计算机网络协议以及体系结构

21世纪计算机基础教育系列教材1第三章计算机网络的协议与体系结构本章要点l掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念l掌握：ISO的OSI七层参考模型l掌握：TCP/IP参考模型l了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较l了解：网络协议标准化组织本章难点协议、层次、接口21世纪计算机基础教育系列教材23.1网络体系结构的基本概念3.1.1网络协议的概念网络协议：为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。网络协议的三要素：语义：语义是用于解释比特流的每一部分的意义。语法：语法定义了通信双方的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。时序：时序是对事件实现顺序的详细说明，即何时进行通信，先讲什么，后讲什么，讲话的速度等。21世纪计算机基础教育系列教材33.1.2协议、层次、接口与体系结构的概念随着计算机网络技术的不断发展，计算机网络的规模越来越大，各种应用不断增加，网络也因此变得越来越复杂。面对日益复杂化的网络系统，必须采用工程设计中常用的结构化的方法，将一个复杂的问题分解成若干个容易处理的子问题，尔后“分而治之”逐个加以解决，分层就是系统分解的最好方法之一。21世纪计算机基础教育系列教材4实际邮政系统信件发送、接收过程示意图21世纪计算机基础教育系列教材51、层次化体系结构中的几个基本概念协议（Protocol）是一种通信规约。层次：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；接口（interface）：就是同一结点内，相邻层之间交换信息的连接点。21世纪计算机基础教育系列教材62、网络体系结构将网络层次性结构模型与各层次协议的集合定义为计算机网络体系结构（NetworkArchitecture）。体系结构是抽象的，而实现是具体的，它是指能够运行的一些硬件和软件。21世纪计算机基础教育系列教材73、网络体系结构的研究意义各层之间相互独立灵活性好，例如由于技术的进步促进实现技术的变化，只要接口保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。由于各层独立。因此每层都可以选择最为合适的实现技术，各层实现技术的改变不影响其他层。易于实现和维护。由于整个系统被分割为多个容易实现和维护的小部分，使得整个庞大而复杂的系统变得容易实现、管理和维护。有益于标准化的实现，由于每一层都有明确的定义，即每层实现的功能和所提供的服务都很明确，因此十分利于标准化的实施。。21世纪计算机基础教育系列教材83.2开放系统互连参考模型（OSI/RM）3.2.1OSI参考模型的基本概念1、OSI参考模型的提出制定计算机网络标准方面起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（CCITT，ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone）与国际标准化组织（ISO，InternationalStandardsOrganization）。ISO发布了著名的ISO/IEC7498标准，它定义了网络互连的七层框架，也就是开放系统互连参考模型（OSI/RM，OpenSystemInterconnectionReferenceModel）。21世纪计算机基础教育系列教材92、OSI参考模型的概念OSI中的“开放”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他任何系统进行通信。在OSI/RM互连参考模型中采用的是三级抽象：体系结构（Architecture）：定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务。服务定义（ServiceDefinition）：详细地说明了各层所提供的服务。协议规格说明（ProtocolSpecification）：精确地定义了应当发送什么样的控制信息，以及应当用什么样的过程来解释这个控制信息。21世纪计算机基础教育系列教材10OSI参考模型的结构示意图21世纪计算机基础教育系列教材113、OSI的有关术语（1）数据单元①（n）服务数据单元（（n）SDU）：（n）SDU（ServiceDataUnit）指的是第n层待传送和处理的数据单元。。②（n）协议数据单元（（n）PDU）。（n）PDU（ProtocolDataUnit）指的是在对（同）等层传送的数据单元，它通常是将SDU分成若干段，每一段加上报头，作为一单独协议数据单元PDU在水平方向上传送。③（n）接口数据单元（（n）IDU）。（n）PDU（ProtocolDataUnit）指的是在对（同）等层传送的数据单元，它通常是将SDU分成若干段，每一段加上报头，作为一单独协议数据单元PDU在水平方向上传送。21世纪计算机基础教育系列教材12（2）服务访问点：相邻层间的服务是通过其接口界面上的服务访问点SAP（ServiceAccesspoint）进行的,n层的SAP就是n+1层可以访问n层的地方，每个SAP都有一个唯一的地址。（3）服务原语：表3-1OSI的4类服务原语原语意义request用户实体请求服务做某种工作indication用户实体被告知某事件发生response用户实体表示对某事件的响应confirm用户实体收到关于它的请求的答复21世纪计算机基础教育系列教材13相邻层及其接口21世纪计算机基础教育系列教材144、面向连接和无连接的服务下层能够向上层提供的服务有两种：面包连接的服务和无连接的服务。面包连接的服务：以打电话为例，经历建立连接、通信、拆除连接的三个阶段。无连接的服务：没有建立和拆除链路的过程，一般也没有确认。21世纪计算机基础教育系列教材153.2.2OSI参考模型的结构OSI是分层体系结构的一个实例，每一层是一个模块，用于执行某种主要功能，并具有自己的一套通信指令格式（称为协议）。用于相同层的两个功能之间通信的协议称为对等协议。21世纪计算机基础教育系列教材16划分层次的主要原则是：●网中各结点都具有相同的层次。●不同结点的同等层具有相同的功能。●同一结点内相邻层之间通过接口通信。●每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。●不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。21世纪计算机基础教育系列教材173.2.3OSI环境中的数据传输过程21世纪计算机基础教育系列教材18OSI环境数据流21世纪计算机基础教育系列教材193.3物理层1、物理层功能：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，对传送的比特流来说，这个电路好像是看不见的，当然，物理层并不需要知道哪几个比特代表什么意思。2、物理层特性（1）机械特性。机械特性规定了物理连接时接插件的规格尺寸、引脚数量和排列情况等。（2）电气特性。电气特性规定了在物理连接上传输二进制位流时线路上信号电压的高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。（3）功能特性。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。（4）规程特性。规程特性定义了利用信号线进行二进制位流传输的一组操作规程，即各信号线的工作规则和先后顺序。21世纪计算机基础教育系列教材203.4数据链路层1、数剧链路层的主要功能：负责建立和管理节点间的链路。该层的主要功能是“通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路”该层通常又被分为介质访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）两个子层。MAC子层的主要任务是解决共享型网络中多用户对信道竞争的问题，完成网络介质的访问控制；LLC子层的主要任务是建立和维护网络连接，执行差错校验、流量控制和链路控制。21世纪计算机基础教育系列教材212、数据链路层的主要协议标准面向字符型的传输控制规程：在面向字符型的传输控制规程中，信息传输以字符为基本单位，通过控制字符来实现对链路层的监控与管理。面向位的链路控制规程：面向位的链路控制规程以ISO制定的HDLC（HighLevelDataLinkControl）为代表，它得到了各国计算机网络工作者的公认，并作为国际标准。21世纪计算机基础教育系列教材22HDLC帧格式21世纪计算机基础教育系列教材233种类型的帧：①信息帧（I帧），I帧是传输数据的帧。②监控帧S（帧）。S帧完成链路的监控功能，监视链路上的常规动作。③无编号帧（U帧）。21世纪计算机基础教育系列教材24无编号帧（U帧）21世纪计算机基础教育系列教材253、流量控制个相邻结点之间传送数据，必须协调好发送端和接收端之间的数据流平衡问题，即要求发送端发送的信息量不能大于接收端的接收能力，否则就可能出现拥挤或堵塞现象。流量控制规程就是控制在一个特定时间内允许发送方发出多少个数据帧。在数据链路层中，常使用窗口流量控制方法，又称滑动窗口协议或窗口流量控制规程。21世纪计算机基础教育系列教材264、差错控制差错控制是十分重要的，因为物理层不管采用什么传输介质，总要受环境噪声的干扰或信号间的干扰，传输差错是不可避免的。差错控制的任务就是发现差错，并一般采用重发方式纠正错误。差错控制主要处理下列两种情况：21世纪计算机基础教育系列教材27①接收方接收的帧的错误检测。现多采用CRC编码方式，如果接收方对接收到的数据帧除以生成多项式，除尽表示正确，不能除尽说明有错，则给发送方发回一否认帧（NAK），请求发送方重发此帧。②所发送的帧丢失或确认帧丢失。此时，发送方在限定的时间内收不到应答，则认为超时，重发刚才已发过的帧。21世纪计算机基础教育系列教材283.5Internet的数据链路层点对点协议PPP（point-to-pointprotocol）用户接入Internet的一般方法有两种。一种是用户使用拨号电话线接入Internet，另一种是使用专线接入21世纪计算机基础教育系列教材29PC机拔号方式入网21世纪计算机基础教育系列教材30PPP帧的格式21世纪计算机基础教育系列教材31PPP协议的状态图21世纪计算机基础教育系列教材323.5网络层网络层（networklayer）是OSI模型的第三层，它是OSI参考模型中最复杂的一层，也是通信子网的最高一层,向资源子网提供两种类型服务：数据报和虚电路服务。21世纪计算机基础教育系列教材33网络层主要功能（1）为传输层提供建立、维持和释放网络连接的手段，完成路径选择、拥挤控制、网络互连等功能。这些对传输层来说是完全透明的。（2）根据传输层的要求来选择网络服务质量。（3）向传输层报告未恢复的差错。21世纪计算机基础教育系列教材342.虚电路服务和数据报服务网络层向传输层提供虚电路服务和数据报服务(1)虚电路（VirtualCircuit）服务虚电路服务在传送数据时，发送方提供自己和接收端的全称网络地址，建立虚电路，然后按序传送报文分组。它不会发生报文丢失或重叠的情况。通信完成后拆除虚电路。21世纪计算机基础教育系列教材35两种建立虚电路的方法呼叫虚电路。呼叫虚电路即通过虚呼叫来建立虚电路。两站间整个通信过程包括三个阶段：虚呼叫、报文传送和拆除虚电路。永久虚电路两站间不管是否通信都永远存在一条虚电路。此种虚电路省去了虚呼叫和虚拆除的过程。21世纪计算机基础教育系列教材36(2)数据报（Datagram）服务数据报有如下特点：①数据报在网络和用户间的传送协议，格式简单，实现机构也简单。②数据报传送勿需事先建立逻辑连接。③数据报根据它所含的目标地址能以最小延迟到达终点，它们独立选择路径，网络对它们单独处理，与前后数据报均无关系。④各数据报从源点发出的顺序与其到达目标点的顺序无关。21世纪计算机基础教育系列教材37虚电路和数据报的比较服务类别问题虚电路数据报端-端连接要不要目标站地址仅连接时需要每个分组都需要分组顺序按序不保证端-端差错处理和流量控制由通信子网负责由主机负责21世纪计算机基础教育系列教材383.网络地址逻辑网络地址用于指明源和目的地网络(IP地址)。物理设备地址用于标识源或目的地计算机（网卡地址）。服务地址标识运行于源