2第二讲计算机网络的体系结构.ppt

第二讲计算机网络的协议及体系结构,主要内容:协议的概念体系结构服务(service)、协议(protocol)、服务访问点(SAP)多层通信的实质信息传送单元PDU、SDU和IDU面向连接服务与无连接服务服务原语OSI模型中各层的功能,2.1协议的概念协议:在计算机网络中，为进行数据交换而建立的规则、标准或约定。协议的三个要素:(1)语法:数据与控制信息的结构或格式;(2)语义:需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答;(3)同步:即事件实现顺序的详细说明。,举例：,F,Info,C,A,F,FCS,8bit,16,0,8,8,8,Checkfield,Transparenttransferfield,HDLC的帧结构,t,从主机取数据,上交主机,DATA1,DATA2,结点A,结点B,ACK,ACK,数据链路层协议,协议很复杂,协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。,著名的协议举例,占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定(即100%)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。没有一种协议能够蓝军能100%获胜。,2.2体系结构,网络的体系结构:计算机网络的各层及其协议的集合，是对网络及其组成部分的功能的精确定义。分层的体系结构:ARPANET的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构最好采用层次式的。,一、分层体系结构的形成,例:连接在网络上的两台计算机要互相传送文件:必须有一条传送数据的通路发起通信的计算机发出一些信令，保证要传送的数据能够在通路上正确发送和正确接收告诉网络如何识别接收数据的计算机发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据两个计算机文件格式不兼容，至少其中一个完成转换对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失、网络中某个结点交换机出现故障等，应有可靠的措施保证对方计算机最终能收到正确的文件。,分层原则,按功能分:每层应当实现一个定义明确的功能每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构会过于庞大。,1层和层之间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通过层间的接口所提供的服务。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，例如由于技术的变化，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层都不会受影响。此外，对某一层提供的服务还可进行修改。当某层提供的服务不再需要时，甚至可以将这层取消。3结构上可分割开各层都可以采用最合适的技术来实现。,二、网络协议分层处理的优点(1),4易于实现和维护整个系统已被分解为若干个相对独立的子系统。使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得容易处理。5有利于标准化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。,二、网络协议分层处理的优点(2),结论为了减少协议设计的复杂性，大多数网络都按层的方式来组织，每一层都建立在它的下层之上。不同的网络，其层的数量、各层的名字、内容和功能都不完全相同。然而，在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而是把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。,2.3服务(service)、协议(protocol)、服务访问点(SAP),几个开放系统互连时，除最高、最低层外都可称为N层。表示方法:(N)表示第N层;(N+1)表示N层的上一层;(N-1)表示N层的下一层;,(N),(N+1),(N-1),实体:指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。对等实体:位于不同系统内同一层次的两个实体。(N)协议:控制两个对等(N)实体进行通信的规则的集合。服务访问点:在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方。服务:在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。协议栈:某一系统内的各层协议集。,EverythingoverIP:TCP/IP可以为各式各样的应用提供服务IPovereverything:TCP/IP可以连接到各式各样的网络上,服务和协议的关系:,服务是各层向它上一层提供的一组操作。尽管服务定义了该层能够代表它的上一层完成的操作，但并未涉及这些操作是如何完成的。服务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。而协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则。协议是“水平”的,即控制对等实体之间通信的规则;服务是“垂直”的，是由下层向上层通过层间接口提供的。N+1层使用N层的服务;N层被称为服务提供者，N+1层为服务用户。N层利用N-1层的服务来提供它的服务。它可能提供几类服务，如CO或CL。,ISO/OSI模型和TCP体系结构的简单比较,1TCP/IP一开始就考虑到多种异构网络互连的问题;ISO最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连在一起。2TCP/IP面向连接服务和无连接服务并重,而OSI只强调面向连接服务。无连接服务的数据报对于互连网中的数据以及分组语音通信十分方便。3TCP/IP有较好的网络管理功能,而OSI后来才考虑这个问题。,TCP/IP的不足,没有明确区分“服务”、“协议”、“接口”的概念TCP/IP模型的通用性较差,很难用它来描述其他种类的协议栈TCP/IP的网络接口层严格说并不是一个层次，而仅仅是一个接口。,数据在各层之间的传递过程,实际上，数据不是从一台机器的第N层直接传送到另一台机器的第N层，而是每一层都把数据和控制信息交给它的下一层，直到最下层。第一层下是物理介质，它进行实际的通信。,2.4多层通信的实质:,协议栈间的通信,对等协议,对等协议,对等协议,对等协议,对等协议,对等协议,对等协议,中国,教师,德国,教师,翻译,翻译,秘书,秘书,消息,“你好”,“HALLO”,“HELLO”,“HELLO”,传真,传真,2/3接口,1/2接口,2/3接口,1/2接口,P,3,P,1,P,2,对交谈内容的共识,用英语对话,使用传真通信,例1:,只要接口保持不变，每层协议和其它层协议完全无关。只需两位翻译认可，他们可以随意将中文翻译成法语，完全不改变他们和第1层和第3层之间的接口。与此类似，秘书。,M,M,P1,源主机,目的主机,4,3,2,1,5,MTU:MaximumTransferUnit,以一个五层的系统为例,多层通信的实质,对等层实体之间虚拟通信下层向上层提供服务实际通信在最底层完成,各层设计应考虑的问题,寻址路由选择差错控制顺序控制流量控制拥塞控制分段/重装连接的多路复用与分解,2.5信息传送单元PDU、SDU和IDU,PDU(protocoldataunit)协议数据单元在不同系统之间各层对等实体之间实现该层协议的数据单元。PH:bitDL:帧(frame)N_:分组(packet)T_:TPDUS_:SPDUP_:PPDUA_:APDU,第(N)层的PDU送到(N-1)层作为(N-1)层的用户数据部分，再加上(N-1)层的PCI(协议控制信息),构成(N-1)层的PDU。第(N)层PDU送到另外一个系统的(N)层，取出第(N)层的用户数据部分;同理，(N-1)层,N,N-1,ICI:接口控制信息IDU:接口数据单元,ICI:使得相邻两个层次能够正确交互。,SDU:服务数据单元,SDU:完成第(N)层服务所需传递的数据单元。,(N)SDU,(N)PCI,(N)PDU,(N)DATA,PDU、SDU和IDU三者的关系:,为了传递(N+1)SDU,N实体可能将SDU分成几段，每一段加上一个报头后作为独立的协议数据单元PDU送出。也可以是多个SDU合成一个PDU。,2.6面向连接服务与无连接服务,动态分配资源。(仅在数据传输时占用资源。)(2)不需要通信双方同时活跃,不能防止报文的丢失、重复或失序。,数据报例:广播、组播可靠的数据报例:挂号信,2.7服务原语,服务原语:体系结构中，上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。,四类服务原语,Request请求原语源（N+1）实体源（N）实体含义:一个实体希望得到某种操作的服务Indication指示原语目的（N）实体目的（N+1）实体含义:通知一个实体，有某个事件发生Response响应原语目的（N+1）实体目的（N）实体含义:一个实体响应一个事件Confirm证实原语源（N）实体源（N+1）实体含义:返回对先前请求的响应,原语可以带参数，并且大多数原语都带参数。1连接请求的参数可能指明要与哪台机器连接、需要的服务类型和拟在该连接上使用的最大报文长度。2连接指示原语的参数可能包含呼叫者标志、需要的服务类型和建议的最大报文长度。如果被呼叫实体不同意呼叫实体所建议的最大报文长度，它可能在响应原语中作出一个反建议，呼叫方可从证实原语中获知它。例如:T-CONN-REQT-CONN-REQ(CED-ADDR,CNQ-ADDR)被叫地址主叫地址,服务:有证实的服务(请求、指示、响应和证实)无证实的服务(请求和指示)CONNECT服务总是有证实的服务因为远程对等实体必须同意才能建立连接。数据传输要么是有证实的要么是无证实的，这取决于发送方是否要求确认。,需,证,实,无需,证实,一个简单的面向连接服务示例,连接请求（CONNECT.request）：主叫方服务用户请求建立连接连接指示（CONNECT.indication）：被叫方服务提供者向其服务用户报告有连接建立请求连接响应（CONNECT.response）：被叫方服务用户表示接受连接请求连接证实（CONNECT.confirm）：主叫方服务提供者通知其服务用户连接已建立数据请求（DATA.request）：服务用户请求其服务提供者把数据传送给对方数据指示（DATA.indication）：服务提供者向其服务用户报告数据到达断连请求（DISCONNECT.request）：服务用户请求释放连接断连指示（DISCONNECT.indication）：服务提供者通知服务用户对方已释放连接,电话系统工作示例,例如：Tom打电话请Julia吃饭，服务提供者为电话局CONNECT.requestTom拨Julia的电话号码CONNECT.indicationJulia的电话振铃CONNECT.responseJulia摘机CONNECT.confirmTom听到振铃停止，知道有人应答DATA.requestTom说话，发出邀请DATA.IndicationJulia听到Tom的邀请DATA.RequestJulia说话，接受邀请DATA.indicationTom听到Julia的答复DISCONNECT.requestJulia挂机DISCONNECT.indicationTom听到Julia挂机，也挂机,2.8OSI模型,物理层(第1层),数据链路层(第2层),网络层(第3层),传输层(第4层),会话层(第5层),表示层(第6层),应用层(第7层),物理层与传输介质：物理层不是传输介质，传输介质在物理层之下，有时把它们称为0层，传输介质的多样性物理层的作用是屏蔽掉计算机网络中种类繁多的具体物理设备和传输介质的差异，向数据链路层提供一致的服务。在物理层传送的基本数据单元为比特,数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。,基本功能:网络层是通信子网的最高层。对上层用户屏蔽了子网通信的全部细节，如子网类型、拓扑结构和子网数目等，向上层提供一致的服务，统一的地址。主要功能:路由选择和存储转发;通过网络连接在主机之间提供分组交换功能;差错控制和流量控制。,传输层在低层服务的基础上提供一种通用的传输服务。它可根据通信子网的特征最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，在两个端系统（源站和目的站）的会话层之间，建立一条运输连接，以透明地传送报文。当会话实体要求建立一个传输连接时，传输层就为其建立一个对应的网络连接。如果要求较高的吞吐量，传输层可能为其建立多个网络连接;相反，会把几个传输连接多路复用到一个网络连接上。,会话