO OSI基本参考模型 数据链路层要解决的另一个问题是防止高速发送方的数据把低速接收方 淹没 因此需要某种流量控制机制使发送方得知接收方当前还有多少缓存空间 在广域网中 数据链路层负责主机 IMP IMP IMP之间数据的可靠传输 而在局域网中 数据链路层负责主机之间数据的可靠传输 在ARPANET建网初期 分组交换网中的结点交换机曾被称为接口报文处理机IMP InterfaceMessageProcessor 但IMP这一名词现已不再使用 连接在网络之间的结点交换机现在都被称为路由器 router 数据链路层所关心的问题包括 物理地址 网络拓扑 组帧 把数据封装在帧中 按顺序传送 并处理返回的确认帧 定界与同步 产生 识别帧边界 差错恢复 采用重传 ARQ 的方法 流量控制 收发双方传输速率的匹配 第1层 物理层 Physical 实现在物理媒体上透明地传送原始比特流 定义了激活 维护和关闭终端用户之间机械的 电气的 过程的和功能的特性 数据终端设备DTE 数据通信设备DCEDTE 用于处理用户数据的设备 如计算机 路由器 DCE 用于把DTE发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式 如MODEM 物理层的特性包括 机械特性 物理连接器的尺寸 形状 规格电气特性 信号电平 脉冲宽度 频率 数据传送速率 最大传送距离等功能特性 接口引脚的功能作用规程特性 信号时序 应答关系 操作过程 ISO OSI七层协议 1 物理层 PH 确定物理设备接口 提供点 点的比特流传输的物理链路 2 数据链路层 DL 利用差错处理技术 提供高可靠传输的数据链路 3 网络层 N 利用路由技术 实现用户数据的端 端传输 4 运输层 T 屏蔽子网差异 用户要求和网络服务之间的差异 5 会话层 S 提供控制会话和数据传输的手段 6 表示层 P 解决异种系统之间的信息表示问题 屏蔽不同系统在数据表示方面的差异 7 应用层 A 利用下层的服务 满足具体的应用要求 层次结构模型中数据的实际传送过程 ISO OSI七层协议 层次结构模型中数据的实际传送过程 ISO OSI参考模型 层次结构模型中数据的实际传送过程 从图中可见 整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理媒体连接构成 这里的端开放系统和中继开放系统 都是国际标准OSI7498中使用的术语 通俗地说 它们相当于资源子网中的主机和通信子网中的节点机 IMP 只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能 而在通信子网中的IMP一般只需要最低三层甚至只要最低两层的功能就可以了 层次结构模型中数据的实际传送过程 对等通信的实质OSI参考模型禁止不同主机的对等层之间的直接通信 实际上 每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信 上层使用下层提供的服务 Serviceuser 下层向上层提供服务 Serviceprovider 以不同国籍的人进行信息交流为例 见下页图 网络服务的分层协议实现实例1 对等通信示例 中德教师之间的对话问题 中国教师与德国教师之间 翻译之间 他们是在直接通信吗 翻译 秘书各向谁提供什么样的服务 中德教师 翻译各使用谁提供的什么服务 P3 P2 P1 对等层通信的实质 对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务实际通信在最底层完成右图给出了对等层通信更一般的抽象 2 1 3 2 1 物理通信线路 3 N 1 N N 1 N 1 N N 1 Pn 1 Pn Pn 1 系统A 系统B 消息 数据封装一台计算机要发送数据到另一台计算机 数据首先必须打包 打包的过程成为封装 封装就是在数据前面加上特定的协议头部 发送邮件的例子 信装入写有源地址和目的地址的信封中发送 还要写明用航空或挂号 数据 数据 011101000011000010100101111010110 数据多层封装 OSI参考模型中 对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元 PDU ProtocolDataUnit