《计算机网络教学资料》第3章-网络结构与协议.ppt

第3章 网络体系结构与协议,本章内容,9/1/2023,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。,网络通信主要问题硬件故障网络拥塞包延迟包丢失数据损坏数据重复数据乱序协议软件首先必须能检测其次能纠正这些问题“分而治之”,3.1 网络体系结构的形成,9/1/2023,4,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。,1.划分层次的概念举例,3.1 网络体系结构的形成,9/1/2023,5,再设计一个通信服务模块,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,通信服务模块,通信服务模块,9/1/2023,6,再设计一个网络接入模块,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络接口,网络接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。,2、网络体系结构的优点计算机网络系统采用层次化网络体系结构具有以下优点。,9/1/2023,各层设计的共性问题,差错控制流量控制分段和重装复用和分用路径选择建立（拆除）连接和寻址,层次（layer）协议（protocol）接口（interface）体系结构（architecture）,网络系统的体系结构,层次（layer）,层次是人们对复杂问题的一种处理方法。通常将系统中能提供某种或某类型服务功能的逻辑构造称为层。对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；不同的系统分成相同的层次；不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。,网络系统的体系结构,接口（interface）,接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点;同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务;只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。,网络系统的体系结构,网络系统的体系结构,协议:为进行网络中的数据交换而建立的标准。网络协议主要由以下三个要素组成：语法:确定通信双方“如何讲”,即对通信双方采用的数据格式、编码等进行定义。语义:确定通信双方讲什么,定义了用于协调同步和差错处理等控制信息。同步:确定通信双方讲话的次序,定义了速度匹配和排序等，即确定通信状态的变化和过程,例如通信双方的应答关系、是采用同步传输还是异步传输等。,9/1/2023,13,面向字符型BSC协议的数据报文格式：,报头开始,3.1 网络体系结构的形成,网络体系结构是为了完成计算机间的协同工作，把计算机间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。网络体系结构是网络各层及其协议的集合,所研究的是层次结构及其通信规则的约定。,9/1/2023,实体、服务和服务访问点,实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。,在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务,9/1/2023,3.2 实体、协议、服务和服务访问点,本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP(Service Access Point)。接口处提供服务的地方,逻辑接口,3.2 开放系统互联/参考模型,1、问题的提出 OSI是Open System Interconnection 的缩写，意为开放式系统互联参考模型。在OSI出现之前，计算机网络中存在众多的体系结构，其中以IBM公司的SNA和DEC公司的数字网络体系结构最为著名。为了解决不同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组织ISO(注意不要与OSI搞混）于1981年制定了开放系统互连参考模型。“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统都具备互联的能力。,OSI/RM的基本概念,OSI/RM的层次结构,图 OSI/RM结构示意图,1、层次结构模型OSI/RM整个网络按照功能划分成7个层次。,9/1/2023,OSI参考模型的结构,3.2.3 OSI/RM各层的功能,1、物理层 规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规程的特性.主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理联接，以透明地传送比特流。,3.2.3 OSI/RM各层的功能,2、数据链路层 数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源机网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。,9/1/2023,22,Main functions,成帧：将接收到的来自网络层的比特流划分称为帧的易处理数据单元。物理寻址：数据链路层在帧的头部添加发送方的物理地址（源地址）与接收方的物理地址（目的地址）。流量控制：当接收方接收数据的速率小于发送方发送的速率，数据链路层采用流量控制机制以防止接收方过载。差错控制：数据链路层增加一些机制用来检测与重发损坏帧或丢失帧，从而增加了物理层的可靠性。也用了一个机制来防止重复帧。差错控制通常在一个帧的结束处增加一个尾部来处理。访问控制：当两台以上设备连接到同一条链路上时，数据链路协议必须能决定在任意时刻由哪一台设备来获取对链路的控制权。,3、网络层 数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。主要解决如何使数据分组跨越各个子网从源地址传送到目的地址的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。,逻辑寻址：由数据链路层完成的物理寻址处理本地寻址问题。如果一个包通过网络边界，就需要另一个寻址系统来帮助区分源与目的系统。网络层给来自上一层的包增加一个头部，它包括发送方与接收方的逻辑地址。路由：通信子网络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。网络节点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择网络层向传输层提供的服务类型分为数据报和虚电路服务。,因为两个设备位于不同的网络,因此不能仅用物理地址来进行标识,物理地址仅具有局部有效性。需要一个可以跨越局域网边界的通用地址。网络（逻辑地址）地址具有通用性。网络层包含有逻辑地址，这些地址在从最初的源地址到最终的目的地址的过程是不变的。当数据从一个网络传到另一个网络时，它们也不会改变。但是，当包由一个网络到达另一个网络时，物理地址会发生改变。,4、传输层（Transport Layer）,传输层是第一个端到端，也就是主机到主机的层次。即传输层向高层用户屏蔽了下面通信子网的细节，使高层用户看见的好象是在两个传输实体之间有一条端到端的可靠的通信链路。负责整个报文从源端到目的端（端到端）的传递过程。处理端到端的差错控制、流量控制。,服务点寻址：从源端到目的端的传递是指从一台计算机上的一个特定进程（运行的程序）传递到另一台计算机上的一个特定进程（运行的程序）。因此，传输层消息的头部就必须包含服务点地址（端口地址）。网络层将每个包送到指定的计算机上，而传输层则将整个报文传送给该计算机上的指定进程。拆分和组装：将报文分解成可传输的片段，并且给这些片段编上序号。这些序号不仅使传输层可以在接收端将报文正确地组装，而且可以用来标识和替换传输中丢失的包。传输层提供“面向连接”和“无连接”两种服务。,3.2.3 OSI/RM各层的功能,5、会话层 会话层的主要任务是实现会话进程间通信的管理和同步,允许不同机器上的用户建立会话关系。具体功能是：提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以提供单方向会话或双向同时进行会话。在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。,6、表示层 表示层的主要任务是完成语法格式转换，在计算机所处理的数据格式与网络传输所需要的数据格式之间进行转换。表示层的具体功能是：,9/1/2023,32,翻译：两个系统中的进程（运行程序）通常以字符串、数字等格式来交换信息。在传输前，信息必须变换成比特流。因为不同计算机采用不同的编码系统，因此表示层负责不同编码方式之间的互操作。发送方的表示层将信息从发送方使用的格式转换为一个公共的格式。接收方机器的表示层将公共格式转换成接收方使用的格式。加密：为了传送敏感信息，一个系统必须保证秘密。加密是指发送方将原来的信息转换成另一种形式，并在网络上发送转换后形式。解密是将信息转换回它的原始形式。压缩：数据压缩减少需传输数据的位数。数据压缩对于多媒体（如文本、音频和视频等）的传输显得特别重要。,3.2.3 OSI/RM各层的功能,7、应用层 应用层是OSI模型的最高层,是计算机网络与用户之间的界面，由若干个应用进程(或程序)组成，包括电子邮件、目录服务、文件传输等应用程序。,OSI提供的常用应用服务有：目录服务:记录网络对象的各种信息，提供网络服务对象名字到网络地址之间的转换和查询功能。电子邮件:提供不同用户间的信件传递服务，自动为用户建立邮箱来管理信件。文件传输:包括文件传送、文件存取访问和文件管理功能。虚拟终端:将各种类型实标终端的功能一般化、标准化后得到的终端类型。,OSI/RM的数据传输,1、数据传输单元(1)协议数据单元(PDU):同等层水平方向传送的数据单元，由服务数据单元和控制信息单元组成。(2)服务数据单元(Service Data Unit，SDU)：用户数据，是上一层传下来的数据单元。(3)协议控制信息(Protocol Control Information，PCI）:本层的控制信息，用来协调本层对等实体之间的通信。,有时NSDU较长，而N协议所要求的PDU较短。这时就要对NSDU进行分段处理，将一个SDU分成两个或多个PDU来传送。,9/1/2023,2.OSI环境中的数据传输过程OSI环境（OSI environment）,9/1/2023,2.OSI环境中的数据传输过程,9/1/2023,37,关于开放系统互连参考模型,只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面 OSI 却失败了。OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。,数据的实际传递过程,发送方,接收方,五层协议的原理体系结构,9/1/2023,39,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用进程数据先传送到应用层,加上应用层首部，成为应用层 PDU,9/1/2023,40,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层 PDU 再传送到运输层,加上运输层首部，成为运输层报文,9/1/2023,41,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层报文再传送到网络层,加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）,9/1/2023,42,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,IP 数据报再传送到数据链路层,加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧,9/1/2023,43,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层帧再传送到物理层,最下面的物理层把比特流传送到物理媒体,9/1/2023,44,计算机 1 向计算机 2 发送数据,应用层(application layer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,计算机 1,AP2,AP1,电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层,计算机 2,9/1/2023,45,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,物理层接收到比特流，上交给数据链路层,9/1/2023,46,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层,9/1/2023,47,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层,9/1/2023,48,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层,9/1/2023,49,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程,9/1/2023,50,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的应用程序数据！,9/1/2023,51,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,比 特 流,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,9/1/2023,52,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,比 特 流,计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层,9/1/2023,53,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,9/1/2023,54,H3,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层,9/1/2023,55,H4,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层,9/1/2023,56,应 用 程 序 数 据,H5,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程,9/1/2023,57,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的应用程序数据！,3.3 TCP/IP参考模型,1、TCP/IP协议的起源 美国国防部高级研究计划局(ARPA)从20世纪60年代开始致力于研究不同类型计算机网络之间的相互联接问题,并成功开发出了著名的传输控制协议/网际协议（TCP/IP）协议。2、TCP/IP协议的特点 开放的协议标准：可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。独立于特定的网络硬件：可以运行在局域网、广域网,更适用于互联网中。统一的网络地址分配方案：使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的IP地址。标准化的高层协议：可以提供多种可靠的用户服务。,TCP/IP的基本概念,TCP/IP的层次结构,1、结构模型 TCP/IP参考模型分为四层：应用层、传输层、互联层、网络接口层。,图 TCP/IP模型与OSI模型对照,TCP/IP各层的功能,互联层,相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；主要功能是分组转发和路由选择功能；IP协议是无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。IP协议运行在TCP/IP网络中所有的结点上。IP协议不能避免有分组丢失，也不能保证分组到达的顺序。这种方式可以大大提高其分组转发的效率。,传输层,主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；可以向应用程序提供两种不同服务质量的传输服务。传输层协议只能运行在主机系统上（不在路由器上）。对面向连接服务和无连接服务并重传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。,9/1/2023,61,9/1/2023,62,OSI 与 TCP/IP体系结构的比较,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7654321,OSI 的体系结构,应用层,网络接口层,网际层 IP,(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP 等),运输层(TCP 或 UDP),TCP/IP 的体系结构,无连接分组交付服务,运输服务(可靠或不可靠),TCP/IP 的三个服务层次,TCP/IP的层次结构,TCP/IP协议也采用对等层通信的模式，封装和解除封装也在各层进行。发送方在发送数据时，应用程序将要发送的数据加上应用层头部交给传输层，TCP或UDP再将数据分成大小一定的数据段，然后加上本层的报文头。数据传输如下图所示。,9/1/2023,64,TCP/IP 四层协议的表示方法举例,应用层运输层网际层网络接口层,主机A,主机B,路由器,网络 2,网络 1,应用层运输层网际层网络接口层,网际层网络接口层,4321,9/1/2023,65,沙漏计时器形状的TCP/IP协议族,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口 1,网络接口 2,网络接口 3,Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务,IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上,3.4 TCP/IP与OSI/RM的比较,TCP/IP与OSI/RM共同点,OSI参考模型和TCP/IP参考模型有很多相似之处：它们都是基于独立的协议栈的概念，而且各层的功能大体相似。,共同点主要体现在5个方面,3.4.2 TCP/IP与OSI/RM的不同点,不同点主要体现在6个方面,虽然OSI和TCP/IP存在着不少的共同点，但也存在很大的区别。,本章小结,ISO定义了计算机网络七层结构模型，即开放系统互联参考模型。TCP/IP协议是Internet中计算机之间通信所必须共同遵循的一种通信协议。,