第3章 计算机网络协议与体系结构.ppt

1、第三章 计算机网络协议与体系结构,网络体系结构的基本概念 OSI参考模型 OSI的层次结构 TCP/IP模型与OSI模型的对应关系,本章知识点,3.1 网络体系结构的基本概念,1协议 网络用户要实现网络资源共享，要在各互联节点间实现信息交换，就需要实现不同系统中实体间的通信。 实体能发送和接收信息的任何东西。 系统计算机、终端和各种软硬件设备。包括一个或多个实体。 什么是协议？,3.1.1 网络协议的概念,网络体系结构:层次结构和协议的集合 采用层次化结构的方法描述计算机网络系统，便于将复杂的网络问题分解成许多较小的、界限比较清晰而又简单的部分来处理。,3.1 网络体系结构的基本概念,协议实体

2、间控制数据交换规则的集合。其关键成分：,语义：用于解释比特流的每一部分的意义。它规定了需要发出何种控制 信息，以及完成的动作与做出的响应等。如用于协调和差错处理 的控制信息； 语法：用户数据与控制信息的结构与格式，数据出现的顺序等。包括数 据格式、编码及信号电平等； 时序：对事件实现顺序的详细说明，包括速度的匹配和排序。 语义表示要做什么？ 语法表示要怎么做？ 时序表示要什么时候做？,3.1 网络体系结构的基本概念,邮件的发送过程,3.1 网络体系结构的基本概念,2几个重要概念,1）协议（Protocol） 2）层次（Layer） 3）实体 4）接口（Interface） 5）体系结构（Arc

3、hitecture） 协议协议是一种通信约定。 层次分层的目的在于将一个问题的复杂性弱化。 实体实体是通信时能发送或接收信息的任何软硬件设施。 接口同一节点内相邻层之间交换信息的连接点（如邮政系统中的邮箱）。 网络的体系结构为了完成计算机间的通信合作，把每个计算机互联的功能划分为定义明确的层次，规定了同层次进程间的通信协议及相邻层之间的接口统称为网络体系结构。,一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集。对于结构复杂的网络协议来说，最好的组织方式就是层次结构模型。,3.1 网络体系结构的基本概念,3.1.2 网络体系结构的层次化,通常把一组相近的功能放在一起，形成网络的一个结构层次，这

4、种处理方式有其突出的优越性，具体体现在：,1）各层之间的独立性好； 2）灵活性好； 3）各层实现技术的改变不会影响其它层； 4）易于维护和实现； 5）有利于促进标准化。,3.1 网络体系结构的基本概念,3.1.3 开放系统互连参考模型OSI/RM,20世纪70年代，一些重要的计算机生产厂商相继推出了适合本公司的网络体系结构，如：,IBM：网络体系结构（NSA）； DEC：DEC数字网络体系结构（DNA）； SPERRY UNIVAC：分布式计算机网络体系结构（DCA）； NCR：非集中式数据处理网络体系结构（DNS）； 东芝：先进的网络体系结构（ANSA）。,这些体系结构的出现： 极大地推动网

5、络技术进步； 如何使网络体系结构和协议标准化。,1980年2月，ISO：开放系统互联参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model），简称OSI/RM。,1983年OSI 被正式批准为国际标准，即ISO7498国际标准，亦被称为X.200建议。我国相应的国家标准是GB9398。,1开放系统和互连模型的由来 ISO国际标准化组织 （International Standardization Organization） OSI开放系统互连模型（Open Systems Interconnection） OSI 是一种终端设备、计算机、人、网络和通

6、信处理机之间交换信息所需要的标准协议。,3.2 OSI参考模型,3.2.1 OSI参考模型的基本概念,2. OSI标准的三级抽象,(1) 体系结构(Architecture),OSI参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能服务。,(2) 服务定义(Server Definition),OSI详细说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层，各层所提供的服务与这些服务是怎样实现的无关。,3.2 OSI参考模型,(3) 协议说明(Protocol Specifications),包含两个方面的内容：, 同层协议：规定了每

7、个层次中，通信双方共同遵守相应的约定和规程。下图为同层之间传送的数据形式。, 接口协议：规定了相邻层之间的约定和规程。,网络协议和接口确定之后，网络的体系结构也随之确定,OSI中的数据流示意图,3.2 OSI参考模型,3.2.2 OSI参考模型的结构,OSI的制定策略：分层结构化技术。规定：每层向上层提供服务；上层使用下层提供的服务来完成本层的协议；层间的相互作用通过接口来实现；只要接口不变，任何一层实现技术的变更不会影响其余各层。,按上述原则，OSI共包括了7层,OSI参考模型结构示意图,3.2 OSI参考模型,ISO分层的基本原则 ： 1）网络中各节点都具有相同的层次； 2）不同结点的同等

8、层具有相同的功能； 3）每层的选定尽量着眼于已有成功经验的国际标准协议； 4）同一节点内相邻层之间通过接口实现通信； 5）各层界面应选在服务描述最少、穿过接口信息流最小的地方； 6）每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务； 7）不同结点的同等层通过协议来实现对等层间的通信；,3.2 OSI参考模型,3.2.3 OSI层与层之间的通信,服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换的命令的组合。,常见的服务原语主要有四类：,(1) 请求(request)： 由服务用户发往服务提供者，请求它完成某项工作，如发送数据请求。 (2) 指示(indication)： 由服务提供者发往服务

9、用户，指示发生了某些事件。比如说，接收到一个远地送来的数据。 (3) 响应(response)： 由服务用户发往服务提供者，作为对前面发生的指示的响应。 (4) 证实(confirm)： 由服务提供者发往服务用户，作为对前面发生的请求的证实。如数据成功发送,一个完整的服务原语包括三个部分：原语名、原语类型和原语参数。,原语名和原语类型一般都用英文写出。两者之间用圆点或空格隔开，原语参数可以用中文表示，用括号与前面两部分隔开。,3.2 OSI参考模型,如：传输连接的请求原语：,TCONNECT.request（被叫地址、主叫地址、）,原语名,原语类型,原语参数,分隔符,服务原语的服务,有确认（c

10、onfirmed）服务,无确认（unconfirmed）服务,服务原语的服务：,有确认服务原语,请求原语； 指示原语； 响应原语； 证实原语。,无确认服务原语,请求原语； 指示原语。,原语类型：,（1）有确认的原语类型：发出的请求原语要求得到确认。 XXXX.REQ XXXX.IND XXXX.CNF XXXX.RSP,3.2 OSI参考模型,四类服务原语间的关系：,（2）无确认的原语类型：发出的请求原语无需对方予以确认。 XXXX.REQXXXX.IND,3.2 OSI参考模型,3.2.4 OSI数据传输方式,OSI数据传输方式可分为两大类，即面向连接服务和无连接服务,理解网络服务需要注意的

11、两个问题： 第一、两种服务方式对实现服务的网络协议的复杂性和数据传输的可靠性有着很大的影响。 第二、在网络传输的各层，都会涉及到这两种服务。,1面向连接服务,该服务是指对等实体在传输PDU之前，整个过程包括如下三个阶段。, 建立连接。包括鉴别对等实体的身份、协商数据传输时的控制信息（例 如：用户数据的体积、窗口尺寸、使用的协议类别等）。 传输数据。包括传输用户数据，以及为了数据传输而进行的交互控制 （例如：数据传输的确认、活动管理、令牌传递等）。 释放连接。释放双方已经建立起来的连接。,面向连接服务的特点：见P70,3.2 OSI参考模型,2无连接服务,特点：无连接服务特点表现在: 无连接服务

12、的每个分组都携带完整的目的节点地址，各分组 在系统中独立传送。 无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、维护与 释放三个过程。 数据分组传输过程中，目的节点接收的数据分组可能出现乱 序、重复与丢失的现象，需要指定某种机制加以有效控制。 无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较 高，适合猝发式通信。 注意：网络服务的可靠性主要通过确认、重传等机制来保证。,3确认和重传机制,确认与重传目的端在收到每个数据分组后，要求向发送端发送正确接收分组的确认信息。常用的策略是：在规定的时间内，如果发送端没有收到目的端的确认信息，就认为数据分组发送失败，发送端需要重新发送该数据分组。,3.2

13、OSI参考模型,可采用的另一种策略是：接收端不向发送方传送确认信息。即接收端不确认，发送端也不重传数据分组。因此，这种策略的协议简单，不需要增加网络额外的负担，但是它必须以降低数据传输的可靠性为代价。,这种机制可以提高数据传送的可靠性，但需要制定较为复杂的确认和重传协议，且会增加网络额外的通信负担，占用较大的网络带宽。重传机制如右图所示。,3.3 OSI的层次结构,3.3 OSI的层次结构,3.3.1 物理层,1物理层的功能,物理连接的建立、维护和释放,物理层的主要功能：提供物理链路的连接和数据的传输。具体而言有：, 数据传输服务, 提供需要的机械、电气、功能特性和规程特性。,DTE具有一定数

14、据处理能力以及发送和接收数据能力的设备：用户终端、计算机以及各种IO设备等。 DCE两个远距离通信的DTE，必须加一些中间设备，这就是DCE，如：MODEM。,3.3 OSI的层次结构,(b) 电气特性 ：规定了在链路上传输比特流有关的电路特性；,(c) 功能特性：规定各信号线的功能或作用,(a) 机械特性：规定硬件接口所用连接器（一般都采用插接式连接器）的规格、大小、形状、尺寸、插针或插孔的数量和排列情况、锁定装置形式，以及相应传输介质的参数和特征等,(d) 规程特性：定义DTE和DCE通过接口连接时，各信号线进行比特流传输的一组操作规程（动作序列）。,2物理层传输媒体和互连设备,物理层常用

15、的互连通信设备有：中继器、集线器等,（1）中继器（Repeater）,中继器（Repeater）工作于OSI的物理层，是局域网上所有节点的中心，它的作用是放大信号，补偿信号衰减，支持远距离的通信。,（2）集线器（HUB）,集线器（HUB）也工作于OSI的物理层，是中继器的一种具体形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。,3.3 OSI的层次结构,3物理层协议,典型的物理层协议主要包括以下几种：,（1）RS-232-C, 机械特性：规定了孔端连接器和针端连接器连接DTE和DCE设备的物理特性。常见的孔端连接器和针端连接器有DB-25、DB-9 ，如右图所示:, 电气特性: EI

16、A-232规定数据线上的所有数据以逻辑0和1的形式传输；, 功能特性 ：对连接器的各针进行定义, 规程特性：指明了通信过程中事件发生的顺序以及过程细节。,3.3 OSI的层次结构,3.3.2 数据链路层,1数据链路层的功能,基本功能：包括建立实体间的链路连接，数据封装与解封，发送以帧为单位的数据包，并通过校验、确认、反馈重发、流量控制等手段将原始的物理连接改造成无差错的数据链路等。, 数据链路的建立、维护与释放链路的管理工作; 将传输数据增加的同步信息、校验信息及地址信息封装成数据帧; 数据帧传输顺序的控制; 差错检测与控制; 数据流量控制。,主要功能有,2数据链路层协议,主要有：二进制同步通

17、信(BSC)协议、高级数据链路控制协议（HDLC）、串行线路网际协议SLIP和点对点通信协议(PPP)。,1）二进制同步通信(BSC)协议,3.3 OSI的层次结构,（1） 控制字符,BSC协议用ASCII和EBCDIC（广义二进制编码的十进制交换码）字符集定义的传输控制字符来实现相应的功能。如下表,表3.2 BSC中的控制字符编码及功能,3.3 OSI的层次结构,（2） 数据报文格式,根据传输数据块的性质的不同，BSC协议的数据报文有如下四种格式：, 不带报头的单块报文或分块传输中的最后一个报文块格式, 带报头的单块报文格式, 分块传输中的第一个报文块格式, 分块传输中的中间报文格式,3.3

18、 OSI的层次结构,（3）数据传输过程,BSC协议的数据传输过程可分为三个阶段：数据链路建立阶段、数据通信阶段和链路拆除阶段。下图所示为主机A与主机B交换数据的过程。,由于BSC协议与特定的字符编码集关系过于密切，故兼容性较差。另外，由于BSC是一个半双工协议，它的链路传输效率很低。,3.3 OSI的层次结构,2）高级数据链路控制协议（HDLC）, HDLC协议的数据链路配置方式：非平衡配置和平衡配置, 非平衡配置方式,特点：主站发出命令，控制数据链路的工作过程。从站接受命令，发出响应，配合主站工作。,非平衡配置方式的数据传送方式,正常响应模式：主站启动，从站响应并 向主站传输信息。,异步响应

19、模式：从站启动。, 平衡配置方式,特点：是链路两端的两个站都是复合站。,数据传送方式：,异步平衡模式：任何站点都可以发送或接收命令，也可以给出应答，并 且各站对差错恢复过程都负有相同的责任。,3.3 OSI的层次结构, HDLC协议的帧格式,数据帧通常具有固定的格式， HDLC协议的数据帧格式如右图所示：, 标志字段(F)：标志数据帧的开始和结束位置，用以解决帧的同步问题。, 地址字段(A) ：地址字段的内容取决于所采用的配置方式。, 控制字段(C)：控制字段与帧类型有关。, 信息字段：可以是任意的二进制比特串。, 帧校验序列字段：可以采用16位CRC校验方式,3.3 OSI的层次结构, HD

20、LC协议的帧类型,信息帧(I帧):控制字段的第一个比特位为0; 监控帧(S帧):控制字段的第12比特位为10 ； 无编号帧(U帧):控制字段的第12比特位为11 。,HDLC的帧类型, 信息帧,1(命令帧):轮询位，要求被轮询的从站给出响应,1(响应帧 ):终止位 ，表示接收端确认的结束（即1表示发送结束，0表示发送继续）,P/F=, 监控帧(S帧)：监控帧用于进行差错控制和流量控制,S帧的控制字段的第34位为S帧类型编码，通过S域四种不同的组合形式表示不同的帧类型，其名称和功能如下表所示。,3.3 OSI的层次结构, 无编号帧(U帧) ：用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能，这些 控制

21、功能由第3、4、6、7、8等5个M位(M1M5，也称修正位)的不同编码 形式来定义，可以定义32种附加的命令或应答功能,3.3 OSI的层次结构,（4）HDLC数据传输过程,分为3个阶段：数据链路建立阶段、信息帧传送阶段、数据链路释放阶段。第2阶段的完成需要用到信息帧和监控帧，第1、3阶段的完成需要用到无编号帧。右图分别表示多点链路和点对点链路的建立和释放。,3.3 OSI的层次结构,（5）HDLC特点,与BSC相比较，HDLC具有以下特点：, 传输的透明性。HDLC对任意比特组合的数据均能透明传输。“透明”是指某一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。, 高可靠性。在HDLC规程中，差错控制

22、的范围是除了F标志的整个帧， 并且HDLC对I帧进行编号传输，有效地防止了帧的重收和漏收。, 高传输效率。在HDLC中，额外的开销比特少，允许高效的差错控制和 流量控制。, 适应性强。HDLC规程能适应各种比特类型的工作站和链路。, 结构灵活。在HDLC中，传输控制功能和处理功能分离，层次清楚，应 用非常灵活。,3.3 OSI的层次结构,3）串行线路网际协议SLIP,通过电话连接使用IP协议有两种, 串行线路网际协议SLIP； 点对点的通信协议。,4）点对点通信协议(PPP),3P是为在同等单元之间传输数据报而设计的链路层协议。, 3P协议的功能, 数据报封装。3P支持异步链路和面向比特的同步

23、链路。 链路控制协议LCP。3P提供的功能适用于大多数环境 网络控制协议NCP。建立、配置、测试和管理数据链路连接。, PPP协议的帧结构,各个字段的含义为：, 标志字段（Flag）。长1B，帧的起始或结束，其值为 “7E”（01111110）。 地址字段（Address）。长1B 。其值始终为”FF” (11111111），广播地址. 控制字段（Control）。长1B ，其值为 “03”（00000011），数据传输采用无序帧。,3.3 OSI的层次结构, 协议字段（Protocol）。长2B，用于识别帧的 Info 字段封装的协议如下所示。, 信息字段（Information）。长度可变

24、。 帧校验字段（FCS）。常为2B，差错检测，以保证数据的完整性。, PPP链路的建立与拆除, 用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，建立一条物理连接； PC机向路由器发送一系列的LCP（链路控制协议）分组； NCP（网络控制协议）为新接入的PC机分配一个临时的IP地址； 通信完毕，NCP释放网络层连接，收回原来分配出来的IP地址 ； LCP释放数据链路层连接，释放物理层连接。,3.3 OSI的层次结构,（2）流量控制,（3）拥塞控制,3.3.3 网络层,1网络层的功能,功能主要有,（1）路由选择,2网络层协议,网络层协议,网际控制报文协议ICMP,网际协议IP,1）网际控制

25、报文协议ICMP,ICMP 是IP的一个辅助协议，用来向源主机发送差错报告和控制信息。,2）网际协议IP,IP协议与TCP协议结合组成整个因特网协议蔟的核心协议。是一种无连接的数据报传送服务，不提供差错校验和跟踪。,两个基本任务, 提供无连接的和最有效的数据报传送；,提供数据报的分段及重组，支持最大传输单元的数据连接。,3.3 OSI的层次结构,（1）“尽力而为”(最有效)的传送服务。,传送主要通过路由器和路由协议来完成。,路由协议,路由选择协议,路由传送协议,（2）数据报的分片及重组,原因：不同的物理网络技术，支持的最大帧MTU长度不同。,最大帧长MTU：是指一个特定的网络所允许通过物理帧的

26、最大数据长度。,分片的基本方法如右图所示：,分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。,3.3 OSI的层次结构,当所有分片到达目的网络的主机后，才对它们进行重组。目的网络的主机通过数据报首部的标识符来查证各分片是否为同一个数据报的分片，且根据片偏移及标志来控制分片和重组，如图所示,IP数据报的分片、传输及重组示意图,3.3 OSI的层次结构,（3）IP数据报的格式,IP接收运输层的数据（UDP用户数据报或TCP报文段），在前面添加IP的首部，封装成IP数据报(如右图)。因此，IP数据报分为IP报头和数据区两部分。IP数据报的结构形式如下图所示：,IP数据报,IP数据报结构示意

27、图,3.3 OSI的层次结构,IP首部中有许多控制信息。,(1)版本号占4比特 (2)首部长度占4比特 (3)服务类型占8比特 (4)总长度字段占16比特 (5)标识字段占16比特 (6)标志字段占3比特 (7)偏移字段占13比特,(8)生存时间占8比特 (9)协议字段占8比特 (10)首部校验和占16比特 (11)源地址和目的地址都占32比特 (12)选项字段允许对IP首部进行扩展，长度可变，但是实际中很少被用到。 (13)填充字段,3.3 OSI的层次结构,3网络层设备,网络层的设备主要有路由器和网关,路由器,路由器工作于网络层，用以实现不同网络间的地址翻译、协议转换和数据格式的转换等功能

28、。,网关,网关(Gateway) 。网关在传输层上实现网络互连，是最为复杂的网络互连设备，仅用于两个采用不同高层协议的网络互连,面向连接,面向无连接的,3）ARP（地址解析）协议 和 RARP （逆向地址解析）协议,3.3 OSI的层次结构,3.3.4 传输层,功能是为应用层的应用程序进程之间的通信提供有效、可靠的服务。具体,(2)流量控制、差错控制、服务质量等管理服务。,(1)为高层数据的传输建立、维护与拆除传输连接，实现端到端的传输。,(3) 负责对数据报进行分段、合并。,(4) 提供多路复用机制。,功能,两个协议,用户数据报协议,传输控制协议,1. 用户数据报协议UDP,优点,(1)不需

29、建立和释放连接，开销和延迟小； (2) 一台S可同时向多个C传输相同的消息； (3) UDP的首部只有8个字节，TCP(20B),额外开销很小; (4) 吞吐量只受应用软件生成数据的速率、带宽、源端 和终端主机性能 的限制。,UDP由两个字段组成：首部字段和数据字段。 格式如上图：,3.3 OSI的层次结构,负责提供高可靠性的数据传送服务，主要用于传送大量报文，并为传输可靠性提供保证性措施。,TCP主要提供数据流转送，可靠传输，有效流控制，全双工操作和多路复用技术等。,3.3 OSI的层次结构,（1）TCP连接的建立与释放,2 TCP协议,3.3 OSI的层次结构,（2）数据的可靠性传输,（3

30、）流量控制，如右图所示：,（4）全双工信息流服务,（5）多路复用技术,TCP报文段的首部信息如下图所示。,1）端口号包括源端口号和目的端口号占32个bit位。 2）序号占32个bit位，标识数据字节流。 3）确认号表示希望收到对方下一报文第一个字节的序号。 4）报头长度指示数据开始处离TCP报文起始处的偏移量。 5）保留域为将来应用而保留的位（0）。,首部各字段的含义：,3.3 OSI的层次结构,6）控制域定义6种不同的控制位,当为1 表示,U(URG)代表紧急指针域有效； A(ACK)代表应答域有效； P(PSH)代表push操作； R(RST)代表连接复位； (SYN )代表同步序号； F

31、(FIN)代表发送方已达字节末尾,7）窗口表示发送方最多可连续发送的字节数。 8）校验和是TCP协议提供的一种检错机制 。 9）紧急指针给出到紧急数据位置的偏移量。 10）选项长度可变，最多可达40字节长度。单字节和多字节选项 。 11）填充 12）数据,3.3 OSI的层次结构,3.3.5会话层,会话层主要进行会话管理、数据流同步和重新同步。,1会话连接的建立与释放,（1）会话地址映射为传输地址； （2）选择需要的传输服务质量参数(QOS)； （3）协商会话参数，识别会话连接； （4）传送有限的透明用户数据。,2会话管理,3同步与重新同步,协调、管理和控制两个会话实体之间的交互活动。,同步就

32、是使会话服务用户对会话的进展情况有一致的了解，在会话被中断后可以从中断处继续开始，而不必从头恢复会话。,注：对会话进程的了解是通过设置同步点来获得的。,会话层定义了主同步和次同步两类同步点。主同步点用于在同步的数据流中划分出对话单元；次同步点用于在一个对话单元内部实现数据结构化。,主要功能,3.3 OSI的层次结构,3.3.6 表示层,表示层的主要作用是为不同终端的上层用户提供数据表示和信息的语法转换方法。,1数据表示,通过字符编码和浮点数格式的不同解决了连接到网络的不同计算机之间数据表示的差异。,2语法转换,表示层通过对数据进行一般结构描述的抽象语法使各个系统间交换的数据具有相同的语义。,3

33、数据处理,（1）数据加密,（2）数据压缩,通过对数据进行加密与解密使得任何即使窃取了通信信道的人也无法得到明文信息、更改传输的信息或者在信息流中插入假消息,压缩从应用层传递下来的数据，并在接收端回传给应用层之前解压数据来实现,具体功能,3.3 OSI的层次结构,3.3.7 应用层,应用层直接为应用进程提供服务的一层。：,1.Telnet协议,通过选项协商机制，确定通信双方可以提供的功能特性。,2. FTP协议,FTP服务是一种实时的联机服务，如右图所示：,3.邮件服务协议：,SMTP提供了一种邮件传输的机制,邮件传输过程如右图所示：,4. HTTP协议, 连接, 请求, 应答, 关闭连接,应用

34、层几种协议,5域名服务,3.3 OSI的层次结构,5域名服务,提供了一种面向用户的字符型主机命名机制域名系统。,主机域名的一般格式为：,主机名. 单位名. 类型名. 国家代码,从右向左, 国家代码,最高域名，代表主机所在的国家与地区。如：cn中国、hk香港、uk英国等。, 类型名,二级域名，指明主机所属组织的类型或所在的地区。例如：com商业、edu教育等。, 单位名,表示主机所在的区域或者是单位。例如：tsinghua清华大学，pku北京大学等。, 主机名,由服务器管理员命名。例如：www. sina. com. cn表示中国商业机构新浪网的www服务器。,域名解析是将主机域名与IP地址进行映射的过程。这个过程包括：正向解析从域名到IP地址；逆向解析从IP地址到域名。,3.4 TCP/IP模型