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第三章计算机网络协议 1 计算机网络 协议 为什么要分层 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行 而这种 协调 是相当复杂的 分层 可将庞大而复杂的问题 转化为若干较小的局部问题 而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理 2 1关于开放系统互连参考模型OSI RM OSI RM 开放系统互连基本参考模型 开放 只要遵循OSI标准 一个系统就可以和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 1983年ISO7489国际标准 七层协议在市场化方面OSI却失败了 3 2网络协议的概念 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题 同步含有时序的意思 为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定即网络协议 networkprotocol 简称为协议 4 3网络协议的组成要素 语法数据与控制信息的结构或格式 语义需要发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种响应 同步事件实现顺序的详细说明 协议有两种形式 文字描述程序代码 5 4划分层次的概念举例 计算机1向计算机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 两个计算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 6 两个计算机交换文件 文件传送模块 计算机1 计算机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 7 再设计一个通信服务模块 文件传送模块 计算机1 计算机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 8 再设计一个网络接入模块 文件传送模块 计算机1 计算机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 9 5分层的好处 各层之间是独立的 各层对上层是透明的 有利于将复杂问题简单化 灵活性好 某一层的改动不影响其他层 结构上可分割开 各层都可以采用最合适的技术来实现 易于实现和维护 分别实现和调试各子系统 能促进标准化工作 每层的功能都有详细精确的说明 10 计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构 architecture 是计算机网络的各层及其协议的集合 抽象的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义 实现 implementation 是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题 具体的 11 1 5 3具有层协议的体系结构 TCP IP的四层体系结构 应用层 运输层 网际层 网络接口层 最下面的网络接口层并没有具体内容 往往采取折中的办法 即综合OSI 七层协议 和TCP IP的优点 采用一种只有五层协议的体系结构 12 五层协议的体系结构 应用层 HTTP SMTP FTP 数据运输层 TCP UDP 报文网络层 IP IP数据包 分组 包数据链路层帧物理层 physicallayer 比特流 数据链路层 5应用层 4运输层 3网络层 2数据链路层 1物理层 HTTP 超文本传输协议TCP 传输控制协议IP 网络层SMTP 简单邮件传输协议UDP 用户数据报协议 13 物理层 physicallayer 定义网络的硬件特性 实现透明地传送比特流 传输的数据单位是比特 数据链路层 datalinklayer 实现相邻两结点间的可靠数据传输 差错控制 流量控制 传输的数据单位是帧 网络层 networklayer 提供网络间的路径选择 拥塞控制等功能 为分组交换网上的不同主机提供通信 网络间的数据交换 传输的数据单位是分组 14 协议各层的功能 运输层 transportlayer 负责两个主机中进程之间的通信 屏蔽不同的网络差异 提供可靠的数据传输 传输单位是报文 传输层存在于主机中 通信子网如路由器中没有传输层 中间层 关键详细内容 信息的拆分和重组 用一个唯一的地址指明网络上的所有结点 数据流控制和错误处理等 15 会话层允许和协调不同计算机上的两个应用程序建立 使用和结束会话 并执行身份识别和安全功能 表示层确定计算机间数据交换的格式 使采用不同表示法的计算机系统之间能相互通信 语法转换 加密解密 数据压缩应用层 applicationlayer 直接为用户的应用进程提供服务 直接与用户和应用程序交互 并不等同与应用程序 16 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 17 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 18 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 19 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 20 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 21 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 物理层接收到比特流 上交给数据链路层 22 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 23 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 网络层剥去首部 取出数据部分上交给运输层 24 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 运输层剥去首部 取出数据部分上交给应用层 25 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 应用层剥去首部 取出应用程序数据上交给应用进程 26 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 我收到了AP1发来的应用程序数据 27 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 28 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 29 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 30 H3 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层 31 H4 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层 32 应用程序数据 H5 应用程序数据 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机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 33 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 我收到了AP1发来的应用程序数据 34 1 5 4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 35 协议必须将各种不利的条件事先都估计到 而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的 应当注意 事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到 在出现这种情况时 协议就会失败 因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况 36 著名的协议举例 占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战 力量对比是 一个山顶上的蓝军打不过白军 但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军 一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击 于是发送电文给另一山顶上的友军 但通信线路很不好 电文出错的可能性很大 因此要求收到电文的友军必须发送确认电文 但确认电文也可能出错 试问能否设计出一种协议 使得蓝军能实现协同作战因而一定 即100 取得胜利 37 这样的协议无法实现 38 结论 这样无限循环下去 两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到 没有一种协议能够蓝军能100 获胜 不可能设计出100 可靠的协议 39 1 5 5面向连接服务与无连接服务 面向连接服务 connection oriented 面向连接服务具有连接建立 数据传输和连接释放这三个阶段 无连接服务 connectionless 两个实体之间的通信不需要先建立好连接 是一种不可靠的服务 这种服务常被描述为 尽最大努力交付 besteffortdelivery 或 尽力而为 40 1 5 6OSI与TCP IP体系结构的比较 应用层 运输层 网络层 表示层 会话层 数据链路层 物理层 7654321 OSI的体系结构 应用层 网络接口层 网际层IP 各种应用层协议如TELNET FTP SMTP等 运输层 TCP或UDP TCP IP的体系结构 无连接分组交付服务 41 TCP IP四层协议的表示方法举例 应用层运输层网际层网络接口层 主机A 主