计算机网络体系结构

计算机网络体系结构ChapterTwo本章教学提要教学目标：理解网络分层的作用和计算机网络体系结构的概念；理解服务、接口和协议的概念掌握OSI/RM的层次结构和各层的PDU；掌握TCP/IP的层次结构；了解OSI/RM和TCP/IP模型的区别。教学难点：服务、接口和协议的概念教学时数：4学时为什么要研究计算机网络体系结构？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许多复杂的问题，包括信号传输、差错控制、寻址、数据交换和提供用户接口等一系列问题。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。体系结构研究的着眼点:为实现网络功能，各节点系统所具备的功能及功能的划分。资源子网通信子网CCPHostDestinationHostHostSourceHostCCPCCPCCPCCPCCP网络通信的一般模型计算机网络体系结构所采用的一般模型为层次模型.实体entityLayerN+1LayerN-1LayerNLayerNLayerN+1LayerN-1LayerNprotocolLayerN+1protocolLayerN-1protocol接口接口接口接口分层的优越性分层的降低了复杂性，提高了灵活性----“分而治之，各个击破”YouWenzhouAirportPostofficeAYourfriendPostofficeBBeijingAirportPostruleUserruleAirportrule信邮包货运箱邮包信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。高层使用下层提供的服务时，下层服务的实现是不可见的层的数目要适当。层次太少功能不明确，层次太多体系结构过于庞大。与层次模型相关的若干术语源和目标实体与对等实体服务与接口协议与协议数据单元源和目标源（source)通信过程中，数据的发送方目标(destination)通信过程中，数据的接收方实体&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机器上的同一层次。服务&接口服务(Service)每一层为上一层所提供的功能称为服务。N层使用N-1层所提供的服务，向N+1层提供更高的服务。接口(Interface)定义下层向其相邻的上层提供的服务及原语操作，但服务的实现细节对上层是透明的（不可见的）。协议和N层协议从源到目标会出现数据传送的混乱,为了使两个对等实体之间能够有效地通信，对等实体需要就交换什么信息、如何交换信息等问题制定相应的规则或进行某种约定。对等实体之间交换数据或通信时所必须遵守的规则、约定或标准的集合称为协议(protocol)。协议可以使通信更有效地进行。协议的三大要素语法：定义数据和控制信息的格式语义：规定协议语法成分的含义时序：协议语法成分的顺序和速度匹配关系协议数据单元（PDU）网络中所传送的数据的逻辑组成单元其数据格式由每层协议所决定对等实体采用该层上的相同协议一个比喻：信件传输过程在源端，从高层到下层，存在数据的封装过程在目的端，从下层到高层，存在数据的拆封过程计算机网络的体系结构计算机网络体系结构是指网络功能分层结构与各层协议的统称。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）-1974DEC的DNA（分布型网络的数字网络体系）-1975网络体系结构的标准化上个世纪80年代早中期，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；–一个公司或一个公司集团掌握了整个技术。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。ISO的计算机网络体系结构模型从1979年开始，ISO通过对当时已有的计算机网络体系结构进行研究，借鉴其精华之处，于1984年公布了一个标准（文件ISO7048）。OSIRMOpenSystemInterconnectingReferenceModel一个概念模型，并未确切描述用于各层的协议和服务，因此不是严格意义上的体系结构。目前在计算机网络通信中的主流概念模型。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物理层的功能位于OSI参考模型的最低层，它直接面向原始比特流的传输。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在内的一系列问题。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。数据链路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？当多个节点同时试图在一条线路上发送数据时的冲突？数据链路层实现两个相邻的机器间的无差错的传输。通过对物理层提供的原始比特流传输服务的加强，向网络层提供服务。为实现相邻节点间的无差错传输，数据链路层最小提供了成帧、物理寻址、确认、差错控制和流量控制等机制。网络层的功能主要涉及在通信子网中选择一条合适的路径，使发送端传输层所传下来的数据能够通过所选择的路径到达目的端。必须使用寻址方案来确定存在哪些网络以及设备在这些网络中所处的位置；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，引导数据包正确地通过网络即路由选择。还需要提供拥塞控制机制以避免因子网中同时出现过多的分组而出现的网络瓶颈。还要解决异构网络互连问题。传输层的功能唯一负责端到端节点间数据传输和控制功能的层。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，以确保信息被准确有效地传输；它上面的三个层次则面向用户主机，为用户提供各种服务。通过弥补网络层服务质量的不足，为会话层提供端到端的可靠数据传输服务，并屏蔽了传输层以下层的数据通信细节，使会话层不会受到下三层技术变化的影响。传输层为了向会话层提供可靠的端到端传输服务，也使用了差错控制和流量控制等机制。会话层的功能建立、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会话(Dialogue)的管理：令牌（Token)会话的同步检查点（Checkpoint)表示层的功能表示层以下各层只关心可靠的数据传输，而表示层关心的是所传送数据的语法和语义。完成语法格式的转换不同的计算机可能有不同的内部数据表示（抽象语法），表示层收到应用层传过来的某种语法形式的数据后，将其转换成适合在网络实体间传送的公共语法（传送语法）表示的数据。包括数据表示格式和转换、数据压缩、加密与解密、协议转换等与接收方协商所采用的公共语法类型表示层对等实体间连接的建立、数据传送与连接释放。应用层的功能OSI的最高层，是计算机网络与用户之间的界面，负责为用户的应用程序提供网络服务。与OSI其他层不同的是，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。由若干的应用协议组成。常见应用层服务：目录服务电子邮件文件传输虚拟终端ApplicationprotocolRepresentationprotocolSessionprotocolTransportprotocolAPDUPPDUFrameBitsPacketSPDUSegmentOSI网络通信模型通信子网资源子网OSI中的数据传输数据1010011比特流0101110101234567AP11234567AP1数据计算机A计算机B物理传输媒体H7H6H5数据数据H4H3数据数据数据T2H2比特流帧分段分组APDUPPDUSPDU源端：数据封装目的端：数据拆封OSI中的数据传输(续)数据流从源的上层逐层流向下层，在目的端则由下层逐层流向上层源–数据封装:APDU-PPDU-SPDU-Segments-Packet-Frame-Bits目的–数据的拆封:Bits-frame-Packet-Segment-SPDU-PPDU-APDUTCP/IP与Internet20世纪70年代中期：ARPA实现异种网互连，TCP/IP出现。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涉及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。NOW：若干协议组成的完整的协议簇/一个网络协议体系。TCP/IP模型是异种网络互连的唯一协议体系，适用于不同机型（从PC到巨型机）、不同类型的网络（从局域网到广域网）。NetworkAccessTCP/IP模型各层的主要协议HTTPSMTPFTPTFTPDNSIPICMPRARPInternetYourLANTELNETUDPTCPARPManyLANsandWANs应用层传输层网际层网络访问层关于TCP/IP的说明FTP:filetransportprotocol(文件传输协议)DNS:domainnameservice(域名服务)HTTP:hypertexttransferprotocol(超文本传输协议)SMTP:simplemailtransportprotocol(简单邮件传输协议)TFTP:trivialfiletransportprotocol(小型文件传输协议TCP：transportcontrolprotocol(传输控制协议)UDP:userdatagramprotocol(用户数据报协议)IP：internetprotocol(网际协议关于TCP/IP的说明TCP/IP是OSI模型之前的产物，所以两者间不存在严格的对应关系。不存在与OSI中的物理层与数据链路层相对应的部分。因为TCP/IP用于异构网络的互连，支持各种网络拓朴结构，所以在该两层无限定。最主要的协议是TCP协议与IP协议。两者可联合使用，也可单独与其他协议配合使用。OSI与TCP/IP的比较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传输层网际层网络接口层1234567OSITCP/IP在模型中不存在类似之处均为层次结构；具有功能相当的网络层、传输层均有应用层，虽然其所提供的服务有所不同；均是一种基于协议数据单元的包交换网络；作为概念上的模型和事实上的标准，具有同等的重要性不同之处OSI模型包括了七层，TCP/IP模型只有四层。TCP/IP将OSI中的上三层合并成了一个应用层，将OSI中的下二层合并成了一个网络存取层TCP/IP由于层次更少显得比OSI更简洁TCP/IP作为从INTERNET上发展起来的协议，已成了网络互连的事实标准。目前还没有按OSI实现的网络产品，OSI模型仅作为理论的参考模型被广泛使用。