第2章 网络协议的体系结构(1).ppt

本课程主要教学内容 第1章通信网概论第2章网络协议的体系结构第3章局域网协议与技术第4章因特网协议与技术第5章IP广域网的路由与QoS控制第6章网络新技术及其发展 第2章网络协议的体系结构 2 1IP网络的重要特点2 2计算机网络体系结构概述2 3TCP IP协议模型 2 1IP网络的重要特点 每一个分组独立选择路由 发往同一个目的地的分组 后发送的有可能先收到 即可能不按顺序接收 当网络中的通信量过大时 路由器就来不及处理分组 于是要丢弃一些分组 因此 IP网络不保证分组的可靠地交付 IP网络提供的服务被称为 尽最大努力服务 besteffortservice IP网与传统电信网的比较 传统电信网向用户 即电话机 提供的服务质量有保证 连接在传统电信网上的电话机几乎没有智能 因此全部的服务质量由电信网完成 电路交换的电信网 一般而言 通信必须是可靠的 但应当由谁负责可靠交付 因特网和传统电话网的思路不同 严格地讲 计算机通信是在计算机上运行的应用程序之间的通信 所以实现可靠通信最终应当是让计算机应用程序 应用进程 之间的通信可靠 因特网认为 IP协议没有必要提供可靠服务 这样做可以使网络简单 灵活性好 价格便宜 但如何解决可靠通信的问题呢 办法 在计算机网络中增加TCP协议 这样就可以实现计算机应用程序之间的可靠通信 因特网的设计思路 分组交换的因特网 分组交换的因特网不保证可靠交付 你会思考吗 IP TCP等协议是以何种方式工作的 一个网络协议包含哪些要素 不同协议的作用范围如何界定 各种协议之间是孤立的还是保持一定的依赖关系 网络协议生存的基础是什么 2 2计算机网络协议与体系结构概述 2 2 1网络协议及相关概念2 2 2通用的协议分层思想2 2 3OSI体系结构 2 2计算机网络协议与体系结构概述 网络协议是通信双方共同遵守的规则和约定的集合 网络协议包括三个要素 语法 规定了信息的结构和格式 语义 表明信息要表达的内容 同步规则 涉及双方的交互关系和事件顺序 整个计算机网络的功能实现体现为协议的实现 为了保证网络的各个功能的相对独立性 以及便于实现和维护 通常将协议划分为多个子协议 并且让这些协议保持一种层次结构 子协议的集合通常称为协议簇 2 2 1网络协议及相关概念 网络协议的分层 以因特网为例 TCP IP协议族中包含多个协议 它们之间并不孤立 那么设计们又是按照什么样的思路来构建整个协议族的体系结构呢 这就涉及网络协议的分层问题 计算机通信网的协议包含的内容相当复杂 如何将复杂的问题分解为若干较简明且有利于处理的问题 实践表明 采用网络的分层结构最为有效 采用分层次的体系结构是人们对复杂问题进行处理的基本方法 网络分层主要是将复杂的通信问题分成不同的功能块 由不同的层次通过本层的协议来执行某个功能块 网络分层是基于透明性原则 2 2 1网络协议及相关概念 2 网络体系结构 NetworkArchitecture 是指网络的各层功能及其协议的集合 建立网络体系结构的目的是为了能够抽象地讨论和研究网络技术 使网络的实现技术与网络的功能发展能够相互独立地各自发展 NetworkArchitecture的主要任务是指导网络技术设计 为研究人员提供在多种可选方案中进行审慎选择的决策指导 从而试图保证这些技术决策能在网络演进过程中保持一致性和连贯性 2 2 1网络协议及相关概念 3 NetworkArchitecture的研究内容 关于网络系统构成要素的研究 关于命名 编址和路由的研究 关于网络协议模块化方法的研究 关于网络系统中的状态和功能部署位置的研究任何网络体系结构都是一个从需求目标开始的 过程前后连贯的 各个认知阶段之间存在紧密逻辑关系的系统概念 因此对任何网络体系结构的合理认知或研究途径 都应该遵循 需求目标 设计原则 具体实现 的路线 2 2 1网络协议及相关概念 4 网络协议分层的思想不是TCP IP特有的 而是一种被广泛认可的通用思想 著名的OSI模型也采用了分层结构 协议的实现要落实到一个个具体的硬件模块和软件模块上 在网络中将这些实现特定功能的模块称为实体 Entity 网络中的通信是指在不同系统中的两个实体之间的通信 因此 更具体地说所谓实体 是指能发送和接收信息的任何对象 包括终端 应用软件和通信进程等 2 2 2通用的协议分层思想 网络中的两个系统中实体间的通信是一个十分复杂的过程 为了减少协议设计和调试过程的复杂性 大多数网络的实现都按层次的方式来组织 通用的协议分层思想表述 每一层只完成一定的功能 每一层又都建立在它的下层之上 不同的网络 其分层的数量 各层的名字 内容和功能不尽相同 然而 在所有的网络中 每一层都是通过层间接口向上一层提供服务的 同时把这种服务实现的细节对上层加以屏蔽 2 2 2通用的协议分层思想 2 通用的协议分层思想示意 下图需替换 2 2 2通用的协议分层思想 3 协议分层思想示意具体包含以下几个含义 第N层实体在实现自身定义的功能时 只使用N 1层提供的服务 N层向N 1层提供服务 此服务不仅包含N层本身所具有的功能 还包括由下层提供的功能总和 最低层只提供服务 最高层只是用户 中间各层既是下一层的用户又是上一层服务的提供者 仅在相邻层间有接口 且下层服务的实现细节对上层完全透明 两个结点之间进行协议通信的实质 如下图所示 两个结点之间的通信体现为两个结点对等层 结点A的N 1层与结点B的N 1层 之间遵从本层协议的通信 各层的协议由各层的实体实现 通信双方对等层中完成相同协议功能的实体称为对等实体 对等实体按协议进行通 信 所以协议反映的是对等层的对等实体之间的一种横向关系 严格地说 协议是对等实体共同遵守的规则和约定的集合 协议中的格式和语义只有对等实体能够理解 2 2 2通用的协议分层思想 4 网络协议的层间关系 2 2 2通用的协议分层思想 5 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方 通常称为服务访问点SAP ServiceAccessPoint 服务访问点SAP也是一个抽象的概念 它实际上就是一个逻辑接口 与通常所说的两个设备之间的硬件并行接口或串行接口是很不一样的 如右图 N层实体实现的服务是在N层SAP处提供给N 1层的 即N层SAP就是N 1层可以访问N层服务的地方 每个SAP都有一个能够唯一标识它的地址 网络协议的层间关系 2 2 2通用的协议分层思想 5 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方 通常称为服务访问点SAP ServiceAccessPoint 服务访问点SAP也是一个抽象的概念 它实际上就是一个逻辑接口 与通常所说的两个设备之间的硬件并行接口或串行接口是很不一样的 如右图 N层实体实现的服务是在N层SAP处提供给N 1层的 即N层SAP就是N 1层可以访问N层服务的地方 每个SAP都有一个能够唯一标识它的地址 下层向上层提供的服务可以划分为面向连接和无连接两大类别 网络协议分层的好处 有利于将复杂的问题分解成多个简单的问题 从而分而治之 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 适应性好 只要服务和接口不变 层内实现方法可任意改变 有利于网络的互联 进行协议转换时可能只涉及某一个或几个层次而不是所有层次 分层可以屏蔽下层的变化 新的底层技术的引入 不会对上层的应用协议产生影响 有利于促进标准化工作 因为每一层的功能及其所提供的服务都有精确的说明 2 2 2通用的协议分层思想 6 1 开放系统互连参考模型OSI RM 20世纪70年代出现了SNA DNA等多种网络体系结构 使得不同公司的网络之间很难实现互通 针对这一问题 国际标准化组织 ISO 吸取了SNA DNA以及ARPA网等网络体系结构的成功经验 提出了著名的开放系统互连参考模型 OSI RM 所谓 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的 也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信 所以开放系统互连参考模型OSI RM是个抽象的概念 开放系统互连的目的 将不同的网络互连成一个更大的网络 解决异种网络互连的兼容性 2 2 3OSI体系结构 1 开放系统互连参考模型OSI RM 2 OSI的结构化分层 1 开放系统互连参考模型OSI RM 3 OSI的层功能 面向应用的功能 包括应用层 表示层和会话层 面向网络的应用 负责数据的处理和用户接口 主要进行数据的处理 更接近网络应用和软件 只与终端用户有关 面向网络的功能 包括传输层 网络层 数据链路层和物理层 面向网络的传送功能 主要负责数据的传送 更接近网络传送和硬件实际上传输层是承上启下的中间层 传输层及其以上各层只存在于网络之外的主机中 在网络内部的各个结点只包括下三层 1 开放系统互连参考模型OSI RM 4 OSI根据逻辑功能划分 OSI七层模型 根据逻辑功能划分 1 开放系统互连参考模型OSI RM 5 2 OSI RM的数据单元 OSI RM于1984年5月被正式批准为ISO7498国际标准 与此同时 ITU T从通信系统的角度 进一步研究了如何实现设备的兼容性要求 规定了ITU T应用OSI RM 各层提供的服务以及开放系统中对等实体间通信所必须遵循的规程 X 200系列建议 X 200建议为了便于对不同系统的同层实体之间交换的信息数据单元组成和同一系统的相邻层之间的信息数据单元之间的映射关系进行规范化的描述 定义了如下几种常用的信息数据单元 N 层协议控制信息 PCI N 层协议数据单元 PDU N 层服务数据单元 SDU 2 OSI RM的数据单元 2 同一系统相邻层之间数据单元的映射关系如下图 协议数据单元PDU ProtocolDataUnit 由协议控制信息PCI ProtocolControlInformation 和服务数据单元SDU ServiceDataUnit 组成 相当于分组的头信息和净荷信息 除第七层外 第N 1层的SDU就是第N层的PDU 几种信息数据单元的相互关系 不同系统对等实体之间数据单元在发送方被逐层封装 在接收方再被逐层解封装 发送方N层实体从N 1层实体得到的数据包就是服务数据单元SDU N层实体只将其视为需要本实体提供服务的数据 并将服务数据单元进行封装 使其成为一个对方能够理解的协议数据单元PDU 封装过程实际上是为SDU增加对等实体间约定的协议控制信息PCI的过程 为了传送SDU N层实体通常把SDU分成几段 每一段加上一个首部之后作为一个独立的PDU送出 2 OSI RM的数据单元 3 如下图 开放系统互连环境由作为信源和信宿的端开放系统及作为中间结点的若干中继开放系统通过物理介质连接而构成 3 基于OSI的开放系统互连环境和数据传输 OSI互连环境中数据信息的封装和