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第二章计算机网络体系结构本章教学要点理解：网络体系结构的层次化研究方法；掌握：计算机网络体系结构的基本概念；掌握：OSI参考模型的层次结构、各层功能和各层的PDU；掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务功能与主要协议。理解：OSI模型与TCP/IP模型的异同。重点：网络分层模型与体系结构，OSI模型，TCP/IP模型难点：服务、接口和协议学时：3学时第二章计算机网络体系结构1.计算机网络体系结构概述（理解+掌握）本节驱动问题之一为什么研究网络体系结构？你对网络复杂性有哪些认知与经验？研究问题过程中的抽象与建模有什么作用？什么样的模型适于描述网络体系结构？研究对象的复杂性-为了能够使网络中位于不同地理位置且功能相对独立的计算机之间实现资源共享，计算机网络系统需要涉及和解决很多复杂的问题。研究与开发的有效性-计算机网络体系结构是我们为简化这些问题的研究、设计与实现而抽象出来的一种结构模型。为什么要研究计算机网络体系结构？体系结构研究的着眼点-即通过对网络节点功能进行合理的逻辑划分，简化网络的设计与实现。什么模型合适？—邮政通信系统的启示一个通信系统-对等双方一个分层的通信系统-明确分工、服务与规则TianjinShanghai本节驱动问题之二如何建立计算机网络的分层模式？如何理解分层模型的核心思想/重要概念层—实体与对等实体协议—对等实体间的通信相邻层之间的关系—服务与接口什么是计算机网络体系结构？计算机网络的分层模型分层是处理复杂问题的基本方法之一-将整体要实现的诸多功能从物理或逻辑上划分为不同层次，利用不同层次上的实体去实现。分层模型的优越性降低了复杂性-“分而治之，各个击破”。促进了模块化开发-有助于功能设计与实现的模块化，对于特定层的功能而言，它们的内容及其与上下层之间的接口都已经确定。提高了灵活性与可扩展性-避免一个层的技术或功能变化影响相邻的其它层。如何分？—分层的原则根据功能进行抽象分层，每个层次所要实现的功能或服务均有明确的规定。每层功能的选择应有利于标准化。不同的系统分成相同的层次，对等层次具有相同功能。不同系统的对等层之间在通信时，有明确的通信规定或规则。高层使用下层提供的服务时，下层服务的实现是不可见的(透明的)。层的数目要适当。层次太少功能不明确，层次太多体系结构过于庞大。（重点）重要概念/术语：源和目标源(source)通信过程中，数据的发送方。目标(destination)通信过程中，数据的接收方。计算机网络通信的双向性决定一个网络中的计算机同时具备源与目标的角色。（重点）重要概念/术语：实体和对等实体实体(Entity)每一层上的活动元素，包括实现该层功能的所有硬件与软件。对等实体(Peertopeerentity)相互通信的两个不同节点（即源节点和目标节点）上位于同一层次、完成相同功能的实体。（重点）重要概念/术语：服务(Service)服务：每一层为其相邻的上层所提供的功能。N层使用N-1层所提供的服务，向N+1层提供更高的服务。高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。（重点）重要概念/术语：接口(Interface)通过定义服务及原语操作实现，但服务的实现细节对上层是透明的(不可见的)。只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。接口：同一节点内相邻层之间交换信息的连接点，下层通过接口向相邻上层提供服务。（重点）重要概念/术语：协议(protocol)协议对等实体之间为实现有效的数据交换或通信，所必须遵守的规则或标准的集合。协议(protocol)的作用示例对协议三要素的理解为在分布式节点之间来实现有效的数据通信或交换，协议须具备三大要素：语法定义数据和控制信息的格式。语义规定语法成分的含义。语序时序控制和速度匹配关系。•信封里面是数据•信封外面是数据传输所需的控制信息例如：信封的格式由语法定义，而格式的含义由语义来规定关于协议的进一步理解协议通常仅说明特定通信规则所需要的功能是什么，不会说明如何实现特定的功能-它不规定这些规则应该如何实现-特定协议的实现可以与技术无关。网络协议是按层次结构来组织的。一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集；每种协议都是针对一个特定的目标或需求；网络协议需要不断的发展和完善，当一种新的网络服务出现时，就需要制定新的协议。协议的载体是其所定义或对应的协议数据单元。（重点）重要概念/术语：协议数据单元PDU对等实体之间所传输的数据，称为协议数据单元。协议的载体，网络中所传送数据的逻辑组成单元。一个类比：信件传输过程。在源端，传输的数据从高层到下层，涉及数据的封装(encapsulation)；在目的端，从下层到高层，是数据的拆封过程。对分层模型抽象性的正确理解分层模型是关于网络工作原理的逻辑描述或抽象模型，起到指导作用。功能上的逻辑划分，并非对实际节点的有形划分。网络体系结构(networkarchitecture)（重点）网络层次模型、各层协议及层之间接口的集合称为计算机网络体系结构；体系结构是抽象的，仅对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义，不涉及具体的硬件与软件实现；不同的网络体系结构中分层的数量、各层的名称、内容与功能会有所不同。网络体系结构的例子：IBM的SNA（系统网络结构）-1974DEC的DNA（分布型网络的数字网络体系）-1975对计算机网络复杂性的简单认识计算机(含网卡或者Modem)线路(网线或电话线、交换机)网络互连设备硬件安装与配置系统软件安装与配置(含协议软件)应用软件安装与使用故障排除用户接口或网络应用程序流量控制(以接收方可以接受的发送速度传送文件)数据分段与重组编址，以便数据能够正确到达接收数据的目标计算机传输路径的选择拥塞现象的发现与解决传输错误的发现与解决物理设备的准确定位从源节点到目标节点的通信链路……第二章计算机网络体系结构2.OSI参考模型(掌握)本节驱动问题为什么网络体系结构需要标准化？OSI模型是怎样的模型？哪些理念或思想是关键的？层的数量、名称及其功能OSI模型中的数据传输OSI模型的意义或精妙之处何在？网络体系结构标准化的历史背景上个世纪70年代末、80年代初期，计算机网络发展面临以下多方面的问题：计算机网络规模与数量的急剧增长；许多不同规格与实现的网络产品之间难以进行互操作；专用系统严重阻碍了计算机网络的发展。专用技术与开放技术的对比专用（Proprietary）个别厂商开发、拥有并控制；一家公司或一个公司集团掌握了整个技术或核心技术。开放（Open）技术的免费使用是对公众开放的；不同厂商的网络产品可以互相兼容，进行互操作。从1979年开始，ISO通过对当时已有网络体系结构的研究，借鉴各自的精华，于1983年公布了OpenSystemInterconnectingReferenceModel，简称OSIRM（ISO7048）。“Open”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它任何系统进行通信。采用了三级抽象•体系结构（architecture）•服务定义（servicedefinition）•协议说明（protocolspecification）概念模型，并未确切、具体描述用于各层的协议和服务。ISO的网络体系结构模型（重点）OSI模型及各层的名称应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层（重点）位于OSI参考模型的最低层，直接面向原始比特流的传输。利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；解决：传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声等问题；物理层标准要给出关于物理接口的机械、电气、功能和规程特性，以便于不同的制造厂家既能够根据公认的标准各自独立地制造设备，又能使各个厂家的产品能够相互兼容。物理层的功能在物理层发送和接收数据的过程中，会出现一些物理层自己不能解决的问题。例如：节点如何知道它所接收的数据是否正确？如果噪声改变了一个分组的目标地址，节点如何察觉它丢失了本应收到的分组呢？在广播网络环境中，当多个节点同时试图在一条线路上发送数据时发生的冲突如何解决？（重点）设立数据链路层的目的在于实现两个相邻的节点之间的无差错数据传输。在物理层的基础上，通过采用成帧、物理寻址、确认、差错控制和流量控制等方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。数据链路层的功能（重点）涉及在通信子网中选择一条合适的路径，使发送端的数据能够通过所选择的路径到达目的端。异构网络互连：如何让不同的LANs、MANs与WANs互连；寻址：定位不同的网络及设备在网络中的位置；路由选择：在确定了目标结点的位置后，负责找到通过网络的最优路径，并引导数据包正确地通过网络；拥塞控制：避免因子网中同时出现过多的分组而出现的网络瓶颈。网络层的功能（重点）负责端到端进程通信的层。通过使用确认、差错控制和流量控制等机制，弥补网络层服务质量的不足，为高层提供可靠的端到端进程之间的数据传输服务。还提供不可靠服务。OSI七层模型中承上启下的层-它下面的三层主要面向网络通信，以确保数据被准确有效地从源主机传输到目标主机；它上面的三个层次则面向用户主机，为用户提供各种服务。传输层的功能（重点）建立、管理和终结不同机器上的应用程序或进程间的会话，为表示层提供服务。管理机制：会话(Dialogue)的管理：令牌（Token)会话的同步检查点（Checkpoint)会话层的功能表示层以下各层只关心可靠的数据传输，（重点）而表示层关心的是所传送数据的语法和语义。涉及处理在两个通信系统之间所交换信息的表示方式，包括：数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与解压缩。表示层的功能（重点）OSI的最高层，负责为用户的应用程序提供网络服务，是计算机网络与用户之间的界面；需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间保持同步；需要建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制；与OSI其他层不同，它不为任何其他OSI层提供服务，而只是为OSI模型以外的应用程序提供服务；由若干的应用与应用支撑协议组成，如名字服务、电子邮件、文件传输、虚拟终端等。应用层的功能基于OSI的网络通信模型APDUPPDUSPDUSegmentPacketFrameBits（重点）计算机A计算机B数据在源端由最高层逐层向下，在目的端则由最低层逐层向上。源端–数据封装:APDU-PPDU-SPDU-Segments-Packet-Frame-Bits目的端–数据的拆封:Bits-frame-Packet-Segments-SPDU-PPDU-APDUOSI中的数据传输（续）OSI模型的意义第二章计算机网络体系结构3.TCP/IP模型(掌握)本节驱动问题TCP/IP的基本出发点？为什么在OSI模型之外，还要提出TCP/IP模型？TCP/IP的基本设计思想？TCP/IP模型如何对网络进行分层描述？各层的主要协议有哪些？20世纪70年代中期：ARPA实现异种网互连，TCP/IP出现。1974年Kahn定义了最早的TCP/IP。1980年前后：ARPA将ARPA上的所有机器转向该协议，并资助开发用于UNIX的TCP/IP协议。1985年：NFS涉足TCP/IP协议的研究与开发，其所资助的所有网络机构均采用该协议。Leiner、Clark等人的研究较具代表性。迄今为止，先后出现了6个版本，后3个版本是版本4、版本5与版本6：目前使用的是版本4，它的网络层IP协议一般记作IPv4；版本6的网络层IP协议一般记作IPv6（或IPng,IPnextgeneration），又被称为下一代的IP协议。若干协