第三讲 计算机网络体系结构与网络协议.ppt

1、,计算机网络教程,编译：司海飞 S,金 陵 科 技 学 院,S,计算机网络教程 编译：司海飞,第三讲 计算机网络体系结构与网络协议,本章重点 层次化体系结构：OSI、TCP/IP 主要层的功能及相关协议 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层,S,计算机网络教程 编译：司海飞,计算机网络体系结构与网络协议,3.1 网络体系结构的基本概念（分层和协议） 3.2 OSI（OSI/RM）体系结构 3.3 Internet（TCP/IP）体系结构 3.4 两种体系结构的比较,一个计算机网络必须为大量计算机之间提供通用的、高效的、公平的、坚固的、高性能的连通性。但是似乎这还不够，因为网络不是一成不变

2、的，它必须适应基本技术和应用程序需求的变化。设计一个满足这些需求的网络并非易事。 为了帮助处理这种复杂性，网络设计者已经制定了通用的蓝图，称为网络体系结构（network architecture），用以指导网络的设计和实现。这一章介绍OSI 和TCP/IP体系结构。 可以说OSI是个失败的例子，不过可也是学习网络概念的好教材。TCP/IP使用广泛。,网络体系结构发展的背景网络的状况 多种通信媒介有线、无线。 不同种类的设备通用、专用。 不同的操作系统Unix、Windows 。 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

3、现大的跌宕起伏 它们互相交织，形成了非常复杂的系统应用环境。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,3.1 网络体系结构的基本概念（分层和协议）,1 协议分层 2 各层的设计问题 3 接口和服务 4 面向连接的服务和无连接的服务 5 服务和协议的关系,1 协议分层,从最基本的硬件提供的服务开始，然后增加一系列的层，每一层都提供更高（更抽象）一级的服务 高层提供的服务用底层提供的服务来实现。,计算机网络教程 编译：司海飞,S,图 分层网络系统,当系统变得复杂时，系统设计者就会引入另一个抽象层。抽象的概念是定义一个能抓住系统的主要特征的统一模型，并将这种模型封装为一个对象，为系统其他部分提供一个可操作

4、的接口，对象如何实现的细节对于对象的使用者来说是隐藏的，问题是如何抽象出可同时提供的一个服务，这个服务适用于大多数情况并且能在底层系统中有效实现。 抽象很自然地导致分层，尤其是在网络系统中。一般地思想是，从最基本的硬件提供的服务开始，然后增加一系列的层，每一层都提供更高（更抽象）一级的服务。 高层提供的服务用底层提供的服务来实现。,分层的好处,各层之间是独立的，问题复杂程度降低 灵活性好，可随时修改甚至取消某层功能 结构上可分离 易于维护和实现 能促进标准化工作,计算机网络教程 编译：司海飞,S,某一层并不需要知道它的下层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的借口所提供的服务。由于每一层只

5、实现一种相对独立的功能，因而可能将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小的问题，复杂程度降低。 当任何一层发生变化时（例如，由于技术的变化），只要层间接口保持不变，则在这层之上或之下的各层均不受影响。此外还可对该层的服务内容进行修改。当不需要，甚至可取消。 每层都可以采用最合适的技术来实现。 分成多个子系统，维护和调试变得容易了。因为每一层的功能及所提供的服务都已有了精确的说明。层不能太多也不能太少！,几个概念,一台机器的第n层与另一台机器的第n层进行对话，通话的规则就是第n层的协议（protocol） 每一层中活动的元素通常称为实体（entity） 不同机器里包含对应层的实体叫做

6、对等实体（peer or peer entity） 某一系统所使用的协议列表，每层一个协议，被称为协议栈（protocol stack） 层和协议的集合被称为网络体系结构（network archietecture）,计算机网络教程 编译：司海飞,S,协议基本上式通信双方关于通信如何进行达成的一致。,协议：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定。(=语义+语法+规则) 不同层具有各自不同的协议。 实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 对等层：两个不同系统的同名层次。 对等实体：位于不同系统的同名层次中的两个实体。 协议作用在对等实体之间。 接口：相邻两层之间交互的界面

7、，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。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,P3,P2,P1,对等层通信的实质： 对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务 实际通信在最底层完成 右图给出了对等层通信更一般的抽象。,2,1,3,2,1,物理通信线路,3,N+1,N,N-1,N+1,N,N-1,Pn-1,Pn,Pn+1,系统A,系统B,消息,图 协议图,计算机网络教程 编译：司海飞,S,实际上数据不是从一台机器的第n层直接传到另一台机器的第n层，而是每一层都把信息和控制信息交给它的下一层，知道最下层，物理层，它进行实际的通信。

8、理解上图的关键是要理解虚拟通信和实际通信之间的关系，以及协议和接口之间的区别。 层的服务定义明确，层间的接口也要定义明确。,封装,图 封装,计算机网络教程 编译：司海飞,S,2 各层的设计问题,每一层都需要识别发送方和接受方的机制 另一组设计决策与数据传送的规则有关 差错控制 先后顺序 如何避免高速发送方发送数据过快，使低速接受方难以应付的局面 所有进程都应该能够接受任意长的报文 多路复用和解多路复用 路由选择,计算机网络教程 编译：司海飞,S,计算机网络的某些关键问题，在好几层的设计中都会出现，重点来看一下这些问题。 网络中很多计算机，如何识别对方，就需要有某种寻址手段来指定特定的目标。 单

9、工通信（simplex communication）双工通信（full-duplex communication）半双工通信（half-）协议还需要确定每条连接对应多少条逻辑通道，他们的优先级如何，一般提供2条，一条正常数据，一条紧急。 物理通信线路并非完美无缺，所以差错控制是另一个重要问题，已知的检错和纠错方法有多种，双方约定一种即可，另外，接受方应该通知发送方哪些报文已经正确地接受，哪些没有。 为了解决可能出现地顺序错误，协议必须明确地保证接受方能够把报文按原来地顺序重新组合在一起，一个容易想到的方法就是信息编号。 高速问题在各层都要面临解决：a接受方向发送方直接或间接地反馈接受方的当前状

10、态；b双方以商定的速率发送。 这一特征要求我们能把报文分割、传输和重新组装。与之相关的另一个问题是：当进程要传送的数据单元太小时，发送的效率太低。这里的解决方案是把几个传向同一个目标的短报文收集成一个长报文，然后在接受方再分解为原报文。 当每一对通信进程建立一个独立的连接不方便或者效率上不合算时，可以利用下一层的同一个连接为多个无关的对话服务。这就是多路复用（multiplexing）和解多路复用（de-） 路由选择有时候需要多层来决定。,3 接口和服务,每一层的功能是为其上层提供服务的 N层实体实现的服务为N+1层所利用，在这种情况下，N层称为服务提供者（service provider），

11、N+1层为服务用户（service user） 服务是在服务接入点（SAP，service access point）提供给上层使用的，N层SAP就是N+1层可以访问N层服务的地方 每个SAP都有一个唯一表明它的地址,计算机网络教程 编译：司海飞,S,SAP是标准电话插孔，SAP地址相当于所对应的电话号码,4 面向连接的服务和无连接的服务,面向连接的服务：首先要建立连接，使用连接，然后释放连接，连接本质上像一个管道，顺序不变 无连接的服务：每个报文有完整的地址，并且每个报文独立其他报文传送，顺序可能改变,计算机网络教程 编译：司海飞,S,下层能为上层提供两种不同形式的服务： 一个以电话为例，一

12、个以邮政为例。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,面向连接服务与无连接服务,服务质量（QoS）,用来评价服务的特性 有两种：可靠的和不可靠的 面向连接的可靠服务：报文序列和字节流 面向连接的不可靠服务：数字化的声音 无连接的可靠服务：有确认的数据报 无连接的可靠服务：数据报,计算机网络教程 编译：司海飞,S,5 服务和协议的关系,服务是各层向它上层提供的一组操作 服务定义了两层之间的接口 协议定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则,计算机网络教程 编译：司海飞,S,服务和协议式完全不同的概念，但二者常常被混淆在一起。 尽管服务定义了各层能够代表它的上层完成的操作，但丝毫

13、也未涉及这些操作的具体实现。服务定义了两层之间的接口，上层为服务用户，下层为服务提供者。 实体利用协议来实现他们的服务定义，只要不改变提供给用户的服务，实体可以任意地改变他们地协议，这样服务和协议就被完全的分开了。,3.2 OSI（OSI/RM）体系结构,1 .分层原则 2 .层的划分,计算机网络教程 编译：司海飞,S,图 OSI体系结构,ISO是最早形式化定义连接计算机的通用方法的组织之一。它们的体系结构，称为开放系统互连参考模型（OSI/RM），它将网络按功能性划分为7层，其中由一个或多个协议实现某层的功能。这只是一个参考的模型，并不是一个协议图。ISO通常与另外一个标准化组织，国际电信联

14、盟（ITU）联合，一起发布一系列基于OSI体系结构的协议说明。这个系列通常叫做“X点”系列，因此协议命名为X.25、X.400、X.500等。已经有基于这些标准的一些网络，包括公共X.25网络和专用网络。,1 分层原则,根据不同的层次的抽象分层 每层应该实现一个定义明确的功能 每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准 各层边界的选择应该尽量减少跨过接口的通信量 层数足够多，避免不同功能混在一层中，层也不能太多，否则体系结构过于庞大,计算机网络教程 编译：司海飞,S,OSI模型有7层。 OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容，这是因为它并未确切描述用于各层的协议和服务，它仅仅告诉我们每层

15、应该做什么。 不过OSI各层制定了标准，但它们不是参考模型的一部分，作为独立的国际标准，X.系列。,2 层的划分,物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层,计算机网络教程 编译：司海飞,S,OSI参考模型将网络的不同功能划分为7层,物理层 physical layer,涉及到通信在信道上传输的原始比特流 这层的设计主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。,计算机网络教程 编译：司海飞,S,设计上必须保证一方发出二进制“1”时，对方接受的也是“1”，而不是“0”。 这里典型的问题使用多少伏特的电压表示“1”，多少伏特的电压来表示“0”； 一个比特

16、持续多少微秒；传输是否在两个方向上同时进行；最初的连接如何建立和完成通信后连接如何终止；网络接插件有多少针以及各针的用途。,数据链路层 data link layer,主要任务：加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现一条无错的线路 数据链路层要解决由于帧的破坏，丢失，重复所导致的问题 流量调节的机制 数据帧和确认帧的信道使用权问题,计算机网络教程 编译：司海飞,S,发送方把输入数据分装在数据帧（data frame）中，按顺序发送帧，并处理接受方回送的确认帧（acknowledge frame），因为物理层仅仅接受和传送比特流，并不关心它的意义和结构，所以只能依赖各链路层来产生和识别帧

17、边界。可以通过在帧的前面或者后面附加上特殊的二进制编码模式来达到这一目的。 传输线路上突发的噪声干扰可能把帧完全破坏掉，在这种情况下，发送方机器上的数据链路层软件必须重传帧。 数据链路层要解决的另外一个问题（在大多数层也存在），是防止高速的发送方的数据把低速的接受方“淹没”。因此需要有某种流量调节机制，使发送方知道当前接受方还有多少缓存空间。通常流量调节和出错控制同时完成。 即从A到B的数据帧的确认帧将同从B到A的数据帧争夺线路的使用权。,网络层 network layer,确定分组从源端到目的端的路由选择 拥塞控制 记帐功能（log） 异型网络互联,计算机网络教程 编译：司海飞,S,网络层关

18、系到子网的运行控制，其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。路由既可以选用网络中固定的静态路由表，几乎保持不变，也可以在每一次会话开始时决定（例如通过终端对话决定），还可以根据当前网络的负载情况，高度灵活地为每一个分组决定路由。 如果子网中出现过多地分组，它们将相互阻塞通路，形成瓶颈。此类拥塞控制也属于网络层的范围。 因为拥有子网的人总希望他们提供的子网服务能够得到报酬，所以网络层通常设有记帐功能 当分组不得不跨越一个网络以到达目的地时，新的问题又会产生。第二个网络的寻址方法可能和第一个网络完全不同，第二个网络可能由于分组太常而无法接收；这些都是需要网络层解决的。,传输层 tra

19、nsport layer,传输层使会话层不受硬件技术变化的影响 要求传输层的多路复用对会话层透明 传输层最终决定服务类型 真正“端到端”的层 区别报文来自哪条连接 必须解决跨越网络连接的建立和拆除,计算机网络教程 编译：司海飞,S,传输层的基本功能是从会话层接受数据，并且在必要时把它分成小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的信息正确无误，而且，这些任务都必须高效地完成，从某种意义上讲，传输层是会话层不受硬件技术变化的影响。 通常，会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其创建一个独立的网路连接。如果信息吞吐量大，则传输层为之建立多个连接。如果小，就把几个传输连接复用到一个网络连接上，以降低费

20、用，任何情况下，都要求传输层使得多路复用对会话层透明。 传输层也要决定会话层，最终向网络用户提供什么样的服务。最流行的传输连接是一条无错的，按发送顺序传输报文或字节的点到点的信道。但是，还有的传输服务不能保证传输次序的独立报文传输和多目标广播。采用哪种服务是在建立连接时确定的。 传输层是真正的从源到目的端的“端到端”的层。也就是说，源端机上的某程序，利用首部和控制报文与目标机上类似程序进行对话，在传输层以下各层中，协议是每台机器和它相邻的机器之间的协议，而不是最终的源端机和目的端之间的协议，在他们中间可能还有多个路由器。 很多主机有多道程序在运行，这意味着这些主机有多条连接进出，因此需要有某种

21、方式来区别报文属于哪条连接。识别这些连接的信息放入传输层的报文header。 传输层还必须解决跨网络连接的建立和拆除，这需要某种命名机制，使机器内的进程可以讲明它希望与谁会话。,会话层 session layer,会话层允许不同机器上的用户建立会话关系 会话层服务之一是管理会话 会话层服务之二是同步,计算机网络教程 编译：司海飞,S,会话层允许类似传输层的普通数据的传输，并提供了对某些应用有用的增强服务会话，也可被用于远程登陆到分时系统或在两台机器之间传递文件。 管理会话：会话层允许信息同时双向传输，或任一时刻只能单向传输。若属于后者，则类似于单线铁路，会话层将记录此时该轮到哪一方了。 一种与

22、会话有关的服务是令牌管理（token management）有些协议保证了双方不能同时进行同样的操作。为了管理这类活动，会话层提供了令牌，令牌可以在会话双方之间交换，只有持有令牌的一方可以执行某种关键操作。 另一种会话服务是同步（synchronization），比如传文件，会话层提供了一种方法，即在数据流中插入检查点，每次网络崩溃后，仅需要重传最后一个检查点以后的数据。,表示层 presentation layer,表示层关心的是所传输的信息的语法和语义,计算机网络教程 编译：司海飞,S,完成某些特定的功能，由于这些功能常被请求，因此人们希望找到通用的解决办法，而不是让每个用户来实现。表示层

23、一下的各层只关心可靠的传输比特流，而表示层所关心的是所传输的信息的语法和语义。 表示层服务的一个典型的例子是用大家一致同意的标准方法对数据进行编码。大多数用户程序之间并不是交换随机的比特流，而是诸如人名，日期，货币数量之类的信息。这些对象是用字符串，整型，浮点数的形式以及由几种简单类型著称的数据结构来表示的。不同机器有不同的代码来表示字符串，整型等。为了让采用不同表示法的计算机之间能够进行通信，交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用标准的编码方式。表示层管理这些由抽象数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。,应用层 application layer,包含

24、大量人们普遍需要的协议 如，网络虚拟终端、文件传输、电子邮件等等,计算机网络教程 编译：司海飞,S,各种不兼容终端，如果希望一个全屏幕编辑程序能工作在其上，每个终端都有不同的屏幕格式，插入和删除文本的换码序列，光标的移动等，是很困难的。解决方法之一是定义一个抽象的网络虚拟终端（network virtual terminal），编辑程序和其他所有程序都面向该虚拟终端，而对每一个终端类型，都写一段软件来把网络虚拟终端映射到实际的终端。所有虚拟终端软件都位于应用层。 另一个应用层功能是文件传输。不同文件系统有不同的文件命名原则，文本行有不同的表示方式等。不同系统间传输文件所需处理的各种不兼容问题都

25、属于应用层的工作。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,数据,数据 段 数据包 帧 比特 电脉冲,011101000011000010100101111010110,数据多层封装,S,计算机网络教程 编译：司海飞,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,应用层,传输层,网际层,数链层,实际例子：TCP/IP协议的封装,3.3 Internet体系结构,1. 层次的划分 2. Internet体系结构的优点,计算机网络教程 编译：司海飞,S,由于Internet已经得到全世界的承认，因此Internet所使用的TCP/IP体系在计算

26、机网络领域中就占特殊重要的地位。 在Internet所使用的各种协议中，最重要和最著名的就是两个协议，即传输控制协议（Transmission Control Protocol）和网际协议（Internet Protocol）。因此人们经常提到的TCP/IP并不是指这两个具体的协议，而往往是表示Internet所使用的体系结构或者是指整个的TCP/IP协议族。,1 层次的划分,应用层 传输层 网际层 网络接口层,计算机网络教程 编译：司海飞,S,图 Internet体系结构,当将7层OSI模型应用于因特网时，常常可用4层模型代替。由于TCP/IP在设计时考虑到要与具体的物理传输媒体无关，因此在

27、TCP/IP的标准中并没有对数据链路层和物理层作出规定，而是将最低层取名为网络接口层，如果不考虑没有多少内容的网络接口层那么就分三层。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,TCP/IP与与应用层,应用层协议支持了文件传输、电子邮件、远程登录、网络管理、Web浏览等应用。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,TCP/IP与传输层,传输层的两项主要功能： 流量控制：通过滑动窗口实现； 可靠传输：由序号和确认来实现。,传输层提供了TCP和UDP两种传输协议： TCP是面向连接的、可靠的传输协议。它把报文分解为多个段进行传输，在目的站再重新装配这些段，必要时重新发送没有收到的段。 UDP是无连接的。由于对

28、发送的段不进行校验和确认，因此它是“不可靠”的。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,面向连接的 TCP 无连接的 UDP,传输层提供了两种传输协议,S,计算机网络教程 编译：司海飞,TCP段格式,S,计算机网络教程 编译：司海飞,源端口(Source Port)：呼叫端口的编号 目的端口(Destination Port)：被叫端口的编号 顺序号(Sequence Number)：数据的第一个字节的顺序号 确认号(Acknowledgment Number)：所期待的下一段的顺序号 报头长度(HLEN)：以32字节为单位的报头的长度 保留域(Reserved)：设置为0 编码位(Code Bi

29、ts)：用于控制段的传输（如会话的建立和中止） 包括：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN六个位 窗口大小(Window)：接收方能够继续接收的字节数 校验和(Checksum)：包括TCP报头和数据在内的校验和 紧急指针(Urgent Pointer)：当前顺序号到紧急数据位置的偏移量 选项(Option)： 数据(Data)：上层协议数据,S,计算机网络教程 编译：司海飞,端口号,TCP和UDP都用端口(socket)号把信息传到上层。 端口号指示了正在使用的上层协议。,F T P,S M T P,T F T P,D N S,T e l n e t,S N M P,21,23,2

30、5,53,69,161,TCP UDP,应用层,传输层,保留的端口号： 255，公共应用 255-1023，公司 1023，未规定,S,计算机网络教程 编译：司海飞,TCP连接的建立三次握手,例如：A、B两个主机要建立连接,AB,方向,消息,含义,AB,AB,AB,SYN,SYN,ACK,ACK,我的序号是X,序号用于跟踪通信顺序，确保多个包传输时无数据丢失。 通信双方在建立连接时必须互相交换各自的初始序号。,知道了，你的序号是X,我的序号是Y,知道了，你的序号是Y,握手,1,2,3,合并,1.,2.,3.,4.,S,计算机网络教程 编译：司海飞,A,B,发送SYN消息(SEQ=x),接收SY

31、N消息(SEQ=x),发送SYN消息 (SEQ=y,ACK=x+1),接收SYN消息 (SEQ=y,ACK=x+1),发送确认(ACK=y+1),接收确认(ACK=y+1),TCP通过三次握手/建立连接序号来达到同步,S,计算机网络教程 编译：司海飞,UDP段格式,源端口,目的端口,长度,校验和,数据,16b,16b,16b,16b,UDP不用确认。可靠性由应用层协议保证。 使用UDP的协议包括：TFTP、SNMP、NFS、DNS等,S,计算机网络教程 编译：司海飞,TCP/IP与网络层,网际层的主要协议IP。本层提供无连接的传输服务（不保证送达，不保序）。本层的主要功能是寻找一条能够把数据报

32、送到目的地的路径。 网际层的PDU称为IP数据报； ICMP（Internet Control Message Protocol）提供控制和传递消息的功能； ARP（Address Resolution Protocol）为已知的IP地址确定相应的MAC地址； RARP（Reverse Address Resolution Protocol）根据MAC地址确定相应的IP地址。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,TCP/IP网际层的四个主要协议,TCP,UDP,6,17,IP,传输层,网际层,IP数据报的协议域确定目的端的上层协议,S,计算机网络教程 编译：司海飞,IP数据报（IP分组、IP包）

33、,版本号,报头长度,服务类型,数据报长度,DF,MF,段偏移,0 3 7 15 19 31,标识,生存时间TTL,协议,报头校验和,源IP地址,目的IP地址,选项和填充（最大为40字节）,数据区,图 Internet协议图,计算机网络教程 编译：司海飞,S,最低层有多种网络协议，表示为net1，net2等等。实际中，这些协议由硬件（如网络适配器）和软件（如网络设备驱动程序）共同实现。实际上这些协议又可以包含多个子层，但是internet体系结构中没有这样做。 第二层只有一个网际协议（IP）。这个协议支持多种网络技术互连为一个逻辑网络。 第三层包含两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据

34、报协议（UDP）。TCP和UDP为应用程序提供可选逻辑信道TCP提供可靠的字节流信道，UDP提供不可靠的数据报传送信道。在因特网的语言中，TCP和UDP有时被称为端到端（end to end）的协议，但他们还可被认为是传输协议。 在传输层以上运行的应用协议如FTP，TFTP，Telnet，SMTP，使常用的应用可互操作。为了理解应用层协议和应用的区别，可以考虑netscape navigator和IE，都使用HTTP，你可以使用这些应用程序中任一个访问web上的某个站点，因为他们都使用相同的HTTP协议。可有时候一个词表示二者，如FTP。,S,计算机网络教程 编译：司海飞,TCP/IP与OSI参考模型的对应关系,2 Internet体系