计算机网络的体系结构.ppt

1、1,1.1 计算机网络的发展过程 1.2 计算机网络的定义和功能 1.3 计算机网络分类 1.4 计算机网络的主要性能指标 1.5 网络体系结构 1.6 应用层的客户-服务器方式,第一章 计算机网络的体系结构,2,1.1计算机网络的发展过程,1.从面向终端分布的计算机系统到Internet 计算机网络技术起源于六十年代 1969年美国国防部的ARPANET 七十年代开始出现局域网,八十年代得到迅速发展 九十年代, 以ARPANET为基础发展起来的Internet，将大量的局域网、城域网、广域网以及个人计算机连接在一起，形成世界范围的互联网络系统，译作国际互连网或因特网,3,ARPANET对计算

2、机网络技术的三大重要贡献： 分组交换技术；(ARPANET是第一个分组交换网) 将计算机网络系统从逻辑功能上划分成通信子网和资源子网两大部分； 层次化结构的网络通信协议以及TCP/IP体系结构。,4,2. 电路交换和分组交换,电路交换：进行通讯的节点间使用事先建立的专用通路进行数据通信。 三个阶段： 1）建立连接 2) 数据通信 3）取消连接 特点：在通话的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输带宽。 缺点：线路的传输效率较低、网络资源浪费。 优点：传输可靠、无丢失、无失序、时延小,5,6,分组交换：节点间采用存贮-转发方式使用非专用通路进行通信 报文(message) 分组(packet)包

3、：首部(包头)+数据 结点交换机，曾称为接口报文处理机IMP,7,结点交换机(node switch)工作原理 其输入和输出端口没有直接连线 将收到的分组先存放入缓冲区 查找路由表 确定将该分组交给某个端口转发出去 采用存储转发 分组交换的优点：高效、灵活、迅速、可靠、费用低 分组交换的缺点：有一定时延,8,3. 三种交换的比较,A,B,C,D,A,B,C,D,A,B,C,D,t,9,1.2 计算机网络的定义和功能,一些互相连接的、自治的计算机的集合。 主要功能： （1） 资源共享。这里的资源是广义概念，包括信息资源、软件资源和硬件资源等。 （2） 依靠可替代的资源提供高可靠性。节约经费。,1

4、0,计算机网络与分布式系统的关键区别 在后者中，多台自主计算机的存在对用户是透明的。即用户觉察不到多个处理器的存在，用户面对的是一台虚拟的单处理机，各种系统功能是自动完成的。 在网络中，用户必须明确地指定在哪一台机器上登录，明确地远程提交任务，明确指定文件传输的源和目的地，以及管理整个网络。,11,1.3 计算机网络的分类,从网络交换功能分类：电路交换、报文交换、分组交换、混合交换。 从网络拓扑结构分类：星形、总线形、环形、不规则网形 从网络的使用范围分类：公共网(public network)、专用网(private network)。,12,从网络的作用范围分类： 局域网LAN(Local

5、 Area Network) ：地理范围小于十几公里，其所有权一般属于一个单位。 城域网MAN(Metropolitan Area Network) ：地理范围覆盖若干个单位或一个城市，一般基于LAN的技术，可能是私有的也可能是公有的。 广域网 WAN(Wide Area Network) ：地理范围从几十公里到几千公里以上，所有权为公有的，一般租用。,13,1.4 计算机网络的主要性能指标,带宽： “带宽”本来的意思是指某个信号具有的频带宽度。带宽的单位是赫兹(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。 对于数字信道，“带宽”是指在信道上(或一段链路上)能够传送的数字信号的速率，即数据率或比

6、特率。 比特(bit)是计算机中的数据的最小单元，它也是信息量的度量单位。带宽的单位就是比特每秒(bit/s)。 带宽有时也称为吞吐量。,14,15,时延 时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。 1）发送时延 发送时延是发送数据所需要的时间。 发送时延 = 数据块长度 信道带宽 2）传播时延 传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。 传播时延 = 信道长度 电磁波在信道上的传播速率,16,3）处理时延(排队时延) 数据在交换结点为存储而进行一些必要的处理所花费的时间。 数据经历的总时延就是以上三种时延之和： 总时延 = 传播

7、时延 + 发送时延 + 处理时延,17,18,在关时延的计算专题 作业一,19,20,1.5计算机网络的体系结构,1.5.1 计算机网络体系结构的形成 1.5.2 协议与划分层次 1.5.3 计算机网络的原理体系结构 1.5.4 OSI与TCP/IP体系结构比较,21,1.5.1 网络体系结构的形成,1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)。现在它是世界上使用得相当广泛的一种网络体系结构。 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图

8、使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为OSI。,22,1. 什么是计算机网络协议,定义 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。 协议在生活中的实例,协议三个要素: 语法、语义、同步,1.5.2协议与划分层次,23,2.分层概念,一个生活中的分层模型 分层模型带来的好处 一种简化复杂系统的科学方法,24,会话分层模型,25,这个会话分层模型的好处,容易解决通信的异质性（heterogeneity）问题 如： 语言层解决不同种语言的相互翻

9、译：（汉-英） 媒介层解决信息传递：语音（电话）/文字（传真） 使复杂问题简化，高层屏蔽低层细节问题 如： 概念层只关心会话内容，不关心语种和会话方式 语言层只关心语种，不关心会话内容和方式 媒介层只关心信息的传递，不关心信息的内容 使设计容易实现 如： 每个层次向上一层提供服务 每个层次向下一层请求服务,26,计算机网络的分层模型,计算机网络面临的问题 用户的资源和信息存储在采用不同操作系统的主机中，这些主机分布在网络的不同地方 需要在不同的传输介质上实现采用不同操作系统的主机之间的通信 解决异种机和异种网络互连问题的方法 分层,27,网络接入模块,通信服务模块,文件传送模块,网络接入模块,

10、通信服务模块,文件传送模块,通信网络,计算机1,文件及文件传送命令,与通信有关的报文,网络 接口,网络 接口,好处： (1)各层之间独立。(2)灵活性好。 (3)结构上可以分开。(4)易于实现和维护。 (5)能促进标准化工作。,计算机2,28,3. 计算机网络的体系结构,定义 计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(architecture) 。 说明： 计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 体系结构是抽象的; 而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。,29,1.5.3 计算机网络原理体系结构,1. 层次的划分 OSI的七层协议体系结构既

11、复杂有不实用，但其概念清楚。 TCP/IP的协议得到广泛承认，但实际上没有一个完整的体系结构。 采用折衷的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种原理体系结构。,30,(1) 物理层：透明地传送比特流。 (2) 数据链路层：在两个相邻接点的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。 (3) 网络层：选择合适的路由，数据的传送单位是分组或包。 (4) 运输层(传送层、传输层或转送层)：根据下面通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠的方式，为两端主机的进程之间，建立一条运输链路，以透明地传送报文。或者向上一层进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端的服务。 (5) 应用层：确定进程之间通信

12、的性质以满足用户的需要。例如，作用户代理等。,31,物理层（physical layer） 在两个网络物理设备之间提供透明的比特流传输。 “透明”是一个很重要的术语。它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。 物理层的特性 机械特性：定义连接器形式以及插针分配 电气特性：定义接口电路的电气参数 功能特性：定义物理接口信号线 规程特性：定义信号线的操作规程,32,数据链路层（data link layer） 数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧(frame)为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下

13、看去好像是一条不出差错的链路。 数据链路服务数据单元 帧 发送方封装数据帧（data frame） 定义和识别帧的边界 处理接收方回送的确认帧（acknowledgement frame）,33,网络层(network layer) 网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信，提供建立、维护和释放网络连接（点到点的传输）手段，解决路由选择问题。 网络服务数据单元分组packet或包 在TCP/IP体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。,34,运输层(transport layer) 运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信。运输层具有复用(multiplexing)和分用(demu

14、ltiplexing)的功能。 因特网的运输层可使用两种不同协议。即面向连接的传输控制协议TCP (Transmission Control Protocol)，和无连接的用户数据报协议UDP (User Datagram Protocol)。 运输层服务数据单元:报文段(segment),35,应用层(application layer) 应用层是原理体系结构中的最高层。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要(这反映在用户所产生的服务请求)。,36,协议数据单元PDU(Protocol Data Unit) 对等层(peer layer) 协议栈(protocol stack),1,2

15、,3,4,5,1,2,3,4,5,AP1,AP2,应用程序数据流,数 据 部 分,H5,数 据 部 分,H4,数 据 部 分,数 据 部 分,H3,H2,T2,1010011比 特 流010111010,物理传输媒体,计算机2,计算机1,首部,尾部,37,2. 实体、协议、服务以及服务访问点 实体(entiy)：任何可发送或接收信息的硬件或软件实体。大多情况为软件模块。 协议：控制对等实体间进行通信的规则的集合。 服务、服务原语、服务访问点SAP 服务数据单元SDU(Service Data Unit),服务用户,服务用户,服务用户,协议,交换 原语,交换 原语,SAP,SAP,提供服务,协议

16、是“水平”的，服务是“垂直”的。 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议,38,3. 面向连接服务与无连接服务 从通信的角度看，各层所提供的服务可分为两大类，即面向连接的(connection-oriented)与无连接的(connectionless)。,1)面向连接服务 所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接。当数据交换结束后，则应终止这个连接。 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。 面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。 提供可靠的传输服务，如保证按序到达，提供流量控制、差错控制等功能。适于传输

17、长报文或服务质量要求高的报文。,39,2)无连接服务 在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留。这些资源将在数据传输时动态地进行分配。 无连接服务的另一特征就是它不需要通信的两个实体同时是活跃的(即处于激活态)。 使用方便，易于实现广播式传输，但不保证可靠服务（如失序、丢失、重复等）。适于传输短的且服务质量要求不高的报文。,40,1.5.4 OSI 与TCP/IP体系结构比较,传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol) 网际协议IP(Internet Protocol) 应用层：TELNET

18、、FTP、SMTP 运输层：主机到主机层，TCP、UDP、报文或数据流-报文段 网际层：IP、分组、ICMP、ARP、RARP,1. TCP/IP的体系结构,41,2. OSI的体系结构,会话层不参与具体的数据传输，但在两个互相通信的进程之间，建立、组织和协调其交互。例如，确定双工或半双工等。 表示层主要解决用户信息的语法表示，即将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法(abstract syntax)变换为适合于OSI内部使用的传送语法(transfer syntax)。 应用层对应用进程进行抽象，只保留其中于进程间交互有关的部分。经过抽象后的应用进程就成为OSI应用层中的应用实体(application entity)。,42,3.TCP/IP与OSI/RM体系结构之比较： (1) TCP/IP一开始就考虑多种异构网(heterogeneous network)的互连问题。而ISO和CCITT最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将不同的系统互连在一起，后来只好在网络层中划分出一个子层来完成类似TCP/IP中IP的作用。 (2) TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重，而OSI在开始时只强调面向连接服务，直到很晚才开始制定无连接服务的有关标准。