1、1,第3章 计算机网络体系结构,本章内容 层次化的网络体系结构 开放系统互联参考模型（OSI/RM） TCP/IP体系结构 OSI和TCP/IP的主要层次功能 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层,2,3.1 计算机网络体系结构,网络体系结构提出的背景计算机网络的复杂性、异质性 不同的通信介质有线、无线、 不同种类的设备主机、路由器、交换机、复用设备、 不同的操作系统Unix、Windows、 不同的软/硬件、接口和通信约定（协议） 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现大的跌宕起伏,3,结构清晰 简化设计与实
2、现 便于更新与维护 较强的独立性和适应性,对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结构，以达到：,解决：分而治之！一个生活中的例子：空中旅行的组织,4,空中旅行的组织,一系列的步骤,机票 (购买)行李 (托运)旅客 (出发)飞机 (起飞)飞行航线,机票 (投诉)行李 (认领)旅客 (到达)飞机 (着陆)飞行航线,飞行航线,5,空中旅行的组织: 从另一种不同的角度观察,层次的观点： 每层实现一种特定的服务 通过自己内部的功能 依赖自己的下层提供的服务,机票 (购买)行李 (托运)旅客 (出发)飞机 (起飞)飞行航线,机票 (投诉)行李 (认领)旅客 (到达)飞机 (着陆)飞行航线,飞行航
3、线,6,分层的空中旅行组织: 服务,从出发地到目的地的航线：导航服务,柜台-to-柜台：“旅客+行李” 票务服务,行李托运-to-行李认领：行李服务,登机入口-to-到达出口：旅客乘务服务,跑道-to-跑道：飞机“航运”服务,7,层次功能的分布式实现,飞机 (起飞),飞机 (着陆),飞行航线,起飞机场,到达机场,中间空中交通枢纽,飞行航线,飞行航线,机票 (购买),机票 (投诉),行李 (托运),行李 (认领),旅客 (出发),旅客 (到达),8,层次化方法在其它领域的应用,程序设计 把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来实现，如操作系统。 邮政系统 邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输 银
4、行系统 物流系统 。,9,1. 计算机网络体系结构的定义,计算机网络中也采用了分层方法。把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题，在不同层上予以解决。 网络的层次结构方法要解决的问题： 网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能） 各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口） 通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）,10,计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称为计算机网络体系结构。 换句话说：体系结构包括三个内容：分层结构与每层的功能，服务与层间接口，协议。 最早的网络体系结构源于IBM的SNA； 其它的网络体系结构还有DEC的DNA等 由国际化标准组织I
5、SO制定的网络体系结构国际标准是OSI/RM； 实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构 事实上的（de facto）标准,11,层次结构方法的优点,独立性强耦合程度低 上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务黑箱方法。 适应性强 只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。 易于实现和维护 把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子单元： 使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。,12,2. 网络体系结构的分层原理,基本概念： 实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 对等层：两个不同系统的同级层次。 对等实体：分别位于不
6、同系统对等层中的两个实体 接口：相邻两层之间交互的界面，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。 协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。,13,14,网络分层体系结构,网络中的任何一个系统都是按照层次结构来组织的 同一网络中，任意两个端系统必须具有相同的层次 每层使用其下层提供的服务，并向其上层提供服务 通信只在对等层间进行（间接的、逻辑的、虚拟的），非对等层之间不能互相“通信” 实际的物理通信只在最底层完成 Pn：第n层协议，即第n层对等实体间通信时必须遵循的规则或约定,15,对等层通信的实质,网络分层体系结构原理禁止不同主机
7、的对等层之间进行直接通信。(想一想，为什么?),实际上，每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机的对等层通信。 上层使用下层提供的服务Service user； 下层向上层提供服务Service provider。 第n+1层是第n层的服务用户，第n-1层是第n层的服务提供者 第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服务 例：邮政通信,16,对等通信例：两个人收发信件,问题： 收信人与发信人之间、邮局之间，他们是在直接通信吗？ 邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务？ 邮局、收发信人各使用谁提供的什么服务？,信件内容,邮件地址,货物地址,发信人,邮局,运输系统,信件内容,邮件地址,货物地址
8、,收信人,对信件内容的共识,对信件如何传递的共识,对货物如何运输的共识,P3,P2,P1,公路，铁路，航空,邮局,运输系统,17,对等层通信的实质,对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信； 下层向上层提供服务； 上层依赖下层提供的服务来与其它主机上的对等层通信； 实际通信在最底层完成。,18,源进程传送消息到目标进程的过程： 消息送到源系统的最高层； 从最高层开始，自上而下逐层封装； 经物理线路传输到目标系统； 目标系统将收到的信息自下而上逐层处理并拆封； 由最高层将消息提交给目标进程。,目标进程,源进程,P3,P2,P1,物理通信线路,Pn-1,Pn,Pn+1,逻辑通信,19,在各层中实现的主
9、要功能,差错控制 使对等层的通信更加可靠 流量控制 控制发送端的速率，使接收端能来得及接收 分段和重装 发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新组合 复用和分用 多个高层的对等层通信会话复用一条低层连接 建立连接和释放连接,20,3. 通信协议,人际交流的协议: 人类之间 “我有一个问题.” “现在几点了?” 说明发送的消息 说明接收到某消息后所应采取的行动 说明动作的次序,通信协议: 计算机之间 网络中所有的通信活动都是由协议所控制,协议：定义网络实体间发送和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取的行动。（语义、语法和时序）,21,人相互交流的协议和通信协议之间的对比,22,通
10、信协议的三要素,语义 对协议中各协议元素的含义的解释，例如： 在HDLC协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束 在BSC协议中，SOH(01H)表示报文的开始，STX(02H)表示报文正文的开始，ETX(03H)表示报文正文的结束 语法 协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：时序 通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则,BSC,HDLC,23,t,t,时序例,24,网络体系结构中： 每层可能会有若干个协议 一个协议只属于一个层次 协议可以由软件或硬件来实现： 网络通信协议软件、网络驱动程序 网络硬件 常用协议组： TCP/IP（Windows、Unix、Linux、） Ne
11、tBEUI（Windows） IPX/SPX（NetWare、Windows）,25,协议数据单元（PDU）,网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统称为协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。 传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称： 传输层段（Segment） 网络层分组/包（Packet） 数据链路层帧（Frame） 物理层比特（Bit） PDU由协议控制信息（协议头）和数据（SDU）组成:协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息: 地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息、,26,下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装，然后加入本层的协议头部（和尾部）
12、形成本层的PDU。 封装：就是在数据前面加上特定的协议头部。因此，数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。类比：发送信件 数据在传输时，其外面实际上要被包封多层“信封”。,N+1层PDU,N层PDU,27,数据多层封装,数据,帧头,段头,数据,分组头,帧尾,段分组帧,28,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,实例：TCP/IP协议的封装过程,应用层,传输层,网络层,链路层,29,在目的站，某一层只能识别由源站对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的“数
13、据”仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。 每一层只处理本层的协议头部！,30,3.2 OSI/RM与TCP/IP体系结构,OSI/RM的体系结构分为7层,应用层Application,表示层Presentation,会话层Session,传输层Transport,物理层Physical,数据链路层Data Link,网络层Network,7 6 5 4 3 2 1,为网络应用提供服务 数据表示 在用户间建立会话关系 不同主机进程间的通信 在主机间传输分组 在节点间可靠地传输帧 位流的透明传输,31,TCP/IP体系结构分为4层： 应用层传输层网际层网络接口层 数据链路层物理层,注：
14、TCP/IP体系结构有时也采用5层表示方法，即用数据链路层和物理层代替网络接口层。,32,TCP/IP与OSI/RM的对应关系OSI/RM和TCP/IP相结合的5层结构原理体系结构： 应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层,33,3.3 原理体系结构各层概述,物理层（physical layer） 任务：在物理媒体(介质)上正确地、透明地传送比特流。 协议(标准)：规定了物理接口的各种特性： 机械：物理连接器的尺寸、形状、规格 电气：信号电平，信号的脉冲宽度和频率，数据传送速率，最大传输距离等 功能：接口引（线）脚的功能和作用 规程：信号时序，应答关系，操作过程 功能：建立和拆除物理连接、
15、位流传输、管理 例：RS-232、RS-449、V.24、 V.35、G.703/G.704,34,RS-232-C,外形为25针或9针的D型连接器 通信速率（b/s）： 100、300、600、1200、2400、4800、9600、19.2K、33.6K、56K 信号电平： 逻辑“1”：-3V-15V 逻辑“0”：+3V+15V 引脚定义：,35,36,信号时序（接收） H：Host（DTE），M：Modem（DCE） 设备握手 DTR：HM（保持，表示H已可以工作） DSR：HM（保持，表示M已可以工作） 监视载波信号 DCD：HM载波（表示数据链已建立） 接收数据 RD： HM数据调制
16、信号 断开连接 DCD消失、H撤除DTR、M撤除DSR,37,信号时序（发送） 设备握手 DTR：HM（保持） DSR：HM（保持） 请求发送 RTS：HM（保持），M载波，在对方产生DCD CTS：HM（保持） 发送数据 TD：HM数据调制信号 断开连接 H撤除RTS/DTR M撤除CTS/DSR，停止发送载波,38,数据链路层（data link layer） 任务：在两个相邻节点间可靠地传输数据，使之对网络层呈现为一条无错的链路。 功能与服务： 建立与拆除数据链路连接 组帧：帧封装，按顺序传送，处理返回的确认帧； 定界与同步：产生/识别帧边界； 差错检测/恢复：可靠的传输，CRC，ARQ
17、； 流量控制：抑止发送方的传输速率，使接收方来得及接收。,39,协议：两类 面向字符的： 数据以字符为单位传输，用控制字符控制通信 IBM的BSC规程，例子见p76，图3.6 面向比特的： 数据以位为单位传输，用帧中的控制字段控制通信 ISO的HDLC规程，例子见p76，图3.7 共享信道问题(LAN or Wireless)： 如何控制对共享信道的访问？ 将数据链路层划分为逻辑链路控制(Logical Link Control, LLC)和介质访问控制(Media Access Control, MAC)两个子层，由MAC子层解决共享介质访问控制问题。 LAN使用的两种主要介质访问控制方法：
18、 CSMA/CD TOKEN PASSING,40,网络层（network layer，internet layer） 任务：选择合适的路由，把分组从源端传送到目的端。 功能与服务： 在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接 路由选择和分组中转 流量控制和拥塞控制 多路复用：为多个传输层实体提供网络连接服务 分段与组合：大数据块分段，小数据块组合 差错检测与恢复 流量统计和记账 IP协议RFC 791： 提供无连接的数据报服务,41,路由选择 如何在多条通信路径中找一条最佳路径？ 依据：速度, 距离(步跳数), 价格, 拥塞程度 路由器路由表建立与维护 静态：人工设置，只适用于小型网络 动
19、态：运行过程中根据网络情况自动地动态维护 路由算法建立与维护路由表的方法 距离向量算法：RIP、CGP等 链路状态算法：OSPF等,42,链路层的任务,两节点间可靠的数据传输,Ethernet, X.25, ATM, ,43,传输层（transport layer） 任务：在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输，使上层服务用户不必关系通信子网的实现细节。 传输层的特点 以上各层：面向应用，本层及以下各层：面向传输； 与网络层的部分服务有重叠交叉，功能取舍取决于网络层功能的强弱； 只存在于端主机中； 实现源主机到目的主机“端到端”的连接； 在这一点上与网络层的区别是什么？,网络层：为主机之间提
20、供逻辑传输 传输层：为应用进程之间提供逻辑传输,44,功能： 地址映射： 源端进程地址映射到网络地址，或反之； 多路复用与分割： 多个传输连接共用一条网络连接； 一条传输连接使用多个网络连接； 进行数据分段并在目的端重新组装； 传输连接的建立与释放； 提供“面向连接” 和“无连接” 两种服务： TCP/IP协议：TCP和UDP 传输差错校验与恢复； 流量控制，防止数据传输过载。,45,传输层两种服务的比较,Connection Oriented,Connectionless,参考模式,电话系统,邮政系统,特点,静态分配资源；传输前需要建立连接,动态分配资源,可靠性,提供可靠的传输服务：无错、按
21、序、无丢失/无重复,不能防止报文的损坏、失序、丢失和重复,对目的地址的要求,仅在连接阶段需要完整的 目的地址,需要为每一个报文提供完 整的目的地址,适用场合,在一段时间内向同一目的地 发送大量报文; 实时性要求,少量零星报文,分类及示例,1.可靠消息流 - 文件传输 2.可靠字节流 - 远程登录 3.不可靠连接 - 数字化声音,1.数据报 - 广播/组播 2.可靠的数据报- 挂号邮件 3.请求应答 - 数据库查询,46,传输层的任务,47,应用层（application layer） 任务：为用户的应用进程提供网络通信服务。 功能： 提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求； 识别并证实目的
22、通信方的可用性； 使协同工作的应用进程之间进行同步； 为通信过程申请资源。 应用层协议的例子： OSI: VTP、MHS、FTAM、DS、 TCP/IP: Telnet、SMTP、FTP、DNS、HTTP、,48,TCP/IP不是一个单个的协议，而是由数十个具有层次结构的协议组成的一个协议集。 TCP和IP是该协议集中的两个最重要的核心协议。 TCP/IP是Internet上的标准通信协议集。 TCP/IP以“请求注释”（RFC）文档发布： TCP RFC 768, UDP RFC793 IP RFC 791 DNS RFC 1034, 1035, FTP RFC 959, 1635,3.4
23、TCP/IP体系结构,49,Message（报文）,Segment（段）,Packet（分组）,Frame（帧）,Bit（比特）,TCP/IP协议栈,PDU,应用层 HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet,传输层 TCP, UDP,网络层 IP, ICMP, ARP, RARP,网络接口（数据链路层+物理层） PPP, Ethernet, Token ring, ATM,50,TCP/IP的应用层,应用层协议为文件传输、电子邮件、远程登录、网络管理、Web浏览等应用提供了支持。,51,TCP/IP的传输层,传输层的主要功能：提供进程间可靠的传输服务。 传输层包括TCP和UDP
24、两种传输协议： TCP是面向连接的传输协议。 在数据传输之前建立连接： 人际交往协议：Hello, hello back 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，必要时重新传输没有收到或错误的段。因此它是“可靠”的。 UDP是无连接的传输协议。 在数据传输之前不建立连接； 对发送的段不进行校验和确认。因此它是“不可靠”的。,面向连接的TCP 无连接的UDP,52,F T P,S M T P,T F T P,D N S,T e l n e t,S N M P,21,23,25,53,69,161,TCP UDP,应用层,传输层,TCP和UDP都根据端口(port)号把信息提交给上层
25、对应的协议（进程）。,port,53,TCP/IP的网际层,主要功能是把数据报通过最佳路径送到目的端。 网际层的核心协议IP，提供了无连接的数据报传输服务（不保证送达，不保序）。 其它重要协议： ICMP（Internet Control Message Protocol）：主要用于传递控制消息； ARP（Address Resolution Protocol）：为已知的IP地址确定相应的MAC地址； RARP（Reverse Address Resolution Protocol）：为已知的MAC地址确定相应的IP地址。,54,网际层的四个主要协议,TCP,UDP,6,17,IP,传输层,网际层,IP分组中的协议域确定目的端的上层协议,55,本章小结,网络体系结构：分层协议接口与服务 网络体系结构的层次模型： 为何要分层？优点是什么？ 网络体系结构的一些基本概念 实体、协议、协议数据单元、封装、服务以及它们之间的关系 对等层通信的实质： 信息是如何在端到端之间传输的？ 协议的三要素：语义、语法、时序 网络体系结构主要层次的功能： 应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层,56,作 业,P86 1，2，6，8，14，15 在网上查找IP协议的RFC文档，写一个简短的关于IP协议的中文摘要。（选做）,谢谢同学们！,
