计算机网络原理与应用第2章-计算机网络体系结构课件

1第2章计算机网络体系结构教学目标：理解网络体系结构的基本概念，OSI参考模型的概念；掌握分层模型的重要术语，掌握OSI参考模型的7层结构及各层的基本功能。1第2章计算机网络体系结构教学目标：2教学内容：2.1网络体系结构概述2.2物理层2.3数据链路层2.4网络层2.5传输层2.6高层2教学内容：32.1网络体系结构概述网络体系结构提出的背景——计算机网络的复杂性、异质性不同的通信介质——有线、无线、……不同种类的设备——主机、路由器、交换机、复用设备、……不同的操作系统——Unix、Windows、……不同的软/硬件、接口和通信约定（协议）不同的应用环境——固定、移动、……不同种类业务——分时、交互、实时、……宝贵的投资和积累——有形、无形、……用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏32.1网络体系结构概述网络体系结构提出的背景——计算机4结构清晰简化设计与实现便于更新与维护较强的独立性和适应性对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结构，以达到：4结构清晰对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结5信件的邮寄过程5信件的邮寄过程6层次化方法在其它领域的应用程序设计把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来实现，如操作系统。邮政系统邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输银行系统物流系统。。。6层次化方法在其它领域的应用程序设计72.1.2网络体系结构及相关概念计算机网络中也采用了分层方法。——把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题，在不同层上予以解决。网络的层次结构方法要解决的问题：网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）72.1.2网络体系结构及相关概念计算机网络中也采用了分层8计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称为计算机网络体系结构。换句话说：体系结构包括三个内容：分层结构与每层的功能，服务与层间接口，协议。最早的网络体系结构源于IBM的SNA；其它的网络体系结构还有DEC的DNA等由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标准是OSI/RM；实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构事实上的（defacto）标准1.网络体系结构概念8计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称为计算机网络体系9层次结构方法的优点独立性强——耦合程度低上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务—黑箱方法。适应性强只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。易于实现和维护把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子单元：使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。9层次结构方法的优点独立性强——耦合程度低102.网络体系结构的分层原理

基本概念：实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。对等层：两个不同系统的同级层次。对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。102.网络体系结构的分层原理基本概念：11系统A系统B实体对等层对等实体接口服务物理网络信件内容邮件地址货物地址发信人邮局运输系统信件内容邮件地址货物地址收信人对信件内容的共识对信件如何传递的共识对货物如何运输的共识P3P2P1公路，铁路，航空邮局运输系统11系统A系统B实体对等层对等实体接口服务物理网络信件内容邮12网络分层体系结构P3P2P121321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1系统A系统B网络中的任何一个系统都是按照层次结构来组织的同一网络中，任意两个端系统必须具有相同的层次每层使用其下层提供的服务，并向其上层提供服务通信只在对等层间进行（间接的、逻辑的、虚拟的），非对等层之间不能互相“通信”实际的物理通信只在最底层完成Pn：第n层协议，即第n层对等实体间通信时必须遵循的规则或约定12网络分层体系结构P3P2P12113对等层通信的实质网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层之间进行直接通信。(想一想，为什么?)实际上，每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机的对等层通信。上层使用下层提供的服务——Serviceuser；下层向上层提供服务——Serviceprovider。第n+1层是第n层的服务用户，第n-1层是第n层的服务提供者第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服务例：邮政通信13对等层通信的实质网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层14对等通信例：两个人收发信件问题：收信人与发信人之间、邮局之间，他们是在直接通信吗？邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务？邮局、收发信人各使用谁提供的什么服务？信件内容邮件地址货物地址发信人邮局运输系统信件内容邮件地址货物地址收信人对信件内容的共识对信件如何传递的共识对货物如何运输的共识P3P2P1公路，铁路，航空邮局运输系统14对等通信例：两个人收发信件问题：信件内容邮件地址货物地址15对等层通信的实质对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信；下层向上层提供服务；上层依赖下层提供的服务来与其它主机上的对等层通信；实际通信在最底层完成。15对等层通信的实质对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信；16

3

2

1

N+1

N

N-1

2

1

3

N+1

N

N-1源进程传送消息到目标进程的过程：消息送到源系统的最高层；从最高层开始，自上而下逐层封装；经物理线路传输到目标系统；目标系统将收到的信息自下而上逐层处理并拆封；由最高层将消息提交给目标进程。目标进程源进程P3P2P1物理通信线路Pn-1PnPn+1消息消息逻辑通信16321N+1N17在各层中实现的主要功能差错控制使对等层的通信更加可靠流量控制控制发送端的速率，使接收端能来得及接收分段和重装发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新组合复用和分用多个高层的对等层通信会话复用一条低层连接建立连接和释放连接17在各层中实现的主要功能差错控制183.通信协议人际交流的协议:人类之间“我有一个问题.”“现在几点了?”…

说明发送的消息…说明接收到某消息后所应采取的行动…说明动作的次序通信协议:计算机之间网络中所有的通信活动都是由协议所控制协议：

定义网络实体间发送和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取的行动。（语义、语法和时序）183.通信协议人际交流的协议:通信协议:协议：19人相互交流的协议和通信协议之间的对比HiHiWhat’s

thetime?2:00请求连接传送文件：xxxxx.xxx<文件>time连接确认19人相互交流的协议和通信协议之间的对比HiHiWhat’s20通信协议的三要素语义对协议中各协议元素的含义的解释，例如：在HDLC协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束在BSC协议中，SOH(01H)表示报文的开始，STX(02H)表示报文正文的开始，ETX(03H)表示报文正文的结束语法协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：时序通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则FlagAddressCtrlDataFCSSFlagSOHHEADSTXTEXTETXBCCBSCHDLC20通信协议的三要素语义FlagAddressCtrlDat21确认释放连接释放确认释放确认连接确认数据连接请求连接确认tt时序例释放连接数据传输建立连接21确认释放连接释放确认释放确认连接确认数据连接请求连接确认22网络体系结构中：每层可能会有若干个协议一个协议只属于一个层次协议可以由软件或硬件来实现：网络通信协议软件、网络驱动程序网络硬件常用协议组：TCP/IP（Windows、Unix、Linux、…）NetBEUI（Windows）IPX/SPX（NetWare、Windows）22网络体系结构中：23协议数据单元（PDU）网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统称为协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）。传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层——段（Segment）网络层——分组/包（Packet）数据链路层——帧（Frame）物理层——比特（Bit）PDU由协议控制信息（协议头）和数据（SDU）组成:协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息:地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息、…协议控制信息数据（SDU）23协议数据单元（PDU）网络体系结构中，对等层之间交换的信24下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装，然后加入本层的协议头部（和尾部）形成本层的PDU。封装：就是在数据前面加上特定的协议头部。因此，数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。——类比：发送信件数据在传输时，其外面实际上要被包封多层“信封”。数据协议头数据N+1层PDUN层PDU24下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装，然后加入本层的25数据多层封装数据

段头数据

数据分组头帧头

段头数据分组头帧尾封装段分组帧拆封段头25数据多层封装数据段头数据数据分组头帧头段26

TCP头应用层数据应用层数据

TCP头应用层数据IP头帧头

TCP头应用层数据IP头帧尾实例：TCP/IP协议的封装过程应用层传输层网络层链路层26TCP头应用层数据应用层数据TCP头应用层数据IP头27在目的站，某一层只能识别由源站对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的“数据”仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。每一层只处理本层的协议头部！27在目的站，某一层只能识别由源站对等层封装的“信封”，而对282.1.2开放系统互连参考模型OSI/RM的体系结构分为7层应用层Application表示层Presentation会话层Session传输层Transport物理层Physical数据链路层DataLink网络层Network7654321为网络应用提供服务数据表示在用户间建立会话关系不同主机进程间的通信在主机间传输分组在节点间可靠地传输帧位流的透明传输282.1.2开放系统互连参考模型OSI/RM的体系结构分29TCP/IP体系结构分为4层：应用层传输层网际层网络接口层＝数据链路层＋物理层applicationtransportinternetnetworkinterfacedatalinkphysical29TCP/IP体系结构分为4层：applicationda30TCP/IP与OSI/RM的对应关系OSI/RM和TCP/IP相结合的5层结构——原理体系结构：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层7654321OSI/RM应用层传输层网络接口层网际层TCP/IPPPP,HDLC,FDDI,Ethernet,802.3,802.5等等TCP/IP支持所有标准的物理层和数据链路层协议30TCP/IP与OSI/RM的对应关系应用层表示层会话层传31含有通信子网的OSI参考模型31含有通信子网的OSI参考模型3232332.2物理层2.2.1物理层（physicallayer）的功能任务：在物理媒体(介质)上正确地、透明地传送比特流。协议(标准)：规定了物理接口的各种特性：机械：物理连接器的尺寸、形状、规格电气：信号电平，信号的脉冲宽度和频率，数据传送速率，最大传输距离等功能：接口引（线）脚的功能和作用规程：信号时序，应答关系，操作过程功能：建立和拆除物理连接、位流传输、管理332.2物理层2.2.1物理层（physicallay342.2.2典型协议及接口标准RS-232、RS-449、V.24、V.35、G.703/G.704342.2.2典型协议及接口标准RS-232、RS-449、35(a)RS-232标准提供了一个利用公用电话网络作为传输媒体，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。远程电话网相连接时，通过调制解调器将数字转换成相应的模拟信号，以使其能与电话网相容；在通信线路的另一端，另一个调制解调器将模拟信号逆转换成相应的数字数据，从而实现比特流的传输。RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系。

RS-232-C(b)由于这两种设备必须分别以DTE和DCE方式成对出现才符合RS-232C标准接口的要求，所以在这种情况下要借助于一种采用交叉跳接信号线方法的连接电缆，使得连接在电缆两端的DTE通过电缆看对方都好像是DCE一样，从而满足RS-232C接口需要DTE-DCE成对使用的要求。这根连接电缆也称作零调制解调器(NullModem)。35(a)RS-232标准提供了一个利用公用电36RS-232-C外形为25针或9针的D型连接器通信速率（b/s）：100、300、600、1200、2400、4800、9600、19.2K、33.6K、56K信号电平：逻辑“1”：-3V～-15V逻辑“0”：+3V～+15V引脚定义：36RS-232-C外形为25针或9针的D型连接器37引脚号信号线功能说明信号线型连接方向123456782022AABABBCACBCCABCFCDCE保护地线(GND)发送数据(TD)接收数据(RD)请求发送(RTS)清除发送(CTS)数据设备就绪(DSR)信号地线(Sig.GND)载波检测(CD)数据终端就绪(DTR)振铃指示(RI)地线数据线数据线控制线控制线控制线地线控制线控制线控制线→DCE→DTE→DCE→DTE→DTE→DTE→DCE→DTERS-232C功能特性

37引脚号信号线功能说明信号线型连接方向1AA保护地线(GN38信号时序（接收）H：Host（DTE），M：Modem（DCE）设备握手DTR：H→M（保持，表示H已可以工作）DSR：H←M（保持，表示M已可以工作）监视载波信号DCD：H←M←载波（表示数据链已建立）接收数据RD：H←M←数据调制信号断开连接DCD消失、H撤除DTR、M撤除DSR38信号时序（接收）39信号时序（发送）设备握手DTR：H→M（保持）DSR：H←M（保持）请求发送RTS：H→M（保持），M→载波，在对方产生DCDCTS：H←M（保持）发送数据TD：H→M→数据调制信号断开连接H撤除RTS/DTRM撤除CTS/DSR，停止发送载波39信号时序（发送）402.3.1数据链路层（datalinklayer）功能任务：在两个相邻节点间可靠地传输数据，使之对网络层呈现为一条无错的链路。功能与服务：建立与拆除数据链路连接组帧：帧封装，按顺序传送，处理返回的确认帧；定界与同步：产生/识别帧边界；差错检测/恢复：可靠的传输，CRC，ARQ；流量控制：抑止发送方的传输速率，使接收方来得及接收。2.3数据链路层（datalinklayer）402.3.1数据链路层（datalinklayer）41共享信道问题(LANorWireless)：如何控制对共享信道的访问？将数据链路层划分为逻辑链路控制(LogicalLinkControl,LLC)和介质访问控制(MediaAccessControl,MAC)两个子层，由MAC子层解决共享介质访问控制问题。LAN使用的两种主要介质访问控制方法：CSMA/CDTOKENPASSING41共享信道问题(LANorWireless)：422.3.2典型协议和接口标准面向字符的：数据以字符为单位传输，用控制字符控制通信IBM的BSC规程面向比特的：数据以位为单位传输，用帧中的控制字段控制通信ISO的HDLC规程422.3.2典型协议和接口标准43（1）

标志字段8比特序列01111110标志帧的开始和结束，即用于帧的同步“0”比特插入法，保持标志字段的唯一性，实现数据的透明传输。在发送端发送数据时，每5个连续“1”后面自动插入一个“0”。在接收端，检测到连续5个“1”后，自动删除后面的一个“0”，恢复成原来的数据。HDLC帧结构

43（1）标志字段HDLC帧结构44（2）地址字段

一般为8个比特，可扩展。全“1”为广播地址，全“0”为测试用。扩充地址时，前面的8位组首位为0，只有最后一个首位为“1”，表示地址结束。

（3）控制字段用于构成各种命令和响应，以便对链路监视和控制（4）信息字段可以是任意长度的二进制比特串，一般为0～2000比特长。（5）帧校验序列字段FCS

用于差错控制，采用CRC码，多项式为X16+X12+X5+1。校验范围为两个标志字段之间。HDLC帧结构（续）44（2）地址字段HDLC帧结构（续）45信息帧I-Frame：用于传送数据监控帧S-Frame：用于差错控制和流量控制无编号帧U-Frame：主要用于提供链路的建立、拆除及其它多种控制功能

帧类型控制字段比特12345678信息帧

0N(S)P/FN(R)监控帧

10S1S2P/FN(R)无编号帧

11M1M2P/FM3M4M5HDLC帧的类型

45信息帧I-Frame：用于传送数据帧控制字段比特12346三种类型的幀格式全视图46三种类型的幀格式全视图47信息帧结构视图帧类型控制字段比特12345678信息帧

0N(S)P/FN(R)47信息帧结构视图帧控制字段比特12345678信息帧0N48

采用滑窗协议，N(S）表示发送的帧序列号，N（R）表示捎带的确认信息(期待接收的下一个幀)，N具有3位，即幀序号0~7。扩展方式下有7位。

P/F为探询/终止位。

NRM下，主站轮询次站有无数据要发送，置P=“1”。若次站有数据发送，则在前面各帧中置F=“0”，最后一数据帧中置F=“1”；若无数据发送，则在响应帧中置F=“1”。ARM和ABM中，任何一站在发送的S帧和I帧中置P=“1”，表示询问对方状态，对方在收到该帧后应回答本站的状态，并置F=“1”。

信息帧48采用滑窗协议，N(S）表示发送的帧序列号，N49监控帧视图帧类型控制字段比特12345678监控帧

10S1S2P/FN(R)49监控帧视图帧控制字段比特12345678监控帧10S150监控帧：

根据3,4位的取值有四种类型。

S1,S2帧名

功能

00RR(ReceiveReady)准备好接收N(R)帧,即确认N(R)以前各帧。用于无捎带应答的场合01REJ(Reject)否认N(R)起的各帧，要求对方从N(R)开始全部重发，同时表明确认N(R)以前各帧

10RNR(ReceiveNotReady)确认N(R)以前各帧,但还未准备好接收下一幀N(R)

，要求对方暂停发送。

11SREJ(SelectiveReject)只否认N(R)一帧(要求对方选择重发)同时表明确认N(R)以前各帧监控帧50监控帧：根据3,4位的取值有四种类型。S1,S2帧名51无编号帧视图帧类型控制字段比特12345678无编号帧

11M1M2P/FM3M4M551无编号帧视图帧控制字段比特12345678无编号帧1152无编号帧：不包含N(S)和N(R)，即无编号。用于提供链路的建立、拆除及其他多种控制功能。它的类型由M1~M5来编码，总共可有32种命令或响应。

DISC（DISConnect）：终止逻辑链接，结束以前操作模式.置模式命令：SNRM、SABM、SNRME、SABME等。后带E的为置扩展模式，扩展模式下帧序号由3位变成7位。FRMR（FRaMeReject）：帧发生语义格式错误。UA（UnnumberedAcknowledgement）：无编号命令的应答。DM（DisconnectMode）：响应幀，表明本方已与链路断开。UI（UnnumberedInformation）：无编号信息幀，为送给对方链路层实体的信息。其它命令与响应，用于测试、链路初始化、参数协商等。无编号帧52无编号帧：无编号帧53HDLC的扩展模式53HDLC的扩展模式54LAPB(LinkAccessProcedureBalanced)：平衡型链路访问规程，它是HDLC的一个子集，用于X.25中。操作过程可分为建立链路、数据传输和断开链路三个阶段。通过任意一方发送SABM命令，另一方返回UA响应来建立双向链路。在启动建立链路之前，为确保DCE和DTE处于相同的阶段，DCE常可主动发一个DM响应幀，要求DTE启动链路的建立过程。HDLC的链路访问规程

54LAPB(LinkAccessProcedureB55HDLC帧应用举例(无错时)55HDLC帧应用举例(无错时)56HDLC帧应用举例(有错时)56HDLC帧应用举例(有错时)57优点：适用于点-点或点对多点通信。可用于半双工或全双工通信。采用同步方式和滑窗协议传输，传输效率高。主站可同时与多个从站建立链路，传输效率高。幀都有幀校验序列，且按顺序编号，可靠性较高。采用比特填充法实现数据透明传输。可传输任意长度的二进制比特串。采用统一的帧格式来传输数据、命令和响应，非常利于程序的实现。因此HDLC和相类似的协议获得了广泛的应用。使用HDLC的优点57优点：使用HDLC的优点582.3.1网络层的功能任务：选择合适的路由，把分组从源端传送到目的端。功能与服务：在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接路由选择和分组中转流量控制和拥塞控制多路复用：为多个传输层实体提供网络连接服务分段与组合：大数据块分段，小数据块组合差错检测与恢复流量统计和记账IP协议[RFC791]：提供无连接的数据报服务2.3网络层（networklayer，internetlayer）582.3.1网络层的功能2.3网络层（networkl59路由选择如何在多条通信路径中找一条最佳路径？依据：速度,距离(步跳数),价格,拥塞程度路由器——路由表建立与维护静态：人工设置，只适用于小型网络动态：运行过程中根据网络情况自动地动态维护59路由选择602.3.2路由算法路由协议的核心是路由算法。路由算法是指确定路由选择的策略，建立与维护路由表的方法。距离向量算法：RIP、CGP等链路状态算法：OSPF等602.3.2路由算法路由协议的核心是路由算法。路由算法是61链路层的任务两节点间可靠的数据传输Ethernet,X.25,ATM,…网络层的任务沿两端点间的最佳路由传输数据（主机间的逻辑通信）Ethernet,X.25,ATM,…61链路层的任务两节点间可靠的数据传输Ethernet,X62任务：在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输，使上层服务用户不必关系通信子网的实现细节。传输层的特点以上各层：面向应用，本层及以下各层：面向传输；与网络层的部分服务有重叠交叉，功能取舍取决于网络层功能的强弱；只存在于端主机中；实现源主机到目的主机“端到端”的连接；在这一点上与网络层的区别是什么？网络层：为主机之间提供逻辑传输传输层：为应用进程之间提供逻辑传输2.4传输层（transportlayer)62任务：在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输，使上层服63地址映射：源端进程地址映射到网络地址，或反之；多路复用与分割：多个传输连接共用一条网络连接；一条传输连接使用多个网络连接；进行数据分段并在目的端重新组装；传输连接的建立与释放；提供“面向连接”和“无连接”两种服务：TCP/IP协议：TCP和UDP传输差错校验与恢复；流量控制，防止数据传输过载。2.3.1传输层功能63地址映射：2.3.1传输层功能642.4.2传输层的协议分类根据服务质量，传输层协议分5类：0类最简单，只提供建立和释放连接及数据传送机制。1类较简单，可在两个传输进程中进行一次断开后连接的同步，从中断处继续。2类和0类相似，但可提供多路复用功能。3类具有1类和2类的特性。4类最复杂，必须能处理各种网络错误，如分组丢失、重复等。实用的传输层协议有TCP/IP协议栈中的TCP和UDP，其中TCP是面向连接的传输控制协议，它建立连接前需要三次握手，是可靠的传输协议；UDP协议是非连接的用户数据报协议，UDP协议不可靠，但效率较高。642.4.2传输层的协议分类根据服务质量，传输层协议分565传输层两种服务的比较ConnectionOrientedConnectionless参考模式电话系统邮政系统特点静态分配资源；传输前需要建立连接动态分配资源可靠性提供可靠的传输服务：无错、按序、无丢失/无重复不能防止报文的损坏、失序、丢失和重复对目的地址的要求仅在连接阶段需要完整的目的地址需要为每一个报文提供完整的目的地址适用场合在一段时间内向同一目的地发送大量报文;实时性要求少量零星报文分类及示例1.可靠消息流-文件