计算机网络：3 计算机网络体系结构

1、计算机网络体系结构 n协议 n分层 n计算机网络体系结构 nOSI nTCP/IP n五层体系结构 n几个概念 1 协议 n计算机网络中的数据交换必须遵守事先 约定好的规则。 n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）。 n网络协议(network protocol)，简称为协 议，是为进行网络中的数据交换而建立 的规则、标准或约定。 Hi Hi Got the time? 2:00 TCP connection req. TCP connection reply. Get http:/ time 网络协议的组成要素 n语法 数据与控制信息的结构或格式

2、n如何讲 n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 n讲什么 n同步 事件实现顺序的详细说明 n讲话的次序 2 分层 n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。 n“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。 划分层次概念举例 n哲学家翻译秘书 n邮件系统 n文件传送系统 社团社团A(英语英语)社团社团B(法语法语) 消息消息哲学家哲学家 给远程给远程 翻译的翻译的 信息信息 翻译翻译 秘书秘书 给远程给远程 秘书的秘书的 信息信息 汉语汉语 我喜我喜 欢兔欢兔 子子 汉语汉语

3、我喜我喜 欢兔欢兔 子子 汉语汉语 我喜我喜 欢兔欢兔 子子 汉语汉语 我喜我喜 欢兔欢兔 子子 哲学家-翻译-秘书结构 例例1 上图的例子来说明多层通信的实质 n两个社团的两位两个社团的两位哲学家（哲学家（第三层中的对等实体）第三层中的对等实体） 希望通话。他们一个说英语，另一个说法语。希望通话。他们一个说英语，另一个说法语。 由于没有共同的语言，他们由于没有共同的语言，他们无法直接通信无法直接通信。 n于是他们每个人都雇用了一位于是他们每个人都雇用了一位翻译翻译（第二层中（第二层中 的对等实体）。每一个翻译又进一步和一位的对等实体）。每一个翻译又进一步和一位秘秘 书书（第一层中的对等实体）

4、联络，秘书负责打（第一层中的对等实体）联络，秘书负责打 字、传真、接听电话等一般性工作。字、传真、接听电话等一般性工作。 n这样，这样，每个社团都形成了三个层次的机构每个社团都形成了三个层次的机构。 n应当注意到每层协议与其他层协议完全无关，应当注意到每层协议与其他层协议完全无关， 只要接口保持不变。只要接口保持不变。 n只需两位翻译认可，他们可以随意将汉语换成只需两位翻译认可，他们可以随意将汉语换成 俄语而完全不必改变他们和第一层或第三层之俄语而完全不必改变他们和第一层或第三层之 间的接口。间的接口。 n与之相似，秘书可以把传真换成电子邮件而不与之相似，秘书可以把传真换成电子邮件而不 会影响

5、到其他层。某些层可能增加一些被对等会影响到其他层。某些层可能增加一些被对等 实体使用的信息（如第一层的传真号）。这些实体使用的信息（如第一层的传真号）。这些 信息不会被传递到在他们之上的层。信息不会被传递到在他们之上的层。 n这里，甲乙社团都可以看作是网络结点，而哲这里，甲乙社团都可以看作是网络结点，而哲 学家、翻译和秘书是一个个的通信实体。学家、翻译和秘书是一个个的通信实体。 n处于不同结点的相同层次的实体叫做对等实体。处于不同结点的相同层次的实体叫做对等实体。 n协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定。 n比如两个社团的秘书之间就有收发传真和普通比

6、如两个社团的秘书之间就有收发传真和普通 信函的协议，翻译之间都遵照约定语言的协议。信函的协议，翻译之间都遵照约定语言的协议。 n两人通讯模型的特点： n模型具有三个层次 n相同层次的交流都是独立进行的，不受其他 层次影响 n上下相邻两个层次之间的联系可以用“提供 服务”和“使用服务”来进行说明 分层的优点 n各层之间相互独立，高层不必关心低层各层之间相互独立，高层不必关心低层 的实现细节，可以真正做到各司其职的实现细节，可以真正做到各司其职 n利于实现和维护，某个层次实现细节的利于实现和维护，某个层次实现细节的 变化不会对其他层次产生影响变化不会对其他层次产生影响 n易于标准化。易于标准化。

7、信件内容信件内容 邮件地址邮件地址 货物地址货物地址 发信人发信人 邮政局邮政局 运输系统运输系统 信件内容信件内容 邮件地址邮件地址 货物地址货物地址 收信人收信人 对信件内容的共识对信件内容的共识 对信件如何传递的共识对信件如何传递的共识 对货物如何运输的共识对货物如何运输的共识 P3 P2 P1 公路，铁路，航空公路，铁路，航空 例例2 问题：问题： 1、收信人与发信人之间、邮政局之间，他们是在直接通信吗？、收信人与发信人之间、邮政局之间，他们是在直接通信吗？ 2、邮政局、运输系统各向谁提供什么样的服务？、邮政局、运输系统各向谁提供什么样的服务？ 3、邮政局、收发信人各使用谁提供的什么服

8、务？、邮政局、收发信人各使用谁提供的什么服务？ 邮政局邮政局 运输系统运输系统 例3 n主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。 n可以将要做的工作进行如下的划分。 n第一类工作与传送文件直接有关。 n确信对方已做好接收和存储文件的准备。 n双方协调好一致的文件格式。 n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

9、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。 分层的好处 n各层之间是独立的。 n灵活性好。 n结构上可分割开。 n易于实现和维护。 n能促进标准化工作。 层数多少要适当 n若层数太少，就会使每一层的协议太复 杂。 n层数太多又会在描述和综合各层功

10、能的 系统工程任务时遇到较多的困难。 3 计算机网络的体系结构 n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。 n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。 n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。 n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。 OSIOSI体系结构体系结构 1978为开放系统互联成立专门委员会，为开放系统互联成立专门委员会，1980年草拟参考模型协议书，年草拟参考模型协议书，1983 年正式批准为国际标准。年正式批准为国际标准。

11、 OSI体系结构将网络的不同功能划分为体系结构将网络的不同功能划分为7层层 应用层应用层Application 表示层表示层Presentation 会话层会话层session 传输层传输层transport 物理层物理层Physical 数据链路层数据链路层Data Link 网络层网络层Network 7 6 5 4 3 2 1 为应用选择适当的服务为应用选择适当的服务 提供编码转换，数据重新格式提供编码转换，数据重新格式 化化 主机间通信主机间通信 提供端到端的数据完整提供端到端的数据完整 寻址和最短路径寻址和最短路径 相邻节点间透明、可靠的相邻节点间透明、可靠的 信息传输信息传输 为数

12、据传输提供通路为数据传输提供通路 TCP/IP的体系结构 应用层 运输层 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 运输层 网际层 网络 接口层 网际层 网络 接口层 4 3 2 1 路由器在转发分组时最高只用到网络层 而没有使用运输层和应用层。 沙漏计时器形状的 TCP/IP协议族 HTTPSMTPDNSRTP TCPUDP IP 网际层 网络接口层 运输层 应用层 网络接口 1 网络接口 2网络接口 3 Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务 IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上 具有五层协议的

13、体系结构 nTCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运 输层、网际层和网络接口层。 n但最下面的网络接口层并没有具体内容。 n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 n应用层(application layer) n运输层(transport layer) n网络层(network layer) n数据链路层(data link layer) n物理层(physical layer) 数据链路层 5 应用层 4 运输层 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

14、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 再传送到运输层 加上运输层首部，成为运输层报文 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 运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

15、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 n应用层(application layer) 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

16、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 上交给运输层 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 运输层剥去首部，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

17、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 应用层首部 H5 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 H5应 用 程 序 数 据 H4H5应 用 程 序 数 据 H3H4H5应 用 程 序 数 据 H4 运输层首部 H3 网络层首部

18、 H2 链路层 首部 T2 链路层 尾部 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 H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据 H3H4H5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 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 H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据 H4H5应 用 程 序 数 据 H3H4H

19、5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 网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层 H5应 用 程 序 数 据 H4H5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 运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！ 4 几个概念 实体 n实体(entity) 表示任何可发送或接收信息 的硬件或软件进程。 n协议是控制两个对等实体进行通信的规 则的集合。 n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。 n要实现本层协议，还需要使用下层所提 供的服务。 服务、服务访问点 n本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面 的协议。 n下面的