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第2篇计算机网络体系结构 这一篇主要从立面上观察计算机网络的层次结构和工作原理 实践证明 按照层次结构建立的系统具有较高的稳定性和可管理性 第四章ISO OSI参考模型第五章IEEE802模型与局域网第六章Internet与TCP IP结构第七章ATM网络 第4章ISO OSI参考模型 4 1关于网层次结构的基本概念4 2ISO OSI参考模型结构 4 1关于网层次结构的基本概念 4 1 1分层原则4 1 2服务与接口4 1 3各层设计中的流量控制 网络体系结构 为了完成计算机间的通信合作 把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次 并规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口和服务 这样的层次结构模型和通信协议统称为网络体系结构 网络采用层次结构的优点 1 各层之间相互独立 高层不需要知道低层是如何实现的 而仅知道该层通过层间的接口所提供的服务 2 灵活性好 某层的改变 只要层间接口不变 则不影响上下层 3 结构上可分割 各层都可采用最合适的技术来实现 4 这种结构使得系统的实现和维护变得容易控制 5 这有利于促进标准化工作 分层原则 每层的功能应当明确 各层相对独立 使得当某层的方法变更时 只要保持接口关系不变 不会影响其他层的结构和方法 各层功能的确定 应当有助于网络协议国际标准的制定 层间接口要清晰 尽量减少跨越接口的信息量 层数适当 4 1 2服务与接口 A 服务和协议在对等层间形成虚拟通信 第N层向第N 1层提供服务 称为N服务对等层之间的虚拟通信是通过执行 N 功能实现的 网络协议 网络协议就是计算机网络中相互通信的对等实体间交换信息或者数据所共同遵守的规则标准或约定的集合 网络协议三个要素 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应答 同步 实体通信实现顺序的说明 涉及速度匹配和排序 B 接口 接口是协议中不同功能层之间的通信规约 是数据流穿越功能层界面的约定 是实体之间的连接部分接口在相邻层之间 层间通过接口联系 并将服务功能细节对上层屏蔽 上下层间通过接口交换信息 C 服务原语 原语的概念 有证实 服务和 无证实 服务原语的参数 原语的概念 服务在形式上由一组原语描述 原语规定了应完成的功能 并用于传送数据以及控制信息 它们供用户和其他实体访问该服务时调用 它们通知服务提供者采取某些行动或报告某个对等实体的活动 ISO OSI定义的4种类型的服务原语 有证实 服务和 无证实 服务 有证实服务包括请求 指示 响应和证实4个原语 无证实服务只包括请求 指示2个原语 CONNECT request 拨号 请求 响铃 指示 CONNECT indication CONNECT response 摘机 响应 听到摘机 证实 CONNECT confirm 张方 李方 N 服务用户 N 服务用户 N 服务提供者 DATA request 今晚8时在会议室开会 请求 知道了 响应 听到通知声 指示 DATA indication DATA response DATA confirm 听到回答 证实 DISCONNECT request 挂机 请求 听到已挂机 指示 DISCONNECT indication 证实服务和无证实服务的交互过程 原语的参数 例如 连接请求的参数 目的地 服务类别 报文长度 D协议与服务的关系 服务定义了相邻两层之间的接口关系 上层是服务的用户 下层是服务的提供者 并用一组原语描述服务内容 下层能够为它的上层给予的支持 协议是同层实体之间的数据交换的规则 实体利用协议来实现它们的服务的定义 4 1 3各层设计中的流量控制 拥塞与死锁流量控制的基本原理流量控制的级别用户资源需求限制策略 拥塞与死锁 网络拥塞 网络的吞吐量随输入负载的增大而下降的现象网络死锁 网络吞吐量随输入负载大到一定程度 引起网络不能工作流量控制功能 防止网络因过载而引起的吞吐率下降和延时的增加 减少拥塞 避免死锁 在互相竞争的用户之间公平合理地分配资源 流量控制的基本原理 从原理上说 拥塞和死锁是网上可用资源不能满足各用户资源需求造成的防止拥塞和死锁的办法是流量控制 流量控制的基本策略 增加用户可用资源限制用户资源需求 流量控制的级别 计算机网络流量控制从两种角度来研究从网络的组成环节上看 涉及段级 入口出口级 主机与节点间和主机间的流量控制 从网络的体系结构上看 涉及到物理层 链路层 网络层和传输层 流量控制级别 相邻结点控制 维持一个均匀平滑的流量 避免产生局部拥塞和死锁 源结点和目的结点 防止目的结点因缺少缓冲区而产生拥塞 办法是源结点向目的结点预约缓冲区 保证每份报文都有相应的分组存储空间 主机与源结点的控制 控制进网的总通信量 网络访问流量控制 原主机与目的主机控制 防止用户缓冲区出现拥塞 流量控制的级别 用户资源需求限制策略拥塞控制 1 缓冲区预分配法 面向连接 建立虚电路 使经过交换结点的每条虚电路都有足够的缓冲空间2 分组丢弃法 无连接 发结点有分组就发 接收结点若无缓冲区就将分组丢弃3 抑制分组法 降低网络吞吐量 为每条输出链路规定一个利用率值 每个结点监控其每条输出链路的利用率 大于阀值 进入 警告 4 许可证法 保证分组数目不会超过设定值 数据单元丢弃法 当目的主机有缓冲区时就接收数据单元 无缓冲区时就将数据单元丢弃 被丢弃的数据单元由于源主机得不到确认而重发 许可证法 网络初启时 给每个节点各分配一定数量的许可证 一个节点上的主机要发送数据 必须从该节点获得一个许可证 将许可证与数据一起发送 4 2ISO OSI参考模型结构 国际标准化组织 Internationalstandardsorganization 于1982年4月制定的一个开放系统互联的草案OSI RM国际标准草案 OSI RM是一个七层模型 应用层 应用层 表示层 表示层 会话层 会话层 传输层 传输层 网络层 网络层 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 物理层 物理层 数据链路层 数据链路层 网络层 网络层 通信子网 进程间通信 主机A 主机B 应用层协议 系统间数据传输 传输介质 表示层协议 会话层协议 传输层协议 网络层协议 数据链路层协议 物理层协议 开放系统互联参考模型 OSI的低层OSI的高层传输层OSI RM各层中的数据流动 ISO OSI参考模型结构 4 2 1OSI的低层 物理层数据链路层网络层 物理层 物理层的功能是解决 物理连接 的标准问题 机械特性 插头尺寸 各脚位置电气特性 表示 1 和 0 的电压各为多少 一个比特的宽度功能特性 某一根线上出现某一电平所代表的意义规程特性 不同功能的各种可能事件出现的顺序 常用的物理层协议 EIARS 232C用于数据终端设备 DTE 数据电路端接设备 DCE 之间的接口 机械特性 25芯连接器 DTE为插头 DCE为插座 电气特性 低于 3V为 1 高于 4V为0 最大20Kbps 最长15m 规程特性 适合单工 半双工 全双工 同步 异步EIA 232 DV 35X 21 数据链路层 链路 指一条中间没有任何交换结点的点到点的物理线路段 物理链路 它是构成计算机网络的一个基本单元 数据链路 是在链路上加具有数据传输协议的软 硬件 设置该层的目的是屏蔽传输介质不可靠的因素 数据链路层的功能 组帧 把物理层送来的比特流分割成帧进行数据链路层的差错控制和流量控制向网络层提供可靠透明的数据传输服务实现相邻结点间正确的数据传输 功能实现的途径 1 帧定界与同步 帧由若干个字段构成 字段之间如何标识就是定界 目的是为了利于差错控制 如有错 只须发对应的帧 同步是如何使收 发双方取得一帧的开始与结束2 差错控制 接收端对收到的帧进行效验 以决定是否重发3 流量控制4 链路管理 面向连接的服务 通信前 要确知对方已处于准备好状态 对帧编号初始化 建立连接 维持和释放 一般帧格式 数据链路层提供的服务 数据链路层提供的服务分两类 基本服务 具体服务基本服务 将源结点数据正确地传送到相邻结点具体服务无确认的无连接服务 两点不建立连接 帧不做确认 通信完后也无需链路释放过程 适用于链路误码率低 有确认的无连接服务 两点发送独立帧 接收回送确认帧 超时重发 适用于不可靠的通信场合 面向连接的服务 两点通信前必建立连接 且发送的每一帧都被加上编号 并保证每帧只收到一次且不乱帧 完毕释放 网络层 特性 是通信子网的最高层 最能体现网络的概念需解决问题 如何解决数据在通信子网中的传输路径完成的任务 1 控制通信子网中的数据流量 防止拥塞2 提供建立 维护和终止网络连接的手段 网络层提供的服务和功能 1 服务 为两个传送实体之间提供透明的数据传送 为此它须屏蔽由不同子网技术而引起的差异2 功能 向传输层提供面向 无 连接服务 按上层需要动态地建立 维持 拆除网络连接 提供网络连接在数据链路上的多路复用功能 实现数据的分组和组装 提供差错和恢复 实现流量控制和有序服务网络层中有代表性的标准协议有 ITU T的X 25Internet中使用的IP协议 4 2 2OSI的高层 OSI的高层包括会话层 表示层和应用层 属于资源的分配和处理的部分 通常称为资源子网部分 会话层 是建立在用户与网络间的接口 高层与通信服务之间的接口 其功能主要由软件实现主要处理通信双方的建立 组织 并协调 控制会话的进行基本作用 为上层提供管理与控制所传送数据流的手段 同时使表示层无须涉及调用传输服务的细节功能 建立会话连接并顺序传送数据流 同时将其结构化 以实施管理SSL协议 SecureSocketLayer 安全套接层 表示层 功能 处理两个应用实体间数据交换的语法和语义问题 解决数据交换中存在的数据格式不一样和表示方法不同等问题 表示层还进行加密 压缩或终端仿真的处理具体任务 把源端机器的数据编码变成适合于传输的编码 传送到目的端后再进行解码 应用层 应用层包含大量人们普遍需要的协议 直接为用户服务主要进行应用管理 系统管理 文件传输 电子邮件 远程作业输入 名录查询和其他各种通用和专用的功能特点 位于顶部 上方是真正的用户 由用户选用软件构成 概念上应用层与具体操作系统无关 但实际具体的软件必需在某个操作系统中运行 向用户提供服务常用协议 4 2 3传输层 是唯一负责总体数据传输和控制的一层是通信服务及数据处理服务的桥梁 提供的是端到端的进程通信服务处理的是主机间的数据通信 源 目的 具体考虑问题 1 两个主机间的数据传输方式 与连接有关否 与连接有关的数据传输服务 打电话 与连接无关的数据传输服务 寄信件 2 分组 如何把数据分割成数据包并进行分组 两种数据传输服务比较 传输模型 对等层之间交换的信息报文统称为协议数据单元 PDU由协议控制信息 协议头 和数据 SDU 组成 传输层提供的服务 主要功能是增强和优化网络层提供的服务质量 具体有端到端传输 可靠传输 寻址 流量控制 差错控制及多路复用1 端到端传输网络层将每个报文分组看做一独立实体 即使它们属同一报文 也看不到它们之间的任何联系 传输层则不同 它传送的是一个完整的报文 所以说它是监督整个报文从源到目的端到端的传送2 可靠传输差错控制 顺序控制 分段和连接 序列编号 丢失控制 重复控制 传输层的任务 传输层差错控制 传输层的差错处理机制是差错检测和数据重传与数据链路层的区别 数据链路层仅仅检查链路起始和终止之间是否有差错 传输层必须要有端到端的错误检查 以保证数据端到端的正确传输图例 传输层的基本开发思想 网络层向上提供服务的方式不同 代表了两种建网思想 即将报文的差错 顺序控制等复杂问题是放在通信子网中解决 还是放在主机 传输层 中解决 两种建网的代表 Internet 面向无连接 复杂问题放在主机中 通信子网不可靠 ATM 面向连接 复杂问题放在通信子网中传输层也提供面向连接和无连接两种服务 传输层协议类型与网络层服务质量的关系 该层协议建立在网络层之上 网络层服务的完善程度直接影响传输层协议的复杂性 网络层服务越差传输层协议就越复杂网络服务按质量可分为三种类型A级 提供完善的服务 分组的丢失 重复和错序极少C级 服务几乎是不可靠的 会出现分组丢失和重复分组B级 网络服务介于A级和C级之间 网络层的服务等级与传输层协议类型 传输服务过程 建立连接数据传输释放连接连接表 a建立连接 与远端的固定传输地址的连接与非固定传输地址的连接TSAP地址和NSAP地址结构 与远端的固定传输地址的连接 源主机上的进程需要查询时间时 发出连接请求 源传输地址为8号TSAP 目标地址为123号TSAP 源主机传输层收到连接请求后 在源主机和目标主机上选择NSAP 并在它们之间建立一个网络连接 源主机上的传输实体利用上述连接 将服务质量参数通知目的主机上的传输实体 目的主机上的传输实体发送连接指示给时间进程 如果时间进程同意 就发出连接响应原语 源主机的传输实体收到确认信号 连接便建立 与非固定传输地址的连接 首先与注册进程连接 在ARPA网中称为初始连接 相当于先接通秘书的电话请求进程给注册进程发消息 说明要服务的程序 相当于告诉对方秘书要找谁注册进程按照消息要求产生一个新的进程运行该服务进程 并为它分配一个未用地址注册进程将分配的传输地址发给远端请求进程 并释放与请求进程的传输连接5 请求进程收到传输地址后 释放与注册进程的连接 相当于也挂机6 请求进程与服务进程连接 相当于再拨给欲联系者的临时电话 TSAP地址和NSAP地址结构 一般地 通用TSAP地址具有下面的层次结构 实际上 也就是 TSAP地址 NSAP地址 即IP地址 因此 当一个传输实体收到一个TSAP地址并想与之连接时 只要使用TSAP地址中的NSAP地址 就可以首先建立一个网络连接 进而到达适当的远端传输实体 b数据传输 两个要通信的传输服务用户进程一旦建立了连接 便可以立即开始数据传输 数据传输过程中要处理的一些问题 数据封装拼接和分割多路复用和分流流量控制和缓冲管理 1 数据封装 在源端 传输层接收来自高层的服务数据单元TSDU 然后加上报头进行封装 使之成为传输层的协议数据单元TPDU 如果报文太长 则应将其分段 如果报文太短 应将它们组装 与之对应 在目的端再恢复原状 2 拼接和分割 从传输层往下看 TPDU实际上是要通过网络层进行实际的数据传输 为此 要按网络层的NPDU大小 对传输层的TPDU进行拼接或分割 随着分组一层一层地向下层传输 数据分组被进行一层一层地封装 最后到达物理层按比特流传输 分组头 帧头 TPDU有效载荷 分组有效载荷 帧有效载荷 TPDU头 图4 12TPDU的层层封装过程 3 多路复用和分流 为提高传输效率 传输层设置了多路复用功能复用包括两个方面 向上复用和向下复用 向上复用就是多个传输层连接复用到一个网络层上 向下复用就是一个传输层连接使用多个网络层上 4 流量控制和缓冲管理 传输层流量控制使用滑动窗口技术 窗口可随缓冲区大小变化 滑动窗口是面向字节 不是帧 C释放连接 当数据传输完毕或出现异常情况时 都需要释放连接 d连接表 传输实体要维护一个称为 连接表 的一维数组 来记录连接号与连接端点的对应关系 在该一维数组中 每一个数组元素都是一个称为 连接表项 的结构体 状态 远端网络地址 远端端口 本地网络地址 本地端口 工作区指针 下面对各连接表项加以说明 远端 本地网络地址与远端 本地端口 远端 本地网络地址用于区分远端 本地计算机 远端 本地端口用于区分远端 本地计算机上的应用进程 工作区指针工作区包括一个报文段缓冲区 发送序号变量 确认序号变量 总长度变量 偏移变量等 该工作区是动态分配的 传输服务原语 传输服务原语的参数传输服务原语的类型传输服务原语使用的时序 传输服务原语的参数 在传输服务原语中 要涉及如下参数 callee 被呼方传输实体使用的地址 即被呼方TSAP的地址 caller 呼叫方传输实体使用的地址 即呼叫方TSAP的地址 exp wanted 是否加快数据发送 布尔值 qos 希望的服务质量user data 传输服务用户数据responder 目标方作为响应的传输地址reason 连接释放原因 传输服务原语的类型 面向连接的传输服务原语无连接的传输服务原语 连接服务原语 T CONNECT request callee caller exp wanted qos user data T CONNECT indication callee caller exp wanted qos user data T CONNECT response qos responder exp wanted user data T CONNECT confirm qos responder exp wanted user data 连接释放服务原语 T DISCONNECT request user data T DISCONNECT indication respon user data 数据正常传输服务原语 T DATA request user data T DATA indication user data 数据加速传输服务原语 T EXPEDITED DATA request user data T EXPEDITED DATA indication user data 传输服务原语