网络通信课件2

第2节 网络体系结构和协议 学习内容及要求 了解OSI参考模型和TCP IP协议蔟的特点 网络体系结构层次化的研究方法 掌握网络协议 层次 接口 服务的基本概念 以及相互的联系 掌握5层计算机网络体系结构的基本知识 2 2计算机网络协议 2 2 1计算机网络协议的作用协议和体系结构的概念协议原为外交辞令 据说是为了在国与国之间进行顺利交流而规定的约束事项 规则 平时交流时遵循一定的规则 在法庭 双方必须按照一定的次序轮流发言 开车时 转弯必须打出信号来通知周围的车辆 驾驶飞机时 飞行员遵照一种制定得非常详细的标准来和其他飞机通信 以维护空中的交通 2 2计算机网络协议 2 2 1计算机网络协议的作用计算机网络协议是计算机网络中的计算机设备之间在相互通信时遵循的规则 标准和约定 这里说的计算机设备可以是主机 路由器 交换机等 也可以认为是网络中的节点 一种网络协议是一组控制数据通信的规则 需要说明的是网络协议是需要不断发展和完善的 随着网络应用和服务内容的增加 必须研究和制定新的网络协议或修改原有的网络协议 2 2 2计算机网络协议的要素 语法 数据与控制信息的格式 数据编码等 协议数据单元PDU的结构或格式 包括哪些字段 字段的作用 语义 控制信息的内容 需要做出的动作及响应 某些信息位组合的含义 标识通信双方可以理解的确定的意义 PDU给出何种控制信息 完成何种操作 做出何种响应 即各字段中若干二进制位0或1的组合代表什么样的含义 同步 时序 事件先后顺序和速度匹配 即收 发双方能分辨出通信的开始和结束 哪些动作先执行 哪些动作后执行 为完成一次通信所需要的不同PDU之间有操作顺序规程 有时同步也称为规程 语法定义了怎么做 语义定义了做什么 同步时序关系定义了什么时候做 2 2 3网络协议与人类通信所使用协议的比较 能听的懂 声带 耳朵 能理解含义 通过空气达到对方 知识层 语言层 传输层 知识层 语言层 传输层 2 2 4计算机网络协议的格式PDU 在计算机网络中用协议数据单元PDU ProtocolDataUnit 描述通信协议PDU由控制部分和数据部分组成控制部分由若干字段组成 表示通信中用到的双方可以理解和遵循的协议 2 2计算机网络体系结构 2 2 2计算机网络体系结构的定义计算机网络体系结构是计算机网络层次和协议的集合计算机网络是一个复杂的系统 按照人们解决复杂问题的方法 把计算机网络实现的功能分到不同的层次上层与层之间用清晰的接口连接不同系统中的同一层构成对等层对等层之间通过理解彼此定义好的规则和约定 完成对等层通信 2 2 2网络体系结构分层的原则 根据计算机网络两级子网的结构 可以看出层次划分的轮廓 人们把计算机网络的功能划到5个层次 网络中节点之间的物理连接 例如计算机设备及端系统和通信子网的连接处应划分一个层次 用于端系统与通信子网的连接 称为物理层 通信子网中相邻节点之间实现可靠的传输应划分为一个层次 称为数据链路层 源节点和目的节点之间可靠传输的功能可划分为一个层次 称为网络层 在端节点到端节点 例如两个通信的计算机设备之间可靠传输划分为一个层次 称为传输层 应用进程之间的可靠传输可划分为一个层次 称为应用层 2 2 3两种形式的网络服务 计算机网络中的通信服务有两种不同类型的服务 一种是面向连接服务 connection orientedservice 另一种是无连接服务 connectionlessservice 计算机网络中服务类型及应用 2 2 4服务原语 网络服务用服务原语描述 服务原语由三部分组成 原语名 原语类型 原语参数 服务原语的格式为 原语名 原语类型 原语参数 原语名说明服务的内容原语名和原语类型之间由点进行间隔原语类型说明层与层之间信息传输的流向原语名用大写字母表示 服务原语的4种类型 原语类型有4种 用小写字母表示 请求request发送方希望得到某些服务 指示indication接收方得知某个事件发生 响应response接收方对某个事件应答 证实confirm发送方得知请求的结果 服务原语的图示 2 2 5对等协议的通信过程 对等层实体通过对等层协议进行通信 之间用虚线连接 之所以用虚线是因为实际通信过程是垂直的在发送端协议数据单元PDU经过从上层向下层的封装到达对方后 再经由底层向上 每一层去掉协议头 称为拆包 此时相当于对等层彼此理解 2 2 6接口和数据单元 在相邻层次之间交换信息要遵循一组规则 这组规则涉及到一组相关的协议数据单元 在网络协议组装 层次接口的数据单元有服务数据单元SDU 协议控制信息PCI 接口控制信息ICI 接口数据单元IDU 协议数据单元PDU等 2 2 7协议和服务的关系 实际上服务和协议是两个完全不同的概念服务要靠协议来实现 通过服务原语的描述 可以清晰的给出上 下层接口和对等层之间的联系 服务是各层为上层提供的一组原语操作 但未涉及这些操作如何完成 协议是定义同层对等实体之间交换的协议数据单元 位流 帧 分组 报文段 报文 的格式及意义的一组约定和规则 2 3开放系统互连OSI参考模型 2 3 1开放系统互连OSI参考模型概述国际标准化组织ISO在1974年制定的OSI OpenSystemInterconnectionReferenceModel 开放系统互连参考模型分为7个层次框架 OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容 它并未确切描述用于各层的协议和服务 仅是告诉每一层应该做什么 OSI的国际标准号为ISO7498 开放系统互连OSI图示 2 3 2OSI参考模型的结构 OSI参考模型采用3级抽象 体系结构 服务定义 协议规范 OSI参考模型体系结构是作为一个框架来组织和协调各层协议的制定 网络协议的规程说明比较精练 服务定义详细地说明各层提供的服务 提供的服务与这些服务的具体实现无关 协议规范给出一组控制数据通信的规则 2 3 3OSI参考模型各层的功能 物理层 对等物理层的协议数据单元为比特流 物理层协议用4个特性描述和定义 数据链路层 涉及到相邻节点之间可靠传输 需要完成的功能有链路管理 成帧 差错控制 流量控制和丢失等 网络层 涉及到源节点到目的访问节点之间可靠的传输 是通信子网的最高层次 关系到通信子网的运行控制 需要完成的功能包括路由选择 网络寻址 网络互连等 运输层及 涉及到端 主机 到端 主机 之间可靠的运输 起着承上启下的作用 为高层屏蔽掉下面通信子网的差异 会话层 允许主机上的用户建立会话关系 在一次会话连接中可以有多个会话内容单元 提供会话同步 表示层 关心所传输数据信息的格式定义 即信息的语法和语义 应用层 为应用进程提供访问计算机网络的途径 构成不同的应用层协议数据单元 22 1 物理层 设备间的物理接口机械特性设备之间连接件的尺寸和接头数以及每根连线的用途等 电气特性它涉及到用什么电压代表 1 用什么电压代表 0 一个比特持续多少时间功能特性传输是双向的 还是单向的 过程特性一次通信中发送方和接收方如何应答 用以建立 维持和释放数据链路实体间的连接 这一层的规程都与电路上传输的原始比特有关 23 2 数据链路层 激活 保持以及解除一个可行连接的手段建立 维持和释放网络实体之间的数据链路差错检测和控制数据链路对网络层应表现为一条无差错的信道 相邻节点之间的数据交换按帧 各帧按顺序传送 并通过接收端的校验检查和应答保证可靠的传输 高层可以执行无差错传输数据链路层对损坏 丢失和重复的帧应能进行处理 这种处理过程对网络层是透明的 共享媒介的访问控制方法 24 3 网络层 信息的传输这一层的功能属于通信子网 通过网络交换来自运输层的数据 把数据组织成分组 在通信子网的节点之间交换传送使高层不需要知道低层的技术需要管理各种网络节点路径选择 路径既可以是固定不变的 通过静态路由表实现 也可以是根据网络的负载情况动态变化的 拥塞控制 防止网络中出现局部的拥挤或全面的阻塞 25 中继的使用 系统通过网络相连接 26 4 运输层 终端系统间的数据交换无差错有序无丢失无重复服务质量 27 运输层端到端连接 运输层提供一种通用的传输服务 使会话实体不必考虑通信网络的工作细节数据传输能高效地进行 运输层采用多路复用或分流的方式优化网络的传输性能 28 5 会话层 会话层提供的会话服务类型 会话管理 把两个表示层实体结合在一起 或把它们分开 会话控制 控制两个表示层实体间的数据交换过程 会话层提供的服务对话准则全双工 半双工编组通过标志定义数据组恢复设置检查点 29 6 表示层 提供一个可供应用层选择的服务的集合 使得应用层可以根据这些服务功能解释数据的涵义 表示层以下各层只关心如何可靠地传输数据 而表示层关心的是所传输的数据的表现方式 它的语法和语义 表示层提供的服务数据格式和编码数据压缩加密 30 7 应用层 这是OSI体系结构的最高层 这一层的协议直接为端用户服务 提供分布式处理环境 为应用程序提供网络服务 应用层需要识别并保证通信对方的可用性 保持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 2 3 4OSI参考模型的数据传输 数据的实际传输方向是垂直的但在每一层编程时却好像是水平理解和传输的 协议封装 Encapsulation Sender Receiver Data OSI中数据传输 L7data H6 L7data L6data H5 L5data H4 L4data H3 L3data H2 T2 0101010101011010 L7data H6 L7data L6data H5 L5data H4 L4data H3 L3data H2 T2 0101010101011010 Transmissionmedium Dataflow Sender Receiver A P S T N DL Ph 分层 逻辑通信 每层 分布式的 实体 在每个节点执行层功能实体和对等进程之间进行信息交换 分层 逻辑通信 例如 传输层从应用层获得数据从增加寻址 可靠性检测信息到形成数据报发送数据报到对等进程等待对等进程发出收到指令类似 邮局 传输层 传输层 分层 逻辑通信 37 1 6计算机网络体系结构简介 ISO OSI参考模型 OSI参考模型 应用层 表示层 会话层 传输层 数据链路层 物理层 网络层 网络应用软件一种通用的数据格式对话和交谈流量控制和可靠性路径选择及逻辑寻址帧和介质访问控制信号和介质 关键词 38 1 6计算机网络体系结构简介 OSI参考模型 较高层 与应用有关 较低层 与数据传输有关 ISO OSI参考模型 39 1 6计算机网络体系结构简介 PDU协议数据单元 数据流 数据段 数据包 数据帧 比特 ISO OSI参考模型 2 4TCP IP协议参考模型 2 4 1TCP IP协议是因特网的语言TCP IP协议具有以下特点 是一个开放的网络协议蔟 免费使用 做到与计算机硬件与操作系统无关 与特定的网络硬件无关 做到与低层通信子网平台无关 低层网络可以是广域网 局域网 无线网等 提供统一的网络逻辑地址IP地址 用于标识网络中的一个连接 使得异种计算机 异种计算机网络互连成为可能 运输层协议TCP提供可靠的端到端数据传输 可以屏蔽通信子网的差异 应用层协议内容丰富 2 4 2TCP IP协议的层次结构 TCP IP协议结构为4个层次 网络接口层NIL IP层 TCP层 应用层 应用层 传输层 网络互联层 网络接口层 42 网络接入层 终端系统和网络之间的数据交换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 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 提供目的地址调用网络服务 43 互联网层 相当OSIRM网络层的无连接网络服务 处理互连的路由选择 流控与拥塞问题 IP协议是无连接的 提供 尽力而为 服务的网络层协议 另 通信协议四种服务类型面向连接与确认服务 面向连接与不确认服务 无连接与确认服务 无连接与不确认服务 44 运输层 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 可靠的数据交付数据交付的有序性用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议 45 TCP 常用的运输层可靠的连接连接不同系统中实体的临时逻辑联系TCPPDU称作TCP报文段包括源和目的端口 c f SAP 标识单独的用户 应用程序 连接指的是端口对TCP跟踪每对连接实体间的报文段 46 UDP 不可靠交付无序号不保证重复到达开销小在IP上加端口地址 47 应用层 支持用户应用应用层协议主要有 网络终端协议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 48 1 6计算机网络体系结构简介 TCP IP协议簇 ProtocolSuite TCP IP协议簇及联系 Telnet FTP SMTP SNMP TFTP TCP UDP ICMP IP ARP Ethernetsoftware Ethernethardware Port ProtocolID Type MAC 23 21 25 161 69 6 17 1 0800H 0806H TCP IP版本 Versions Version4 CurrentlyinuseInsufficientaddressspaceandinefficientmechanism Version5 AproposalontheOSImodel neverwentbeyondtheproposalstage Version6 LargeaddressspaceBetterheaderformatNewoptionsAllowanceforextensionSupportforresourceallocationSupportformobilitySupportformoresecurity 计算机网络中的寻址 Addressing Addresses Physicaladdress IPaddress Portaddress AddressofanodeasdefinedbyitsLANorWAN DesignedforuniversalcommunicationservicesinTCP IPnetwork AssignedbyOStolabeldifferentprocesses 00 05 5D 06 14 18 202 215 12 3410 0 0 1 80 21 23 258080 10000 物理地址 逻辑地址 端口地址 TCP IP中层次和地址 Process TCP UDP IPandotherprotocols Underlyingphysicalnetworks Applicationlayer Transportlayer Networklayer Datalinklayer Physicallayer Physicaladdress IPaddress Portaddress Ahybridreferencemodel 2 4 3网络协议的捆绑 人们可能会问在具体组网时TCP IP协议在哪里呢 TCP IP协议与底层网络协议之间是怎样联系的 在配置网络协议时 先配置底层网络协议 这需要安装网卡和网卡驱动程序 再绑定IP层协议 TCP层协议和应用层协议 这些操作可以在相应的操作系统中指定所采用的网络协议 设置IP地址 子网掩码 网关地址等 从而完成整个TCP IP协议设置 要清楚网络协议层次绑定的概念绑定是按自底向上的顺序进行的 2 4 4OSI与TCP IP的比较 TCP IP模型与OSI模型的一个重要区别是可靠性问题OSI模型在所有各层都进行差错校验和处理 而TCP IP仅在TCP层 即仅在端到端进行差错控制 需要注意的是 任何一种网络体系结构参考模型或网络协议都不是完美的 2 5计算机网络实例 2 5 1ARPANET网络ARPANET网在1969年建成 1983年1月TCP IP协议成为ARPANET正式协议 1990年ARPANET网退出使用 演变为Internet 2 5 2X 25网络 公用分组交换网采用X 25协议 也称为X 25网络或公用数据网 在交换节点对分组进行存储转发 X 25协议实际包含了对应OSI低3个层次的协议 是一个通信子网 2 5 3交换式多兆比特数据服务SMDS 交换式多兆比特数据服务SMDS是20世纪90年代初提供的高数据传输率