第2章 计算机网络体系结构

计算机网络 第2章计算机网络体系结构概述 主讲 刘斌 理学院 计算机与网络教研室 2 了解计算机体系结构中的基本概念和关系了解数据发送和接受过程中 在网络体系结构的各层上的变化理解并掌握OSI RM中层次划分和各层的主要功能理解并掌握TCP IP协议体系中层次划分和各层的主要功能 学习目标 第2章计算机网络体系结构概述 3 讨论1 体系结构思想引言 实例讨论2 体系结构中的基本概念和关系讨论3 OSI RM讨论4 TCP IP讨论5 OSI RM和TCP IP的对比分析 第2章计算机网络体系结构概述 学习内容 4 学习方法要点 学习重点 难点 网络体系结构中的关系OSI RM中的层次划分 各层功能和关系 本章知识是整个课程内容的综述 是后继课程的主线 在学习时注意要联系现实世界的实例 对话问题 信件传输等 通过对比 分析 来理解体系结构中的基本概念 关系和各层的功能 将所学知识形成体系 做到熟记于心 第2章计算机网络体系结构概述 5 讨论1 体系结构思想引言 实例 具体教学内容 6 传输介质的不同 Wire Wireless 多种类型的网络设备 Host Router Switch HUB Bridge Gateway 操作系统的差异 UNIX Windows Sun Linux 协议和驱动程序的多样性 software hardware interface 应用类型的多样性 immovablemovable 网络服务要求的不同 time sharing exchange real time 网络体系结构的研究背景 7 体系结构结构清晰设计与实现容易更新与维护方便独立性和可调整性 网络体系结构的要求 网络体系结构的设计理念 分而治之 实例1 哲学家对话问题 哲学问题 汉语 讨论1 体系结构思想引言 实例 续 实例2 邮寄信件问题 讨论1 体系结构思想引言 实例 续 信件内容 邮件地址 货物地址 发信人 邮局 运输系统 信件内容 邮件地址 货物地址 收信人 对信件内容的约定 对信件如何传递的约定 对货物如何运输的约定 协议P3 公路 铁路 航空 邮局 运输系统 协议P2 协议P1 10 分层实现的优点 各层相互独立 仅通过层间的接口提供服务 而不需要了解其他层内部是如何实现的 便于独立实现灵活性好 任意一层内部的变化 只要层间接口不变 不影响其他层结构上分割 各层的实现可以采用最先进的技术 便于技术革新易于设计实现 维护和标准化 11 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行 而这种 协调 是相当复杂的 分层 可将庞大而复杂的问题 转化为若干较小的局部问题 而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理 计算机网络体系结构 主机 因特网 计算机间的通信 12 几层 每层名字 通信实体 各层的功能 各层具体内容 协议和协议数据单元 相邻层所提供的服务和接口 数据的封装与解封装 网络体系结构分层要考虑的问题 13 ISO1977年TC97 SC161984年 OSI RM形成正式文件 法律上的国际标准功能上相对独立的七层结构指定每层应干什么 但没有具体定义协议 网络体系结构标准化模型 14 15 2 1基本概念2 2体系结构中的基本关系服务和协议的关系相邻层间的关系对等层间的关系2 3OSI RM中的数据传输 讨论2 体系结构中的基本概念和关系 16 2 1基本概念Hierarchies layer层次 Entity 实体 peer 对等实体 protocol 协议 Interface 接口 service 服务 supporter 服务提供者 user 服务用户 Architecture 体系结构 对等实体 Peer 两台进行通信的机器 在网络体系结构中处于相同层次的实体 称为对等实体 实体通常为 进程 硬件 对等实体在进行数据交换必须遵守事先约定好的规则 协议 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题 同步含有时序的意思 通信协议的三要素 语法 语义 同步 18 通信协议的三要素 语义对协议中各协议元素的含义的解释 例如 在HDLC协议中 标志Flag 7EH 表示报文的开始和结束在BSC协议中 SOH 01H 表示报文的开始 STX 02H 表示报文正文的开始 ETX 03H 表示报文正文的结束语法协议元素与数据的组合格式 即报文格式 例如 同步 时序 通信过程中 通信双方操作的执行顺序和规则 BSC HDLC 19 t t 同步 时序 例子 接口 interface 同一体系结构的相邻两层之间的部分称为接口 它定义了下层可以为相邻的上一层提供什么样的服务 服务是通过数据交换实现的相邻层间交换的基本数据称为服务数据单元 SDU 相邻层间发生数据交换的地点称为服务访问点 SAP SAP是个抽象概念 是相邻层间通信的逻辑接口 实现时可以是函数调用 套接字 socket 结构体服务表现为一些原语操作 21 四种服务原语 两种服务类型 端开放系统A 端开放系统B N 1 N 指示 Indication 请求 Request 无确认的服务原语 服务请求与提供的过程示意 n 1 实体 n 1 实体 n 实体 n 实体 n 1 实体 n 1 实体 端开放系统A 端开放系统B N 1 N 指示 Indication 请求 Request 有确认的服务原语 服务请求与提供的过程示意 响应 Response 证实 confirm n 实体 n 实体 24 计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构 architecture 是计算机网络的各层及其协议的集合 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义 实现 implementation 是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题 体系结构是抽象的 而实现则是具体的 是真正在运行的计算机硬件和软件 25 2 2体系结构中的关系 26 27 服务依赖于相邻层的接口间数据交换 上下层间的关系 协议是为了实现和控制不同机器的对等实体间进行数据交换 发生在两个机器的同一层上 实体使用该层协议完成该层的功能 并为上一层提供相应的服务 实体可以改变通信使用的协议 但是不能随意改变其所提供的服务 增值服务 本层服务 下层服务 本层功能 28 对等实体利用该层协议实现通信 通信交换的信息报文称为该层的协议数据单元 PDU protocoldataunit PDU由协议控制信息 PCI 协议头 和数据 SDU 组成 协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息 地址 序号 长度 分段标志 差错控制信息 下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装 然后加入本层的协议头部 和尾部 形成本层的PDU 封装 就是在数据前面加上特定的协议头部 因此 数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程 到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程 类比 发送信件数据在传输时 其外面实际上要被包封多层 信封 N 1层PDU N层PDU 30 在目的站 某一层只能识别由源站对等层封装的 信封 而对于被封装在 信封 内部的 数据 仅仅是拆封后将其提交给上层 本层不作任何处理 每一层只处理本层的协议头部 31 OSI RM中的数据传输 32 实通信只发生在最底层 物理层 虚通信是借助于下层所提供的服务进行的 上层的对等实体间的通信为虚通信 PDUn SDUn PCIn 34 讨论3 OSI RM 35 OSI RM参考模型各层的主要功能 应用层Application 表示层Presentation 会话层Session 传输层Transportation 物理层Physical 数据链路层DataLink 网络层Network 7654321 为网络应用提供服务数据表示在用户间建立和管理会话关系不同主机进程间的通信在主机间传输分组在节点间可靠地传输帧位流 比特流 的透明传输 36 1 物理层 PhysicalLayer 功能 在物理媒体 介质 上透明地传送比特流 服务 串行和并行协议 标准 规定了物理接口的各种特性 机械 物理连接器的尺寸 形状 规格电气 信号电平 信号的脉冲宽度和频率 数据传送速率 最大传输距离等功能 接口引 线 脚的功能和作用规程 信号时序 应答关系 操作过程例 RS 232 RS 449 V 24 V 35 G 703 G 704 37 RS 232 C 外形为25针或9针的D形连接器通信速率 b s 100 300 600 1200 2400 4800 9600 19 2K 33 6K 56K信号电平 逻辑 1 3V 15V逻辑 0 3V 15V引脚定义 RS 232 C 15 RS 232 C 9 RS 232 C 15 38 39 H Host DTE M Modem DCE 设备握手DTR H M 保持 表示H已可以工作 DSR H M 保持 表示M已可以工作 监视载波信号DCD H M 载波 表示数据链已建立 接收数据RD H M 数据调制信号断开连接DCD消失 H撤除DTR M撤除DSR 信号时序 接收 40 设备握手DTR H M 保持 DSR H M 保持 请求发送RTS H M 保持 M 载波 在对方产生DCDCTS H M 保持 发送数据TD H M 数据调制信号断开连接H撤除RTS DTRM撤除CTS DSR 停止发送载波 信号时序 发送 41 DTE DataTerminalEquipment 是指具有一定的数据处理能力以及收发能力的数据输入 输出设备 终端设备或计算机等终端装置 DCE DataCommunicationEquipment 是指自动呼叫应答设备 交换机以及其他一些中间装置的集合 其作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能 并且负责建立 保持和释放数据链路连接 42 在两个相邻节点间可靠地传输数据 使之对网络层呈现为一条无错的链路 PDU 帧 Frame 功能 建立与拆除数据链路连接组帧 帧封装 按顺序传送 处理返回的确认帧物理寻址 MAC地址 物理地址定界与同步 产生 识别帧边界错误检测 恢复 可靠的传输 CRC ARQ流量控制 抑止发送方的传输速率 使接收方来得及接收 2 数据链路层 DataLinkLayer 43 服务无确认无连接服务有确认无连接服务面向连接的服务根据确认的发送条件 将确认机制分为三种方式 正向确认双向确认负向确认 44 协议 面向字符的 数据以字符为单位传输 用控制字符控制通信IBM的BSC规程面向比特的 数据以位为单位传输 用帧中的控制字段控制通信ISO的HDLC规程 45 共享信道问题 LANorWireless 如何控制对共享信道的访问 将数据链路层划分为逻辑链路控制 LogicalLinkControl LLC 和介质访问控制 MediaAccessControl MAC 两个子层 由MAC子层解决共享介质访问控制问题 LAN使用的两种主要介质访问控制方法 CSMA CDTOKENPASSING 46 寻址并选择合适的路由 把数据报从源端传送到目的端 在需要时对上层的数据进行分段和重组 PDU 数据报 Datagram IP 分组Packet 功能 在源端与目的端之间建立 维护 终止网络的连接寻址 路由选择和分组中转分段与组合 大数据块分段 小数据块组合流量控制和拥塞控制多路复用 为多个传输层实体提供网络连接服务差错检测与恢复流量统计和记账IP协议 RFC791 3 网络层 NetworkLayer InternetLayer 47 路由选择如何在多条通信路径中找一条最佳路径 依据 速度 距离 步跳数 价格 拥塞程度路由器 路由表建立与维护静态 人工设置 只适用于小型网络动态 运行过程中根据网络情况自动地动态维护路由算法 建立与维护路由表的方法距离向量算法 RIP CGP等链路状态算法 OSPF等 服务数据报 Datagram 服务网络层从运输层接受报文 发送时 并拆分为报文分组 把每一个分组作为一个独立的信息单位传送 特征 不需建立连接 每个数据报都附有网络地址 要求路由选择 数据报不能保证按序到达目的地 对故障的适应性强 易于平衡网络流量虚电路 VirtualCircuit 服务在源主机要与目的主机通信之前 应先建立一条网络连接 特征 要求先建立连接 全网地址 路由选择 按序到达 可靠性较高 适用于交互式作用永久虚电路呼叫虚电路 49 链路层的任务 两节点间可靠的数据传输 Ethernet X 25 ATM 50 对网络层的连接进行管理 在源端与目的端之间提供可靠的 透明的数据传输 使上层服务用户不必关心通信子网的实现细节 传输层的特点以上各层 面向应用 本层及以下各层 面向传输 与网络层的部分服务有重叠交叉 功能取舍取决于网络层功能的强弱 只存在于端主机中 实现源主机到目的主机 端到端 的连接在这一点上与网络层的区别是什么 网络层 为主机之间提供逻辑传输传输层 为应用进程之间提供逻辑传输 4 传输层 TransportLayer 51 功能 地址映射 源端进程地址映射到网络地址 或反之 多路复用与分割 多个传输连接共用一条网络连接 一条传输连接使用多个网络连接 进行数据分段并在目的端重新组装 传输连接的建立与释放 提供 面向连接 和 无连接 两种服务 TCP IP协议 TCP和UDP传输差错校验与恢复 流量控制 防止数据传输过载 52 传输层与网络层的关系 网络层则提供网络中主机间的 逻辑通信 而传输层提供主机中的进程间的 逻辑通信 二者之间的差别 微妙而又重要类比主机 单位的传达室进程 单位中的职工应用层报文 信件网络层协议 邮局的投递服务 只负责递送到传达室传输层协议 传达室的收发服务 负责递送到每个职工 53 传输层的任务 54 5 会话层 SessionLayer 在传输层服务的基础上增加控制会话 Session 的机制 建立 组织和协调应用进程之间的交互过程 功能 为用户建立 引导和释放会话连接 服务服务类型 双向同时 双工 双向交替 半双工 和单向 单工 同步 55 6 表示层 PresentationLayer 定义用户或应用程序之间交换数据的格式 提供数据表示之间的转换服务 保证传输的信息到达目的端后意义不变 功能 对源站内部的数据结构编码 形成适合于传输的比特流 符合 传输语法 到了目的站再进行解码 转换成目的站用户所要求的格式 符合目的站 局部语法 保持传输数据的意义不变 服务 不同类型计算机中内部格式的转换 密码转换和文本压缩的转换 56 为End user的应用进程提供标准的网络服务和应用接口 功能 提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求 为用户进程提供应用接口 识别并证实目的通信方的可用性 使协同工作的应用进程之间进行同步 为通信过程申请资源 应用层协议的例子 OSI VTP MHS FTAM DS TCP IP Telnet SMTP FTP DNS HTTP 7 应用层 ApplicationLayer 57 OSI模型的评价 OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容 它仅描述了各层的功能 但未描述各层协议及其实现方法 ISO已制定了各层协议 可参见有关标准 OSI模型在协议实现方面存在某些不足 原因是OSI模型太复杂 OSI模型的最重要的贡献是将服务 接口和协议三个概念区分清楚了 OSI参考模型仍对今后计算机网络技术朝标准化 规范化方向发展有指导意义 58 Internet是从ARPANET发展而来TCP IP是由ARPANET中的网络层和传输层的一部分发展而来 TCP IP不是一个单个的协议 而是由数十个具有层次结构的协议组成的一个协议集 TCP和IP是该协议集中的两个最重要的核心协议 TCP IP是Internet上的标准通信协议集 TCP IP标准以 请求注释 RFC 文档发布 TCP RFC768 UDP RFC793 IP RFC791 DNS RFC1034 1035 FTP RFC959 1635 讨论4TCP IP参考模型 59 Message 报文 Segment 段 Packet 分组 Frame 帧 Bit 比特 TCP IP协议栈 PDU 应用层HTTP FTP SMTP DNS Telnet 传输层TCP UDP 网际 网络 层IP ICMP ARP RARP 网络接口层 数据链路层 物理层 PPP Ethernet Tokenring ATM TCP IP的体系结构层次 60 TCP IP数据封装 应用协议 TCP IP 以太网驱动程序 用户数据 用户数据 App头 TCP头 TCP头 IP头 TCP头 IP头 Eth头 Eth尾 应用数据 块 TCP分节 IP分组 以太网帧 以太网电缆 发送方 App头 App头 App头 用户数据 用户数据 用户数据 应用层 传输层 网际层 网络接口层 61 应用数据 块 TCP IP数据数据解封 应用协议 TCP IP 以太网驱动程序 用户数据 用户数据 App头 TCP头 IP分组 Eth头 Eth尾 以太网帧 以太网电缆 接收方 IP头 TCP分节 IP分组 TCP分节 应用数据 块 应用层 传输层 网际层 网络接口层 62 硬件 网络接口层 IP层 传输层 应用层 TCP IP模型的重要分界线 软件分界线 地址分界线 应用软件 系统软件 操作系统内部 使用IP地址 使用物理地址 63 TCP IP的应用层 应用层协议为文件传输 电子邮件 远程登录 网络管理 Web浏览等应用提供了支持 64 TCP IP的传输层 传输层的主要功能 提供进程间可靠的传输服务 传输层包括TCP和UDP两种传输协议 TCP是面向连接的传输协议 在数据传输之前建立连接 把报文分解为多个段进行传输 在目的站再重新装配这些段 必要时重新传输没有收到或错误的段 因此它是 可靠 的 UDP是无连接的传输协议 在数据传输之前不建立连接 对发送的段不进行校验和确认 因此它是 不可靠 的 主要用于请求 应答式的应用和语音 视频应用 面向连接的 TCP无连接的 UDP 使用UDP时 可靠性问题由应用层协议解决 使用TCP时 可靠性问题在传输层已经解决 65 HTTP FTP SMTP TFTP DNS Telnet SNMP 21 23 25 53 69 161 TCPUDP 应用层 传输层 TCP和UDP都用端口 port 号来识别应用层实体 以便准确地把信息提交给上层对应的协议 进程 port 80 66 TCP IP的网际 网络 层 主要功能是把数据报通过最佳路径送到目的端 寻址 IP地址 路由选择 封包 拆包网际层的核心协议 IP 提供了无连接的数据报传输服务 不保证送达 不保证序 不保证无错 传输前不需建立连接提高了传输效率网际层是网络转发节点 如路由器 上的最高层 网络节点设备不需要传输层和应用层 67 网际层的其他重要协议 ICMP InternetControlMessageProtocol 传递控制消息可达性测试传送路由状态信息超时通知不可达通知封装在IP中进行传输ARP AddressResolutionProtoc