通信网体系与协议-第02章-网络体系结构

1、主要内容计算机网络的应用计算机网络的分类与构成计算机网络的体系结构计算机网络的参考模型TCP/IP模型网络和网络服务Uses of Computer NetworksUses of Computer Networks资源共享的需要资源共享的需要电子商务的需要电子商务的需要(E-commerce)信息访问的需要信息访问的需要(WWW,Email)信息通信的需要信息通信的需要(即时消息、即时消息、P2P)信息娱乐的需要信息娱乐的需要(Vod、Network Games)面向家庭的广义电子商务的需要面向家庭的广义电子商务的需要移动用户的需要移动用户的需要商业应用商业应用-资源共享资源共享Busine

2、ss Applications- resource sharing资源共享的目标是使得网络上所有的程序、设备，资源共享的目标是使得网络上所有的程序、设备，特别是数据对任何人都完全可用，而不不管资源和特别是数据对任何人都完全可用，而不不管资源和使用者在网络的任何地方。使用者在网络的任何地方。最明显和广泛的例子是同一个办公室的人员共享打最明显和广泛的例子是同一个办公室的人员共享打印机。实际上，人们一般不需要私有打印机，使用印机。实际上，人们一般不需要私有打印机，使用网络打印机是更廉价、快速、便宜，易于管理。网络打印机是更廉价、快速、便宜，易于管理。客户客户/服务器服务器架构架构Client/Ser

3、ver ArchitectureC/S模型(Client/Server Architecture)客户客户/服务器服务器架构架构Client/Server Architectureclient-server 模型是广泛使用的最基本的网络架构。典型应用是处于两地的计算机设备，一方(client)需要访问另一方(server)的资源. 比如，一个在家的人访问World Wide Web，也使用client-server 模型。remote Web server就是server端，而用户计算机则client端.在大多数情况下，一个server能够处理大量clients.client-server模型

4、的实现细节模型的实现细节we see that two processes are involved, one on the client machine and one on the server machine. Communication takes the form of the client process sending a message over the network to the server process. The client process then waits for a reply message. When the server process gets th

5、e request, it performs the requested work or looks up the requested data and sends back a reply.计算机网络的构成资源子网组成：服务器，客户计算机通信子网一、基本组成：通信线路 ( 或称通道 ) 网络互连设备 ( 路由器、交换机、HUB等 )二、基本结构：1. 点到点通道基本特点：一条线路连接二台网络互连设备，一般情况下，二台计算机的连接要经过多台网络互连设备 一般情况下，采用存储转发方式进行信息传输关键技术：路由选择 ( Routing )计算机网络的硬件构成：两级结构的计算机网络： 资源子网 (

6、或用户子网 ) ，通信子网中心中心处理机处理机总线型总线型树型树型星型星型环型环型拓扑是研究点拓扑是研究点和线组成的几和线组成的几何图形的特性何图形的特性的学科的学科按网络拓扑结构分类按网络拓扑结构分类网状结构网状结构 终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端节点节点节点节点节点节点节点节点按网络拓扑结构分类按网络拓扑结构分类传输介质传输介质终端终端调制解调器调制解调器前置处理机前置处理机集中器集中器网络接口卡网络接口卡工作站工作站服务器服务器服务器服务器工作站工作站网络结构示意网络结构示意工作站工作站工作站工作站网络硬件网络硬件调制解调器调制解调器内置式内置式

7、外置式外置式PC卡式卡式数字信号数字信号模拟信号模拟信号数字信号数字信号与模拟信与模拟信号转换号转换电话网电话网调制解调器调制解调器(MODEM)调制解调器调制解调器计算机网络计算机网络系统的组成系统的组成重要指标重要指标传输速率传输速率，即每秒传送的即每秒传送的位数位数，单位是，单位是bit/s，简写为，简写为bps。目前常用。目前常用19.2Kbps 、33.6Kbps、56Kbps.MODEM计算机网络-广播通道基本特点：多台计算机共享一条通信线路；任一台计算机发出的信息可以直接被其它计算机接收典型拓扑结构： bus, ring关键技术：通道分配 静态分配：分时间片特点：控制简单，通道利

8、用率低动态分配 ：各站点动态使用通道特点：控制复杂，通道利用率高通道分配方法： 集中式：只有一个仲裁机构 分布式：各站点均有仲裁机构网络分类从地域范围角度：1. 局域网络 ( Local Area Networks ) 主要采用广播通道技术2. 城域网络 ( Metropolitan Area Networks )3. 广域网络 ( Wide Area Networks )主要采用点到点通道技术采用局域网，传采用局域网，传输速率较高，误输速率较高，误码率较低。组网码率较低。组网方便，技术简单。方便，技术简单。传输距离远，传输传输距离远，传输速率较低，误码率速率较低，误码率较高。机制复杂。较高。

9、机制复杂。局域网局域网 指十几公里的指十几公里的地理范围内将计算机、地理范围内将计算机、外设和通信设备互连在外设和通信设备互连在一起的网络系统。一起的网络系统。广域网广域网 涉及的范围涉及的范围较大，通常可以达较大，通常可以达到几十公里、几百到几十公里、几百公里，甚至更远。公里，甚至更远。局域网和广域网局域网和广域网网络分类从采用技术角度： 1. 无线网络 ( Wireless Networks )优点：方便、灵活缺点：速率低（1-2Mbps），误码率高，易受干扰antennas, cellular telephone, CDPD(Cellular Digital Packet Data)2.

10、 卫星网络 3. ATM网络 .双绞双绞线线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星通信卫星通信微波微波网络硬件网络硬件-传输介质传输介质计算机网络功能的要求计算机网络功能的要求计算机网络的基本功能：是为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路。下述功能是必须提供的：1. 连接源结点和目的结点的物理传输线路，可以经过中间结点；2. 每条线路两端的结点利用波形进行二进制通信；3. 无差错的信息传送4. 多个用户共享一条物理线路5. 按照地址信息，进行路由选择6. 信息缓冲和流量控制7. 会话控制8. 满足各种用户的访问要求三个显著特点：三个显著特点：1. 上述功能必须同时满足一对用户；上述功能必须同时满足一

11、对用户；2. 用户之间的通信功能是相互的；用户之间的通信功能是相互的；3. 这些功能分散在各个网络设备和用户设备中。这些功能分散在各个网络设备和用户设备中。一般人们采用一般人们采用“层次结构层次结构”的方法来描述计算机的方法来描述计算机网络，即：网络，即：计算机网络中提供的功能是分成层次的计算机网络中提供的功能是分成层次的。计算机网络的协议与层次计算机网络的协议与层次1最初的计算机网络设计主要考虑的是硬件，其次考虑的才是软件。这种策略现在已经行不通了。现在的网络软件是高度结构化的；为了降低网络设计的复杂性，绝大多数网络都是组织成一堆相互叠加的层(Layer或Level)，每一层都建立在下一层的

12、基础之上。不同的网络，其层的数目、各层的名字、内容与功能也不尽相同。每一层的目的都是向上一层提供特定的服务，而把实现细节对上层隐藏起来。计算机网络的协议与层次计算机网络的协议与层次2一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层进行对话，对话中用到的规则和约定合起来称为第n层协议。不同机器上包含对应层的实体称为对等体(peer)，如对等硬件、对等进程等。每一对相邻层之间是接口(Interface)，接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务。协议与标准协议与标准在计算机网络中，通信发生在不同系统的实体之间。实体就是能够发送和接收信息的任何东西。协议( Protocol )就是一组控制数据通信的规则。

13、也即计算机网络同等层次中，通信双方进行信息交换时必须遵守的规则。 标准标准标准能够给网络设备厂商创建和维护一个开放和竞争的市场，并确保数据、电信的技术和处理方面在国内及国际上的互操作性。标准的两大类:事实上的标准(TCP/IP)合法的标准(OSI)计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构1计算机网络的体系结构是从功能的角度描述计算机网络的结构计算机网络的体系结构：对计算机网络及其部件所完成功能的比较精确的定义。即从功能的角度描述计算机网络的结构。是层次和协议的集合。计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构2计算机网络的体系结构 = 层次+协议的集合注意: 仅仅定义了网络及其部件通过协议应完成的

14、功能；不定义协议的实现细节和各层协议之间的接口关系。网络功能的分层 协议的分层 体系结构的分层计算机网络的体系结构3一个特定的系统所使用的一组协议（每一层一个协议）称为协议栈(protocol stack)学习计算机网络的精髓就是掌握网络体系结构、协议栈以及相关的协议。协议分层易于协议的设计、分析、实现和测试。协议和协议的分层结构协议的定义和组成层次结构的计算机网络功能中，最重要的功能是通信功能；这种通信功能主要涉及同一层次中通信双方的相互作用；位于不同计算机上进行对话的第N层通信各方可分别看成是一种进程，也称为对等（同等）进程。协议的分层和层间结构协议的分层原则 (layering prin

15、ciple)： 1. Layer N software on the destination computer must receive exactly the message sent by layer N software on the sending computer. Mathematically, if the sender applies a transformation T, the receiver must apply the inverse T-1. 2. 协议分层要保证整个通信系统功能完备、高效。每一相邻层之间有一个接口（Interface），它定义了下层向上层提供的原语

16、操作和服务。协议的分层和层间结构对于第N层协议来说，它有如下特性：1. 不知道上、下层的内部结构；2. 独立完成某种功能；3. 为上层提供服务；4. 使用下层提供的服务。基本术语与分层结构接口：定义了下层向上层提供的原语操作和服务。协议：计算机网络同等层次中，通信双方进行信息交换时必须遵守的规则。服务：层间交换信息时必须遵守的规则。服务和协议的关系服务提供者，服务用户协议三要素：语法、语义和同步语法(syntax)就是数据的结构或格式，以及数据出现的顺序的意义，即以二进制形式表示的命令和相应的结构；语义(semantics)就是发送和接收信息的比特流每一个部分的涵义，也即由由发出的命令请求，完

17、成的动作和回送的响应组成的集合；同步(定时关系, timing) ：有关事件顺序的说明，通常是通信实体之间传输数据的发送时间与速度的约束。基本术语与分层结构(续1)服务访问点SAP（Service Access Point）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（Interface Data Unit）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（Service Data Unit）和接口控制信息ICI（Interface Control Information）组成；协议数据单元PDU（

18、Protocol Data Unit）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（Protocol Control Information)组成；基本术语与分层结构基本术语与分层结构-分段和重组各层设计的共同问题地址编址机制(addressing)错误控制(error control)流量控制(flow control)多路复用(multiplexing)多路解复用(demultiplexing)服务分类 基于连接的服务和无连接服务基于连接的服务当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接。特点

19、：顺序性好。无连接服务 直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。 特点：顺序性差。注意注意：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(primitives)服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述的。服务原语可分为四种类型：请求（Request），指示（Indication），响应（Response），确认（Confirm）C/S通信结构的原语LISTENCONNECTRECEIVESENDDISCONNECT服务质量QoS每个服务都可以用服务质量(quality of service)来表述其特征。特征：可靠性实时性稳定性计算机网络的标准化计算机网络的标准化-电

20、信标准电信标准电信标准1865年成立国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）1947年 ITU 成为联合国的一个组织，由三部分组成：ITU- R：无线通信ITU- T：电信标准，1956 - 1993 年称为CCITT ，下设许多研究组SG，研究组下设专题，例如：Q42/SG VII 专门研究 OSI 参考模型。 ITU- D：开发计算机网络的标准化计算机网络的标准化-国际标准国际标准国际标准 1946年成立的国际标准化组织 ISO 负责制定各种国际标准，ISO 有89个成员国家，85 个其他成员。ISO 有200 多个技术委员会TC，每

21、个技术委员会下设若干分委员会SC，每个分委员会由由若干工作组WG 组成。TC97 - 计算机和信息处理TC97/SC21/WG1 - OSI 体系结构、概念性方案和形式描述一个国际标准的形成：CD (Committee Draft) - DIS (Draft International Standard) - IS (International Standard)其它标准化组织：ANSI：美国国家标准研究所，ISO 的美国代表NIST：美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构IEEE：发表行业标准。例如IEEE 802，后成为ISO 8802。ATM Forum：ATM论坛OIF（Op

22、tical Internetworking Forum）值得注意的是，ITU - T 和 ISO 之间有很好的合作和协调。Internet 标准Internet 的标准特点，是自发而非政府干预的，称为RFC （Request For Comments)。1969 年ARPANET 时就开始发布RFC，至今已超过3000个。1983年成立IAB（Internet Activities Board）1989年在IAB 下又成立了IRTF 和 IETF，IETF的各工作组负责组织提出相应的RFC 建议。OSI参考模型 -(Open System Interconnection) 1983年ISO 的

23、 OSI 模型正式成为国际标准。1.物理层（The Physical Layer）在物理线路上传输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。2.数据链路层（The Data Link Layer）在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（Frame）。3.网络层（The Network Layer）控制通信子网提供源点到目的点的数据传送（Packet）。4.运输层（The Transport Layer）为用户提供端到端的数据传送服务。5.会话层（The Session Layer）为用户提供会话控制服务（安全认证）。token management and synchronization (ins

24、ert checkpoints into the data stream)6.表示层（The Presentation Layer）为用户提供数据转换和表示服务。7.应用层（The Application Layer）OSI7层模型设计的基本原则应该在需要一个不同抽象体的地方创建一层应该在需要一个不同抽象体的地方创建一层每一层都应该执行一个明确定义的功能每一层都应该执行一个明确定义的功能每一层功能的选择应该向定义国际标准化协议的目标每一层功能的选择应该向定义国际标准化协议的目标看齐看齐层与层边界的选择应该使跨越接口的信息流最小层与层边界的选择应该使跨越接口的信息流最小层数应该足够多，保证不同的

25、功能不会被混杂在同一层数应该足够多，保证不同的功能不会被混杂在同一层中，但同时层数又不能太多，以免体系结构变得过层中，但同时层数又不能太多，以免体系结构变得过于庞大于庞大OSI模型中的层次物理层物理层协调在物理媒介中传送比特流所需的各种功能。物理层涉及到接口和传输媒体的机械的和电器的规约，定义了这些物理设备和接口为所发生的传输所必须完成的过程和功能。物理层协议涉及的内容接口和媒体的物理特性比特的表示(1、0如何转换为电、光信号)数据率(一个比特的持续时间)比特的同步(时钟同步)线路配置物理拓扑传输方式(单工、双工)10101001011L2数据从数据链路层物理层传输媒介10101001011L

26、2数据到数据链路层物理层OSI模型中的层次数据链路层数据链路层将物理层转换为可靠的链路，它使物理层对上层(网络层)看起来好像是不产生差错的。数据链路层协议涉及的内容成帧物理编址流控制差错控制接入控制L3数据从网络层数据链路层L2数据T2H2帧L3数据到网络层数据链路层L2数据T2H2帧到物理层从物理层OSI模型中的层次网络层网络层负责将分组从源站交付到目的站，其间可能要跨越多个网络（或链路）。数据链路层是同一网络（链路）上的两个系统之间分组的交付，而网络层则是确保每一个分组能够从其起点到达目的地。网络层协议涉及的内容逻辑编址：跨越网络边界的全网逻辑编址路由选择：对独立网络或链路互联的网络，分组

27、选择传输路径或交换的方法。L4数据从传输层网络层L3数据H3分组L4数据到传输层L3数据H3网络层分组到数据链路层从数据链路层OSI模型中的层次传输层传输层负责将完整的报文进行从源到目的(端到端)的交付。网络层监督单个分组端到端的交付，但是不考虑分组之间的关系。它独立的处理每一个分组。传输层要确保整个报文原封不动的按需到达，监督从源到目的这一级别的差错控制和流量控制。传输层协议涉及的内容服务点编址：计算机上特定实体的逻辑编址分段与重组连接控制流量控制差错控制L5数据从会话层传输层L4数据H4分组到会话层L5数据H4H4L4数据L4数据到网络层传输层L4数据H4分组H4H4L4数据L4数据从网络

28、层OSI模型中的层次会话层会话层是网络的对话控制器，它建立、维持通信系统之间的交换，并使这些通信系统同步。会话层责任：对话控制同步令牌控制L6数据从表示层会话层L5数据到表示层到传输层H5从传输层synL6数据会话层L5数据H5synOSI模型中的层次表示层表示层考虑的是网络通信双方所交换信息的语法和语义。表示层责任：信息变换加密信息压缩L7数据从应用层会话层L6数据到应用层到会话层H6从会话层数据的编码、加密和压缩L7数据会话层L6数据H6数据的解码、解密和解压OSI模型中的层次应用层应用层使用户接入到网络。应用层给用户提供接口和服务。应用层服务：网络虚拟终端文件传送、存取和管理电子邮件名录

29、服务TCP/IP 参考模型以 TCP/IP 协议为核心的 Internet 网络体系结构。1.物理层：在物理线路上传输原始的二进制数据位。2.数据链路层：在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输。TCP/IP 参考模型把第1层和第2层合起来称为：Host-to- Network3.Internet层（网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包传送。4.运输层：提供端到端的数据传送服务。TCP 和 UDP5.应用层：提供各种 Internet 管理和应用服务功能。TCP/IP版本版本4：IPV4缺陷：32位编址、地址分类版本5：基于OSI模型提出；由于代价很高，始终停留在建议阶段。版本6

30、：IETF设计的IPV6特点：128位IP地址，分组格式简化，支持网络层的鉴别、数据完整性和保密性，支持实时数据，能够处理拥塞和发现路由。OSI的历史经验和教训OSI是80年代计算机网络技术，网络体系结构的主流OSI网络体系结构的核心和贡献：分层模型服务、接口、协议Andrew S. Tanenbaum 在 “Computer Networks”第三版中评价OSI：Bad timing（too late）Bad technology（both the model and the protocol are flawed）Bad implementations（huge，unwieldy，and

31、slow）Bad politics（government and organizations bureaucrats）Internet 的标准化特点IAB（Internet Architecture Board）IRTF（Internet Research Task Force）IETF（Internet Engineering Task Force）Internet SocietyRFC（Request For Comments）1969年产生RFC0001，1997.1.3产生RFC2069，2000.9产生RFC2921Internet 标准化名言（David Clark of MIT）

32、：“We reject kings, presidents, and voting；we believe in rough consensus and running code”结论：Internet 与 ITU - T和ISO 的标准化过程完全不同Novell NetWare在PC机中应用广泛，client-server结构参考模型Based on the old Xeror Network System, XNS, but with various modifications.网络层协议，IPX：不可靠无连接协议，与IP类似，地址长度不同：IPX，10字节（4字节网络号，6字节机器号（MA

33、C地址）；IP，4字节。传输层协议，NCP/SPX/TCP：面向连接协议。Novell NetWare工作过程Server：使用SAP（service advertising protocol）协议，每分钟广播一个包，告知地址和提供的服务；Router：接收服务器的广播包，构造数据库；接收客户机的请求，查询数据库，将查询结果（服务器信息）告知客户机；Client：启动时广播请求，查询最近的服务器，得到路由器的回答后，与服务器建立NCP连接，协商参数，访问服务。ARPANET产生背景：60年代中期，冷战高峰，DoD想建设一个核战争情况下的网络，传统电路交换网络太脆弱，不满足要求。ARPA（Adv

34、anced Research Projects Agency）负责研制，采用分组交换，subnet 和 host computer两极结构。由 称为IMP（Interface Message Processors）的小型计算机和线路组成；存储转发模式1968年12月，BBN公司负责建网，采用改进的Honeywell DDP-316小型机作为IMP，IMP间用 56Kbps租用电话线连接。软件分为两部分：subnet和 host， 1969年12月，建成四个节点的网络，发展迅速ARPANET网络的发展暴露出协议软件的不足，1974年，TCP/IP模型和协议诞生。TCP/IP协议软件被集成进Berkeley UNIX中，并开发出socket接口。TCP/IP便于LAN接入ARPANET1983年，ARPA将ARPANET交给DCA（Defense Communica-tions Agency），DCA将军用部分分离出来，构成MILNET。80年代，网络规模扩大，出现DNS（Domain Naming System）1990年，ARPANET停止运行，MILNET仍在工作。NSFNETn二十世纪七十年代末，大学通过网络进行研究的需要促使NSF（U.