《网络体系结构》PPT课件.ppt

第二章网络体系结构 2 1网络结构 发展1 主机终端网络的互联 形成多主机为中心的网络 发展2 CCP通信控制处理机 专门处理主机之间的通信任务 通信任务从主机中分离 发展3 由CCP组成的传输网络 通信子网 为资源子网提供信息传输服务 一方面反映了计算机系统对信息传输 交流的不断重视与深化 另一方面反映了信息传输的复杂性 信息自身 节点差异 多点 网络的基本拓扑类型 在实际中 没有哪一种单一的拓扑类型可满足所有应用 2 2网络的标准化 1970年代开始的网络标准化厂商标准 IBM SNA DEC DNA国际标准 ISO OSI RM行业标准 CCITT X 25 IEEE 802事实标准 TCP IP 1 国际标准化组织ISOISO是1946年成立的一个自愿的 非条约的组织 负责制定各种国际标准 大多数国家的国家标准化组织是它的成员 ISO大约有200个技术委员会 TC 按建立的顺序标号 每个委员会处理专门的主题 如TC97负责计算机和信息处理 每个技术委员会都下设分委员会 SC 分委员会又下设工作组 WG ISO已经制定了5000多个各种各样的标准 其中包括OSI计算机网络这样复杂的标准 还有小到螺钉螺帽这样的标准 2 电器和电子工程师协会IEEE是世界上最大的专业组织 它每年出版大量的杂志和召开很多次会议 在国际上非常有影响 在电子工程和计算机领域内 IEEE有一个标准化组制定各种标准 例如IEEE802关于局域网的标准是局域网的重要标准 后来ISO以它为基础制定了ISO8002 成了国际标准 3 电信标准国际电信联盟ITU InternationalTelecommunicationUnion 1865年成立1947年ITU成为联合国的一个组织 由三部分组成 ITU R 无线通信ITU T 电信标准 ITU D 开发1956 1993年称为CCITT围绕信息通信 制定了一系列标准 如V 系列 X 系列 4 Internet标准Internet标准化机构是非政府性质的 Internet最权威的国际组织是1992年成立的Internet协会 早于Internet协会成立的Internet体系结构委员会IAB并入Internet协会 IAB下边有两个附属机构IRTF IETF Internet研究特别任务组IRTF注重长期的研究 Internet工程特别任务组IETF注重处理短期的工程问题 Internet编号管理局IANA负责协调IP地址和顶级域名的管理及注册 2 3层次体系结构 1974年 美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA SystemNetworkArchitecture 国际标准化组织 ISO 于1977年成立了一个专门的机构来研究该问题 不久 他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架 即著名的开放系统互连基本参考模型OSI RM OpenSystemsInterconnectionReferenceModel 简称为OSI 1983年ISO的OSI模型正式成为国际标准 层次化方法是处理复杂问题的基本方法 应用程序 操作系统OS 基本输入输出 硬件 PC的层次结构 校 院 系 班 大学的层次结构 1 各层是独立的 某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的 而仅仅需要知道该层间的接口 即界面 所提供的服务 由于每一层只实现一种相对独立的功能 因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题 这样 整个问题的复杂程度就下降了 2 灵活性好 当任何一层发生变化时 例如技术的变化 只要层间接口关系保持不变 则在这层以上或以下各层均不受影响 3 结构上可分割开 各层都可以采用最合适的技术来实现 4 易于实现和维护 这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理 因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统 5 能促进标准化工作 因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明 分层的原则 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 并不需要知道低层服务的具体实现方法 网络层次模型的思想 对于第N层协议来说 它有如下特性 1 不知道上 下层的内部结构 2 独立完成某种功能 3 为上层提供服务 4 使用下层提供的服务 接口 服务 协议 接口相邻两层之间的边界 低层通过接口为上层提供服务 服务服务在形式上是由一组接口原语 或操作 来描述的 服务原语可分为四种类型 请求 Request 指示 Indication 响应 Response 确认 Confirm 基于连接的服务当使用服务传送数据时 首先建立连接 然后使用该连接传送数据 使用完后 关闭连接 特点 顺序性好 可靠性高 无连接服务直接使用服务传送数据 不需要事先建立连接 每个包独立进行路由选择 特点 顺序性差 可靠性较低 协议 Protocol 协议是一种通信规约 进行相互交流的双方都必须遵守 为了保证计算机网络中计算机之间正确地 有条不紊地收发数据所制定的一系列通信协议就是网络协议 协议地组成 网络协议一般由语法 语义和时序三要素组成 语法是用户数据与控制信息的结构和格式 以便通信双方能正确地识别所传送的各种信息 语义是需要发出何种控制信息以及完成的动作和做出的响应 时序是对实现信息传送顺序的详细说明 2 4OSI网络模型层次 传输数据的单位是比特 物理层的作用是尽可能的屏蔽设备 低层 的差异 对它的高层即数据链路层提供统一的服务 为了达到这个目的 物理层在设计时涉及的主要问题有 机械方面 接口连接器的大小 形状 各引脚的几何分布 传输介质的参数和特性等 电气方面 线路的最大传输速率 信号允许传输的最大距离 信号的波形和电压大小等 功能方面 接口连接器各引脚的功能 电路的作用等 过程方面 比特流传输时 应按什么顺序执行整个通信过程 综上所述 物理层提供为建立 维护和拆除物理链路所需要的机械的 电气的 功能的和规程的特性 一 物理层 数据链路层传输数据的单位是帧 数据帧的帧格式中包括的信息有 地址信息部分 控制信息部分 数据部分 校验信息部分 数据链路层的主要作用是通过数据链路层协议 即链路控制规程 在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输 数据链路层要解决如下一些主要问题 1 建立 维持和释放数据链路的连接 2 流量控制的问题 在数据链路层还要控制发送方的发送速率必须使接收方来得及接收 当接收方来不及接收时 就必须及时地控制发送方的发送速率 即在数据链路层要解决流量控制的问题 3 差错控制 具备发现差错和纠正差错的功能 可以重发或向上层报告 错误 二 数据链路层 网络层传送的数据单位是报文分组或包 在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能要经过许多个结点和链路 也可能还要经过好几个路由器所连接的通信子网 网络层的任务就是要选择最佳的路由 使发送站的运输层所传下来的报文能够正确无误地按照目的地址找到目的站 并交付给目的站的运输层 网络层还需解决拥塞控制问题路由选择的定义是根据一定的原则和算法在传输通路上选出一条通向目的结点的最佳路径 一个好的路由选择应有以下特点 信息传送所用时间最短使网络负载均衡通信量均匀路由选择算法应简单易实现 不致因拓扑的变化 影响报文正常到达目的结点 三 网络层 OSI所定义的运输层是通信子网 下面3层 和资源子网 上面3层 的分界线 它屏蔽通信子网的不同 使高层用户感觉不到通信子网的存在 它完成资源子网中两结点的直接逻辑通信 实现通信子网中端到端的透明传输 这里的 端 是指信息传输的两个端点 即发送方的进程与接收方的进程 或者说是双方的应用程序 运输层信息的传送单位是报文 运输层的基本功能是从会话层接收数据报文 并且在当所发送的报文较长时 在运输层先要把它分割成若干个报文分组 然后再交给它的下一层 即网络层 进行传输 另外 这一层还负责报文错误的确认和恢复 以确保信息的可靠传递 运输层还要处理端到端的差错控制和流量控制的问题 四 运输层 应用层是OSI网络协议体系结构的最高层 是计算机网络与最终用户的界面 为网络用户之间的通信提供专用的程序 应用层则提供完成特定网络功能服务所需要的各种应用协议 五 应用层 OSI网络模型评价OSI是80年代计算机网络技术 网络体系结构的主流 在网络发展过程中占有重要的地位 OSI网络体系结构的贡献 分层模型服务 接口 协议批评 Badtiming toolate Badtechnology boththemodelandtheprotocolareflawed Badimplementations huge unwieldy andslow Badpolitics governmentandorganizationsbureaucrats 2 5TCP IP网络模型 TCP IP网络模型表现为四层结构 并非来自哪个标准委员会 而是来自一些对TCP IP协议族的研究 1 网络接口网络接口层与OSI参考模型的数据链路层和物理层相对应 它不是TCP IP协议的一部分 但它是TCP IP赖以存在的与各种通信网之间的接口 TCP IP对网络接口层并没有给出具体的规定 2 网络层网络层有四个主要的协议 网际协议IP 无连接的数据报传送和数据报的路由选择 即IP协议提供主机间不可靠的 无连接数据报传送 Internet控制报文协议ICMP 测试目的地的可达性和状态 报文不可达的目的地 数据报的流量控制 路由器路由改变请求等 地址解析协议APR 地址转换协议ARP的任务是查找与给定IP地址相对应主机的网络物理地址逆地址解析协议RARP 物理网络地址到IP地址的转换 3 运输层TCP IP的运输层提供了两个主要的协议 即传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP 它的功能是使源主机和目的主机的对等实体之间可以进行会话 TCP是面向连接的协议 所谓连接 就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合 面向连接服务是在数据交换之前 必须先建立连接 当数据交换结束后 则应终止这个连接 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 在传送数据时是按序传送的 用户数据协议UDP是无连接的服务 在无连接服务的情况下 两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接 因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留 这些资源将在数据传输时动态地进行分配 无连接服务的优点是灵活方便和比较迅速 但无连接服务不能防止报文的丢失 重复或失序 无连接服务特别适合于传送少量零星的报文 4 应用层在TCP IP体系结构中并没有OSI的会话层和表示层 TCP IP把它都归结到应用层 所以 应用层包含所有的高层协议 如虚拟终端协议 TELNET 文件传输协议 FTP 简单邮件传送协议 SMTP 和域名服务 DNS 等等 TCP IP模型与OSI模型的区别 不仅仅在于层数的不同 其对网络的思考也有不同对可靠性的注意焦点不同以X 25分组交换网为对象比较 X 25可以看作是基于OSI模型思想建立的 X 25要求在每一层进行差错检测和差错控制 而TCP IP是 端对端可靠 运输层处理大部分差错 允许链路丢失数据 故网络层不受可靠性约束 软件容易理解和正确实现 2 智能和决策定位不同X 25认为网络是提供传输服务的工具 网络服务的提供者控制各个环节 主机应尽量少介入网络操作 而TCP IP要求主机参与绝大多数的网络协议处理 TCP IP是Internet的支撑协议 是目前使用最广泛的协议 TCP IP网络体系结构的主要优点 简单 灵活 易于实现充分考虑不同用户的需求AndrewS Tanenbaum在书中评价TCP IP 没有明显地区分出协议 接口和服务的概念不通用 只能描述它本身主机 网络层只是个接口不区分物理层和数据链路层有缺陷的协议很难被替换 对TCP IP的评价 在Internet的发展初期面对的主要需求是网络互相连通 网络的健壮性 网络设备的异构性 分布式的管理 低成本和容易上网 因此当时确定的Internet网络体系结构是无连接的分组交换结构 dumbnetwork 高层的功能放在网络边缘 采用路由机制和尽力服务 besteffort 原则 20世纪80年代初总结出Internet边缘论原则的MIT教授DavidClark ITB首届主席 最近发表了一篇要重新思考Internet设计原则的重要论文 20年前他提出的End to EndArgument表述为 一种应用功能只有当其知识和帮助置于通信系统的边缘才能完全和正确地实现 因此将提出这种应用功能作为通信系统本身的性质是不可能的 当时提出这种论断的依据是网络是不可靠的 最终检查是否正确执行只能在处于传输终端的应用层 让网络核心部分只做最通用的数据传输而不实现特殊应用有不少优点 如降低核心网络复杂性 便于升级 提高网络通用性和灵活性 增加新应用不必改变核心网络 提高可靠性等等 2 6关于下一代网络体系结构的思考 但是20年后网络应用环境