计算机网络技术课件(第3章)网络体系结构.ppt

1、计算机网络技术（Ver4）,第三章 网络体系结构,【摘要】网络体系结构的基本思想就是在计算机网络的设计中采用分层的设计方法，使相互通信的两个计算机系统达到高度协调工作的目的。本章将比较详细地讲解开放系统互连参考模型（OSI/RM）各层的功能，从网络体系结构内部了解计算机网络数据处理与通信的整个过程,第三章 网络体系结构, 训教重点 网络协议 网络体系结构 开放系统互连参考模型（OSI/RM）各层功能 数据段、数据包、数据帧、比特（Bit）分别对应的层次 能力目标 掌握网络协议概念和原理 掌握网络体系结构中各层功能和各层间的关系 能够描述两个系统通过OSI模型进行通信的过程 能够描述数据封装的过

2、程 掌握数据在OSI物理层、数据链路层、网络层和传输层的封装格式,第三章 网络体系结构,3.1 网络体系结构,3.2 物理层,3.4 网络层,3.6 网络高层,3.3 数据链路层,3.5 传输层,第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.1 基本概念,协议：为计算机网络中相互通信的对等实体之间的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议（Protocol）。网络协议主要由下列三个要素组成： （1）语义（Semantics）。确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出的控制信息、执行的动作和返回的应答等。 （2）语法（Syntax）。主要是确定协议元素的格式。它涉及数据及控制信息的

3、格式、编码及信号电平等。 （3）定时（Timing）。是事件实现顺序的详细说明。它涉及速度匹配和排序等。,第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.2 开放系统互连参考模型,国际标准化组织（ISO）于1977年建立了一个分会进行计算机网络体系结构的研究，提出了开放系统互连参考模型OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model）。所谓“开放”表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统互连、互通、互操作。OSI包括了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象。,第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.3 OSI分层结构,【图例】,

4、第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.3 OSI分层结构,1物理层 物理层主要功能是为数据链路层提供一个物理连接，以保证在通信信道上“透明”地传输数据（比特流）。传输介质可以是多种多样的，双绞线、同轴电缆、光纤或其他，如微波等。物理层协议的目的是要屏蔽掉各种传输介质的差异性，以实现传输介质对计算机系统的独立性。该层的数据单元是比特（Bit）。 2数据链路层 数据链路层主要功能是在物理层提供的服务基础上，在通信实体之间建立数据链路连接，无差错地传输数据帧。数据链路层协议的目的是把一条有可能出错的物理链路变成让网络层实体看起来是一条不会出错的数据链路。该层的数据单元是帧（Frame）。

5、,第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.3 OSI分层结构,3网络层 网络层主要功能是为数据分组进行路由选择，并负责通信子网的流量控制、拥塞控制。对于一个通信子网，各结点只包含低三层。该层的数据单元是数据包（Packet）。 4传输层 传输层主要功能是为会话层提供一个可靠的端到端连接，以便使两个系统之间透明地传输报文。该层的数据单元是数据段（Segment）。 5会话层 会话层主要功能是在传输层提供的可靠的端到端的连接的基础上，在两个应用进程之间建立会话连接，并对“会话”进行管理，保证“会话”的可靠性。会话层及以上的数据单元都称为报文（Message）。,第三章网络体系结构,3.1

6、 网络体系结构 3.1.3 OSI分层结构,6表示层 表示层主要功能是完成被传输数据的表示工作，如数据格式、数据转换、数据加密与数据压缩等语法变换服务。 7应用层 应用层作为参考模型的最高层，其功能与应用进程有关，如虚拟终端、文件传输、电子邮件、远程登录等。,第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.4 OSI 数据传送单元,在OSI参考模型中，各种数据传输单元分为三种： 1协议数据单元PDU PDU是某层对等实体之间进行通信时，该层协议所操纵的数据单元，由协议控制信息PCI（Protocol Control Information）和用户数据信息UDI（User Data Infor

7、mation）两部分组成，即PDU=PCI+UDI。 2接口数据单元IDU 在同一系统相邻两层实体之间的交互中，经过层间接口的数据单元就是接口数据单元IDU。因此，IDU就是层间接口实际所操作的数据单元。 3服务数据单元SDU 在同一系统相邻两层实体之间的交互中，下层向上层提供服务时所使用的数据单元。,第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.5 OSI环境中数据的传输过程,【图例】,第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.5 OSI环境中数据的传输过程,（1）当源计算机的应用进程I的数据传送到应用层时，应用层加上本层的控制报头AH，组成应用层的数据单元，然后送到表示层。 （

8、2）表示层收到数据以后，加上本层的控制报头PH，组成表示层的数据单元，送到会话层。 （3）会话层收到数据以后，同样加上本层的控制报头SH，组成会话层的数据单元，送到传输层。 （4）传输层收到这个数据以后，加上本层的控制报头TH，组成传输层的数据单元，这时就称为报文。,第三章网络体系结构,3.1 网络体系结构 3.1.5 OSI环境中数据的传输过程,第4章目录,（5）传输层的报文送到网络层时，由于网络层数据单元的长度的限制，传输层的报文将被分割成多个较短的数据字段，加上网络层的控制报头NH，构成网络层的数据单元，即分组。 （6）当网络层的分组到达数据链路层以后，在分组的前后加上数据链路层的控制报

9、头DH，就构成了数据链路层的数据单元，即帧。 （7）数据链路层的帧到达物理层以后，物理层将以比特流的方式，把数据通过传输介质传输出去。 （8）当比特流到达目的计算机时，再从物理层依次往上传输，每层去掉本层的控制报头，将数据上传到上一层，最终传到目的计算机的应用进程II。,第三章网络体系结构,3.2 物理层 3.2.1 物理层概述,物理层位于OSI参考模型的最底层，它向下是物理设备之间的接口，直接与传输介质相连接，使二进制数据流通过该接口从一台设备传给相邻的另一台设备，且为上层数据链路层提供服务。 物理层的主要功能就是为它的服务用户（即数据链路层的实体）在具体的物理媒体上提供发送或接收比特流的能

10、力。 与传输介质接口有关的一些特性，即机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。,第三章网络体系结构,3.2 物理层 3.2.1 物理层概述,标准化的DTE-DCE接口包括以下四个方面的特性： （1）机械特性。物理层的机械特性规定了连接时所采用的可接插连接器的规格和尺寸、连接器中引脚的数目和排列情况等。 （2）电气特性。物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电压高低、阻抗匹配情况、传输速率和距离的限制等。 （3）功能特性。物理层的功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。 （4）规程特性。物理层的规程特性规定了利用信号线进行比特流传输的一组操作过程，即各信

11、号线的工作规则和先后顺序。,第三章网络体系结构,3.2 物理层 3.2.2 物理层协议描述,1EIA RS-232C接口标准 EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口标准。 RS（Recommended Standard）的意思是“推荐标准”，232是标识号码，而后缀“C”则表示是RS-232标准的最新一次修订。 RS-232C标准是目前用来连接DTE（主机或终端）与DCE（调制解调器）设备最流行的标准接口。大多数主要的调制解调器和DTE制造商都已把其设备设计得符合R

12、S-232C标准规格。由于EIA促进了其标准化工作，因此，RS-232C常常简称为EIA接口。,第三章网络体系结构,3.2 物理层 3.2.2 物理层协议描述,2EIA RS-232C特性 （1）机械特性。RS-232C的机械特性规定了它是一个25芯的标准连接器，并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置等都做了详细说明。实际的用户并不一定用到RS-232C标准的全集，一些厂家对该标准的机械特性做了变通的简化，使用了一个9芯标准连接器，将不常用的信号线舍弃。 （2）电气特性。RS-232C的电气特性对它所用的信号作出了统一的规定，主要是为了保证二进制数据正确传送和设备控制正确完成。 （3）功能特性

13、。定义了接口信号线所具有的特定功能。通常信号线可分为四类：数据线、控制线、定时线和地线。,第三章网络体系结构,3.3 数据链路层 3.3.1 数据链路层概述,数据链路层的作用就是：将物理层传输原始比特流而提供的可能出差错的链路改造成为逻辑上无差错的数据链路。,第三章网络体系结构,3.3 数据链路层 3.3.1 数据链路层概述,数据链路层的主要功能如下： （1）链路管理（Link Management）：主要负责数据链路的建立、维持和释放。 （2）帧同步（Frame Synchronism）：指接收方应能从收到的比特流中明确区分出一帧的开始和结束在什么地方。 （3）流量控制（Flow Contr

14、ol）：流量控制实际上指的是对发送方数据流量的控制，使其发送速率不会超过接收方所能处理的速率。 （4）差错控制（Error Control）：在计算机通信中，往往要求有极低的比特差错率。这就要求通信系统必须具备发现（即检测）差错的能力，并采取措施进行纠正，使差错控制在所能允许的尽可能小的范围内，这就是差错控制过程。,第三章网络体系结构,3.3 数据链路层 3.3.1 数据链路层概述,数据链路层的主要功能： （5）组帧（Frame Encapsulation）：将从网络层传来的分组数据进行分割，按照一定的格式组成若干个“帧”，以帧为单位进行传输。 （6）透明传输（Transparent Tran

15、smission）：就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传输。 （7）寻址（Addressing）：在多点连接或多条数据链路连接的情况下，提供数据链路端口标识的识别，支持网络层实体建立网络连接，以保证每一帧都能送到正确的目的地址。接收端也应该知道发送端是哪一个结点。,第三章网络体系结构,3.3 数据链路层 3.3.2 数据链路层协议描述,数据链路层的主要功能： （5）组帧（Frame Encapsulation）：将从网络层传来的分组数据进行分割，按照一定的格式组成若干个“帧”，以帧为单位进行传输。 （6）透明传输（Transparent Transmission）：就是不管

16、所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传输。 （7）寻址（Addressing）：在多点连接或多条数据链路连接的情况下，提供数据链路端口标识的识别，支持网络层实体建立网络连接，以保证每一帧都能送到正确的目的地址。接收端也应该知道发送端是哪一个结点。,第三章网络体系结构,3.3 数据链路层 3.3.2 数据链路层协议描述,第4章目录,数据链路控制规程也称数据链路控制协议，也就是OSI参考模型中的数据链路层协议。一般分为： 面向字符：是指链路上所传送的数据必须是由规定字符集中的字符所组成。 面向字节：是以字节作为协议数据单元长度的基本计数单位。 面向比特：以特定的二进制比特组合来定义协议的

17、控制标识符，以二进制比特作为协议的数据单元长度的基本计数单位，而且不论数据或单独的控制信息，都以帧为单元传送。,第三章网络体系结构,3.3 数据链路层 3.3.3 差错与流量控制,数据链路进行数据传输时，必须进行差错控制。 1XON/XOFF方案 它是一种与差错无关的纯流量控制技术，是在接收端来进行控制的。当接收缓冲区达到规定的上限值时，向发送端发送XOFF控制字符。发送端收到此字符以后，便暂时停止发送，等待接收端处理缓冲区中的数据。当接收端缓冲区中的数据占据量下降到规定的下限时，向发送端发送XON字符，发送端接收到XON字符以后，便可继续发送数据了。,第三章网络体系结构,3.3 数据链路层

18、3.3.3 差错与流量控制,2停止等待协议 一次发送一个数据帧，便停止发送，等待接收端的响应帧，根据响应帧的情况，再进行相应的处理。 有以下几种情况： （1）发送端的数据被正确地接收，接收端给发送端发送ACK确认帧，发送端收到ACK以后，便可以继续发送数据了。 （2）发送端的数据被错误地接收，接收端给发送端发送NAK否认帧，发送端收到NAK以后，便重新发送，直到正确为止。 （3）如果发送端的数据帧在传送过程中丢失，则接收端无响应帧给发送端，发送端将无限地等待下去，从而造成死锁。为解决此问题，我们可在发送端设置一个计时器来解决此问题，超过规定时间而没有收到响应帧，将重新发送数据。 （4）发送端的

19、数据被正确地送达到接收端，但是响应帧丢失，接收端将收到重复的数据帧。为解决此问题，可在发送的数据中加入序号。一旦收到重复的数据帧，便将其丢弃。,第三章网络体系结构,3.3 数据链路层 3.3.3 差错与流量控制,3连续ARQ协议 在连续ARQ协议中，发送端在没有收到响应帧之前，可以连续地发送数据。由于链路不可靠，有可能出错，因此发送端需要有一个较大的缓冲区，以保存发送过的数据的拷贝。为了区分这些数据，还要对它们编号来加以区别。接收端按照顺序来接收数据，每收到一个正确的数据帧，就返回一个确认帧，发送端将从缓冲区中删除该拷贝；如收到错误的数据帧，返回一个否认帧，并丢弃该帧以及该帧以后所有的帧。发送

20、端收到否认帧，将重新发送该帧及该帧以后的所有的帧。超时情况的处理与停止等待的处理相似。,第三章网络体系结构,3.4 网络层,网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括路由选择、阻塞控制和网际互连。,网络层向上提供的服务有两大类，即面向连接的网络服务和无连接的网络服务。其中面向连接的网络服务又称虚电路服务，它分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段，是网络层向传输层提供的一种可靠的数据传送方式，所有分组按照发送顺序到达。进行数据交换的两个端系统之间有一条虚电路（网络连接）为它们服务；而无连接的网络服务又常称为数据报服务。这种服务在两个实体之间进行通信时，不需要事先建立好一个连接

21、，即没有连接建立和连接释放的过程，只要在每一个发送的分组中携带完整的目的结点地址信息，便可由每一个分组独立地选择路由，但不能保证所有分组按发送顺序交付给目的结点，而且也有丢失分组的情况，故称之为无连接的不可靠的服务。,第三章网络体系结构,3.4 网络层,1虚电路方式 在虚电路（Virtual Circuit）方式中，为进行数据传输，网络的源结点和目的结点之间必须为分组的传输预先建立一条逻辑通道，因为这条逻辑通道不是专用的，所以称之为“虚”电路。 对于虚电路来说，它首先需通过虚呼叫在两个结点之间建立临时连接。它的通信过程可以分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。,第三章网络体系结构,3.4

22、 网络层,2数据报 在数据报（Datagram）方式中，每个分组被称为一个数据报。每个数据报自身必须包含有目的端的完整地址信息。它的传送是被单独处理的。一个结点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和结点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原封不动地发送到下一个结点。,第三章网络体系结构,3.5 传输层,传输层的两个主要目的是：提供可靠的端到端的通信和向会话层提供独立于网络的传输服务。,3.5.1 传输层协议的分类,1服务质量 服务质量（Quality of Service，QoS）是指在传输连接点之间看到的某些传输连接的特征，是传输层性能的度量，反映了传输质量及服务的可用性。根

23、据用户要求和差错性质，网络服务质量分成三种类型。,第三章网络体系结构,3.5 传输层,3.5.1 传输层协议的分类,1服务质量 （1）A型网络服务。具有可接受的残差率和故障告知率。残差率指未改正的差错且不通知传输层；故障告知率是指网络层通知传输层的网络连接释放或网络连接复位。 （2）B型网络服务。具有可接受的残差率和不可接受的故障告知率。 （3）C型网络服务。具有不可接受的残差率。,第三章网络体系结构,3.5 传输层,3.5.1 传输层协议的分类,2传输协议的分类 （1）第0类（TP0）。简单类，TP0提供最简单的协议机制，以支持A型网络。 （2）第1类（TP1）。基本差错恢复类。TP1是比较

24、简单的传输协议，它适用于B型网络连接 （3）第2类（TP2）。复用类。TP2适用于A型网络连接。它基本上是对TP0类的增强，允许多路复用。 （4）第3类（TP3）。差错恢复与复用类。TP3适用于B型网络连接，它具有TP1和TP2的功 （5）第4类（TP4）。差错检测和复用类。TP4是最复杂的传输协议，适用于C型网络连接。,第三章网络体系结构,3.5 传输层,3.5.2 传输服务,1服务类型 传输服务有两大类：面向连接的传输服务与无连接的传输服务。 2传输连接的管理 传输连接管理的主要内容是建立连接和释放连接。 3数据传输 数据传输的任务是在两个传输实体之间传输用户数据和控制数据。一般采用全双工

25、服务，也可采用半双工服务。,第三章网络体系结构,3.6 网络高层,3.6.1 会话层,1会话连接管理 （1）建立连接。会话连接是建立在传输连接的基础上的，会话与传输的连接有3种对应关系，即一对一、一对多和多对一。 （2）维持连接。维持连接是在建立连接的两个会话服务用户之间，进行数据交换的阶段。 （3）释放连接。有两种释放方式：有序释放和突然释放。有序释放是经双方同意后，会话才终止；突然释放是双方中的任意一方不经协商而立即释放，这样有可能造成数据的丢失。 2会话活动管理 在一个会话连接的持续期间，连接有可能出错。为解决此问题，可在会话层设置一些同步点。这样出现错误以后，可返回到出现错误前的同步点进行重复，而不必全部重复。