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计算机网络第2章计算机网络协议和体系结构机械工业出版社ISBN978-7-111-30641-2计算机网络本章学习内容及要求•了解–OSI参考模型、TCP/IP协议簇和局域网络体系结构的特点–网络体系结构层次化的研究方法•掌握–网络协议、层次、接口、服务的基本概念，以及相互的联系–5层计算机网络体系结构的基本知识计算机网络2.1计算机网络协议•2.1.1计算机网络协议的作用•2.1.2计算机网络协议的要素•2.1.3计算机网络协议的格式计算机网络2.1.1计算机网络协议的作用•计算机网络协议是通信双方使用的语言•计算机网络协议是–计算机网络中的计算机设备之间在相互通信时遵循的规则、标准和约定•这里说的计算机设备可以是–主机、路由器、交换机等，也可以认为是网络中的节点•一种网络协议是一组控制数据通信的规则•需要说明的是–网络协议是需要不断发展和完善的–随着网络应用和服务内容的增加，必须研究和制定新的网络协议或修改原有的网络协议计算机网络2.1.2计算机网络协议的要素•⑴语法，即信息格式，协议数据单元PDU的结构或格式，包括哪些字段，字段的作用•⑵语义，某些信息位组合的含义，标识通信双方可以理解的确定的意义，PDU给出何种控制信息、完成何种操作、做出何种响应，即各字段中若干二进制位0或1的组合代表什么样的含义•⑶同步（时序），即收、发双方能分辨出通信的开始和结束，哪些动作先执行，哪些动作后执行。为完成一次通信所需要的不同PDU之间有操作顺序规程。有时同步也称为规程•语法定义了怎么做，语义定义了做什么，同步时序关系定义了什么时候做计算机网络网络协议与人类通信所使用协议的比较人们之间的会话也在使用分层的概念，人们之所以感觉不到是因为人们已经习惯了。以两个人之间的自然语言通信为例，可以认为分为三个层次：传输层；语言层；知识层计算机网络2.1.3计算机网络协议的格式•在计算机网络中用协议数据单元（PDU，ProtocolDataUnit）描述通信协议–PDU由控制部分和数据部分组成–控制部分由若干字段组成，表示通信中用到的双方可以理解和遵循的协议和规则计算机网络2.2计算机网络体系结构•2.2.1计算机网络体系结构的定义•2.2.2网络体系结构分层的原则•2.2.3网络体系结构中的服务•2.2.4网络层次接口和数据单元•2.2.5协议和服务的关系•2.2.6对等协议的通信过程计算机网络2.2.1计算机网络体系结构的定义•计算机网络体系结构与层次、接口、协议相联系•计算机网络体系结构是–计算机网络层次和协议的集合•计算机网络是一个复杂的系统–按照人们解决复杂问题的方法，把计算机网络实现的功能分到不同的层次上–层与层之间用清晰的接口连接–不同系统中的同一层构成对等层–对等层之间通过理解彼此定义好的规则和约定，完成对等层通信计算机网络2.2.2网络体系结构分层的原则•根据计算机网络两级子网的结构，可以看出层次划分的轮廓。人们把计算机网络的功能划到5个层次：–⑴计算机设备及端系统和通信子网的连接处，以及网络节点与节点之间的物理连接处，应划分一个层次，用于实现物理连接，称为物理层，位置在各个节点上–⑵网络中相邻节点之间实现可靠的传输应划分为一个层次，称为数据链路层，位置在相邻节点上–⑶源主机节点和目的主机节点之间实现网络传输的功能可划分为一个层次，称为网络层，位置在协议包传输路由经过的各个节点上，传输路由从源主机节点、中间经过的节点，到目的主机节点–⑷在源端节点到目的端节点，即两个通信的计算机设备之间，为实现应用进程可靠传输所提供的功能划分为一个层次，称为运输层，位置在端节点上–⑸网络应用之间的可靠传输可划分为一个层次，称为应用层，位置在端节点上计算机网络2.2.3网络体系结构中的服务•计算机网络中的通信服务有两种不同类型–一种是面向连接服务(connection-orientedservice)–另一种是无连接服务(connectionlessservice)计算机网络计算机网络中服务类型及应用计算机网络服务原语•网络服务用服务原语描述•服务原语由三部分组成：–原语名；原语类型；原语参数•服务原语的格式为：–原语名.原语类型（原语参数）原语名说明服务的内容原语名和原语类型之间由点进行间隔原语类型说明层与层之间信息传输的流向和功用原语名用大写字母表示计算机网络服务原语的4种类型•原语类型有4种，用小写字母表示：–⑴请求request•发送方希望得到某些服务–⑵指示indication•接收方得知某个事件发生–⑶响应response•接收方对某个事件应答–⑷证实confirm•发送方得知请求的结果计算机网络服务原语的图示计算机网络2.2.4网络层次接口和数据单元•在相邻层次之间交换信息要遵循一组规则，这组规则涉及到一组相关的协议数据单元–服务数据单元SDU、协议控制信息PCI、接口控制信息ICI、接口数据单元IDU、协议数据单元PDU等计算机网络2.2.5协议和服务的关系•服务和协议是两个完全不同的概念–服务要靠协议来实现，通过服务原语的描述，可以清晰地给出上、下层接口和对等层之间的联系•服务是–各层为上层提供的一组原语操作，但未涉及这些操作如何完成•协议是–定义同层对等实体之间交换的协议数据单元（位流、帧、分组、报文段、报文）的格式及意义的一组约定和规则计算机网络2.2.6对等协议的通信过程–在发送端协议数据单元PDU经过从上层向下层的封装–到达对方后，再经由底层向上，每一层去掉协议头，称为拆包，此时相当于对等层彼此理解计算机网络2.3OSI参考模型•2.3.1OSI参考模型概述•2.3.2OSI参考模型的结构•2.3.3OSI参考模型各层的功能•2.3.4OSI参考模型中的数据传输计算机网络2.3.1OSI参考模型概述•OSI参考模型概述–国际标准化组织ISO在1974年制定的OSI•开放系统互连（OSI）参考模型分为7个层次–OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容•它并未确切描述用于各层的协议和服务，仅是告诉每一层应该做什么–OSI的国际标准号为：ISO7498计算机网络开放系统互连OSI图示计算机网络2.3.2OSI参考模型的结构•OSI参考模型采用3级抽象：–体系结构；服务定义；协议规范•OSI参考模型体系结构是作为一个框架来组织和协调各层协议的制定，网络协议的规程说明比较精练•服务定义详细地说明各层提供的服务，提供的服务与这些服务的具体实现无关•协议规范给出一组控制数据通信的规则计算机网络2.3.3OSI参考模型各层的功能•物理层：–对等物理层的协议数据单元为比特流。物理层协议用4个特性描述和定义•数据链路层：–涉及到相邻节点之间可靠传输，需要完成的功能有链路管理、成帧、差错控制、流量控制和丢失等•网络层：–涉及到源节点到目的访问节点之间可靠的传输，是通信子网的最高层次，需要完成的功能包括路由选择，网络寻址、网络互连等•运输层：–涉及到端（主机）到端（主机）之间可靠的运输，起着承上启下的作用，为高层屏蔽掉下面通信子网的差异•会话层：–允许主机上的用户建立会话关系，在一次会话连接中可以有多个会话内容单元，提供会话同步•表示层：–关心所传输数据信息的格式定义，即信息的语法和语义•应用层：–为应用进程提供访问计算机网络的途径，构成不同的应用层协议数据单元计算机网络2.3.4OSI参考模型中的数据传输•数据的实际传输方向是垂直的–但在每一层编程时却好像是水平理解和传输的计算机网络DMACSMACTR协议封装（Encapsulation）DataHSenderReceiverSADASPDPDataTData计算机网络OSI中数据传输L7dataH6L7dataL6dataH5L5dataH4L4dataH3L3dataH2T20101010101011010L7dataH6L7dataL6dataH5L5dataH4L4dataH3L3dataH2T20101010101011010TransmissionmediumDataflowSenderReceiverAPSTNDLPh计算机网络2.4TCP/IP协议参考模型•2.4.1TCP/IP协议的产生背景•2.4.2TCP/IP协议的层次结构•2.4.3网络协议的捆绑•2.4.4OSI与TCP/IP的比较计算机网络2.4.1TCP/IP协议的产生背景•1972年美国加州大学洛杉矶分校的VintonG.Cerf(温特·瑟夫)和BobertE.Kahn(鲍伯·卡恩)进行了“网络互连项目”研究计算机网络TCP/IP协议具有的特点•TCP/IP协议具有以下特点：–是一个开放的网络协议簇，免费使用–做到与计算机硬件与操作系统无关，与特定的网络硬件无关–做到与低层通信子网平台无关，低层网络可以是广域网、局域网、无线网等–提供统一的网络逻辑地址IP地址，用于标识网络中的一个连接，使得异种计算机、异种计算机网络互连成为可能–运输层协议TCP提供可靠的端到端数据传输，可以屏蔽通信子网的差异。应用层协议内容丰富计算机网络2.4.2TCP/IP协议的层次结构•TCP/IP协议结构为4个层次：–网络接口层NIL；IP层；TCP层；应用层计算机网络ApplicationPresentationSessionTransportNetworkDatalinkPhysicalTCP/IP协议簇（ProtocolSuite）TCPUDPIPICMPIGMPARPRARPProtocolsdefinedbytheunderlyingnetworksSMTPFTPTELNETDNSSNMPNFSRPCTFTPApplications计算机网络TCP/IP协议簇及联系TelnetFTPSMTPSNMPTFTPTCPUDPICMPIPARPEthernetsoftwareEthernethardwarePortProtocolIDTypeMAC2321251616961710800H0806H计算机网络TCP/IP中层次和地址ProcessTCPUDPIPandotherprotocolsUnderlyingphysicalnetworksApplicationlayerTransportlayerNetworklayerDatalinklayerPhysicallayerPhysicaladdressIPaddressPortaddressDomainaddress计算机网络2.4.3网络协议的捆绑•人们可能会问在具体组网时TCP/IP协议在哪里呢？TCP/IP协议与底层网络协议之间是怎样联系的？•在配置网络协议时，先配置底层网络协议–这需要安装网卡和网卡驱动程序•再绑定IP层协议、TCP层协议和应用层协议–这些操作可以在相应的操作系统中指定所采用的网络协议，设置IP地址、子网掩码、网关地址等，从而完成整个TCP/IP协议设置•要清楚网络协议层次绑定的概念–绑定是按自底向上的顺序进行的计算机网络应用层TCP层IP层网络接口层网卡实现操作系统（包含TCP/IP）WindowsLinuxUnix网络协议在哪里？（TCP/IP）网络协议的捆绑计算机网络计算机网络协议层次在网络拓扑中的位置当代计算机网络体系结构按5个层次描述计算机网络2.4.4OSI与TCP/IP的比较•TCP/IP模型与OSI模型的一个重要区别是可靠性问题–OSI模型在所有各层都进行差错校验和处理。而TCP/IP仅在TCP层，即仅在端到端进行差错控制计算机网络2.5局域网络体系结构参考模型•2.5.1局域网络体系结构的层次•2.5.2局域网络体系结构各层的功能•2.5.3局域网络体系结构的特点计算机网络2.5.1局域网络体系结构的层次•局域网络体系结构的层次与5层体系结构的对应计算机网络2.5.2局域网络体系结构各层的功能•MAC子层用来描述一个具体的LAN，只有看到了MAC，才能知道这是一个什么样的LAN计算机网络2.5.3局域网络体系结构的特点•局域网络中的通信牵涉到三个方面：–进程；站点（节点）；网络–进程与两个计算机系统之间应用程序联系。站点通过