网络协议的分层

1、Lecture on Computer NetworkFor 0606-10,0616-19Spring 2008Weifeng SunWSchool of SoftwareDalian University of Technology授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层2/52讨论：网络的设计和处理 网络如此复杂，该如何设计并处理？授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层3/52解决方法分而治之 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。 分工和合作授课人：

2、孙伟峰计算机网络-网络协议的分层4/52计算机网络的体系结构 定义：为了完成计算机间的通信合作，把每个计算机互联的功能划分成定义明确的层次（Layer/Level），规定了相邻层之间的接口及服务以及同层次进程通信的协议。 ISO/OSI的三级抽象概念： 最高级：OSI七层模型的划分。 低一级：OSI服务的定义。 最低级：OSI的协议规范。授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层5/52划分层次的必要性 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。 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(network protoc

3、ol)，简称为协议。 授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层6/52协议的 “层次”网络是复杂的! 诸多 “成分”: 主机 路由器 各种介质的链路 应用程序 协议 硬件, 软件问题: 如何将复杂的网络问题依据一定的规则组织成一定的结构?至少要为讨论网络问题建设一个技术平台?授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层7/52为什么要分层?对于复杂的系统: 显式的结构使得复杂系统的问题定位和不同组成部分之间的关联讨论称为可能 分层的参考模型(reference model) 可用于讨论 模块化简化了系统的维护和升级 某个层次服务实现对系统的其余部分是透明的 分层的做法有没有坏处?授课人：孙伟峰计算

4、机网络-网络协议的分层8/52第N层协议第N+1层协议第N-1层协议最低层协议最高层协议物理介质N层N+1层N-1层最高层最低层开放系统AN/(N+1)层接口(N-1)/N层接口N层N+1层N-1层最高层最低层开放系统B计算机网络体系结构模型端系统A端系统B授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层9/52体系结构标准化网络阶段一 计算机网络制造厂商的标准化 IBM的SNA（System Network Architecture） DEC的DNA（Digital Network Architecture） Novell的NetWare Microsoft的LAN Manager等 Apple的A

5、ppleTalk授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层10/52体系结构标准化网络阶段二 国际标准化 ISO（International Standard Organization）的OSI RM（Open Systems Interconnection Reference Model） IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers）的802局域网标准 ITU-T（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector，原为CCI

6、TT，Consultative Committee for International Telegraph and Telephone）的三个系列标准： V系列，用于电报和电话网（PSTN）上的数据传输。 X系列，用于公用数据网（PDN）上的数据传输。 I系列，用于综合业务数字网（ISDN）上的数据传输。 ANSI（American National Standards Institute） EIA/TIA（Electronic Industry Association/Telecommunications Industry Association）授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层11

7、/52因特网协议栈(计算机网络的原理体系结构) 应用层: 支持网络应用 ftp, smtp, http 传输层: 主机进程间的数据传递 tcp, udp 网络层: 将数据报从信源传递到信宿 ip, 路由选择协议 链路层: 数据在网络上的相邻结点间的传输 ppp, ethernet 物理层: 信道上传送的位流applicationtransportnetworklinkphysical授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层12/52协议分层和数据的封装每个层次都从上层取得数据 加上首部信息形成新的数据单元 将新的数据单元传递给下一层次applicationtransportnetworklin

8、kphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalsourcedestinationMMMMHtHtHnHtHnHlMMMMHtHtHnHtHnHlmessagesegmentdatagramframe授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层13/52关于因特网的标准化工作因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWG授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层14/52制订因特网的正式标准要经过四个阶段 因特

9、网草案(Internet Draft) 在这个阶段还不是 RFC 文档。 建议标准(Proposed Standard) 从这个阶段开始就成为 RFC 文档。 草案标准(Draft Standard) 因特网标准(Internet Standard) 授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层15/52各种RFC之间的关系因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层16/52各层设计的问题 寻址方式（addressing）：标识特定的收发者。 数据传输的规则： 单工通信（simplex）：单向。 半双工通

10、信（half-duplex）：双向，但不能同时。 全双工通信（full-duplex）：双向，且可同时。 差错控制（error control）：检错，纠错，策略。 保序（sequencing） 流量控制（flow control） 报文的分割（disassembling）及组合（reassembling） 多路复用（multiplexing） 路由选择（routing）授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层17/52计算机网络分层的一些概念 实体（entity）：每层中的互动元素（如进程或接口电路）。 对等实体（peer entity）：不同开放系统上同一层中的实体。 协议（protoco

11、l）：某层上通信的规则。 协议栈（protocol stack）：各层协议按层次顺序排列的协议序列。 服务（service）：低层向相邻高层提供的通信能力。 接口（interface）：相邻层之间的边界。 服务访问点（SAP）：位于接口上的具体地点（地址）。 服务提供者（service provider）：服务中的底层实体。 服务用户（service user）：服务中的高层实体。授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层18/52处于接口上下的两层之间的关系授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层19/52低层向高层提供的服务 面向连接的服务（connection-oriented servi

12、ce）：象打电话一样分为三个阶段，建立连接；使用连接；释放连接。 无连接服务（connectionless service）：象寄邮件一样，每个报文都独立寻址，独立路由。 服务质量（Quality of Service）的好坏（可靠性），最终取决于是否确认（acknowledge）。但确认的过程会增加额外的开销和延迟。总结为4种服务形式：连接类型连接类型服务类型服务类型应用例子应用例子面向连接可靠文件传输不可靠音视频传输无连接可靠挂号邮件不可靠寄信授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层20/52OSI参考模型的数据传输授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层21/52关于开放系统互连参考模型

13、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。 授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层22/52OSI参考模型的问题 复杂、繁琐、低效、官僚。国际官僚政论者语言（international bureaucrat speak） 不符合“双象天启

14、”（apocalypse of the two elphants）关于标准的理论。时间活动标准研究亿万美元投资网络研究时间活动TCP/IP网络的应用OSI参考模型授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层23/52两种国际标准 法律上的(de jure)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(de facto) 国际标准。授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层24/52划分层次的概念举例 计算机 1 向计算机 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

15、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。 两个计算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。授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层25/52两个计算机交换文件 文件传送模块计算机 1计算机 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授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层26/52再设计一个通信服务模块 文件传送模块计算机 1计算机 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

16、服务模块授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层27/52再设计一个网络接入模块 文件传送模块计算机 1计算机 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。授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层28/52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。 授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层29/52五层协议的体系结构 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(ne

17、twork layer) 数据链路层(data link layer) 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 物理层授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层30/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 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授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层31/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文授课人：孙伟峰计算机网络-网

18、络协议的分层32/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 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）授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层33/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层34/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 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授课人：孙伟峰计

19、算机网络-网络协议的分层35/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1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计算机 2授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层36/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层37/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，

20、上交给网络层授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层38/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层39/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层40/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层41/5

21、2计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层42/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 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H2链路层首部T2链路层尾部授课人：孙伟峰计算机网络-网

22、络协议的分层43/52计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 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 据授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层44/52H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 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 据授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层45/52H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层46/52H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层授课人：孙伟峰计算机网络-网络协议的分层47/52应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据计算机 1 向计算机 2 发送数据 5432