CH2 计算机网络的协议与体系结构 2ed

计算机网络原理,第2章计算机网络体系结构,第2章计算机网络体系结构,2.1计算机网络体系结构的形成2.2协议与划分层次2.3具有五层协议的计算机网络体系结构2.4TCP/IP的体系结构,2.1计算机网络体系结构的形成,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。,计算机网络的功能分析,计算机之间的数据传输是计算机网络最基本的功能，是实现其他功能（资源共享等）的基础。为实现数据传输，计算机网络应包括下列几项具体功能：1.提供信息传输通路建立一条从源主机至目标主机的信息通路2.数据链路控制与分组突发性高带宽共享高速链路分组交换技术使很多不同目的信息同时在网络中流动，共享信道。由于没有了直达的信道，信息的传递就需依次地通过沿途交换结点存储转发。再考虑到各个转发结点的缓存限制和通信的实时要求，分组即是必然。各分组加入报头信息控制数据传输，目标地址、源地址、报文序号等。差错的检测与纠正：干扰和噪声的存在,3.路由选择源站到目标站通常有多条路径，分组传输时，每逢“路口”，须选最佳传输路径。4.流量控制与拥塞控制链路如道，分组如车；发送数据速度与接收速度相匹配流量控制为网络通畅，要限制进入的组数拥塞控制5.通信双方会有些特殊性需要统一，方可彼此理解。如终端不同，字符集和数据格式各异，加密手段的区别等等，需规定统一的协议以消除不同系统的差别。,由此可见，网络中实现通信相当复杂，涉及到一系列相互作用的功能过程。一对用户间的网络通信过程可以用下图表示：,Howdoyoudo,通信的功能元素总是成对出现；每一对功能元素互相通信，它们之间的协议不涉及相邻层次的功能，因而若此对功能元素间的协议变化了但功能不变，则不影响相邻层。相邻层间的作用由接口来描述：下层为上层提供服务（本层的功能），上层利用下层提供的服务实现自己的功能。将复杂的网络功能分为这样的层次，即是网络的分层体系结构。,2.2协议与划分层次,计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。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）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(networkprotocol)，简称为协议。,网络协议的组成要素,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响应。同步事件实现顺序的详细说明。,划分层次的概念举例,主机1向主机2通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个主机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。,两个主机交换文件,文件传送模块,主机1,主机2,文件传送模块,只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,再设计一个通信服务模块,文件传送模块,主机1,主机2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,通信服务模块,通信服务模块,再设计一个网络接入模块,文件传送模块,主机1,主机2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络接口,网络接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。,计算机网络的分层模型,计算机网络面临的问题用户的资源和信息存储在采用不同操作系统的主机中，这些主机分布在网络的不同地方，需要在不同的传输介质上实现不同操作系统主机之间的通信*解决复杂问题的方法分层！分层的方向：纵向、横向？,每层由一些分布在不同机器系统中的实体组成，实体是可收发信息的软件元素（如进程等）或硬件元素（如智能I/O芯片）的抽象。处于同层不同系统中的实体叫对等实体（Peerentity）。分层的方法将复杂的问题分解为一系列易于解决的问题。分层的另一个优点在于其可以保持层次的独立性。其方法是用原语操作定义每一层为上层提供的服务，而不考虑这些服务是如何完成的。,N层,N+1层,分层的好处,各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。,层数多少要适当,若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,计算机网络体系结构,计算机网络体系结构(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。,网络体系结构的主要概念,描述网络的层次结构网络的基本构成构成之间的相互关系每个层次定义三个基本概念接口、服务和协议三个概念之间的相互关系接口与服务的关系协议与服务的关系,每个层次定义三个基本概念,接口每层接口告诉上层进程对其的访问方式定义需要的参数和预期的结果服务每层为上层提供服务，定义该层做什么协议每层中使用的对等协议只涉及该层的内部事物协议的修改和替换不影响更高层次,协议与服务的关系,服务每层向上一层提供的一组原语（操作）。上层是服务用户下层是服务提供者协议定义同层对等实体之间数据包交换的格式和含义的一组规则。实体利用协议实现服务,OSI/RM中的基本概念OSI/RM开放系统互连参考模型标准为使不同计算机方便地集成为一个系统，国际标准化组织信息处理系统技术委员会（ISOTC97）于1980年12月发表了开放系统互连参考模型（OSIRM：OpenSystemInterconnectReferenceModel）的建议书。在开放系统互连的术语中，“实系统”是一个能执行信息处理或信息传送的自治整体。它是由一台或多台计算机及相关的软件、外围设备、终端及信息传输等设备所构成的一个集合。如果实系统在与其他系统进行通信和相互合作方面，能服从OSI标准，则把该实系统称为开放实系统。,开放系统互连参考模型OSI/RM,只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面OSI却失败了。OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。,两种国际标准,法律上的(dejure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。是非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。,服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）任何层间服务是在接口的SAP上进行的；每个SAP有唯一的识别地址；每个层间接口可以有多个SAP。接口数据单元IDU（InterfaceDataUnit）IDU是通过SAP进行传送的层间信息单元；IDU由上层的服务数据单元SDU（ServiceDataUnit）和接口控制信息ICI（InterfaceControlInformation）组成；协议数据单元PDU（ProtocolDataUnit）第N层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元；PDU由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息PCI（ProtocolControlInformation)组成,服务分类和服务原语（primitives）面向连接的服务先建立连接，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。无连接服务直接传送数据，每个包独立进行路由选择。特点：顺序性差。注意：连接并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。,服务原语服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述。服务原语可分为四种类型：请求（Request）指示（Indication）响应（Response）确认（Confirm),OSI分层的原则,当确实需要区分不同的抽象层次时才建立一层。从制定国际标准协议角度出发选择每层的功能。各层边界的确定应使层次间的信息交流最少。层次的数量要恰到好处，既可用层次区分不同的功能，又不致使体系结构过于庞大。,物理介质,系统A,系统B,通信结点,通信结点,N+1子系统,N子系统,物理层,链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,应用层协议,OSI物理层,物理层的功能在两个网络物理设备之间提供透明的比特流物理层的特性机械特性：定义连接器形式以及插针分配电气特性：定义接口电路的电气参数功能特性：定义物理接口信号线规程特性：定义信号线的操作规程,OSI数据链路层,数据链路层的功能在物理连接基础上建立、维护和释放数据链路（逻辑通道），在对等实体间实现帧的透明传输，流量控制和差错控制，管理竞争信道的使用权数据链路服务数据单元帧发送方封装数据帧（dataframe）定义和识别帧的边界处理接收方回送的确认帧（acknowledgementframe）,OSI网络层,网络层的功能在数据链路之上为传输层提供建立、维护和释放网络连接（点到点的传输）手段，解决路由选择问题。网络层提供的主要服务网络地址服务（向传输实体提供服务的SAP)网络连接和端点（逻辑信道）标识面向连接无连接网络服务数据单元分组packet,OSI传输层,传输层的功能在网络连接之上为会话层提供主机之间连接（端到端的传输）手段，屏蔽硬件技术细节。传输层提供的主要服务对会话层提供透明的多路复用（多个传输连接复用一个网络连接）传输连接标识（SAP）端到端的可靠性传输流量控制,OSI会话层的功能,为应用在不同主机之间建立会话过程网络文件系统（NFS）数据库语言（SQL）Web浏览器（Netscape）主机服务请求主机B服务响应,OSI表示层的功能,为应用提供编码格式及格式转换文本/数据ASCIIGB2312BIG5数据加密音频/视频WAVAUAVIMPEG.图形/图象BMPTIFFJPEGGIF.,OSI应用层的功能,2.3具有五层协议的体系结构,TCP/IP是四层的体系结构：应用层、运输(传输)层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。,五层协议的体系结构,应用层(applicationlayer)传输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer),数据链路层,5应用层,4传输层,3网络层,2数据链路层,1物理层,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,应用进程数据先传送到应用层,加上应用层首部，成为应用层PDU,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,应用层PDU再传送到传输层,加上传输层首部，成为传输层报文,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,传输层报文再传送到网络层,加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,IP数据报再传送到数据链路层,加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,数据链路层帧再传送到物理层,最下面的物理层把比特流传送到物理媒体,主机1向主机2发送数据,应用层(applicationlayer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,主机1,AP2,AP1,电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层,主机2,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,物理层接收到比特流，上交给数据链路层,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,网络层剥去首部，取出数据部分上交给传输层,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,传输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,我收到了AP1发来的应用程序数据！,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,应用程序数据,10100110100101比特流110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应用程序数据,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,10100110100101比特流110101110101,计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,H3,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给传输层,H4,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,传输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层,应用程序数据,H5,应用程序数据,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程,主机1向主机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机1,AP2,AP1,主机2,我收到了AP1发来的应用程序数据！,协议很复杂,协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。,著名的协议举例,占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战则可战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100%而不是99.999%）取得胜利？,这样的协议无法实现！,结论,这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。没有一种协议能够让蓝军100%获胜。,2.4TCP/IP的体系结构,应用层传输层网际层网络接口层,主机A,主机B,路由器,网络2,网络1,应用层传输层网际层网络接口层,网际层网络接口层,4321,路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用传输层和应用层。,沙漏计时器形状的TCP/IP协议族,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,传输层,应用层,网络接口1,网络接口2,网络接口3,EverythingoverIPIP可为各式各样的应用程序提供服务,IPoverEverythingI