第2章 网络体系结构

第2章网络体系结构•网络体系结构•OSI•TCP/IP2.1.1网络体系结构（networkarchitecture，NA）2.1概述问题:异质环境中任意两台计算机之间如何通信?网络体系结构就是一种粘合剂，它使这些用不同媒介连接起来的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现互操作性，并满足各种业务的需求，它营造了一种“生存空间”——任何厂商的任何产品、以及任何技术只要遵守这个空间的行为规则，就能够在其中生存并发展。网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方法。——把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。寄信人邮局运输部门邮政子系统运输子系统收信人邮局运输部门用户子系统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公路，铁路，航空网络体系结构是计算机网络的分层、各层协议和层间接口的集合。包括功能组织、数据结构和过程的说明，以及为用户应用网络的设计和实现的基础网络采用层次结构的优点：（1）各层之间相互独立，高层不需要知道底层是如何实现的，而仅知道该层通过层间的接口所提供的服务。（2）灵活性好，某层的改变，只要层间接口不变，则不影响上下层。（3）结构上可分割，各层都可采用最合适的技术来实现。2.1.2网络协议计算机网络中相互通信的实体之间交换信息时所必须遵守的规则、约定的集合协议三要素语法（syntanx），用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；语义（semantics），控制信息的内容，需要做出的动作和响应时序（timing），事件先后顺序和速度匹配。2.1.3协议分层将总体要实现的很多功能分配在不同的层次中，每个层次要完成的服务及服务实现的过程都有明确规定；不同地区的系统分成相同的层次；不同系统的同等层具有相同的功能；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。n+1层n层n-1层n+1层n层n-1层n+1层协议n层协议n-1层协议对等实体交换服务原语交换服务原语单位SDU（服务数据单元）（服务访问点）SAP单位PDU（协议数据单元）单位PDU（协议数据单元）单位PDU（协议数据单元）层间接口划分层次的原则网络中各结点都有相同的层次不同结点相同层次具有相同的功能同一结点相邻层间通过接口通信每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务不同结点的同等层间通过协议来实现对等层间的通信划分层次的益处便于讨论和学习协议规范的细节。标准化层之间的界面，使得不同的产品可以在相同的层相同的功能。建立更好的互操作性。降低了复杂性。易于排错。每一层都在用户数据周围加上头和尾，排错时可以察看这些信息。实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程，每一层中的活跃元素。对等层实体之间虚拟通信;下层向上层提供服务;实际通信在最底层完成在发送方数据由最高层逐渐向下层传递,到接收方数据由最低层逐渐向高层传递.接口：是协议中不同功能层之间的通信规约，是数据流穿越功能层界面的约定，是实体之间的连接部分。接口在相邻层之间，层间通过接口联系，并将服务功能细节对上层屏蔽。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。复杂问题简单化提供不同厂商之间的标准接口确保互操作性易于学习和操作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）2.1.4网络服务服务是各层向其上层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层能够代表它的上层完成的操作，但未涉及这些操作是如何完成的。服务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。1.服务原语请求（Request）:表示某实体希望开始调用服务做事；指示（Indication）:表示某实体被通知有事件发生；响应（Response）：表示某实体对事件做出响应；确认（Confirm）：表示对发回响应的确认。以打电话为例说明服务原语：甲和乙位于高层，是服务的使用者；电话机位于低层，是服务的提供者，为打电话的人提供上述四个服务原语。首先，甲在自己的电话机上拨乙的电话号码，发出“请求”；乙的电话机响铃，“指示”给乙有电话打进来；乙拿起电话，作为“响应”；甲的电话由振铃音变为通话音，甲就收到了可以通话的“确认”。2.服务形式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,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-orientedservice）无连接服务（connectlessservice）(1)面向连接的服务面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；面向连接服务的在数据传输过程中，各分组可以不携带目的结点的地址；面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。适合于数据量大、实时性要求高的数据传输（2）无连接的服务无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；数据分组传输过程中，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；无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。适合于短报文的传输1.2.2OSI参考模型2.2OSI参考模型2.2.1OSI模型描述物理层定义了建立、维护和释放物理链路的规范和标准。1.物理层物理接口标准定义了物理层与物理传输介质之间的边界与接口，包括四个特性：机械特性：规定了物理连接时接口所用连接器的形状和尺寸，引脚的数量、功能、规格、引脚的分布，电缆的长度及所含导线的数目等。电气特性：规定了在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么范围，即什么样的电压，表示为1或0。功能特性：规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为：数据线、控制线、定时线和地线。规程特性：定义了信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。2.数据链路层两节点间可靠的数据传输帧同步功能差错控制功能流量控制功能链路管理功能在不可靠的物理层之上可靠的进行数据传输，建立相邻节点之间的数据链路，解决不同介质类型的网络的介质访问。链路：指一条中间没有任何交换结点的点到点的物理路段（物理链路），它是构成计算机网络的一个基本单元数据链路：是在链路上加具有数据传输协议的软/硬件18以帧为数据单位；数据帧在不同的网络中传输时，数据链路层要在数据帧中的头部加入一个控制信息(DH)，其中包含了源节点和目的节点的地址，这个地址也被称为物理地址分为两个子层：LLC：LogicalLinkControlMAC：MediaAccessControl数据链路层3.网络层走哪一条？完成数据包寻址和路由的功能网络层的功能网络层的主要功能是支持网络连接的实现。为运输层提供整个网络范围内两个终端用户之间的数据传输的通路。为上一层运输层提供服务。提供路径选择与中继。流量控制。网络层的流量控制是对整个通信子网内的流量进行控制，以防止因通信量过大造成通信子网性能下降。4.传输层……两端点间可靠的透明数据传输（即主机到主机的层次）通信子网连接管理流量控制差错检测对用户请求的响应5.会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。OSI的高层：会话层表示层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。6.表示层表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。如代码转换、格式转换、文本压缩、文本加密与解密等，它控制许多与数据表示有关的功能。例如图像格式的显示为用户提供执行会话层服务的手段提供描述数据结构的方法管理当前所需的数据结构集完成数据的内部格式与外部格式间的转换7.应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。协调设备和软件的多样性问题；解决系统中文件传输问题。2.2.2模型中的数据传输数据封装是指将协议数据单元（PDU）封装在一组协议头和尾中的过程。在OSI参考模型中，每层主要负责与其它机器上的对等层进行通信。该过程是在“协议数据单元”（PDU）中实现的，其中每层的PDU一般由本层的协议头、协议尾和数据封装构成。帧头IP头TCP头会话层头应用层头表示层头数据数据数据数据数据11001110001110数据帧头IP头TCP头会话层头应用层头表示层头数据数据数据IP+TCP+数据11001110001110数据TCP+数据1物理层2数据链路层4传输层3网络层5会话层7应用层6表示层协议数据单元(PDU)传输中的数据在不同层由于封装或拆封形成的不同形式的数据单元，简称为协议数据单元；计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部2.3.1TCP/IP模型描述2.3TCP/IP参考模型30沙漏计时器形状的TCP/IP协议族HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口1网络接口2网络接口3EverythingoverIPIP可为各式各样的应用程序提供服务IPoverEverythingIP可应用到各式各样的网络上31TCP/IP数据封装帧头段0010110111数据TCP数据IP头TCP数据IP头TCP包帧数据数据帧尾主机-网络层(网络接口层)负责通过网络发送和接收IP数据报;允许主机连入网络时使用多种协议，如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等;当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时，就可以认为是这一层的内容;充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性互联层（互联网络层）处理互联的路由选择、流控与拥塞问题；处理接收的数据报。（目的地址是否为本结点IP地址）处理来自传输层的分组发送请求。网络层协议是IP协议。IP协议是无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。（协议数据单元PDU为IP分组）IPARPICMPRARP传输层在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。应用层应用层协议主要有：远程登录协议Telnet文件传输协议FTP简单邮件传输协议SMTP域名系统DNS简单网络管理协议SNMP超文本传输协议HTTP2.3.2OSI与TCP/IP的对比应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层OSI参考模型TCP/IP参考模型传输层互联层主机-网络层2.4NETWARE协议PresentationApplicationSessionTransportNetworkDatalinkPhysicalNetworkInterfaceIP,ARP,ICMPTCPApplicationUDPMACProtocolsIPXSAP,NCPSPXTCP/IPOSINetWareNetBEUI:不可路由，灵活性差，用于小型单网段网络，占用空间小，但速度快;IPX/SPX:可进行路由，灵活性较强，但范围有限，占用空间大，速度较快；TCP/IP:路由效果好，灵活性强，范围广，支持任意网络，但速度慢可比作可比作可比作2.5局域网协议举例