计算机通信网 章节 概述

计算机通信网章节概述第1页/共124页1计算机网络应用商业应用资源共享：文件、数据、打印信息共享：办公自动化、信息管理与发布、业务流程系统电子商务：B2B、B2C、C2C公众应用信息查询：百度、Google、远程信息访问：新浪、远程教育个人间通信：E-mail、QQ、MSN生活娱乐：VOD、游戏、购物2第2页/共124页1计算机网络应用用户体验：各种各样的上网方式家庭上网—ADSL接入网站A网站B网站CInternetADSL局端(电话局)电话线以太网ADSLModem通过ADSLModem、经电话线路上网512k、1M、1.5Mbps3第3页/共124页网吧上网网吧、办公室、机房、宿舍等一些公共场合本地先组网，再统一上网网站A网站B网站CInternet以太网交换机路由器各用户的上网信息会不会混淆？说明了什么问题？各用户的通信会不会相互影响？说明了什么问题？1.计算机网络应用4第4页/共124页无线上网笔记本电脑的无线上网进入无线接入点，再统一上网可通过AP实现本地组网(先组网、再上网)1.计算机网络应用网站A网站B网站CInternetAP(AccessPoint)5第5页/共124页移动上网蜂窝移动通信(GSM、CDMA1X、3/4G上网卡)手机、PDA、笔记本电脑上网通过移动通信系统接入网络1.计算机网络应用网站A网站B网站CInternet网关移动用户间是否也是先组网、再上网？6第6页/共124页网络的基本模型网络的基本元素多种多样的通信技术各种类型的网络设备四通八达的网络同时实现多种应用访问(一个或多个网站)1.计算机网络应用你还知道其它的上网方式吗？7第7页/共124页2计算机网络概念网络的软硬件模型计算机(主机)应用软件应用软件应用软件应用软件主机网络软件网络软件网络设备多种应用软件一套网络软件支持多个应用一个或多个网络接口硬件多个网络接口硬件一套网络软件网络设备其实是有多个接口的计算机8第8页/共124页2.1计算机网络定义一种简洁的定义一些自治计算机的互联集合计算机：狭义概念：如PC、便携机等广义概念：收发和处理数字信号的设备自治：有独立操作系统和通信处理能力互联/互连：计算机之间能相互通信物理上通过介质或通信系统连接逻辑上通过协议互通主从关系-联机系统键盘：输入终端、打印机:输出主机主机RS232、UTP等主机典型通信：超级终端文件传送对等关系★2.计算机网络概念9第9页/共124页2.1计算机网络定义资源子网实现网络应用功能的计算机系统的集合。计算机称为主机(Host)，主要功能是信息资源处理、共享，是网络上通信的源和目的。10★第10页/共124页2.1计算机网络定义通信子网由网络设备、通信信道构成的多种网状拓扑结构，为计算机间提供通信服务。实现通信功能的网络设备被称为节点(Node)，为网络上主机间的通信实现寻路、数据转发等功能。本课程绝大部分内容是通信子网部分11★第11页/共124页2.1计算机网络定义计算机网络的组成主机、通信设备（节点）、通信线路组成网络所有主机和终端组成资源子网，完成应用功能所有通信设备和线路组成通信子网，完成通信功能（为主机通信提供路由、数据存储与转发）通信子网资源子网主机（Host）信道/链路（Channel/Link）分组交换网(大型网络WAN)12★第12页/共124页2.1计算机网络定义计算机网络的研究领域通信技术：线路、速率、体制结构：拓扑结构、互联方式、组网技术协议技术：通信协议、应用协议路由技术：获取、选择、更新应用技术：多媒体、实时、交互式网络安全：数据加密、身份认证、入侵检测、防火墙网络管理：配置、性能、故障、计帐、安全13第13页/共124页2.2计算机网络的演进与发展第一阶段：主机参与通信的网络20世纪60-70年代主机通过介质相连铜线、同轴缆、无线传输主机直接参与通信同时承担事务处理通信网络规模很小主机主机主机终端14第14页/共124页2.2计算机网络的演进与发展第二阶段：主机功能分割的网络20世纪80-90年代初期事务处理与通信分开事务处理主机出现专门的通信主机事务主机通过通信主机互连通信主机实现信息转发事务主机不一定要直接相连可以有更多的主机通信网络规模得到扩大通信主机事务处理主机15第15页/共124页2.2计算机网络的演进与发展第三阶段：标准化的网络20世纪80-90年代中期互联需求催生了标准化的进程不同的网络大量出现不同网络具有独立的运行模式如何互联？网络互联需要标准化的通信协议开放接口16第16页/共124页2.2计算机网络的演进与发展第四阶段：Internet膨胀时代20世纪90年代中后期至今各种需求（业务、带宽）不断增长各种技术不断发展计算机技术：PC、特定计算机通信技术：宽带、高速、光通信、无线通信网络技术：通信协议、路由协议、互联技术、组网技术等17第17页/共124页2.3计算机网络拓扑拓扑：网络节点间的（物理、逻辑）连接关系18★第18页/共124页2.4

计算机网络的主要性能指标带宽（Bandwidth）通信线路传送数字信号的速率称为数据率或比特率，计算机网络中习惯上将“带宽”作为“数据率”的同义词。比如IEEE802.11g的最大信道带宽为54Mbps网络或链路带宽（数据率）的常用单位：kbps，Mbps、Gbps、Tbps。这里1Mbps=106bit/s注意与计算机领域单位的差别：如1MB=220

字节带宽在其它领域中通常是频带宽度的度量，单位Hz吞吐率（Throughput）表示线路/信道的实际测量速率（有效带宽）19★第19页/共124页2.4计算机网络的主要性能指标端到端时延（Delay）数据从网络的一端传送到另一端所需的时间传输（transmission）或发送时延：数据块长度/信道带宽，节点使数据块全部进入传输介质所需时间传播（propagation）时延：信道长度/电磁波在信道上的传播速率，不同介质－自由空间：3.0x105km/s，铜线：2.3x105km/s，光纤：2.0x105km/s处理时延：数据在交换节点存储转发所需时间（排队时延）总时延=发送时延+传播时延+处理时延往返时间（Round-Triptime）从发送端开始发送数据到发送端收到来自接收端的确认所经历的时间。20★第20页/共124页2.4

计算机网络的主要性能指标三种时延的分析为了简化分析，通常只考虑占主导地位的时延具体场合，占主导的时延并不相同特别注意：端到端的延时包括所有节点之间的总延时

100101队列链路在此产生传播时延在此产生发送时延发送器在此产生处理时延节点A节点B21★第21页/共124页2.4

计算机网络的主要性能指标不同情况下占主导时延的分析假设以下两例暂不考虑处理时延例1：数据长度为1×108bit，在传输速率为1Mb/s，距离为100m的铜线上传输的情况发送时延=1×108b/1Mb/s=100s传播时延=100m/2.3×105km/s=4.35×10-6s显然发送时延占主导例2：数据长度为10bit，在传输速率为100Mb/s，距离为1000km的光纤上传输的情况发送时延=10b/100Mb/s=10-7s传播时延=1000km/2×105km/s=5×10-7s显然传播时延占主导22★第22页/共124页2.5通信服务模式参照电话系统的通信方式:连接模式（ConnectionMode）通信有3个阶段建立连接通信发起方先用“拨号”呼叫对方，得到对方回答各处的网络设备为该通信建立传输所需的资源配置通信利用“拨号”时在网络上建立的资源配置，相互传递数据拆除连接结束时“挂机”，网络设备撤销对应的资源配置，恢复原状特点可预期(连接后)的通信，因此容易实现可靠的通信23连接模式第23页/共124页2.5通信服务模式参照邮政系统的通信方式：无连接模式（ConnectionlessMode）只经历1个过程通信发起方直接把数据发送给对方无需事先建立连接网络设备随机配置资源特点通信随机发生，灵活但难以提高可靠性比如：邮递信件、发送短信无连接模式24第24页/共124页3计算机网络分类信道传输技术（TransmissionTechnology）广播式网络（BroadcastNetwork）点到点网络（Point-to-pointNetwork）地理范围（Scale）个人网（PersonalAreaNetwork，PAN）局域网（LocalAreaNetwork，LAN）城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）广域网（WideAreaNetwork，WAN）互联网（internetworks）25★第25页/共124页3.1信道传输技术广播式网络所有计算机共享一条信道一台主机发出的报文，其他所有主机都可收到以额外控制（信道竞争）开销换取信道利用率信道分配方式：静态、动态总线型网络环型网络3计算机网络分类26第26页/共124页3.1信道传输技术点到点网络每条信道仅连接一对通信节点，独享信道主机间通信由一个或多个通信节点转发实现存在信道复用和选路算法3计算机网络分类27第27页/共124页3.2地理范围PAN(PersonalAreaNetwork)地理范围很小（几米），数字士兵综合系统蓝牙技术（Bluetooth），IEEE802.15LAN(LocalAreaNetwork)地理范围小（几百米~几公里），办公室、楼内以广播型网络为主速率高、延时低、差错率低IEEE802.3（以太网）、IEEE802.5（令牌环网）3计算机网络分类总线型环型28第28页/共124页无线局域网(WirelessLAN)IEEE802.11APIEEE802.11a/b/g/n/ac/adWLANAP模式WLANAdHoc模式用AP实现组网计算机对等组网29第29页/共124页3.2地理范围MAN地理范围较大（几公里~几十公里），覆盖城市以广播型和点到点网络混合有线电视网（CATV）、无线宽带接入网（LMDS-802.16）Junctionbox：接线盒Headend：端点有线电视网目前已经用于双向数据通信。协议标准：DOCSIS3.0（DataOverCableServiceInterfaceSpecification）电缆传输数据业务接口规范3计算机网络分类30第30页/共124页3.2地理范围MAN国外较早期的做法(如欧美等国)当时CATV已普及利用CATV的通信方式实现计算机组网CableModem中国较早时期：利用电话通信的信道拨号Modem，56kbps目前流行：ADSL，512k、1M、2M等今后发展方向宽带无线接入(IEEE802.16)31第31页/共124页3.2地理范围WAN(WideAreaNetwork)地理范围大（几十公里~上千公里）以长距离点到点连接网络为主、可扩展性路由器：存储转发、输入输出端口局域网如何实现远距离连接？经广域网实现不规则拓扑结构通信抗干扰技术国家级重点实验室3232第32页/共124页数字蜂窝电话网(3G/4G)无线广域网(WWAN)WWAN技术是使得笔记本电脑或者其他的设备装置在蜂窝网络覆盖范围内可以在任何地方连接到互联网利用蜂窝无线网卡较长距离接入、移动与越区切换33第33页/共124页互联网（internetworks）互联网是指异类网（各种类型网）的互联Internet是一个广域网、城域网和局域网的互联网络广域网局域网城域网34★第34页/共124页Internet网络多种网络(LAN、MAN、WAN)的混合组网局域网：本地组网(再接入到Internet)接入网：把单机、或局域网与Internet连接网关(Gateway)局域网骨干网(Backbone)国际、国家、地区级骨干网接入网35第35页/共124页Internet网络结构国家/国际级Internet骨干网提供商(NBPs)WAN，彼此通过NAPs互联区域级Internet服务提供商R-ISPLAN，连接入NBP本地Internet服务提供商L-ISPAccessNetwork(接入网)连接入R-ISP骨干网ISPISPNBPANBPBNAPNAPregionalISPregionalISPlocalISPlocalISPInternetPhysicalstructure第36页/共124页InternetInternetBackbone37第37页/共124页中国教育网拓扑图38第38页/共124页其它分类方法交换功能电路交换网（Circuit-SwitchedNetwork）分组交换网（Packet-SwitchedNetwork）报文交换网（Message-SwitchedNetwork）混合交换网（Hybrid-SwitchedNetwork）网络使用者公用网（PublicNetwork）专用网（PrivateNetwork）网络功能物联网、车载网39第39页/共124页4网络分层结构★分层思想化繁为简：网络通信划分为若干功能功能顺序处理：垂直分层功能模块化：细化设计、相对独立、便于实现与更新每个功能需要双方(乃至多方)的配合（共同遵守的规则集，即协议）才能实现功能k-1功能2若干个顺序执行的功能构成了功能性层次结构功能1计算机/网络设备功能k双方配合实现某功能的规则称为该功能的”协议”，或该层的“协议”最低层最高层功能(k)协议功能(k-1)协议功能(2)协议功能(1)协议分层准则1、每层有明确的功能2、功能间界限清楚3、层间通信量少4、层次数适当40★第40页/共124页4网络分层结构网络层次结构模型同层间遵守相同的规则，每层为相邻上层提供服务第2层第1层第n层第n+1层物理传输介质第2层第1层第n层第n+1层n/n+1接口第n层协议对等层虚通信41第41页/共124页4网络分层结构层次模型的基本要素功能层内、层次定义依据协议对等层之间对等层间的通信规则服务相邻层之间下层为上层提供的功能接口相邻层之间相邻层间的通信操作第n层提供的服务n层间的协议层内实现的功能42协议是实现功能、提供服务的基础，是计算机网络的灵魂不同的网络是不同层次结构与不同协议的组合分层结构和协议的集合——网络体系结构（NetworkArchitecture）一系列协议（每层一个）－协议栈（ProtocolStack）第42页/共124页4网络分层结构层次结构事例信件邮局分拣、邮包邮政网络邮政运输交通运输信件邮局分拣、邮包邮政网络邮政运输信件格式寄信方式分拣邮包规则邮路选择运输方式信件传递经若干层次——服务同层间需要约定规则——协议43第43页/共124页典型分层功能—应用功能(第7章)应用层，ApplicationLayer上网应用软件与网站的应用软件配合网页浏览文件上/下载QQ聊天猜想上面的应用功能的双方会如何配合？双方向对方发送什么含义的应用信息？4网络分层结构信息A信息B44第44页/共124页典型分层功能—传送功能(第6章)传送层，TransportLayer通信双方配合，实现对多个应用信息汇集和分发功能汇集：多个应用向对方发送信息时，统一的传送处理分发：对接收到信息，分发到对应的应用软件上配合手段传送功能双方同样需要交换信息(传送信息)，以实现配合信息交换手段传送信息附加在应用信息上或独立交换传送信息猜想实现应用信息的汇聚和区分，传送功能需要交换什么信息？还要增加其它功能呢(如：对应用信息丢失的处理)？传送功能传送功能传送信息传送数据4网络分层结构45第45页/共124页典型分层功能—网络功能(第5章)网络层，NetworkLayer多方的配合，寻找传输路径，完成沿网络路径上中继的功能在复杂拓扑结构中寻找到达目的地的传输路径将传送层发送的数据沿路径逐次中继，直到目的地路径：Route；中继：Relay配合手段多个设备的网络层相互交换信息(网络信息)，获取拓扑等信息信息交换手段网络信息附加在传送信息上或独立交换网络信息猜想网络信息应该包含什么内容，才能实施寻找路径等网络功能？传送功能网络功能网络功能网络功能网络功能网络功能传送功能网络功能网络信息4网络分层结构46第46页/共124页典型分层功能—链路功能(第3,4章)数据链路层，DataLinkLayer信道两端链路层的配合，完成数据块(称为帧)的传输功能针对信道的传输特点，实现数据块正确传输和接收M2M连接方式下，控制各站点对信道访问配合手段信道两端的链路层相互交换信息(链路信息)，获取拓扑等信息信息交换手段链路信息附加在网络信息上或独立交换链路信息猜想链路层将附加什么信息，才有助于数据块的传送与接收？网络功能网络功能链路功能链路功能链路功能链路功能传输介质链路信息4网络分层结构47第47页/共124页典型分层功能—物理接口功能(第2章)物理层，PhysicalLayer适应信道接口、传输驱动、bit传输的收发配合光纤、无线、双绞线、并行线、同轴电缆等接口短距离/长距离传输驱动Bit序列的正确发送/接收的配合配合手段信号格式、编码方式信息交换手段握手信号、同步信号发0011收0101收发发0011收0101收发传输介质物理层物理层4网络分层结构48第48页/共124页层次整体由功能划分形成了多个层次各层的功能需要信息交换来配合(协议)关注各层交换的信息和实际传输的数据传送上层来的每个数据，都要附加本层的信息(称为：首部，Header)，各层接收时，只处理自己层的首部越靠近底层，附加的信息越靠前应用层传送层网络层链路层物理层应用层传送层网络层链路层物理层网络层链路层物理层网络层链路层物理层应用层数据传送层首部网络层首部链路层首部应用层协议传送层协议4网络分层结构49第49页/共124页各层设计问题各层可能涉及的问题如何指定通信的对方(编址寻址，Addressing)传输中出现错误时如何处理(ErrorControl)传输流量大小控制(流控，FlowControl)网络如何处理同时存在的多个通信(多路复用/解复用，Multiplexing/Demultiplexing)路由、分段和重装、QoS、安全应用层传送层网络层链路层物理层应用层传送层网络层链路层物理层网络层链路层物理层网络层链路层物理层两个端点的配合部分（端到端）全体网络设备配合部分（主机到主机）各段信道分别配合部分（点到点）4网络分层结构50第50页/共124页各层主要功能应用层信息的含义、双方的处理方法传送层各个应用的标识、为应用提供的通信性能及可靠性网络层各个站点的标识(地址机制)、路由选择、拥塞控制链路层数据块收发、差错控制、流量控制、信道利用率物理层信号格式、传输速率、多路复用4网络分层结构51第51页/共124页5参考模型★网络的分层结构模型前面内容分析出的结构国际标准化组织定义的结构ISO(InternationalStandardOrganization)7层结构，开放系统互联参考模型(OSI,OpenSystemInterconnection)Internet定义的结构TCP/IP层次结构应用层传送层网络层链路层物理层前面分析得出的分层结构应用层表示层会话层传送层网络层链路层物理层OSI层次结构应用层传送层网络层物理网TCPIP层次结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysical52★第52页/共124页5.1OSI参考模型（ISO7498）定义层次框架各层功能OSI术语服务、协议实体、接口各层实现方式由另外的标准定义应用层表示层会晤层传输层网络层数据连路层物理层应用层表示层会晤层传输层网络层数据连路层物理层网络层数据链路层物理层通信介质传输层协议会晤层协议表示层协议应用层协议端系统A端系统B中继系统通信介质p22OSI（开放系统互联）参考模型53第53页/共124页5.1.1OSI分层概念对等层PeerLayer对等层PeerLayer接口Interface对等层协议Peer-to-PeerProtocol对等层协议Peer-to-PeerProtocol服务Service54第54页/共124页5.1.1OSI分层概念层次的独立性每一层具有相对的独立性只要基本功能和接口保持不变，可以把一个层次（或实体）用另一种实现（协议）来替换下层的整体切换IPPHY802HDLCIPPHY802HDLCIPPHY802PPPIPPHY802PPPIPFR802PPPIPFR802PPPIPPHY2802PPPIPPHY2802PPPFRFRFRPHY3PHY3ATMATMATM55第55页/共124页5.1.1OSI分层概念子层和空层各层允许再分为若干子层，以便实现特定的功能允许有空层的存在，在概念上保留该层的存在物理层MAC传输层4321LLC56第56页/共124页5.1.2OSI各层服务与功能物理层服务：提供无结构原始bit流传输功能：Bit的信号表示、同步、通信过程协调、物理介质驱动链路层服务：帧传输，使物理信道对网络层呈现为可靠的信道（数据链路或分组信道），最大传输单元（MTU）功能：帧封装，bit信道上帧传输（帧同步、信道的使用规则、帧边界识别）、帧差错检测和处理（校验、重传等）、流量控制（收发平衡）等。LLC(LogicalLinkControl)、MAC(MediaAccessControl)57第57页/共124页5.1.2OSI各层服务与功能网络层服务：为传输层提供穿越网络的通信服务功能：路由计算、路由选择、报文分段和重组、拥塞控制、网络互连传送层服务：屏蔽具体网络细节和不同网络差异，为上层提供与具体网络无关的（端到端）通信服务。功能：各种网络的适配，网络通信的分流和复用、多个并发通信的管理、流量控制等。58第58页/共124页5.1.2OSI各层服务与功能会话层服务：支持主机上并行存在多个通信，增强主机间通信功能功能：会话管理，比如计帐、通话控制、会话参数协商表示层服务：为应用层要传输的信息内容提供与平台无关的语法和语义表示功能：表示、加密、压缩应用层：各种使用网络通信的应用59第59页/共124页5.1.3OSI参考模型术语标准化—术语协议(Protocol):与对方交换信息的规则集例如:http协议、ftp(文件传送)协议、IP(Internet)协议实体(Entity):某层中的特定协议的执行体(协议实体)例：浏览器(http实体)、文件下载软件(ftp实体)一层中通常都会有多个实体存在服务(Entity):实体向上层提供的各种功能提供的服务使上层能够发送数据、接收数据，以及其它功能例：UDP实体提供无连接通信服务、TCP实体提供面向连接服务接口(Interface)：上层实体访问下层实体服务的方式第k层实体服务实体交换信息，实现配合对等实体间的协议60第60页/共124页实体、协议与服务在协议的控制下，实体使用下层的通信服务，完成本层功能，并为上层提供增强的通信功能，协议是“水平的”，服务是“垂直的”。实体实体实体实体协议使用的下层服务为上层提供的服务nnn-1n-161第61页/共124页5.2TCP/IP模型物理网络不管物理网络有多少层，只要是能提供IP分组传输手段的“系统”就可作为物理网络如:一个实际网络(3层结构)，或数据链路(2层结构)没有会话层和表示层计算机多任务操作系统具备多进程通信管理能力会话管理由增强的TCP/UDP和应用完成数据表示由各应用实现应用层表示层会晤层传输层网络层数据连路层物理层1234567应用层TCP/UDPIP物理网络（主机至网络）（网络接口）OSI/RMTCP/IP62第62页/共124页5.3OSI和TCP/IP的比较相同垂直的分层结构层次及功能大体相似差异层次制定不同定义的规范性OSI更清晰，更容易实现协议替换OSI是先有模型再制定协议TCP/IP是先有协议，协议丰富后出现模型加以描述和规范OSI更倾向于面向连接TCP/IP提供两种服务方式给用户选择63第63页/共124页5.3OSI和TCP/IP的比较优点OSI的通用性强，用于描述和规范网络更清晰TCP/IP的实用性更强，有很多实际证明很有效的技术缺点OSI层次、协议和服务定义过于复杂OSI对无连接服务和协议的忽视OSI对计算机及软件工作方式的忽视TCP/IP的通用性差TCP/IP协议的协议难以做到不受影响的替换64第64页/共124页5.3OSI和TCP/IP的比较小结OSI模型获得了一些理论研究成果，协议复杂、难于实现，市场化失败TCP/IP模型没有明确区分服务、协议和接口，通用性差，且难于重新实现某些层。但它适时出现、广泛应用，成为事实上的国际标准。65第65页/共124页本书采用的网络层次模型（5层）例如：Web浏览的通信ApplicationTransportNetworkPhysicalDataLinkApplicationTransportNetworkPhysicalDataLinkNetworkPhysicalDataLinkNetworkPhysicalDataLinkMedia-AMedia-BMedia-C物理模型层次模型请求页面页面内容第66页/共124页本书采用的网络层次模型（5层）主机（Host）和通信子网（Router）的层次结构NetworkLayerPhysicalDataLinkPhysicalDataLinkPhysicalDataLink接口1接口2接口nFTPHTTPSMTPTransportLayerApplicationLayerNetworkLayerPhysicalDataLinkHost(1erface)Router(nphy.Interfaces)第67页/共124页5.4标准化术语数据相关术语DU(DataUnit，数据单元)PDU(ProtocolDU，协议数据单元实体与对等实体相互传递的数据(交换的信息、DU)应用层：APDU表示层：PPDU会话层：SPDU传送层：TPDU网络层：NPDU(Packet，分组)链路层：LPDU(Frame，帧）物理层：PhPDU(不常用)数据体数据体数据体数据体数据体数据体PDU=[H,DU]H是本层交换信息的首部，DU是上层的内容HDU各层的标准格式68第68页/共124页5.4标准化术语接口模型术语ICI，接口控制信息(InterfaceControlInformation)辅助实体实现DU传输的参数(每个服务原语都有辅助参数)如:服务原语SendTo(对方地址，…,DU)[对方地址，…]即为ICISDU,服务数据单元(ServiceDataUnit)SDU=上层[PDU],即本层[DU],表示上下层传递的数据单元IDU=[ICI,SDU],表示上下层传递的信息和数据PDUSDUHICIDUIDUICIPDUSDUHICIDUIDUICI发送辅助信息接收辅助信息69第69页/共124页5.4标准化术语服务接口模型Hn

ICIn

SDUnICIn

SDUnICInHn

ICIn本层协议通信内容SDUn+1ICIn+1IDU本层协议通信内容SDUn+1SDUn+1SDUn+1ICIn+1ICIn+1ICIn+1n层n+1层IDUPDUPDUn层n+1层虚拟通信实际通信上层对下层的控制70第70页/共124页5.4标准化术语实体(Entity)完成对等层功能的软件或硬件称为“实体”，是该层特定协议的执行体同一层中可以同时存在多个不同的实体，提供差异化的层功能例如：在TCP/IP的传送层，存在一个TCP实体，提供连接模式的通信功能一个UDP实体，提供无连接模式的通信功能对等实体(PeerEntity)同层间存在通信关系的实体TCP实体间称为“对等实体”，UDP实体与TCP实体不构成对等实体TCPUDP应用A应用B应用C应用层实体传送层实体TCP对等实体71第71页/共124页5.4标准化术语服务(

Service)实体向上提供的各种功能称为服务每个具体服务的调用接口称为服务原语服务方式面向连接的服务无连接服务72第72页/共124页5.4标准化术语面向连接的服务（电话模式）传输的报文按顺序到达通信的步骤建立连接传输拆除连接连接请求连接指示连接响应连接证实建立连接阶段数据传输阶段拆除请求拆除指示拆除响应拆除证实拆除连接阶段请求1证实4响应3指示2第73页/共124页5.4标准化术语面向连接的服务典型的连接模式的服务原语包括(但不只这些)建立连接服务：Connect(…)通信服务：Send(…)、Recv(…)关闭连接服务：Close(…)、或Disconnect(…)通信状态服务：Reset(…)、Restart(…)函数调用的名字不重要不同系统中，函数名称可能不一样重要的是理解各个服务原语所提供的功能74第74页/共124页5.4标准化术语无连接服务（邮政模式）传输的报文可能出现乱序现象通信步骤直接发送报文，不用事先通知对方典型的无连接模式的服务原语包括(但不只这些)SendTo(对方地址，数据)发送数据到指定对方同层RecvFrom(地址缓冲区，数据缓冲区,…)接收来自任意对方来的数据，地址缓冲区得到对方地址，数据缓冲区得到对方发送的数据第75页/共124页服务与可靠性可靠服务（ReliableService）可靠性：顺序、差错、流量控制等指标可靠服务需要确认过程通常面向连接的服务提供可靠服务，无连接服务不提供第76页/共124页5.4标准化术语服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)概念考察如图：TCP同时支持了几个应用是一个TCP实体(而不是多个)提供的支持TCP实现多个应用通信数据的汇聚和分发实际上，几乎所有的实体都提供这种汇聚分发能力汇聚分发模型--SAPTCPWWW文件传输QQEntity-DEntity-AEntity-BEntity-C代表某一个通信TCPWWW文件传输QQIPTCPUDPSAP77第77页/共124页5.4标准化术语SAP的深入描述每个实体对自己提供的SAP都会进行编号1，2，3，…(或其它形式的编排)实体的附加信息中，SAP编号将作为其中一项内容实体通过SAP编号联系上层实体(不需了解上层实体是谁)SAP应用方案1：一对一传输(k号进，k号出)[DU](k)[k,DU]------[k,DU](k)[DU]方案2：多对多传输(i号进，j号出)[DU](i)[(i,j),DU]------[(i,j),DU](j)[DU]了解附加信息中的SAP编号数，就能知道实体采用哪种方案Entity-D12nEntity-D12n22n78第78页/共124页网络SAP实例利用SAP产生协议间的关联组合称为协议栈UDPTCPIPMAC806ARP800ICMPhttpxhttpy1176FTPzDNSkSAP不一定都在层的边界上DataLinkLayerNetworkLayerTransportLayerTCP/IP协议栈每一条上下的路，就是一组通信功能序列通过SAP形成了多个功能序列，为上层应用提供了多种可选的通信方法79第79页/共124页5.4标准化术语-协议协议(Protocol)对等实体间交换数据的通信规则协议类型面向连接的通信协议无连接的通信协议面向连接的通信协议协议实体在连接上传输数据建立连接传输拆除连接可靠服务差错控制：序号、确认、重传流量控制通信效率问题：传输延迟协议实体工作复杂80第80页/共124页5.4标准化术语-协议无连接的通信协议协议实体直接传输数据有数据就发，通常收到数据就交给上层PDU无需编号，可以有应答、也可无应答不可靠服务协议实体功能简单、容易实现应用层协议(双方计算机的对等实体间)http:超文本协议网页内容表示、网页请求、网页数据的通信规则ftp：文件传送协议文件上传、下载、目录浏览等的通信规则Smtp：电子邮件传送协议发送、接收、删除电子邮件的通信规则81第81页/共124页Protocol(协议)传送层协议(双方计算机的对等实体间)TCP：传送控制协议汇聚分发、面向连接传送(出错、丢失恢复等)的通信规则UDP：用户数据报协议汇聚分发、无连接传送的通信规则网络层协议IP：网际互连协议在多网互联的环境下，通过寻址、路由、中继，实现从源地址到目的地址的通信规则IPX：互连交换协议在多服务器互联多以太网环境下，实现多网间传送的通信规则X.25在网络上采用面向连接的可靠传输通信规则82第82页/共124页Protocol(协议)链路层协议PPP：点对点传输协议点对点信道上实现参数协商、认证、汇聚分发的通信规则HDLC：链路访问协议点对点信道上实现可靠传输的通信规则(无汇聚分发功能)CSMA：载波侦听多路访问协议总线型信道上多站点通过退避算法降低发送冲突的通信规则TokenRing：令牌环通信协议环状网中通过令牌实现无冲突发送的通信规则83第83页/共124页Protocol(协议)物理层协议RS232：异步信道接口数据异步传输规则、连接和接口使用规则10Base-T、100Base-T：双绞线数据块传送规则、连接和接口使用规则10Base-2、10Base-5:同轴电缆数据块传输规则、连接和接口使用规则802.11a/b/g：无线局域网空中信道接口信号、速率、退避算法、无线传输规则84第84页/共124页Protocol要素要素Semantics语义PDU内容表达的含义Syntax语法信息交互的顺序Action动作需实体完成的工作Timing定时信息交互的定时关系具体化SemanticsHeader的格式和含义Syntax建立连接、通信、拆除连接等顺序的规定Action动作连接、通信、中继等操作Timing各种动作的定时关系85第85页/共124页Protocol举例:IP协议语义：IP协议首部内容定义了源地址、目的地址SAP标识、服务类型、中继次数、…语法：只管发送，不会得到应答动作：各节点的IP实体源节点：设置好首部内容，发送到中继节点中继节点：根据中继次数确定是否继续中继、根据目的地址选择中继方向根据服务类型选择发送排队方式目的节点：根据SAP标识递交到相应的上层实体定时如果等待发送的时间过长，可以丢弃该IP分组86第86页/共124页Protocol举例:CSMA协议语义：以太网帧首部定义目的地址、源地址、帧类型语法只管发送，不会得到应答动作（以太网实体）发送方：如果信道空就立即发送，否则，推迟随机时间后再看信道是否空，如此循环如果推迟的次数达到规定次数，丢弃该帧接收方：如果目的地址与自己不符，或目的地址不是广播地址，丢弃，否则，把帧中的数据按帧类型分发到对应的上层实体定时推迟发送时间随次加倍递增87第87页/共124页Protocol举例:HDLC协议语义：定义了多种类型的帧数据帧I帧(发序号sN,应答序号rN,Data)响应帧确认帧RR(rN),否认帧REJ(rN),流控帧RNR(rN)控制帧建链帧SABM、响应帧UA、拆链帧DISC、中断帧RESET、错误报告帧FRMR等十来种帧语法需要先建立连接成功后，才能收发数据帧，最后需要拆除连接必须是命令—响应的顺序动作建立连接：发送建链帧到对方，等待对方的响应送回来才算成功发送数据：发送数据帧，对方会发送响应帧来确认是否正确(非常多的内容)定时规定等待应答的时间，等待超时后，或重发请求或宣告失败而退出88第88页/共124页网络协议的核心内容应用层(End-to-End)讨论双方通过A-PDU交互实现配合的问题仅涉及通信的源点和目的点之间传送层(End-to-End)讨论双方通过T-PDU交互实现配合的问题仅涉及通信的源点和目的点之间网络层讨论多方通过N-PDU交互实现配合的问题涉及网络拓扑结构中的各点链路层讨论双方(或多方)通过Frame交互实现配合的问题涉及某段信道上的点物理层讨论与信道的接口问题和bit传输问题89第89页/共124页5.5服务与协议的关系服务规定上下层实体之间的行为规范（下层向上层提供的操作定义，原语集）层功能的体现，纵向协议规定对等实体之间的行为规范（通信的信息格式、内容、动作等规则集）层功能的实现方法，横向关系每层的协议与该层所能提供的服务相对应同样的一个服务可以由不同的协议实现90第90页/共124页5.5服务与协议的关系（图例）面向连接的服务响应3指示2请求1证实4N＋1Nconnectionrequest()connectionindication()connectionresponse()connectionconfirmation()面向连接的通信协议SYNPDUACKPDUN+1NN+1NSABMEUAN+1NN+1N91第91页/共124页5.5服务与协议的关系（图例）一般情况下，协议和服务是统一的。某种类型的协议提供某种类型的服务，某种类型的服务需要某种类型的协议实现。服务与协议之间是相对独立的，服务并不要求一定要用哪个协议实现，甚至可能由另一种类型的协议实现某层实体在具体考虑服务与协议时，涉及“我”向上提供什么样的服务“我”将利用什么样的下层服务“我”使用什么样的协议与对等实体虚通信92第92页/共124页服务和协议举例层功能提供无差错的数据传输。（数据链路层）服务提供规定长度数据的无差错传输服务，保证数据能被对方正确接受，不需要上层考虑重发问题。协议发送前，PDU中增加校验数据；收到一PDU后，计算校验，检查是否有错，若有错，用重传请求告诉发送方重发。发送方收到重发请求后，重发需重发的帧。93第93页/共124页5.6逻辑通信与物理通信逻辑通信（虚通信）应用层组成Web请求数据，送到对端的应用层，对端的应用层回答Web的内容数据实际上，应用层将数据、连同对端的地址交给运输层。运输层从应用层得到数据后，送到对端的运输层上类似的，运输层与对端的通信也是逻辑通信逻辑通信是对等层间的通信，是透明通信ApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalNetworkDataLinkPhysicalNetworkDataLinkPhysicalWebReqWebResp94第94页/共124页5.6逻辑通信与物理通信透明：表示某一个实际存在的事务看起来却好像不存在准则接收的数据与原始数据一致（大小、内容）与下层及中继节点数目无关接收实体可能会收到重复的数据、或漏收，但收到的数据一定是源实体发出来的如果下层需要对数据进行拆分或组合，一定要在送到接收实体前还原成原始数据（大小、内容）对等实体之间所有的中继节点对该实体来说，是透明的节点意义每层协议只需考虑对等实体间的交互过程，与下层无关（只在与下层接口处考虑下层）替换不同的下层，对本层对等实体通信影响较小（延时、报文丢失或重复会发生改变）改变中间透明的网络节点，对本层对等实体的通信影响较小95第95页/共124页5.6逻辑通信与物理通信物理通信（实通信）数据实际传输的途径ApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalNetworkDataLinkPhysicalNetworkDataLinkPhysical96第96页/共124页5.6逻辑通信与物理通信模型水平线：对等层间的逻辑通信垂直线：实际数据的传递途径ApplicationTransportNetworkPhysicalDataLinkApplicationTransportNetworkPhysicalDataLinkNetworkPhysicalDataLinkNetworkPhysicalDataLinkMedia-AMedia-BMedia-CEnd-systemEnd-systemIntermediatesystem97第97页/共124页5.7数据封装每个协议都定义了自己的首部格式上层来的DU经过实体向下层送时(不管从哪个SAP进入)，都增加了该实体的首部(成为该实体的PDU)，并作为下层协议的DU从下层送上来的DU，其前面的部分一定是该协议的首部，否则，该协议不认识该DU。实体向上递交的DU是去掉了该协议首部后的剩余部分实体(协议A)DU2DU1DUxA协议A的首部实体(协议A)DU?DUIP实体TPDUIP首部例：TCP首部PacketTPDUTCP实体TPDU是IP的数据98第98页/共124页数据封装—实例TCP实体http实体0415005040607052685820bb5018ffff10b60000GET/HTTP/1.1Accept:image/gif,image/x-bitmap,…,*/*Accept-Language:zh-cnHost:User-Agent:Mozilla/4.0(compatible;…00500415685820bb406072425018ffffc76b0000HTTP/1.1302ObjectmovedDate:Wed,07Mar200710:11:16GMTServer:MicrosoftIIS/6.0X-Powered-By:ASP.NETLocation:/web3/点击时发出的请求收到的应答TPDUTCP首部TCP首部TCP数据部分GET/HTTP/1…srcPortdstPort99第99页/共124页数据封装—实现缓冲区从后往前填充，避免搬移数据Buffer应用层数据传送层添加首部网络层添加首部100第100页/共124页数据封装—演示注意链路层各段可能不同，所以附加的信息也可能不同图中不同颜色表示的情况任一层接收到的数据，就是同层对方发送的数据如同该层直接通信一样，称为同层协议的“虚通信”应用层传送层网络层链路层物理层应用层传送层网络层链路层物理层网络层链路层物理层网络层链路层物理层应用层协议传送层协议—101第101页/共124页6网络实例网络实例因特网（ARPANET、NSFNET、Internet）B-ISDN和ATMNovellNetware102第102页/共124页6.1因特网起因ColdWar和Sputnik促使美国成立ARPA(先期研究项目规划局）电话网的脆弱性设计原则抗毁性容错性……103第103页/共124页6.1因特网理论开发阶段1962PaulBaranatRAND:"DistributedAdaptiveMessageBlockNetwork"分组网的基本思想：采用冗余连接阐述容错指挥、控制网络的基本技术同时，DonaldDaviesatNPLinBritain目的是有效利用通信容量104第104页/共124页6.1因特网1967-1972ARPANET诞生建立研究容错分组网的实验网美国传统电信公司(AT&T)不相信它的可行性责任分工ARPA负责项目组织管理BBN负责网络层IMPs－接口消息处理器大学开发主机－主机通信105第105页/共124页ARPANET设计技术子网协议IMP-主机、IMP-IMP、源IMP-目的IMPIP主机协议主机-主机主机-IMPTCP/UDP主机–主机协议主机–IMP协议子网IMP主机IMP–IMP协议IMP–IMP协议源IMP–目的IMP协议InterfaceMessageProcessor接口消息处理器106第106页/共124页ARPANET规模1969年12月1970年7月1971年3月1972年4月1972年9月107第107页/共124页NSFNETARPANET高速替代网骨干网速率：56kbps、448kbps、1.5Mbps、45MbpsNAP（网络接入点）：竞争机制商业性互联网的发展108第108页/共124页1974-1981TCP/IP诞生与发展LayeredprotocolstructureE-mailisthemostwantedserviceontheArpanetUnixjoinsthegameArpanetinterfaceUUCP(UnixtoUnixCoPy)ModembasedUSENETisbornMeanwhile,CCITTstartstoworkonOSIprotocolsISO-OSI:adinosaurthatneverflew109第109页/共124页6.1因特网1983年1月1日TCP/IP成为ARPANET上唯一协议1988-1994应用开发（www、web）汇接点网络接入点110第110页/共124页6.2B-ISDN和ATMB-ISDN（BroadbandIntegratedServiceDigitalNetwork）特点：宽带、综合业务技术：ATMATM（AsynchronousTransferMode）异步：用户的信元不一定周期性地出现，统计时分复用，占用的时隙和时隙数不固定信元交换：固定长度（53bytes）面向连接：VPI/VCI（VirtualPath/VirtualCircuit）VPI－虚通道标识符，VCI－虚通路标识符111第111页/共124页ATM三维参考模型ATM适配层：信元与分组转换，向上层提供各种服务，AALxATM层：信元处理与传输ATM物理层：电压、比特定时用户平台：处理数据传输、流量控制、错误检测控制平台：连接管理，独立信令网（信令过程复杂）层间管理、平台管理：层间协调，资源管理112第112页/共124页ATM各层功能113第113页/共124页6.3NovellNetware层次模型与协议栈协议NCP（NetworkC