计算机网络第12章协议与分层

第12章协议与分层本章学习要求•掌握：七层模型的划分及其功能•理解：协议栈•理解：技术协议的使用1.网络协议•在硬件的层次上进行通信是一件非常困难的事情，因此在硬件的基础上扩展了一个软件层，作为应用程序和硬件的接口。这个软件层称为通信协议软件。•网络协议（通信协议）定义了计算机进行通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义。用来实现通信协议的软件就叫通信协议软件。•网络协议通常采用分层结构，每一个子层完成通信任务的一个部分，各个子层组织起来共同完成网络通信功能。这些协议子层的集合称为协议系列（suit）或协议族（family）2.ISO/OSI参考模型结构•ISO(InternationalStandardsOrganization，国际标准化组织)于1978年2月开始研究，于1982年4月形成一个开放系统互连参考模型(OpenSystemInterconnection/ReferenceModel，OSI/RM)的国际标准草案。•应当注意，OSI模型仅仅是参考模型，而不是网络体系结构的全部；它仅仅描述了每一层的功能，而没有描述每一层使用哪些协议和承担哪些服务。现在，ISO已经为各层制定了标准，不过这些标准并不是OSI模型的一部分，而是独立存在的。ISO/OSI参考模型结构ISO/OSI参考模型结构•在OSI参考模型中，每一层的功能都在下一层的支持下实现，并支持上一层。OSI/RM中的低三层通常归入通信子网的功能范畴，通常靠硬件做成通信卡或由通信处理机实现；网络中的高四层归入资源子网的功能范畴，通常用软件方法实现,形成网络操作系统(最高层常由应用软件实现)。ISO/OSI参考模型结构•如果按相互通信的对象进行划分，可将OSI参考模型的通信分为计算机系统间的通信和计算机系统中进程间的通信。由会话层、表示层、应用层构成的上三层为进程间的通信，主要解决两台通信的主机间信息传输问题；由物理层、数据链路层、网络层构成的下三层为系统间的通信，主要解决通信子网中的数据传输问题；传输层处于两部分的中间，可以看作系统通信与进程通信间的接口层。ISO/OSI参考模型结构2.1OSI的低层•OSI的低层包括物理层、数据链路层和网络层。这一部分的功能主要是实现通信功能，也称为通信子网部分。2.1.1物理层•ISO给出的物理层（physicallayer）定义为：物理层为启动、维护和释放数据链路实体之间二进制位传输而进行的物理连接提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。这种物理连接可以通过中间系统在物理层内进行二进制位传输。它允许进行全双工或半双工的二进制位传输，对物理数据单元（即二进制位）可以以同步方式或异步方式进行传输。物理层•它建立在传输介质之上，并不考虑传输介质的具体设置问题，而只关心介质两端的连接，或者说它只关心链路两端点的物理特性•建立物理层的目的是提供一条物理链路上“1”、“0”码传输的物理条件--为数据链路层提供这个服务。•同时还要涉及其他问题：数据传输方式、服务质量参数等物理层2.1.2数据链路层•在物理层实现了透明的0、1码传输的基础上，数据链路层将加强这些原始比特的传输，使之成为一条无错的数据传输链路。•为了达到“无错的数据传输链路”的目标，对链路层的设计通常要解决如下几方面的问题：–成帧–确定帧的顺序，以便数据拼接–差错校验--根据校验序列对帧进行校验–数据链路管理（链路的建立、维护和拆除）2.1.3网络层•数据链路层从一条传输链路的角度来解决传输中的可靠性问题。网络层则是从整个网络的角度来处理数据传输中的有关问题，处理问题过程中需要考虑通信双方的终端节点及中间节点间的关系，具体内容包括：–路由选择。如何在组成网络的各子网之间找到到达传送目的地的最佳路径。–流量和拥塞控制。防止在子网中间出现过多的分组，造成通路阻塞，形成瓶颈。–差错及故障的恢复。2.2OSI的高层•OSI的高层包括会话层、表示层和应用层，属于资源的分配和处理的部分，通常称为资源子网部分。2.2.1会话层•会话层是建立在用户与网络间的接口，好像两台主机间的联络官，主要处理通信双方交互的建立、组织，并协调、控制会话过程的进行（会话服务）。2.2.2表示层•表示层处理两个应用实体间数据交换的语法问题，解决数据交换中存在的数据格式不一致和数据表示方法不同等问题。例如IBM系统采用EBCD编码，而其他一些系统用户采用ASCII编码，表示层要为它们的转换服务，转换后传输给会话层。此外表示层还进行加密、压缩或终端仿真处理。表示层2.2.3应用层•应用层主要进行应用管理和系统管理，直接为用户服务，在信息网络用户之间形成一个交换信息的界面━━用户应用程序。简单地说，就是接收用户数据。信息网络系统接受了用户的数据后，立即把它们传输给表示层。2.3传输层•传输层是站在比网络层更高的角度来研究问题。网络层考虑的是网络的细节，而传输层屏蔽了这些细节，只从主机间逻辑连接（或进程间通信）的角度来处理数据的传输问题。传输层（a）网络层研究的内容（b）传输层研究两主机之间的通信传输层•传输层与数据链路层不同，数据链路层处理的是相同网络中两个节点间的数据通信；而传输层处理的是主机间的数据通信，是源节点到目的节点之间的传输，它考虑的具体内容有：–两个主机间数据传输的方式。虚电路方式，与连接有关的数据传输服务，像打电话；数据报方式，与连接无关的数据传输服务，像邮局传输信件。–把数据分割成数据包，分组，为会话层提供最佳的数据传输服务，以便充分地利用网络。3.栈：分层软件•当协议根据分层模型设计时，目标协议软件按层次组织。每台计算机上的协议软件被分成多个模块，每个模块对应一层。更重要的是，分层决定了模块间的相互作用：在理论上，当协议软件发送或接收数据时，每个模块只同它邻接的上层模块和下层模块通信。因此，以送出的数据向下通过每一层，接收的数据向上通过每一层。•各层之间如同一个栈，因此与之对应的协议称之为协议栈、软件称之为软件栈。协议栈协议栈协议栈•各个协议栈之间不兼容，安装了不同协议栈的计算机之间不能相互通信。•一台计算机上可同时运行多个协议。分层软件的工作方式分层的科学依据•分层原理：在目标计算机上的第N层软件必须恰好接收由在发送计算机上的第N层软件所发送的数据。•在帧发送前，协议进行的任何转换在接收时必须被完全地逆转换。•优点：简化了协议的设计和测试，避免了一层协议软件引入其他层发生改变。4.技术协议的使用•在通信中利用协议解决特定的问题•协议的选用需要整个协议系统的设计来决定•问题研究：–无序传递的排序–为消除重复包的排序–重复丢失的包–避免由过量延迟导致的重播–防止数据过载的流量控制–避免网络拥塞的机制–协议设计的技巧4.1无序传递的排序•一个可以改变路由的无连接网络系统可以以无序方式传递包。•为了处理无序传递，传输协议使用了排序。–发送方为每个包指定一个序号–顺序包：接收方将其发送给上一层–无顺序包：存储到链表中4.2重复丢失的包•在计算机网络中，包的丢失是一个重要问题。•为保证可靠传输，协议使用确定的重发确定–帧完好无损到达，接收方发送确认–发送方在发送帧时启动计时器，若超时则重发–最大的重发次数4.3为消除重复包的排序•硬件发送过程中可能会产生重复的包。•网络采用排序来解决重复包的问题，接收软件在检查一个到达的包序号时进行重复性检查。4.4避免由过量延迟导致的重播•过度延迟可能导致重播错误，即一个旧的、延迟的包影响了后来的通信。•为了避免重播，协议用一个唯一的标识符标记每一次会话，该标识符在一段相当长的时间内不被再次使用。3.5防止数据过载的流量控制•当一台计算机通过网络发送数据的速度比目的计算机接收数据的速度快时，就出现了数据过载，这样就会发送数据丢失的情况。•采用流量控制机制可解决数据过载问题。•定期停等系统：每发出一个包便等待来自接收方的确认信息。缺点：降低了网络带宽的利用率。3.5防止数据过载的流量控制•改进方案–停等协议＋滑动窗口–改进量：Tw=Tg×W–实际改进量：Tw=min（B，Tg×W）3.7避免网络拥塞的机制•由于到达包交换机的包比能发送的要多，导致队列增大、延迟增加，这种现象称之为拥塞。•拥塞严重将导致包交换机内存溢出、包的丢失。3.7避免网络拥塞的机制•解决方案：–当拥塞发生时，让包交换通知发送方；–用包的丢失对拥塞进行估计•避免拥塞的方法：–减少包传送速率–暂时减小滑动窗口协议中的窗口大小。4.11协议设计的技巧•为了进行有效地通信，必须仔细选择细节。•协议机制可能以预料不到的方式相互作用。