计算机网络体系结构

1第3章计算机网络体系结构•本章内容–计算机的网络体系结构–网络参考模型–五层网络参考模型计算机及网络应用基础第2课2本章知识目标1.掌握计算机网络体系结构的基本概念，理解源进程传送消息到目标进程的过程。2.掌握通信协议的概念、三要素，TCP/IP协议的封装过程。3.掌握OSI/RM参考模型各层的名称、任务、PDU的名称，理解链路层、网络层和传输层任务的差别。4.掌握TCP/IP参考模型的层次划分、各层的协议名称、PDU的名称。理解TCP/IP与OSI/RM的对应关系。5.掌握五层网络参考模型。计算机及网络应用基础第2课33.1计算机网络体系结构•发展历程•分层原理•基本概念计算机及网络应用基础第2课4一、发展历程网络体系结构提出的背景——计算机网络的复杂性、异质性•不同的通信介质——有线、无线等•不同种类的设备——主机、路由器、交换机、复用设备等•不同的操作系统——UNIX、Windows等•不同的软/硬件、接口和通信约定（协议）•不同的应用环境——固定、移动等…•不同种类业务——分时、交互、实时等•宝贵的投资和积累——有形、无形等•用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏计算机及网络应用基础第2课5对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结构，以达到：•结构清晰•简化设计与实现•便于更新与维护•较强的独立性和适应性解决：分而治之！一个生活中的例子：空中旅行计算机及网络应用基础第2课6空中旅行的组织一系列的步骤机票(购买)行李(托运)旅客(出发)飞机(起飞)飞行航线机票(投诉)行李(认领)旅客(到达)飞机(着陆)飞行航线飞行航线计算机及网络应用基础第2课7空中旅行的组织:从另一种不同的角度观察层次的观点：每层实现一种特定的服务–通过自己内部的功能–依赖自己的下层提供的服务机票(购买)行李(托运)旅客(出发)飞机(起飞)飞行航线机票(投诉)行李(认领)旅客(到达)飞机(着陆)飞行航线飞行航线计算机及网络应用基础第2课8分层的空中旅行组织:服务从出发地到目的地的航线：导航服务柜台-to-柜台：“旅客+行李”票务服务行李托运-to-行李认领：行李服务登机入口-to-到达出口：旅客乘务服务跑道-to-跑道：飞机“航运”服务计算机及网络应用基础第2课9层次功能的分布式实现飞机(起飞)飞机(着陆)飞行航线起飞机场到达机场中间空中交通枢纽飞行航线飞行航线机票(购买)机票(投诉)行李(托运)行李(认领)旅客(出发)旅客(到达)计算机及网络应用基础第2课10层次化方法在其他领域的应用•程序设计–把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来实现，如操作系统。•邮政系统–邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输•银行系统•物流系统•……计算机及网络应用基础第2课11二、分层原理•计算机网络中也采用了分层方法。——把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题，在不同层上予以解决。•网络的层次结构方法要解决的问题：1）网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）2）各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）3）通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）计算机及网络应用基础第2课12•计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称为计算机网络体系结构。–换句话说：体系结构包括三个内容：分层结构与每层的功能、服务与层间接口、协议。•最早的网络体系结构源于IBM的SNA–其他的网络体系结构还有DEC的DNA等•由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标准是OSI/RM•实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构–事实上的标准计算机及网络应用基础第2课13层次结构方法的优点•独立性强——耦合程度低–上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务——黑箱方法。•适应性强–只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。•易于实现和维护–把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子单元：•使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。•使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。计算机及网络应用基础第2课14三、基本概念(1)实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。图例(2)协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。(3)对等层：两个不同系统的同级层次。(4)对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体(5)接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。(6)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。计算机及网络应用基础第2课15系统A系统B实体对等层对等实体接口服务物理网络返回计算机及网络应用基础第2课161.网络分层体系结构1）网络中的任何一个系统都是按照层次结构来组织的2）同一网络中，任意两个端系统必须具有相同的层次3）每层使用其下层提供的服务，并向其上层提供服务4）通信只在对等层间进行（间接的、逻辑的、虚拟的），非对等层之间不能互相“通信”5）实际的物理通信只在最底层完成6）Pn：第n层协议，即第n层对等实体间通信时必须遵循的规则或约定P3P2P121321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1系统A系统B计算机及网络应用基础第2课17（1）对等层通信的实质•网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层之间进行直接通信。(想一想，为什么?)•实际上，每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机的对等层通信。上层使用下层提供的服务——Serviceuser；下层向上层提供服务——Serviceprovider。第n+1层是第n层的服务用户，第n-1层是第n层的服务提供者第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服务•例：邮政通信计算机及网络应用基础第2课18对等通信例：两个人收发信件想一想：•收信人与发信人之间、邮局之间，是在直接通信吗？•邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务？•邮局、收发信人各使用谁提供的什么服务？信件内容邮件地址货物地址发信人邮局运输系统信件内容邮件地址货物地址收信人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P3P2P1公路，铁路，航空邮局运输系统计算机及网络应用基础第2课19对等层通信的实质1）对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信；2）下层向上层提供服务；3）上层依赖下层提供的服务来与其他主机上的对等层通信；4）实际通信在最底层完成。计算机及网络应用基础第2课20（2）源进程传送消息到目标进程的过程1）消息送到源系统的最高层；2）从最高层开始，自上而下逐层封装；3）经物理线路传输到目标系统；4）目标系统将收到的信息自下而上逐层处理并拆封；5）由最高层将消息提交给目标进程。321N+1NN-1213N+1NN-1目标进程源进程P3P2P1物理通信线路Pn-1PnPn+1消息消息逻辑通信计算机及网络应用基础第2课21（3）体系结构各层中实现的主要功能•差错控制–使对等层的通信更加可靠•流量控制–控制发送端的速率，使接收端能来得及接收•分段和重装–发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新组合•复用和分用–多个高层的对等层通信会话复用一条低层连接•建立连接和释放连接计算机及网络应用基础第2课222、通信协议通信协议:•计算机之间•网络中所有的通信活动都是由协议所控制协议：定义网络实体间发送和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取的行动。（语法、语义和同步）计算机及网络应用基础第2课23人相互交流的协议和通信协议之间的对比HiHiWhat’sthetime?2:00请求连接传送文件：xxxxx.xxx文件time连接确认计算机及网络应用基础第2课24通信协议的三要素1）语法–协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：2）语义–对协议中各协议元素的含义的解释，例如：•在HDLC协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束•在BSC协议中，SOH(01H)表示报文的开始，STX(02H)表示报文正文的开始，ETX(03H)表示报文正文的结束3）同步–规定实体之间通信的操作执行顺序，协调通信双方的操作，使两个实体之间有序的合作，共同完成数据传输任务。FlagAddressCtrlDataFCSSFlagHDLCSOHHEADSTXTEXTETXBCCBSCBACK计算机及网络应用基础第2课25确认释放连接释放确认释放确认连接确认数据连接请求连接确认tt•同步（时序）例释放连接数据传输建立连接计算机及网络应用基础第2课26•网络体系结构中：–每层可能会有若干个协议–一个协议只属于一个层次•协议可以由软件或硬件来实现：–网络通信协议软件、网络驱动程序–网络硬件•常用协议组：–TCP/IP（Windows、UNIX、Linux、…）–NetBEUI（Windows）–IPX/SPX（NetWare、Windows）计算机及网络应用基础第2课273、协议数据单元（PDU）•网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统称为协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）。•传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：–传输层——段（Segment）–网络层——分组/包（Packet）–数据链路层——帧（Frame）–物理层——比特（Bit）•PDU由协议控制信息（协议头）和数据（SDU）组成:•协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息:–地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息……协议控制信息数据（SDU）计算机及网络应用基础第2课28•下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装，然后加入本层的协议头部（和尾部）形成本层的PDU。–封装：就是在数据前面加上特定的协议头部。•因此，数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。——类比：发送信件–数据在传输时，其外面实际上要被包封多层“信封”。数据协议头数据N+1层PDUN层PDU计算机及网络应用基础第2课29数据多层封装数据段头数据段头数据分组头帧头段头数据分组头帧尾封装段分组帧拆封计算机及网络应用基础第2课30TCP头应用层数据应用层数据TCP头应用层数据IP头帧头TCP头应用层数据IP头帧尾例：TCP/IP协议的封装过程应用层传输层网络层链路层计算机及网络应用基础第2课31•在目的站，某一层只能识别由源站对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的“数据”仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。–每一层只处理本层的协议头部！计算机及网络应用基础第2课324、两种服务•面向连接服务–在数据交换之前，必须先建立连接，当数据交换结束后，则应终止这个连接。–具有连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。•无连接服务–是指两个实体在数据传输时动态地进行分配通信时所需的资源。计算机及网络应用基础第2课33两种服务的比较ConnectionOrientedConnectionless参考模式电话系统邮政系统特点静态分配资源；传输前需要建立连接动态分配资源可靠性提供可靠的传输服务：无错、按序、无丢失/无重复不能防止报文的损坏、失序、丢失和重复对目的地址的要求仅在连接阶段需要完整的目的地址需要为每一个报文提供完整的目的地址适用场合在一段时间内向同一目的地发送大量报文;实时性要求少量零星报文分类及示例1.可靠消息流-文件传输2.可靠字节流-远程登录1.数据报-广播/组播2.可靠的数据报-挂号邮件3.请求应答-数据库查询计算机及网络应用基础第2课34无连接服务的类型•数据报（datagram）它的特点不需要接收端做出任何响应，因而是一种不可靠的服务。•确认交付（confirmeddelivery）这种服务要求接收端对收到的每一个报文都要产生一个证实发送给发送端，该证实只能保证报文已经发送到远端的目的地了，但不能保证目的地的用户已收到这个报文。•请求应答（request-reply）这种类型的数据报要求接收端用户每收到一个报文，就要向发送端用户发送一个应答报文。计算机及网络应用基础第2课35服务原语•服务原语（ServicePrimitive）专供用户和其他实体访问服务。•服务原语只是对服务进行概念性