Internet分层体系结构研讨.ppt

河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols1 本资料来源 第二章Internet分层体系结构 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols3 2 1网络体系结构 网络体系结构是计算机之间相互通信的层次 以及各层中的协议和层次之间接口的集合 网络协议是计算机网络和分布系统中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合 协议的关键成分是 语法 syntax 包括数据格式 编码及信号电平等语义 semantics 包括用于协调和差错处理的控制信息定时 timing 包括速度匹配和排序等 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols4 计算机网络是一个复合系统 由于在型号 线路类型 连接方式 同步方法 通信方式不同 尤其就异种机来说其通信极为复杂 因此需要采用分而治之的方式 将非常复杂的网络通信问题化为若干个彼此功能相关的模块来处理 各模块之间呈现明显的层次结构 这就是分层结构 2 1网络体系结构 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols5 主计算机 Host 数据处理与网络控制支持本地用户与网中其他用户之间的互访与资源共享 资源子网 终端 Terminal 直接面对用户 是人机交互环境只完成输入输出及通信工作可以是简单的输入输出设备 RFC 1122 3和1009 定义 主机 一个主机就是连到1个或多个网络的设备 它可在其中的任意网络上进行收发通信 但不能将分组从一网络传到另一网络 参考 网关 网关是连到多于1个网络上的设备 它有选择性的将信息从一个网络发到另一个网络 2 1网络体系结构 基本构成 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols6 资源子网 2 1网络体系结构 基本构成 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols7 局域网的通信子网由传输介质与网络接口板组成广域网的通信子网在以上基础上包括转发部件 通常具有交换功能路由器 网关 协议转换器均属于这类转发部件 2 1网络体系结构 基本构成 通信子网 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols8 数据通信设备 DCE 将数字信号与模拟信号进行相互转换 通讯控制处理器 CCP 控制本模块与终端设备之间的数据传输 对其通信线路进行控制管理 集中器 Concentrator 将若干个终端经低速通信线路集中起来 经高速线路与CCP相连 以提高效率 网络传输线路线路通常分成高 中 低三个速度 可以涉及同轴电缆 双绞线 光纤等 CCP 作为网络中各个模块之间的接口机 负责接口之间的信息传输控制 包括线路传输控制 差错监测与恢复 路径选择与流量控制 代码转换 作业的装配与拆卸 集中器 主要负责差错控制 信息缓存 代码转换 电路转接等 2 1网络体系结构 基本构成 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols9 国际标准化组织 ISO 是一个义务性的非条约的专门的标准化组织 负责制定各类标准 标准的建立时间对于其成功是至关重要的 当一个主题刚被发现时 会引起很多的研究活动 经过一段时间后 热度逐渐降低 开始进入合作研究期 第三阶段则是成熟期 研究 投资 标准 2 2开放系统互连 OSI 参考模型 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols10 2 2开放系统互连 OSI 参考模型 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols11 2 2 1物理层2 2 2链路层2 2 3网络层2 2 4传输层2 2 5会话层2 2 6表示层2 2 7应用层 面向通信 面向用户 2 2开放系统互连 OSI 参考模型 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols12 链路层协议 物理层协议 网络层协议 分组流 比特流 帧流 报文流 报文流 报文流 段流 子网内部协议 2 2开放系统互连 OSI 参考模型 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols13 2 2开放系统互连 OSI 参考模型 数据 应用层 传输层 网络层 链路层 物理层 表示层 会话层 应用层头信息 表示层头信息 会话层头信息 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols14 确定如何在通信信道上传输比特流涉及网络物理结构 传输介质的规程 位传输的编码与定时规则 2 2 1OSI模型 物理层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols15 加强物理层的传输功能 建立一条无差错的传输线路将物理层传输的比特组合成帧 确定帧界及速率 差错纠正 通信线路 数据电路 数据通信链路 2 2 2OSI模型 链路层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols16 MAC地址 以太网的地址技术有两个 一是全球唯一地址 即MAC地址 一是广播地址 其中前6位为厂商地址 如SUN公司的地址为08 00 20 寻址 广播方式进行网卡地址 MAC地址 出厂设置 全球唯一 物理拓扑结构总线结构环型结构星型结构网状结构蜂窝结构 访问方式 以太网 令牌网等 介质访问控制 MAC 层 2 2 2OSI模型 链路层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols17 帧界确定和识别 帧结束的判定面向字符的传输 面向位的传输 编码违例法 无确认 无连接 不建立连接 不提供错误控制 流量控制和顺序控制 适于语音类型的信源有确认 无连接 接收方返回确认信息 提供错误及流量控制 但不提供顺序控制 可能出现重复包面向连接 建立连接通道 按顺序发送帧 根据帧编号确定重复包 差错控制机制 用超时 确认的方式解决错误停止等待方式 连续工作方式 差错检验和纠正 设置检错码与纠错码奇偶校验码 海明码 循环冗余纠错码 连接类型 对连接类型进行判定无确认 无连接 有确认 无连接 面向连接 流量控制 确保收发双方具有相同的通讯能力静态窗口流控 动态窗口流控 预定速率流控 逻辑链路控制 LLC 层 2 2 2OSI模型 链路层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols18 2 2 2OSI模型 链路层 接收端可以通过检错码检查传送一帧数据是否出错 一旦发现传输出错 则采用反馈重发ARQ AutomaticRequestforRepeat 的方法来纠正 差错控制机制 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols19 反馈重发纠错实现方法有两种 停止等待方式等到确认接收方正确无误地收到数据帧后才发送下一个帧 协议简单 系统通信效率低 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ACK 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 NAK 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ACK 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2OSI模型 链路层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols20 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 连续工作方式拉回方式选择重发方式 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ACK 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 NAK 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ACK 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ACK 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 NAK 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ACK 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 2 2 2OSI模型 链路层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols21 流量控制机制 应答控制法只有接收到接收方的 接收准备就绪 信号时才能发送数据帧缓冲限制法当接收方的缓冲区满时发暂停发送指示 达到一定空闲要求时发可接收指示预约发送法 由发送方向接收方预约缓冲区 或由接收方通知发送方接收缓冲区的大小由发送方判断发送窗口流控 窗口是指可以放置一定数据帧的缓冲区 窗口流控就是通过控制缓冲区来控制数据传输速度的方法 1 2 3 4 窗口宽度 11 17 18 19 20 12 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 1 12 13 12 12 12 12 12 12 12 12 12 2 13 14 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 3 15 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 4 3 16 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 3 静态窗口流控 定义一个窗口大小 如4 选择4个帧附上窗口号发出 每收到针对一个窗口号的确认帧 该窗口号即可分配给新的帧 由此 最多未收到的确认帧数不会超过4个 动态窗口流控 接收方发阻塞帧来要求降速 发送方收到后则调小窗口 当发送方在长时间未收到阻塞帧时则尝试调大窗口 由此得到最佳速度 2 2 2OSI模型 链路层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols22 用于解决如何将源端发出的分组经过各种途径送到目的端寻址 路径交换 路由的搜索 选择 路径1 路径2 路径3 2 2 3OSI模型 网络层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols23 路径搜索与选择 确定合理的路由路径选择 静态选择与动态选择路径搜索 距离矢量法 链路状态法 网络寻址 按IP地址分级传送跨网段不能进行广播 否则会导致广播风暴三级地址结构 IP地址 MAC地址 服务地址 路径交换 数据传送过程中在多路径间切换电路交换 报文交换 分组交换 连接服务 在链路层基础上加强连接错误控制 分组顺序控制 拥塞控制 网络互连 跨网络及多协议的转换中继器 网桥 路由器 交换机 网关 电路交换 一旦接通便固定连接 直到传完 报文交换 以报文为单位进行传送 长度无限制分组交换 以固定长信息包为单位进行传送 距离矢量法 纪录与邻网的距离 并与邻网相互交换如RIP协议链路状态法 将相邻路由向整个网络广播 本路由表是将所收到的各路由表进行整理而成 但只向外发相邻路由 只有路径变化的信息才发 如OSPF 错误控制 分组最后仍需要进行差错校验 已确定是否需要补发分组 分组的丢失也需要补发 由于应答信号的丢失可能造成重发 根据分组号可重发分组顺序控制 由于采用分组传送 接收端所收到的分组可能会乱序 就虚电路而言 尽管不应出现乱序 但如果出现线路中断而需要重建虚电路 重建的虚电路远比原虚电路快 仍然有乱序的可能 将各分组加上组号 以便重新排序拥塞控制 在网络出现大量发送少量接收时将要采取措施从拥塞状态恢复出来 并在传送分组时绕过拥塞点 产生拥塞的因素有两种 一是转接节点机速度慢 速度不匹配 另一是线路容量饱和 导致节点机不能及时接收 一次寻址过程是先确定IP地址 再确定MAC地址 然后再确定服务地址 即端口号 2 2 3OSI模型 网络层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols24 路由算法 路由选择算法 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols25 扩散式 将报文同时向多个路径广播的路由法全扩散 典型的广播方法 可保证以最短的时间到达目的地 有两种方法可以确保不会出现洪泛现象通过设置生命周期控制 即将数据包设为路径长短的生命周期 每通过一个路由器就减一 使得未能到目的地的报文及时丢失掉 在不知路径长度时可设为网络的半径长度 各路由器将接收的每一个报文均记录下来 一旦多次接收便抛弃而不再向外广播 选择扩散 向通往目的节点的部分端口送报文 有两种选择方法向大概方向发送 一般不会出现逆向连接随机选择一些通道发送出去 路由选择算法 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols26 单路发送 只选择一个端口发送报文的路由法确定性路由算法 典型的静态路由法 事先人为地确定路由信息 可以设置概率路径 自适应路径算法最短路径法 通过纪录实际的报文传输中最短传输时间所对应的路径 即通过接收了带有路径纪录参数的报文后获得出发节点到本节点的路径长度 保留短的纪录 是一种基于全网的全局算法 局部延时法 通过纪录到达各直达邻点的传输时间来确定最短路径 也可以无条件将报文交到排队最少的端口通道 这是一种孤立式路径选择 分布式适应性路由算法 如同距离矢量法一样 将本节点到其它节点的延迟时间传送出去 以便确定哪条路径传输最短 是上两种方法的结合 路由选择算法 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols27 网络 端到端传输层 传输层的目的是在源端与目的端之间建立可靠的端到端服务 隔离网络的上下层协议 使得网络应用与下层无关 在网络中负责相当于链路层的错误控制 流量控制及顺序问题寻址 段合并 连接服务 2 2 4OSI模型 传输层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols28 寻址 端到端的服务方式连接标识符表明所建立的一次连接事务标识符表明一次请求与响应 连接标识符 connectionidentifier 用于标识传输双方的每次通话 即端口 port 或套接字 socket 每个连接标识符对应于一个特定的会话者 事务标识符 transactionidentifier 跟踪一次请求与响应 多次事务构成一个连接 与IP地址中的域名一样 端口地址过多 使得难以记忆 因此也存在地址 名称转换的问题 通常有两种方法1 服务提供者推动 即用户先访问目录服务器 由该服务器提供相应的端口地址 如同域名访问 2 服务请求者推动 即用户给出服务名称 系统提供端口号 用户 进程服务器 进程提供者n 公共端口 指定端口 建立进程 发往公共端口建立连接 建立域服务提供者的连接 段合并在传输层处理不了超长信息时需要分段 接收方则需要进行合并连接服务最后一次确认信息传输的正确性段同步 设置段序号 确保段间顺序错误控制 校验 设置分组生命周期等端到端流控 在网络中间进行流控 低速设备发送端缓存 高速设备接收端缓存 网络服务通常分为三类 A类 该服务不存在分组错误 丢失及乱序 这种情况仅存在于局域网中 B类 这类分组很少发生单个分组的丢失 丢失的分组可在底层恢复 但由于拥塞的问题及软硬件的缘故仍然会有问题 因此在传输层解决差错问题 如X 25网 C类 是一种完全不可靠的服务 分组丢失和重复 顺序也完全无规律 通常不提供连接 因此主要靠传输层来完成差错控制及重发等工作C类服务并不一定是最差 通常下层作了大量的工作并不一定是上层所需要的 还需重做 因此数据报类型的传输也有其市场 2 2 4OSI模型 传输层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols29 TCP UDP协议传输控制层协议 TCP 和用户数据报协议 UDP 是Internet的传输层协议 其支持主机之间的端到端的连接 TCP包括分组排序 流控 差错控制等 UDP不包括差错控制 重排序等 是不可靠的高速协议 SPX协议序列分组交换 SPX 协议是Novell的传输层协议 是面向连接的协议 其包括连接控制 数据流控制 差错控制 分组排序 AppleTalk协议ATP协议是苹果公司的传输层协议 提供两个主机之间的可靠的不丢失的分组发送技术 2 2 4OSI模型 传输层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols30 为会话用户提供一个建立连接及在上按顺序传送数据的方法 负责每一站究竟什么时间可以传送与接收数据 会话连接与传输层有差别 前者需双方同意才可中断连接 后者可单方中断 有如电话 会话 网络里面的一次通信过程 一次远程登录 一次文件传输等 会话过程 建立 维持和结束 2 2 5OSI模型 会话层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols31 对话控制单工 半双工 双工原则上 所有OSI连接都是双工的 但是多数情况下高层软件采用半双工形式 要求用户轮流发送数据 目的是方便软件设计 会话管理帮助在服务请求者与服务提供者之间建立和维护通信建立连接 数据传输 连接释放 2 2 5OSI模型 会话层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols32 功能 对应用层数据进行格式转换 将用户信息转换成易于发送的比特流 在目的端再转换回去的方式 数据压缩 数据转换 数据加密 2 2 6OSI模型 表示层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols33 2 2 6OSI模型 表示层 数据压缩有穷符号的等价表示法 最小表示空间频率依赖法 Hoffman算法上下文依赖编码 尤其适于动态图像数据转换位序转换 补码还是反码 向左读还是向右读 字节顺序 左起字节 IBM 还是右起字节 DEC 字符代码 EBCDIC码 a 81 与ASCII码 a 61 语法转换 长文件名向DOS转换数据加密公开密钥 RSA 私用密钥 DES 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols34 提供面向用户的界面 即实用程序 使得用户可以利用这些程序完成实际的工作 涉及到网络服务 服务公告及服务使用方式 2 2 7OSI模型 应用层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols35 网络服务文件服务 FTP NFS等打印服务 网络打印机消息服务 Email IPPhone Group 目录服务应用程序服务 服务等数据库服务 网络数据库服务公告 用户如何得知网络提供什么样的服务 在哪台机器上提供 这需要有提供服务者声明 被称为网络服务公告 其内容包括服务地址 我在哪 服务器 我是谁 服务器名 我能为你做什么 主动服务公告 所有的服务器周期地向网上广播消息 其中包含该服务器所能提供的服务器类型及其服务器地址 客户机把这些消息收集起来形成一个包含有服务名及其地址的表格 供资源访问时使用 被动服务公告 将自己的服务名和地址登记在莫一目录服务器中 在该目录服务器中形成一张服务表 客户端在需要了解网络能提供哪些服务时不需要接收全部服务器发出的广播包 只要向目录服务器发出请求即可获得服务名及其地址 2 2 7OSI模型 应用层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols36 本地操作系统意识不到网络操作系统的存在网络服务对本地操作系统是透明的 如 DIRF 网络盘 通过重定向交由网卡发向服务器 回传结果交给DOS 一种远程仿真模式 本地操作系统能看到网络操作系统 并可向其请求服务 但服务器却不能区分请求信号是网络用户发的还是本地用户发的 类似WindowsNT这类操作系统是可以看到网络的 这样网络中服务的提供者和请求者可相互 认识 并能共同工作 这样就可把同一任务分布在网上多个实体间共同完成 从而实现协同计算 2 2 7OSI模型 应用层 服务使用方式操作系统调用截获 OSCallInterception 远程操作 RemoteOperation 协同计算 Collaborative 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols37 在计算机网络中 作为资源子网主体的计算机也参与通信操作 因为网络的重要目的是提供用户之间的资源共享 通信只是一种手段 因此 计算机网络可划分为通信服务提供者与通信服务使用者 通信子网是通信服务提供者 主机则分为两个部分 即两者均包含 2 3与协议分层相对应的网络结构 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols38 网络层 网络接口板 传输介质 传输介质 转发部件 传输介质 通信服务提供者 子网 通信服务使用者 通信服务使用者 局域网 广域网 一次网络操作 一次网络操作 网络层 传输介质 2 3与协议分层相对应的网络结构 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols39 2 4TCP IP协议族 TCP IP是由一组协议集合所组成 主要表现在传输层与网络层上 IP协议确定了数据的到达 TCP协议确定了数据的分解与还原 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols40 2 4TCP IP协议族 TCP IP的设计目标是无缝隙的连接多个网络 使网络不受子网硬件损失的影响 因此要求网络体系结构必须相当灵活 能支持多种服务请求 TCP IP协议的分层模式及组成TCP IP作为一个协议族 其定义在四个层次上 包括网络接口层 网间网层 传输层及应用层 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols41 TCP IP参考模型 报文流 TCP分组 网络帧 IP数据报 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols42 2 4TCP IP协议族 应用层 传输层 Internet层 网络接口层 硬件协议 链路控制和介质访问 IPICMP TCPUDP 地址解析协议 反向地址解析协议 Internet协议 Internet控制报文协议 简单邮件传输协议 简单网络管理协议 远程登录 文件传输协议 传输控制协议 用户数据报协议 简单文件传输协议 域名服务 远程登录 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols43 TCP IP参考模型 网络接口层 是最低一层 负责与物理网络的连接 任何可用于IP数据报交换的分组传输的链路层协议均包含在其中 定义了数据帧及其格式基于物理地址的网络寻址为发送到物理网络的数据提供差错控制Ethernet Tokenring etc 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols44 TCP IP参考模型 互连网层 该层负责相同或不同网络中计算机的通信 主要处理来自传输层的分组发送请求和路由选择 提供逻辑寻址提供路由选择和互联网上的数据发送服务处理网间网控制报文协议将物理地址和逻辑地址相关联IPprotocol 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols45 TCP IP参考模型 传输层 提供应用程序 端到端 间的通信 并在IP的基础上提供面向连接的服务 为两个用户进程之间建立 管理和拆除可靠而又有效的端到端连接提供流控制 差错控制和确认机制与网络应用的接口TCPprotocol UDPprotocol 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols46 TCP IP参考模型 应用层 向用户提供一组常用的应用程序 定义了应用程序使用互联网的规程一些具体应用 如网络故障 文件传输 远程控制以及其他互