第章网络体系结构与网络协议PPT课件.ppt

计算机网络技术 第3章网络体系结构与网络协议 学习内容 OSI参考模型结构物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层及应用层的功能 所使用的硬件设备 所使用的协议TCP IP参考模型结构OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 3 1网络体系结构的基本概念 网络协议是为网络数据交换而制定的规则 约定与标准 网络协议的三要素 语义 语法与时序 语法 规定双方 如何讲 是将若干协议元素和数据组合起来表达一个更完整的内容时所应遵循的格式 语义 规定通信双方准备 讲什么 亦即确定协议元素的含义 如控制信息 执行的动作和返回的应答等 时序 又称语序 规定通信双方 讲的顺序 或 应答关系 即对事件实现顺序的说明 解决何时进行通信的问题 社会上存在的邮政系统 协议 层次 接口与体系结构的概念 层次 layer 协议 protocol 接口 interface 体系结构 architecture 层次 layer 层次是人们对复杂问题处理的基本方法 将总体要实现的很多功能分配在不同层次中 对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定 不同的系统分成相同的层次 不同系统的最低层之间存在着 物理 通信 不同系统的对等层次之间存在着 虚拟 通信 对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定 高层使用低层提供的服务时 并不需要知道低层服务的具体实现方法 划分层次的概念举例 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 分层的好处 各层之间是独立的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 层数多少要适当 若层数太少 就会使每一层的协议太复杂层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难 计算机网络的层次模型 接口 interface 接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点 同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口 低层向高层通过接口提供服务 只要接口条件不变 低层功能不变 低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作 网络体系结构 networkarchitecture 一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集 网络协议是按层次结构来组织的 网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构 网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义 体系结构是抽象的 而实现是指能够运行的一些硬件和软件 3 2ISO OSI参考模型 3 2 1OSI参考模型的基本概念在制定计算机网络标准方面 起着很大作用的两大国际组织是 国际电报与电话咨询委员会 CCITT 国际标准化组织 ISO CCITT与ISO的工作领域不同 CCITT主要是考虑通信标准的制定 ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构 在OSI中的 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 同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信 OSI标准中 采用的是三级抽象 体系结构 architecture 服务定义 servicedefinition 协议说明 protocolspecification 体系结构 开放系统的层次结构 层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务 作为一个框架来协调和组织各层协议的制定 对网络内部结构最精炼地概括与描述 服务定义 详细地说明了各层所提供的服务 某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力 低层的服务是通过接口向上一层提供的 各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关 定义了层与层之间的接口与各层使用的原语 但不涉及接口是具体实现的 3 2 2OSI参考模型的结构 ISO划分七层结构的基本原则 网中各结点都具有相同的层次 不同结点的同等层具有相同的功能 同一结点内相邻层之间通过接口通信 每层可以使用下层提供的服务 并向其上层提供服务 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信 3 2 3OSI参考模型各层的功能简介 物理层的主要功能 利用传输介质为通信的网络结点之间建立 管理和释放物理连接 实现比特流的透明传输 为数据链路层提供数据传输服务 物理层的数据传输单元是比特 数据链路层的主要功能 在物理层提供的服务基础上 数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接 传输以 帧 为单位的数据包 采用差错控制与流量控制方法 使有差错的物理线路变成无差错的数据链路 网络层的主要功能 通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径 为数据在结点之间传输创建逻辑链路 实现拥塞控制 网络互连等功能 传输层的主要功能 向用户提供可靠端到端 end to end 服务 处理数据包错误 数据包次序 以及其他一些关键传输问题 传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节 是计算机通信体系结构中关键的一层 会话层的主要功能 负责维护两个结点之间的传输链接 以便确保点 点传输不中断 管理数据交换 表示层的主要功能 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式 数据格式变换 数据加密与解密 数据压缩与恢复 应用层的主要功能 为应用程序提供了网络服务 应用层需要识别并保证通信对方的可用性 使得协同工作的应用程序之间的同步 建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制 3 2 4OSI环境中的数据传输过程 OSI环境中的数据流 物理层是OSI RM的最低层 物理层保证通信信道上传输0和1二进制比特流 利用机械的 电气的功能和规程特性在DTE和DCE之间实现对物理链路的建立 维护和拆除功能 物理层并不是指物理传输介质 它是介于数据链路层和物理传输介质之间的一层 起着数据链路层到物理传输介质之间的逻辑接口的作用 3 3物理层 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性 即 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 规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序 物理层接口标准举例 EIARS 232C接口标准EIARS 232C是由美国电子工业协会EIA在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口RS RecommendedStandard 推荐标准232 标识号码C 版本号 表示该标准已被修改过的次数 RS 232C标准提供了一个利用公用电话网作为传输媒体 并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定RS 232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信 与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系适合于数据传输速率0 20000b s范围内的通信RS 232C标准中所提到的 发送 和 接收 都是站在DTE立场上 而不是站在DCE的立场来定义的 RS 232C最初定义的是DTE与DCE间的通信 而这个标准未考虑计算机系统的要求 而它又广泛应用于计算机系统 在做计算机系统连接时 采用交叉跳接信号线方法的连接电缆 机械特性 由于RS 232C未定义连接器的物理特性 出现了DB 25 DB 15和DB 9各种类型的连接器DB 25 PC机采用DB 25型连接器1 异步通信的9个电压信号 含信号地SG 2 3 4 5 6 7 8 20 222 9个20mA电流环信号12 13 14 15 16 17 19 23 243 空6个 9 10 11 18 21 25 4 保护地 PE 1个 作为设备接地端 1脚 DB 9连接器AT机及以后 不支持20mA电流环接口 使用DB 9连接器 作为提供多功能I O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器 它只提供异步通信的9个信号电缆长度 在通信速率低于20kb s时 RS 232C所直接连接的最大物理距离为15m 50英尺 电气特性 RS 232C的电气特性规定 逻辑 1 或有信号状态的电压范围为 15V到 5V 逻辑 0 或无信号状态的电压范围为 5V到 15V 在码元畸变小于4 的情况下 DTE和DCE之间最大传输距离为15m 即电缆长度不超过15m 通信速率 20Kb s所允许的线路电压降为2V 功能特性 RS 232C的接口信号 RS 232C规定准接口有25条线 4条数据线 11条控制线 3条定时线 7条备用和未定义线 常用的只有9根 数据发送与接收线 发送数据 Transmitteddata TxD 通过TxD终端将串行数据发送到MODEM DTE DCE 接收数据 Receiveddata RxD 通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据 DCE DTE 地线 有两根线SG PG 信号地和保护地信号线 无方向 数据设备准备好 Datasetready DSR 有效时 ON 状态 表明MODEM处于可以使用的状态数据终端准备好 Dataterminalready DRT 有效时 ON 状态 表明数据终端可以使用请求发送 Requesttosend RTS 用来表示DTE请求DCE发送数据 用来控制MODEM是否要进入发送状态允许发送 Cleartosend CTS 用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据 是对请求发送信号RTS的响应信号振铃指示 Ringing RI 当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号后 使该信号有效 ON状态 通知终端 已被呼叫 规程特性 常见物理层设备与组件 物理传输中存在的主要问题信号衰减信号衰减是指用以表示原始比特流的信号其能量在传输过程中越来越小 以至在超出一定距离后信号能量再也无法被检测 信号衰减是不可避免的 需要采用放大和整形的方法来解决信号衰减及变形问题 噪声指附加在原始信号之上的所有不期望的信号 有时也被称为干扰 用信噪比 S N 来表示噪声对信号的影响程度 信噪比越大 噪声对信号传输质量的影响就越小 减少干扰的最终目的就是为了提高信噪比 物理层的网络连接设备 中继器工作在OSI参考模型的物理层上 功能是对衰减的信号进行再生和放大 然后再发送到另一电缆段 可以 延长 网络的距离 集线器集线器是对网络进行集中管理的最小单元 工作原理与中继器了类似 3 4数据链路层 数据链路层OSI RM的第2层 它通过物理层提供的比特流服务 在相邻节点之间建立链路 传送以帧 Frame 为单位的数据信息 并且对传输中可能出现的差错进行检错和纠错 向网络层提供无差错的透明传输 数据链路层解决两个相邻节点之间的通信问题 实现两个相邻节点链路上无差错的协议数据单元传输 数据链路层传输的协议数据单元称为数据帧 所谓链路就是数据传输中任何两个相邻节点间的点到点的物理线路 数据帧通常是由网卡产生 上一层的协议数据单元 数据包 传递到网卡后 网卡通过添加头部和尾部将数据打包 封装成帧 然后数据帧沿着链路再传送至目的节点 头部的信息包括发送节点和接收节点的地址 MAC地址 以及错误校验信息等 MAC地址是全球惟一的48位物理地址 由厂家在生产时固化到网卡的ROM中 数据链路层涉及到的具体内容有以下几点 1 成帧数据链路层要将网络层的数据分成可以管理和控制的数据单元 称其为帧 2 物理地址寻址数据帧在不同的网络中传输时 需要标识出发送数据帧和接收数据帧的节点 3 流量控制数据链路层对发送数据帧的速率必须进行控制 如果发送的数据帧太多 就会使目的节点来不及处理而造成数据丢失 4 差错控制为了保证物理层传输数据的可靠性 数据链路层需要在数据帧中使用一些控制方法 检测出错或重复的数据帧 并对错误的帧进行纠错或重发 5 帧同步帧同步是指收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方 1 帧与成帧帧的基本格式成帧与拆帧帧的发送与接收 数据链路层功能 数据链路层功能 2 帧同步功能 帧是具有一定长度和格式的信息块 是数据链路层的传输单位 不同网络其帧格式或长度可以不同 但将位流组成帧的方法基本相同 这些方法都有一个共同的目的 就是如何使接收方能够准确地从收到的比特流中识别出帧的边界 取出帧来 即所谓的帧同步 数据链路层所以要把比特组合成以帧为单位传送 是为了在出错时 可只将有错的帧重发 而不必将全部数据重新发送 从而提高了效率 通常为每个帧计算校验和 当一帧到达目的地时 校验和再被计算一遍 若与原校验和不同 就可发现出错了 A 字节计数法 字符计数法是在帧头中使用一个字段来标明帧内的字符数 当目的机的数据链路层看到字符计数值 它就知道了后续字符数和帧尾的位置 这种方法的主要问题是计数值本身因传输而出现错误 使得目的机不能确定下一个帧的开始位置 即使目的机能够发现错误 也不能确切地告知源机器重传哪一帧 所以 字符计数法已很少采用 B 带填充字符的首尾界符法 这种方法用一些特定的字符来定界一帧的开始和结束 为了不将信息位中出现的特殊字符被误码判为帧的首尾定界符 可以在前面填充一个转义符 DLE 来区分 这种方法 目的机一旦丢失边界 只需查找DLESTX或DLEETX字符序列就可以找到它所在的位置 面向字符的同步规程 BSC 用这种方法的主要缺点是依赖于8位控制字符 特别是ASCII字符 因而兼容性较差 另外数据传输的基本单位是字符 由于要求帧的长度必须是8的整倍数 这样能够给传输任意长度的二进制位流带来一定的不便 C 带填充位的首尾标志法 这种方法用一组特定的比特模式 如 01111110 来标志一帧的开头和结束 为了不使信息位中出现的该特定模式被误判为帧的首尾标志 可以采用比特填充的方法来解决 面向比特的同步规程 HDLC 0 比特插入删除技术 在传送的数据信息中每遇到5个连续的1在其后加0 接收方删除5个连续1后面的第一个 0 例如 0110111111011111001在网络中传送时表示为 0111111001101111101011111000101111110 D 违法编码法 这在物理层次用特定的比特编码方法时采用 比如说 采用曼彻斯特编码方法时 其有效编码是 低 高 电平对或 高 低 电平对 而 高 高 和 低 低 电平对属违法编码 不会在数据中出现 于是可以利用 高 高 或 低 低 电平对来标识帧的边界 这种方法的优点是不需要填充位或字符 但编码效率低 3 差错控制功能 通信系统必须具备发现 即检测 差错的能力 并采取措施纠正之 使差错控制在所能允许的尽可能小的范围内 这就是差错控制过程 一旦发现差错 一般可以采用反馈重发的方法来纠正 这就要求接收方收完一帧后 向发送方反馈一个接收是否正确的信息 使发送方据此作出是否需要重新发送的决定 发送方收到接收方以正确接收的反馈信号后才能认为该帧已经正确发送完毕 否则重发直至正确为止 4 流量控制功能 流控技术并不是数据链路层特有的功能 由于收发双方各自使用的设备工作速率和缓冲存储空间的差异 为了确保发送实体不会使接收实体发生数据溢出的现象 接收实体一般都为数据传送设置一定容量的数据缓冲器 当接收到数据后 接收器往往要进行某些处理 然后再把数据送给高层软件 如果不进行流控 那么 在处理已到达的数据的过程中 如果又来了新的数据 就会发生接收缓冲器溢出的情况 流量控制的作用是使发送方所发出的数据流量速率不要超过接收方所能接收的数据的流量速率 流量控制的关键是协调发送速度与接收速度 使得接收点来得及接收发送节点发送的数据帧 A 非受限协议 基本思想是 发送方只要有信息发送就可以不受限制地发送数据帧 并假定接收方有足够大的缓存区 可以缓存发送方发送的数据帧 或假定接收方的处理速度足够快 快到可以完全来得及处理发送方发送的数据 非受限协议不检测帧是否损坏 丢失 不控制发送数量 即没有任何限制 这种协议适用于高质量的网络传输信道 几乎没有错误发生的情况 或者传输信息不重要 即使发生个别信息的丢失也没有太大影响的情况 B 停 等协议 基本思想是 发送方每发送完一个数据帧 都要等待接收方的确认帧到来后 再发送下一帧 接收方每接收到一个数据帧后 都要向发送方发送一个正确接收到数据帧的确认帧 如果数据帧没有错误 则按照上述步骤循环执行 直至数据帧发送完毕 一旦接收方发现数据帧出现错误 则返回一个数据帧出错的信息帧 发送方则重发出错的帧 停 等协议的控制过程简单 每次发送一个数据帧 要求节点缓冲区小 但停 等协议也存在一些问题 例如 如果发送方发送的数据帧丢失 接收方接收不到数据帧 也就不会返回确认帧 则造成发送方永久等待 C 滑动窗口协议 发送方存放待确认帧的重发表中 应设置待确认帧数据的最大限度称为链路的发送窗口 接收方同样也有接收窗口 它只是允许接收的帧的序号 发送方每次发送一帧后 待确认帧的数目便增1 每收到一个确认信息后 待确认帧的数目便减1 当重发表长度计数值 即待确认帧的数目等于发送窗口尺寸的时候 便停止发送新的帧 本质是自收到一确定帧之前 对发送方可发送的帧的数目加以限制 这是由发送方调整留在重发表中的待确认帧的数目来实现的 如果接收方来不及对收到的帧进行处理 则接收方便停发确认信息 此时发送方的重发表就会增长 当达到重发表限度时 发送方就不再发送新帧 直至再次收到确认信息为止 数据链路层协议实例 面向字符的通信规程面向位的通信规程 面向位的同步控制协议 HDLC 特点 高级数据链路控制协议 HDLC 不依赖于任何一种字符编码集 数据报文可透明传输 用于实现透明传输的 0比特插入法 易于硬件实现 全双工通信 不必等待确认便可继续发送数据 有较高的数据链路传输效率 所有帧均采用CRC校验 对信息帧进行顺序编号 传输可靠性高 传输控制功能与处理功能分离 具有较大灵活性 由于以上特点 目前网络普遍使用HDLC作为数据链路层控制协议 HDLC帧格式 帧类型及控制字段的意义 帧类型 数据链路层的设备与组件 网卡又称网络接口卡 NIC 是主机与网络的接口部件 其功能为 控制数据传送具备串并转换功能缓存功能网桥交换机 交换机 交换机也是工作在数据链路层的网络互联设备 交换机也叫交换式集线器 是一个由许多高速端口组成的设备 交换机实际上是由网桥发展而来的 工作原理与网桥相似 工作原理是依据MAC地址和交换机内存中的关联表实现帧的路径选择 交换机刚启动时 这个关联表是空的 当某一结点传送的数据通过交换机时 如果该MAC地址不在关联表中 交换机会自动记下其地址及对应的交换机端口号 通过这样一个 学习 过程 在交换机内存中建立起一张MAC地址和端口号的关联表 交换机 交换机从外表上看与集线器非常相似 区别在于 在OSI RM中的工作层次不同数据传输方式不同带宽占用方式不同传输模式不同 3 5网络层 计算机网络分为资源子网和通信子网 网络层就是通信子网的最高层 它在数据链路层提供服务的基础上向资源子网提供服务 网络层的主要任务是设法将源结点发出的数据包传送到目的结点 从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务 数据链路层涉及的是两个 相邻 节点之间的通信 仅解决数据帧从物理介质的一端送到另一端的问题 而网络层提供的是不相邻的源和目标之间的透明传输 网络层涉及的概念有以下几个 逻辑地址寻址数据链路层的物理地址只是解决了在同一个网络内部的寻址问题 如果一个数据包从一个网络跨越到另外一个网络时 就需要使用网络层的逻辑地址 路由功能路由选择就是根据一定的原则和算法在传输通路中选出一条通向目的节点的最佳路由 流量控制在数据链路层中介绍过流量控制 在网络层同样也存在流量控制问题 拥塞控制在通信子网中 由于出现过量的数据包而引起网络性能下降的现象称为拥塞 网络层的网络互连设备 路由器路由器工作在OSI模型的网络层 是根据数据包中的逻辑地址 网络地址 而不是MAC地址来转发数据包的 路由器的主要功能就是为经过路由器的每个数据分组选择一条最佳传输路径 并将该数据分组有效地传送到目的站点 选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在 第三层交换机 3 6传输层 OSI的低三层是面向网络通信的协议 第四层传输层是负责端到端的通信 传输层是OSI模型中最重要的一层 其主要作用是 提供可靠的端到端的通信 向会话层提供独立于网络的运输服务 传输层讲到的端口实际上是指实现某种服务的程序 进程 而工作在物理层上的集线器 数据链路层上的交换机 网络层上的路由器等物理设备的端口指的是连接其他设备的接口 网络层只是根据网络地址将源节点发出的数据包传送到目的节点 而传输层则负责将数据可靠地传送到相应的端口 进程 传输层 主要功能 对一个进行的对话或连接提供可靠的运输服务 在通向网络的单一物理连接上实现连接复用 在单一连接上提供端到端的序号与流量控制 端到端的差错控制及恢复等服务 常用的传输层协议有TCP和UDP协议 传输层的功能 分割与重组数据按端口号寻址连接管理差错处理和流量控制 3 7会话层 表示层和应用层 会话层表示层数据表示语法转换语法选择连接管理应用层 3 8TCP IP参考模型 3 8 1TCP IP参考模型的发展在TCP IP协议研究时 并没有提出参考模型 1974年Kahn定义了最早的TCP IP参考模型 80年代Leiner Clark等人对TCP IP参考模型进一步的研究 TCP IP协议一共出现了6个版本 后3个版本是版本4 版本5与版本6 目前我们使用的是版本4 一般被称为IPv4 IPv6被称为下一代的IP协议 TCP IP协议的特点 开放的协议标准 独立于特定的计算机硬件与操作系统 独立于特定的网络硬件 可以运行在局域网 广域网 更适用于互连网中 统一的网络地址分配方案 使得整个TCP IP设备在网中都具有唯一的地址 标准化的高层协议 可以提供多种可靠的用户服务 3 8 2TCP IP参考模型各层的功能 应用层 applicationlayer 传输层 transportlayer 网际互连层 internetlayer 网络接口层 主机网络层 host to networklayer TCP IP参考模型与OSI参考模型的对应关系 网络接口层 主机 网络层 TCP IP参考模型的最低层 负责通过网络发送和接收IP数据报 允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议 例如局域网的Ethernet 令牌网 分组交换网的X 25 帧中继 ATM协议等 当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时 就可以认为是这一层的内容 充分体现出TCP IP协议的兼容性与适应性 它也为TCP IP的成功奠定了基础 互连层 相当OSI参考模型网络层无连接网络服务 处理互连的路由选择 流控与拥塞问题 IP协议是一种无连接的 提供 尽力而为 服务的网络层协议 传输层 主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端 端连接 传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议 用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议 应用层 远程登录协议Telnet文件传输协议FTP简单邮件传输协议SMTP域名系统DNS简单网络管理协议SNMP超文本传输协议HTTP TCP IP协议栈 客户进程和服务器进程使用TCP IP协议进行通信 数据链路层 物理层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 应用层 因特网 以后就逐级使用下层提供的服务 使用TCP和IP 功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程 数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 计算机3 因特网 3 9OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 3 9 1对OSI参考模型的评价层次数量与内容选择不是很好 会话层很少用到 表示层几乎是空的 数据链路层与网络层有很多的子层插入 OSI参考模型将 服务 与 协议 的定义结合起来 使得参考模型变得格外复杂 实现困难 寻址 流控与差错控制在每一层里都重复出现 降低系统效率 数据安全性 加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了 参考模型的设计更多是被通信的思想所支配 不适合于计算机与软件的工作方式 严格按照层次模型编程的软件效率