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ComputerNetworks计算机网络ComputerNetworks青海大学机械工程学院讲授教师:刘海雄电子邮箱:Lhx6209@sohu.com联系电话:13519709619ComputerNetworks教学内容第1章引论第2章数据通信基础知识第3章计算机网络体系结构第4章计算机局域网络第5章计算机广域网技术第6章网络操作系统第7章常用网络设备第8章网络互联与因特网基础第9章因特网的应用第10章网络管理与网络安全ComputerNetworks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ComputerNetworks§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ComputerNetworks结构清晰简化设计与实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ComputerNetworks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ComputerNetworks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ComputerNetworks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ComputerNetworks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)ComputerNetworks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、邮政运输银行系统物流系统。。。ComputerNetworks1.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）ComputerNetworks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ISO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（defacto）标准ComputerNetworks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。ComputerNetworks2.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。ComputerNetworks系统A系统B实体对等层对等实体接口服务物理网络ComputerNetworks网络分层体系结构P3P2P121321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1系统A系统B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ComputerNetworks对等层通信的实质网络分层体系结构原理禁止不同主机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——Serviceuser；下层向上层提供服务——Serviceprovider。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ComputerNetworks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P3P2P1公路，铁路，航空邮局运输系统ComputerNetworks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。ComputerNetworks321N+1NN-1213N+1NN-1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P3P2P1物理通信线路Pn-1PnPn+1消息消息逻辑通信ComputerNetworks在各层中实现的主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ComputerNetworks3.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）ComputerNetworks人相互交流的协议和通信协议之间的对比HiHiWhat’sthetime?2:00请求连接传送文件：xxxxx.xxx文件time连接确认ComputerNetworks通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FlagAddressCtrlDataFCSSFlagSOHHEADSTXTEXTETXBCCBSCHDLCComputerNetworks确认释放连接释放确认释放确认连接确认数据连接请求连接确认tt时序例释放连接数据传输建立连接ComputerNetworks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、…）NetBEUI（Windows）IPX/SPX（NetWare、Windows）ComputerNetworks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（ProtocolDataUnit，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、…协议控制信息数据（SDU）ComputerNetworks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）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”。数据协议头数据N+1层PDUN层PDUComputerNetworks数据多层封装数据段头数据段头数据分组头帧头段头数据分组头帧尾封装段分组帧拆封ComputerNetworksTCP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ComputerNetworks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！ComputerNetworks§3.2OSI/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DataLink网络层Network7654321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ComputerNetworksTCP/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applicationtransportinternetnetworkinterfacedatalinkphysical注：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。ComputerNetworksTCP/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应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层7654321OSI/RM应用层传输层网络接口层网际层TCP/IPPPP,HDLC,FDDI,Ethernet,802.3,802.5等等TCP/IP支持所有标准的物理层和数据链路层协议Compute