认识网络体系结构层次模型讲义

1、项目2：认识网络体系结构层次模型项目主题： 描述网络的结构，包括成功通信所需的设备和介质。 说明协议在网络通信中的功能。 说明使用分层模型来描述网络功能的优点。 描述以下两种公认网络模型中每一层的作用：TCP/IP 模型和 OSI 模型。 “术语表”任务1 认识网络体系结构 “网络体系结构”是指支持基础架构的技术以及通过该基础架构传输消息的编程服务和协议。 随着 Internet 和通用网络的发展变化，我们发现底层体系结构必需解决以下四个基本特性才能满足用户的期望：容错能力、可扩展性、服务质量、安全性。 参看思科网院 第一章1.4节网络通信的基本要素对于个人和企业来说，能与身处任意地域的任何人

2、进行可靠通信正变得越来越重要。为了即时传输全世界人们交换的数百万条消息，我们需要依靠很多数据和信息网络互连而成的一张大网。虽然这些数据或信息网络的大小和功能各异，但所有网络都有四个共同的基本要素：用于管理消息如何发送、定向、接收和解释的规则或协议将会从一个设备传送到另一设备的消息或信息单位互联这些设备的工具，也就是可以将消息从一个设备传输到另一设备的介质彼此之间要交换消息的设备任务2 认识网络协议 协议的三要素：语法、语义和时序（定时） 参看思科网院 第二章 2.1节 通信平台通信的三要素分段多路复用 2.3节 协议 2.4节分层模型 思考：分层的优势任务3：认识网络分层模型协议模型和参考模型

3、协议模型提供了与特定协议簇结构精确匹配的模型。协议簇中分层的一组相关协议通常代表连接以人为本的网络与数据网络所需的全部功能。TCP/IP 模型描述了 TCP/IP 协议簇中每个协议层实现的功能，因此属于协议模型。参考模型为各类网络协议和服务之间保持一致性提供了通用的参考。参考模型的目的并不是作为一种实现规范，也不是为了提供充分的详细信息来精确定义网络体系结构的服务。参考模型的主要用途是帮助人们更清晰地理解涉及的功能和过程。开放式系统互联 (OSI) 模型是最广为人知的网际网络参考模型，用于数据网络设计、操作规范和故障排除。尽管 TCP/IP 模型和 OSI 模型是讨论网络功能时使用的主要模型，

4、但网络协议、网络服务或网络设备的设计人员也可以自行创建模型来代表自己的产品。不过，设计人员最终还是需要将自己的产品或服务与 OSI 模型和 TCP/IP 模型之中任一或全部相关联才能与行业通信。任务4 ：OSI参考模型OSI 模型最初由国际标准化组织 (ISO) 设计，旨在提供一套开放式系统协议的构建框架。其初衷是希望使用这套协议开发一个独立于私有系统的国际网络。不过，由于基于 TCP/IP 协议的 Internet 迅速得到广泛采用并且扩展速度极快，致使 OSI 协议簇的制定和认可相对滞后。但即使目前只有少数使用 OSI 规范制定的协议得到了广泛使用，七层 OSI 模型对适用于所有新兴网络类

5、型的其它协议的制定和产品的开发作出的贡献也不容忽视。作为一种参考模型，OSI 模型详细罗列了每一层可以实现的功能和服务。它还描述了各层与其上、下层之间的交互。虽然本课程将围绕 OSI 模型组织内容，但是 TCP/IP 协议栈中确定的协议将是我们讨论的重点。请注意，我们提及 TCP/IP 模型的各层时只使用其名称，而提及 OSI 模型的七个层时则通常使用编号而非名称。 动画：认识OSI参考模型2.2.1 局域网 为家庭、建筑或园区提供服务的网络视为局域网（LAN） 网络基础架构在以下方面可能存在巨大差异: 覆盖的区域大小 连接的用户数量 可用的服务数量和类型2.2.2 广域网 分布于不同地区的局

6、域网由称为广域网的网络连接在一起2.2.3 The Internet 由多个网络组成的网络 internet由相互连接的网络组成. LANs 和 WANs 可连接成网际网络.2.2.4 网络表示方式 需要牢记的重要术语包括:网络接口卡 物理端口接口2.4 使用分层模型2.4.1 使用分层模型的优点 有助于协议设计，因为对于在特定层工作的协议而言，它们的工作方式及其与上下层之间的接口都已经确定 促进竞争，因为可以同时使用不同厂商的产品。 避免一个协议层的技术或功能变化影响相邻的其它层。 提供了描述网络功能和能力的通用语言2.4.2 协议模型和参考模型 网络模型有两种基本类型：协议模型和参考模型2

7、.4.3 TCP/IP 模型OSI Model OverviewData Flow LayersTransport LayerData Link Network LayerPhysicalApplication (Upper) LayersSessionPresentationApplicationRole of Application LayersTelnetFTPUser InterfaceEXAMPLESApplicationTelnetFTPASCIIEBCDICJPEGUser InterfaceHow data is presentedSpecial processing such

8、 as encryptionEXAMPLESPresentationApplicationRole of Application LayersTelnetFTPASCIIEBCDICJPEGKeeping different applications data separateUser InterfaceHow data is presentedSpecial processing such as encryptionOperating System/Application Access SchedulingEXAMPLESSessionPresentationApplicationRole

9、of Application LayersKeeping different applications data separateUser InterfaceHow data is presentedSpecial processing such as encryptionTelnetFTPASCIIEBCDICJPEGOperating System/Application Access SchedulingTransport LayerData Link Network LayerPhysicalEXAMPLESSessionPresentationApplicationRole of A

10、pplication LayersRole of Data Flow LayersEIA/TIA-232V.35EXAMPLESPhysical Move bits between devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cables802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35EXAMPLESRole of Data Flow LayersData LinkPhysical Combines bits into bytes and bytes into frames Access to media using MA

11、C address Error detection not correction Move bits between devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cables802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPXEXAMPLESRole of Data Flow LayersNetwork Data LinkPhysical Combines bits into bytes and bytes into frames Access to media using MAC address Error det

12、ection not correction Move bits between devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cablesProvide logical addressing which routers use for path determinationTCPUDPSPX802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPXEXAMPLESRole of Data Flow LayersTransport Data LinkPhysical Reliable or unreliable delivery

13、 Error correction before retransmit Combines bits into bytes and bytes into frames Access to media using MAC address Error detection not correction Move bits between devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cablesNetwork Provide logical addressing which routers use for path determinationTCP

14、UDPSPX802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPXPresentationApplicationSessionEXAMPLESRole of Data Flow Layers Reliable or unreliable delivery Error correction before retransmit Combines bits into bytes and bytes into frames Access to media using MAC address Error detection not correction Move bits betwe

15、en devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cablesTransport Data LinkPhysical Network Provide logical addressing which routers use for path determination2.4.7 OSI 模型应用层为以人为本网络中的不同个人之间提供了使用数据网络实现端到端连接的方法.表示层对应用层服务之间传输的数据规定了通用的表示方式.会话层为表示层提供组织对话和管理交换的服务.传输层为终端设备之间的每个通信定义了数据分段、传输和重组服务.网络层为所标识的

16、终端设备直接按通过网络交换一个个数据的片段提供服务.数据链路层协议描述了设备之间通过公共介质.物理层协议描述的机械、电气、功能和操作方法用于激活、维护和停用网络设备之间比特传输使用的物理连接. 认识OSI参考模型案例 QQ传输信息过程（1） 信息的编辑和发送当编辑好一条信息如“你好”后，单击发送按钮，这样一条信息就可以通过网络传出去了。 1. 数据发送 认识OSI参考模型 QQ传输信息过程（2） 建立连接当计算机把“你好”转换成二进制之后，就可以进行传输了。首先，要想把这样一条信息传输出去，必须和对方的计算机建立连接，同时使双方的信息都能够相互识别，就是要为不同计算机间提供公共语言，这两个任务

17、是由OSI参考模型中表示层和会话层完成的，会话层负责通信链路连接，表示层则负责双方能够顺利通信。 1. 数据发送 认识OSI参考模型（3） 信息容错不管我们发送什么信息，在传输时都要检测传输线路的容错性。这一过程由OSI模型的传输层完成。 1. 数据发送 认识OSI参考模型（4） 路径选择网络传输上，每一条信息都是有地址的，就像我们寄信一样，寻找地址的工作就由OSI模型的第三层网络层来完成。 1. 数据发送 认识OSI参考模型（5） 数据纠错与建立链接要发送的信息地址找到后，就要进行数据的纠错，如果发现信息有错误，则通知上层重新整理发送，如果信息无误，则进行物理链路的链接。这一功能主要由OSI

18、模型数据链路层来完成。 1. 数据发送 认识OSI参考模型 QQ传输信息过程（6） 数据发送信息地址被确认之后，就要进行信息编码的传输了 。 1. 数据发送 认识OSI参考模型 QQ传输信息过程（1） 接收数据对于接收方计算机来说，首先，信息由网线传送到的网卡上，执行接收过程。 2. 数据接收（2） 数据检测当数据被接收时，会进行数据检测，如果发现数据有误，则发出通知，要求对方重新发送；若信息正确，则接收信息（如“你好”），然后拆除链路。 认识OSI参考模型 QQ传输信息过程（3） 信息确认与会话结束当信息被接收到计算机后，由高层进行数据确认，然后发送收到确认，结束会话。这一过程是由接收方计算

19、机的传输层和会话层完成的 。 2. 数据接收 认识OSI参考模型（4） 发送完毕，编码转化到此，通过QQ发送的“你好”两个字发送完毕，只不过发到目的计算机上的仍然是二进制编码，由接收方的计算机转换成“你好”二字，然后显示在屏幕上。如果对方再发回一条信息，则又会重新建立一条链路，道理和前面讲述的完全一样。 2. 数据接收Protocol Data Unit（PDU） 协议层的协议在对等层之间交换的信息叫协议数据单元。Message（流）PacketFrameBitSegment封装数据封装 （ encapsulate/encapsulation）：数据要通过网络进行传输，要从高层一层一层的向下传

20、送，如果一个主机要传送数据到别的主机,先把数据包装到一个特殊协议报头中，这个过程叫封装。数据解封装数据被封装并通过网络传输后，接收设备将删除添加的信息，并根据报头中的信息决定如何将数据沿协议栈向上传给合适的应用程序。数据的封装与解封装过程31InternetHello!IP包头数据的封装与解封装过程32Hello物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层 比特 帧 报文段PDUHelloTCP/UDP头HelloIP包头LLC子层TCP/UDP头HelloIP包头LLC子层MAC子层TCP/UDP头HelloTCP/UDP头高层数据MAC子层LLC子层FCSIP包头数据的封装与解封装过程3

21、3Hello物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层 比特 帧 报文段PDUHelloTCP/UDP头HelloIP包头LLC子层MAC子层TCP/UDP头HelloIP包头LLC子层MAC子层FCSTCP/UDP头HelloTCP/UDP头高层数据LLC子层Encapsulating DataTransport Data LinkPhysical Network Upper Layer DataUpper Layer DataTCP HeaderDataIP HeaderDataLLC Header0101110101001000010DataMAC HeaderPresentatio

22、nApplicationSessionSegmentPacketBitsFramePDUFCSFCSUpper Layer DataDe-encapsulating DataLLC Hdr + IP + TCP + Upper Layer DataMAC HeaderIP + TCP + Upper Layer DataLLC HeaderTCP+ Upper Layer DataIP HeaderUpper Layer DataTCP Header0101110101001000010Transport Data LinkPhysical Network PresentationApplic

23、ationSession2.4.4 通信过程 完整的通信过程包括以下步骤:1.在发送方源终端设备的应用层创建数据2.当数据在源终端设备中沿协议栈向下传递时对其分段和封装3.在协议栈网络接入层的介质上生成数据4.通过由介质和任意中间设备组成的网际网络传输数据5.在目的终端设备的网络接入层接收数据6.当数据在目的设备中沿协议栈向上传递时对其解封和重组7.将此数据传送到目的终端设备应用层的目的应用程序任务5 运行在OSI参考模型不同层次中的设备第一层：运行在物理层的设备集线器的特点及其工作原理冲突(collision):在以太网中,当两个节点同时传输数据时,从两个设备发出的帧将会碰撞,在物理介质上相

24、遇,彼此数据都会被破坏.冲突域(collision domain):在以太网中会引起冲突的这一个区域.冲突是在第一层(物理层)发生的.广播域(broadcast domain):网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合,也就是广播帧传输的网络范围.广播是在第二层(数据链路层)发生的.第二层：运行在数据链路层的设备交换机的特点交换机的工作原理 48bit,16进制交换机的功能在交换机中最常用的是：透明网桥。它执行3种简单的功能：学习、转发和过滤。它的透明性在于终端站点不知道网桥的存在。为什么交换机能够分割冲突域，因为它的过滤功能。PC-APC-BPC-CPC-DPC-EA BDrop第三层：运行在网络层的设备 路由器的特点路由器的工作原理路由器工作原理511.04.01.3E04.3