新计算机网络第章协议及体系结构PPT课件.ppt

2020 3 19 1 第2章协议及网络体系结构 2 1网络体系结构及协议2 1 1网络通信要解决的主要问题2 1 2体系结构及网络协议的概念2 1 3接口和服务2 1 4网络通信协议的制定2 2开放系统互联参考模型2 2 1OSI RM结构2 2 2OSI RM各层基本功能 2 3TCP IP参考模型2 3 1TCP IP历史2 3 2TCP IP模型2 3 3TCP IP各层功能2 3 4TCP IP和OSI RM模型的比较 2020 3 19 2 2 1网络体系结构及协议2 2开放系统互联参考模型2 3TCP IP参考模型 2020 3 19 3 网络通信要解决的主要问题体系结构及网络协议的概念接口和服务网络通信协议的制定 2 1网络体系结构及协议 2020 3 19 4 目前计算机网络最大的特点之一是网络通信WhatHowWhen电话通信的过程计算机网络通信的主要功能计算机网络通信中的焦点问题 2 1 1网络通信要解决的主要问题 2020 3 19 5 电话通信的过程 2020 3 19 6 计算机网络通信的主要功能 数据通信与语音通信的区别 语音对时延比较敏感 并且大多是面向连接的 数据对带宽比较敏感 大多是无连接的 尽管都是数字信号 但后者允许有较大的误码率 原来有数字和模拟的区分 信息传输的两个基本要求及时准确有效数据经网络到达目的地后 能被用户识别 主要功能 数据通信 资源共享 2020 3 19 7 计算机网络通信中的焦点问题 寻址差错控制流量控制分段及装配路由选择编码转换 信息的表达同步问题数据安全 2020 3 19 8 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 2体系结构及网络协议的概念 2020 3 19 9 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 2020 3 19 10 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 2020 3 19 11 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 2020 3 19 12 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 2020 3 19 13 分层的好处 各层之间是独立灵活性好结构上可分割开易于实现和维护能促进标准化工作 2020 3 19 14 层数多少要适当 原则结构清晰 易于设计 层数应适中每层功能明确且相互独立层间接口清晰 跨越接口的信息量应尽可能的少每一层都使用下层的服务 并为上层提供服务网中各节点都有相同的层次 不同节点的同等层次按照协议实现对等层之间的通信 2020 3 19 15 建立协议的必要性 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 2020 3 19 16 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 2020 3 19 17 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 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 体系结构是抽象的 而实现则是具体的 是真正在运行的计算机硬件和软件 2020 3 19 18 2 1 3接口和服务 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 2020 3 19 19 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议 下面的协议对上面的服务用户是透明的 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方 称为服务访问点SAP ServiceAccessPoint 端口 套接字 运输层和应用层之间 接口 2020 3 19 20 2020 3 19 21 协议和服务的关系 协议是 水平的 即协议是控制对等实体之间通信的规则 服务是 垂直的 即服务是由下层向上层通过层间接口提供的 N层实体向N 1层实体能提供的服务 N层实体提供的某些功能从N 1层及其以下各层实体及本地系统得到的服务通过与对等的N层实体的通信得到的服务 2020 3 19 22 服务用户 第n层 第n 1层 服务用户 2020 3 19 23 数据单元 协议数据单元PDUPCI接口数据单元IDUSDU ICI服务数据单元SDU分段与合并 ICI 接口控制信息 2020 3 19 24 服务原语 用户和协议实体间的接口 实际上是一段程序代码 但其具有不可分割性 通过服务原语能实现服务用户和服务提供者间的交流 与协议不同的是 服务原语用于服务提供者与服务用户 而协议是用于服务用户之间的通信 服务是各层向它上层提供的一组原语 操作 实体利用协议来实现它们的服务定义 4类服务原语 2020 3 19 25 四种基本原语 请求 Request 用户实体要求服务做某项工作源 N 1 实体 源 N 实体指示 Indication 用户实体被告知某事件发生目的 N 实体 目的 N 1 实体响应 Response 用户实体表示对某事件的响应目的 N 1 实体 目的 N 实体确认 Confirm 用户实体收到关于它的请求的答复源 N 实体 源 N 1 实体 2020 3 19 26 原语一般都携带参数 证实型 confirmed 和非证实型 unconfirmed 服务的区别 证实型服务包含所有4种服务原语 非证实型服务只包含请求和指示2种服务原语 2020 3 19 27 2020 3 19 28 服务原语工作示例1 COENNCT request 呼叫方请求建立连接2 CONNECT indication 被呼叫方指示有人请求建立连接3 CONNECT response 被呼叫方表示接受 拒绝建立连接请求4 CONNECT confirm 通知呼叫方建立连接的请求是否被接受5 DATA request 请求发送数据6 DATA indication 指示数据的到达7 DISCONNECT request 请求释放连接8 DISCONNECT indication 指示对方释放了连接 2020 3 19 29 服务原语举例 一个简单的面向连接服务的例子它使用了下述8个服务原语 连接请求 服务用户请求建立一个连接连接指示 服务提供者向被呼叫方示意有人请求建立连接连接响应 被呼叫方用来表示接受或拒绝建立连接的请求连接确认 服务提供者通知呼叫方建立连接的请求已被接受或拒绝数据请求 请求服务提供者把数据传至对方数据指示 表示数据的到达断连请求 请求释放连接断连指示 将释放连接请求通知对等端 2020 3 19 30 服务原语举例 打电话邀请姑姑来喝茶1 拨姑姑家的电话号码 连接请求2 她家的电话铃响了 连接指示3 她拿起电话 连接响应4 你听到响铃停止 连接确认5 你邀请她来喝茶 数据请求6 她听到了你的邀请 数据指示7 她说她很高兴来 数据请求8 你听到她接受邀请 数据指示9 你挂断电话 断连请求10 她听到了 也挂断电话 断连指示 2020 3 19 31 2020 3 19 32 面向连接服务与无连接服务 面向连接服务 connection oriented 又称 虚电路 服务 是一种 电话通信系统模式 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 2020 3 19 33 2 1 4网络通信协议的制定 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 必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况 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 2020 3 19 34 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 2020 3 19 35 这样的协议无法实现 2020 3 19 36 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 2020 3 19 37 2020 3 19 38 1 制定网络通信协议和标准的主要组织 1 IEEE 电气和电子工程师协会 2 ISO 国际标准化组织 3 ITU 国际电信联盟 前身是国际电报电话咨询委员会 CCITT 4 其他 国际电子技术委员会IEC 电子工业协会EIA 国际商用机器公司IBM 2 模型的发展和类型IBM公司1974年提出的SNA 数字设备公司DEC提出DNA ISO于1979年开始研究 1983年正式批准的网络体系结构参考模型 开放系统互连 OSI 2020 3 19 39 两种国际标准 法律上的 dejure 国际标准OSI并没有得到市场的认可 是非国际标准TCP IP现在获得了最广泛的应用 TCP IP常被称为事实上的 defacto 国际标准 2020 3 19 40 2 2开放系统互联参考模型OSI RM 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 在市场化方面OSI却失败了 OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力 OSI的协议实现起来过分复杂 且运行效率很低 OSI标准的制定周期太长 因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场 OSI的层次划分并也不太合理 有些功能在多个层次中重复出现 2020 3 19 41 2020 3 19 42 2 2 1OSI RM结构及功能 2020 3 19 43 2020 3 19 44 2020 3 19 45 物理层 physicallayer 物理层功能通过规定物理设备和物理媒体之间的接口技术 实现物理设备之间的比特流透明传输物理层服务建立 维持和释放物理连接 并涉及数据传输模式 采用何种信号 信号编码等设计物理层主要涉及领域机械 电气 物理传输介质 2020 3 19 46 数据链路层 datalinklayer 基于物理层的问题物理连接是有差错和不可靠的物理设备之间可能存在传输速度不匹配的问题数据链路层功能加强物理层传输原始比特的功能 在数据链路上无差错地传输数据 使得它能够为网络层显现出一条无错的线路 2020 3 19 47 数据链路层服务标识和维护数据链路传输数据链路层数据单元 定义数据帧格式 施行流量控制 进行差错通知提供流量控制 解决速度不匹配的问题提供差错处理 将不可靠的物理连接为可靠的数据链路 2020 3 19 48 网络层 networklayer 基于数据链路层的问题数据链路层仅支持相邻节点的数据链路数据链路层无法提供拥塞控制网络层功能路由选择拥塞控制实现异种网络的互联网络层服务提供编址和路由技术提供拥塞控制算法 进行拥塞控制提供数据分组和分组的排序及重新组装功能 2020 3 19 49 传输层 transportlayer 基于网络层的问题由于网络的性能不同 用户的要求不同 网络的性能和用户的要求之间存在差异传输层功能屏蔽网络传输细节 实现端到端的数据报文传输面向用户 使其获得相对稳定的数据传输服务 差错控制 流量控制 连接控制等 2020 3 19 50 2020 3 19 51 会话层 sessionlayer 会话层功能组织和同步不同主机上各进程间的通信 并对其进行控制和管理会话层服务令牌管理分段和拼接技术同步技术 2020 3 19 52 表示层 presentationlayer 表示层功能屏蔽不同计算机在信息表示方面的差异表示层服务协商传输语法 实现抽象语法和传输语法的转换数据压缩 解压缩 加密 解密表示层服务举例 2020 3 19 53 应用层 applicationlayer 应用层功能直接面向用户 为用户提供使用网络服务的接口 例如网络浏览 电子邮件 不同类文件系统的文件传输 虚拟终端和其它各种通用的和专用的功能等 应用程序的规范属于此层 应用层协议FTAM FileTransferAccessandManagementProtocol MHS MessageHandlingSystems VTP VirtualTerminalProtocol 2020 3 19 54 为什么需要标准化 不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构的标准化的原动力而兼容性和互操作性的最终目的仍是资源共享标准化的时机 先制定标准再开发还是先开发再制定标准 各厂商 研究机构 大学在网络技术 方法 理论等方面的研究日趋成熟是基础 2020 3 19 55 OSI参考模型是一种概念上的网络模型 规定了网络体系结构的框架 7个层次只说明了做什么 WHATTODO 而未规定怎样做 HOWTODO 太复杂 几乎没有与之完全符合的网络 2020 3 19 56 2 3TCP IP参考模型 TCP IP是四层的体系结构 应用层 运输层 网际层和网络接口层 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 2020 3 19 57 网络接口层 TCP IP标准并没有定义具体的网络接口协议一般各物理网络可以使用自己的数据链路层协议和物理层协议使用串行线路连接主机与网络 或连接网络与网络时 需运行专门的串行线路网际协议 SLIP 或点到点 PPP 协议 2020 3 19 58 网际层 主要功能消息寻址把逻辑地址和名称转换成物理地址主要协议互联网协议IP 寻址互联网控制报文协议ICMP 传送信息 错误报告Internet组管理协议IGMP 多播传输地址转换协议ARP 把逻辑地址和名称转换成物理地址反向地址转换协议RARP 把物理地址转换成逻辑地址 2020 3 19 59 传输层 提供从一个应用程序到另一个应用程序的通信 常称为端对端的通信主要协议传输控制协议 TCP 面向连接的通信用户数据报协议 UDP 无连接的通信 2020 3 19 60 应用层 集合了OSI参考模型的会话层 表示层和应用层3层的功能常用协议文件传输协议 FTP 远程登录协议 Telnet 域名服务 DNS 简单邮件传输协议 SMTP 超文本传输协议 HTTP 2020 3 19 61 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 主机B 路由器 网络2 网络1 应用层运输层网际层网络接口层 网际层网络接口层 4321 2020 3 19 62 2 3 4TCP IP与OSI的比较 应用层 传输层 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 传输层 TCP或UDP TCP IP的体系结构 无连接分组交付服务 运输服务 可靠或不可靠 TCP IP的三个服务层次 2020 3 19 63 2020 3 19 64 OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 相同点均以协议栈的概念为基础 协议之间彼此独立模型中各个层的功能基本相似不同点OSI模型有7层 TCP IP模型则仅有4层OSI模型区分了服务 接口和协议的概念 TCP IP模型没有明确的区分OSI区分了物理层与数据链路层 TCP IP甚至没有分别提及这两层OSI层次间存在严格的调用关系 两个 N 层实体的通信必须通过下一层 N 1 层实体 不能越级 而TCP IP可以越过紧邻的下一层直接使用更低层次所提供的服务 这种层次关系常被称为 等级 关系 因而减少了一些不必要的开销 提高了协议的效率 2020 3 19 65 OSI只考虑用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互联在一起 后来认识到互联网协议的重要性 才在网络层划出一个子层来完成互联作用 而TCP IP一开始就考虑到多种异构网的互联问题 并将互联网协议IP作为TCP IP的重要组成部分 OSI开始偏重于面向连接的服务 后来才开始制定无连接的服务标准 而TCP IP一开始就有面向连接和无连接服务 无连接服务的数据报对于互联网中的数据传送以及分组话音通信都是十分方便的 OSI与TCP IP对可靠性的强调也不相同 对OSI的面向连接服务 数据链路层 网络层和运输层都要检测和处理错误 尤其在数据链路层采用校验 确认和超时重传等措施提供可靠性 而且网络和运输层也有类似技术 而TCP IP则不然 TCP IP认为可靠性是端到端的问题 应由运输层来解决 因此它允许单个的链路或机器丢失数据或数据出错 网络本身不进行错误恢复 丢失或出错数据的恢复在源主机和目的主机之间进行 由运输层完成 由于可靠性由主机完成 增加了主机的负担 但是 当应用程序对可靠性要求不高时 甚至连主机也不必进行可靠性处理 在这种情况下 TCP IP网的效率最高 在两个体系结构中智能的位置也不相同 OSI网络层提供面向连接的服务 将寻径 流控 顺序控制 内部确认 可靠性带有智能性的问题 都纳入网络服务 留给末端主机的事就不多了 相反 TCP IP则要求主机参与几乎所有网络服务 所以对入网的主机要求很高 OSI开始未考虑网络管理问题 到后来才考虑这个问题 而TCP IP有较好的网络管理 2020 3 19 66 OSI模型出现在协议发明之前 因此模型与协议间存在不符合要求的服务规范 但是由于它不偏向任何一种协议 通用性更好 TCP IP模型则相反 先出现协议 模型与协议匹配良好但不适用于其他协议栈OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信 传输层仅支持面向连接的通信 TCP IP模型在网络层仅支持无连接的服务 在传输层支持两种类型的服务 2020 3 19 67 OSI RM的主要缺点 会话层和表示层几乎是空的 数据链路层和网络层包含内容太多 有很多的子层插入 每个子层都有不同的功能 OSI模型以及相应的服务定义和协议都极其复杂 它们很难实现 有些功能 例如编址 流控制和差错控制 都会在每一层重复出现 必然降低系统的效率 协议的出现时机晚于TCP IP协议 TCP IP模型的主要缺点 1该模型并没有清楚地区分哪些是规范 哪些是实现 使得在设计新网络时 指导意义显得不大 而且TCP IP模型不适合于其它非TCP IP协议簇 2TCP IP模型的主机 网络层并不是常规意义上的一层 它是定义了网络层与数擗链路层的接口 接口与层的区别是非常重要的 而TCP IP模型却没有将它们区分开来 2020 3 19 68 五层协议的体系结构 应用层 applicationlayer 传输层 transportlayer 网络层 networklayer 数据链路层 datalinklayer 物理层 physicallayer 2020 3 19 69 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 2020 3 19 70 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 2020 3 19 71 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 2020 3 19 72 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 2020 3 19 73 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 2020 3 19 74 计算机1向计算机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 计算机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 计算机2 2020 3 19 75 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 2020 3 19 76 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 2020 3 19 77 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 2020 3 19 78 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 2020 3 19