第2章计算机网络体系结构.ppt

1、计算机网络原理,主讲人 吴志聪,第二章 计算机网络体系结构,本章介绍计算机网络体系结构的概念、网络的分层体系结构、网络的参考模型，面向连接的服务和无连接的服务，开放系统互连参考模型（OSI/RM）及其各层概述，TCP/IP网络体系结构及其各层概述。OSI和TCP/IP的相同点与不同点。 2.1 网络的分层体系结构 2.2 OSI/RM开放系统互连参考模型 2.3 TCP/IP参考模型 2.4 OSI/RM和TCP/IP参考模型的比较,学习目的与要求,要求理解计算机网络分层的目的 理解协议的要素、服务、协议与服务的区别、协议数据单元 理解面向连接的服务和无连接服务的概念 理解OSI基本参考模型与

2、各层的功能 理解TCP/IP参考模型与各层的功能 了解两个参考模型的相同点与不同点。,2.1网络的分层体系结构,课程内容与考核知识点 （1） 计算机网络体系结构的定义和发展。 （2）计算机网络分层体系结构及分层原理。 （3） 计算机网络通信协议的概念，网络通信协议三要素。 考核要求 领会： 网络分层体系结构的概念 计算机网络体系结构 协议的概念 通信协议三要素：语义、语法、时序关系。,2.1.1协议的要素（领会）,网络协议(Protocol)：为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。 由以下三个要素组成： (1)语义(Semantics):涉及用于协调与差错处理的控制信息。

3、用于解释比特流的每一部分的意义； (2)语法(Syntax):涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。 (3)定时(Timing):涉及速度匹配和排序等。 事件实现顺序的详细说明 语义交流什么what；语法怎样交流how；定时何时交流when。,2.1.1协议的要素（领会）,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

4、规则,BSC,HDLC,t,t,时序例,2.1.2 分层体系结构（领会）,发展历程,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、无线等 不同种类的设备主机、路由器、交换机、复用设备等 不同的操作系统UNIX、Windows等 不同的软/硬件、接口和通信约定（协议） 不同的应用环境固定、移动等 不同种类业务分时、交互、实时等 宝贵的投资和积累有形、无形等 用户业务的延续性不允许出现大的跌宕起伏,2.1.2 分层体系结构（领会）,解决复杂系统时，可采用分解为若干个容易处理的子系统,然后“分而治之”的方法； 分层就是系统分解的最好方法之一； 层次结构的好处 使每一层实现一种

5、相对独立的功能 每一层次的功能相对简单且易于实现和维护； 分层结构还有利于交流、理解和标准化。,空中旅行的组织生活实例,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,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,飞行航线,分层的空中旅行组织: 服务,从出发地到目的地的航线：导航

6、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,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),层次化方法在其他领域的应用,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 银行系统 物流系统 ,分层原理,计算机网络中也采用了分层方法。把复杂的问题

7、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）,划分层次计算机通信举例,计算机 1 向计算机 2 通过网络发送文件。 可以将要做的工作进行如下的划分。 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。,两个计算机交换文件,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,只

8、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,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 好像可以直接把文件 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,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

9、度等。,网络的体系结构(Architecture),计算机网络各层次结构模型及其协议的集合,称为网络的体系结构(Architecture)。 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。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 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。,层次化的体系结构,计算机网络都采用层次化的体系结构 计算机网络涉及多个实体间的通信,其层次结构一般以垂直分层模型来表示。这种层次结构的要点可归纳如下:(1)除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。

10、(2)对等层的虚通信必须遵循该层的协议。(3)n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n一1层提供的服务以及n-1层的通信(通常也是虚通信)来实现的。,实体、协议、服务,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。 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。,5,第n层的通信规则和功能由该层的协议描述,相邻上下层之间都有接口，接口定义下层向上层提供

11、的服务。,层次结构的划分原则,(1)每层的功能应是明确的,并且是相互独立的。(2)层间接口必须清晰,跨越接口的信息量应尽可能少。(3)层数应适中。 世界上第一个网络体系结构是IBM公司提出的“系统网络体系结构SNA”,2.2 OSI/RM开放系统互连参考模型,课程内容与考核知识点 （1） OSI/RM对等实体的通信。 （2） OSI/RM各层的功能。 （3） 面向连接的服务和无连接的服务。 考核要求 领会： OSI参考模型及每层的功能。 OSI/RM对等实体通信,2.2.1 OSI/RM简介,在OSI中 的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其

12、他任何系统进行通信；OSI标准中，采用的是三级抽象：体系结构（architecture）；服务定义（service definition）；协议规范（protocol specification）,三级抽象,OSI的体系结构 定义了一个七层模型,用以进行进程间的通信并作为一个框架来协调各层标准的制定； 对网络内部结构最精炼地概括与描述 OSI的服务定义 描述了各层所提供的服务, 层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语（server primitive ）； 不涉及接口是如何具体实现的 OSI各层的协议规范 精确地定义了应当发送何种控制信息 用何种过程来解释该控制信息。 协议规范说明具有最严格的

13、约束,2.2.2 OSI/RM的结构,OSI七层模型从下到上分别为: 物理层(Physical Layer,PH) 数据链路层(Data Link Iayer,DL) 网络层(Network Layer,N) 传输层(Transport Layer,T) 会话层(Session Layer,S) 表示层(Presentation Layer,P) 应用层(Application Layer,A)。,应用层,传输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7 6 5 4 3 2 1,OSI 的体系结构,OSI参考模型的结构,1.只有主机才可能需要包含所有七层功能。 2.通信子网中的节点机只需

14、要最低三层甚至最低两层的功能。,通信子网,OSI环境中的数据传输过程,加上控制信息 报头,去掉控制信息,通过物理介质传输,OSI/RM对等实体通信（领会）,由于接收方的某一层只阅读和去除本层的控制信息,并进行相应的协议操作。这样,发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的,就好像这些信息通过虚通信直接传给了对方一样。,对等通信例：两个人收发信件,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,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,ISO-OSI模型各层所涉及的问题,物理层：

15、缆线，信号的编码，网络接插件的电、机械接口,数据链路层： 成帧，差错控制、流量控制，物理寻址，媒体访问控制,网络层： 路由、转发，拥塞控制,传输层： 为会话层提供与下面网络无关的可靠消息传送机制,会话层：负责建立（或清除）在两个通信的表示层之间的通信通道，包括交互管理、同步，异常报告。,表示层：在两个应用层之间的传输过程中负责数据的表示语法,应用层： 处理应用进程之间所发送和接收的数据中包含的信息内容。,OSI参考模型及每层的功能（领会）,(1)物理层定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性 。物理层的数据传输单元是比特。 (2)数据链路层功能是建立、维持和释放

16、网络实体之间的数据链路，采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。协议数据单元是帧。 (3)在网络层进行路由选择，流量控制，还要解决网际互连的问题。协议数据单元是分组。,OSI参考模型及每层的功能（领会）,(4) 传输层提供的端到端的透明数据传输服务,还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。 (5)会话层主要功能是组织和同步不同主机上各种进程间的通信(也称为对话)。 (6)表示层为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示变换。数据加密与解密；数据压缩与恢复。 (7)应用层 -不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。,2.2.3面向连接服务和无连接服务,

17、在网络体系结构中讨论的服务可以分为通信子网对网络中数据传输所提供的服务,与整个网络系统为用户提供的服务； 通信子网的服务是指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性所提供的保证机制； 通信服务可以分为两大类： 面向连接服务（connect-oriented service）； 无连接服务（connectless service）。,面向连接服务和无连接服务（领会）,通信服务类型： 面向连接服务 数据传输过程前必须经过建立连接、维护连接和释放连接的3个过程； 各分组可以不携带目的结点的地址； 收发数据顺序不变 可靠性好，协议复杂，通信效率不高 面向无连接服务 每个分组都要携带完整的目的节点的地址，

18、各分组在通信子网中是独立传送的。 不同分组可能选择不同的路径到达目的节点 目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象； 可靠性不是很好 ，通信协议相对简单，效率较高,确认和重传机制,网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证； 确认是指数据分组接收节点在收到每个分组后，向发送节点回送正确接收分组的确认信息。 在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组； 可以提高数据传输的可靠性。,服务类型和服务质量,通信协议四种类型： 面向连接与确认服务 面向连接与不确认服务 无连接与确认服务 无连接与不确认服务 设计者可以根据

19、不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。,面向连接,无连接服务,确认,不确认,2.3 TCP/IP参考模型,课程内容与考核知识点 （1） TCP/IP的体系结构。 （2） TCP/IP各层的功能。 考核要求 领会： TCP/IP参考模型及每层的功能。 TCP/IP协议簇内容,2.3.1 TCP/IP简介,最初是为实现ARPANET互联网而开发的。 特点： 1开放的协议标准； 2独立于特定的网络硬件； 3统一的网络地址分配方案； 4标准化的高层协议。,2.3.2 TCP/IP的体系结构,TCP/IP分四层：主机-网络层、互连层（IP）、传输层（TCP）和应用层,TCP/IP层次模型,TCP/IP

20、是一组协议的代名词,它还包括许多别的协议,组成了TCP/IP协议簇。（领会）,互联层,主机-网络层,TCP/IP参考模型每层的功能（领会）,主机-网络层是TCP/IP的实现基础，包括各通信网与TCP/IP之间的接口和物理网络协议。 互联层提供端到端的分组分发功能和数据分块和重组功能，建立互连网络。 传输层负责应用进程之间的端到端通信。 应用层:应用程序间沟通的层。,TCP/IP协议层次,2.4 OSI/RM和TCP/IP参考模型的比较,课程内容与考核知识点 （1） 两者相似之处：基于协议栈的概念，分层体系结构。 （2） 两者不同之处：层的数目不同，面向连接的和无连接的通信。 考核要求 （1）识

21、记：两者相似之处：基于协议栈的概念，分层体系结构；两者不同之处：层的数目不同，面向连接的和无连接的通信。 （2）领会：面向连接的和无连接的服务机制。,两者相同点和不同点（识记）,OSI和TCP/IP的相同点： OSI和TCP/IP都是协议栈的概念为基础，并且协议栈中的协议彼此相互独立 两个模型中都采用了层次结构的概念，各个层的功能也大体相似。 OSI和TCP/IP的不同点 ： OSI分七层，而TCP/IP分四层，它们都有网络层、传输层和应用层，但其他层并不相同。 无连接和面向连接的通信范围有所不同。 OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信，但传输层上只支持面向连接的通信。 TCP/I

22、P模型的网络层只有一种模式即无连接通信，但在传输层上同时支持两种通信模式。,2.4.1 OSI模型和协议的缺点,模型和协议自身的缺陷 会话层和表示层几乎是空的 数据链路层和网络层包含内容太多 OSI模型以及相应的服务定义和协议都极其复杂协议的出现时机晚于TCP/IP协议,2.4.2 TCP/IP模型和协议的缺点,该模型并没有清楚的区分哪些是规范、哪些是实现。 TCP/IP模型的主机网络层并不是常规意义上的一层，它是定义了网络层与数链路层的接口。 对于接口和层次的区分不明确,小结,网络体系结构与网络协议是网络技术中两个最基本的概念； 网络中计算机之间要做到有条不紊地交换数据就必须遵守一些事先约定

23、好的规则。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。功能完备的网络需要制定一系列的协议； 网络协议就是按照层次结构模型来组织的，网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构；ISO定义的开放系统互联参考模型对推动网络协议标准化的研究起到了重要的作用；Internet的广泛应用使TCP/IP协议成为事实上的标准。,已考试题 2008年4月,15下列关于网络体系结构的描述中正确的是（ ） A网络协议中的语法涉及的是用于协调与差错处理有关的控制信息 B在网络分层体系结构中,n层是n+1层的用户,又是n-1层的服务提供者 COSI参考模型包括了体系结构、服务定义和协议规范三

24、级抽象 DOSI模型和TCP/IP模型的网络层同时支持面向连接的通信和无连接通信 28OSI参考模型中数据链路层的协议数据单元通常被称为_。,已考试题 2008年7月,2UDP协议对应于（ ） A网络层 B会话层 C数据链路层 D传输层 14下列不属于TCP/IP参考模型互连层协议的是（ ） AICMP BRARP CIP DSNMP 28在OSI参考模型中，网络层的协议数据单元通常被称为_。,已考试题 2009年4月,2.下列关于TCP/IP协议特点的叙述中错误的是（ ） A.开放的协议标准、免费使用、独立于特定的计算机硬件与操作系统 B.独立于特定的网络硬件、可以运行于局域网、广域网和互联网中 C.标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务 D.灵活的网络地址分配方案，使得网络设备在网中具有灵活的地址 28.为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为_。 29.OSI参考模型网络层中的协议数据单元常被称为_。,已考试题 2009年7月,28.计算机网络各层次结构模型及其协议的集合称为_。 29.TCP/IP是一组协议的代名词，一般来说，TCP提供的是传输层服务，而IP提供的是_。,