第2章计算机网络体系结构

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1、第2章 计算机网络体系结构,【本章内容简介】本章系统介绍计算机网络体系结构的概念和内容，包括分层原理和通信协议、开放系统互联参考模型（OSI/RM），以及OSI/RM各层的功能及各层服务。同时，在介绍TCP/IP的基本概念和分层模型的基础上，对OSI/RM与TCP/IP两种模型进行比较分析。 【本章重点难点】重点掌握计算机网络体系结构的概念、OSI/RM各层的功能以及TCP/IP协议的体系结构。,1,2.1 计算机网络体系结构,2.1.1 网络体系结构的定义和发展,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题

2、，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。 为了完成计算机间的通信合作，人们把计算机互联的功能划分成定义明确的层次,1网络体系结构的定义,2,2.1 计算机网络体系结构,2.1.1 网络体系结构的定义和发展,规定同层次进程通信的协议以及相邻层之间的接口与服务，将这些同层进程间通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构（Network Architecture）。 层次结构模型+协议集=网络体系结构 网络体系结构对计算机网络的功能进行了精确的定义； 体系结构是抽象的，而实现是硬件和软件。,3,4,层次（layer）,层次是人们对复杂问题处理的基本方法； 将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；

3、 对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定； 不同的系统分成相同的层次； 不同系统的最低层之间存在着“物理”通信； 不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信； 对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定； 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。,5,接口（interface）,接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点; 同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务; 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。,2网络体系结构的发展,1974年，美国IBM公司首先公布了世界上第一个计算机网络

4、体系结构（SNA，System Network Architecture），凡是遵循SNA的网络设备都可以很方便地进行互连。 1977年3月，国际标准化组织ISO的技术委员会TC97成立了一个新的技术分委会SC16专门研究“开放系统互连”，并于1983年提出了开放系统互连参考模型，即著名的ISO 7498国际标准（我国相应的国家标准是GB 9387），记为OSI/RM。,6,7,2.1.2 网络体系结构的分层模型,2.1.2 网络体系结构的分层模型,（1）实体 Entity：在某一层中表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程 （2）服务 Service：各层向其相邻上层提供的一组功能集合，是相

5、邻两层之间的界面。 （3）接口 Interface：不同功能层之间交换信息的连结点。 （4）服务原语 Service Primitive：服务在形式上使用服务原语来描述的。供实体访问服务或报告事件。 （5）数据单元 Data Unit：网络中信息传输的单位。,1OSI/RM模型的相关概念,8,协议和服务关系,在开放系统互连参考模型OSI/RM中采用了七层协议体系结构 其中任何一层，均可记为（N），表示“第N层”。 在OSI/RM模型中，协议和服务是两个非常重要的不同概念。 （N）协议：控制两个（N）层对等实体进行通信的规则的集合称为（N）协议； （N）服务：两个（N）层实体间的通信在（N）协议

6、的控制下，能够使（N）层向上一层提供服务，这种服务就称为（N）服务 （N1）层实体：接受（N）服务的用户是（N1）层实体。 上述关于协议和服务的基本概念及相互关系如图：,9,协议、服务的概念,10,服务访问点 SAP,接口，也称服务访问点（SAP，Service Access Point） SAP是指同一系统中相邻两层实体之间进行交换信息之处，即（N）层实体和（N1）层实体之间的逻辑接口。 每个SAP都有唯一的标识，称为端口port或插口socket 一个（N）层服务是由一个（N）层实体作用在一个（N）层SAP上来完成的， 两层之间可以有多个SAP 一个（N）层实体可以向多个（N）层SAP提供

7、服务，这称为连接复用； 一个（N1）层实体可以使用多个（N）层SAP，这称为连接分裂。,11,实体、协议、服务 和服务访问点,协议(n + 1),SAP,SAP,交换原语,交换原语,实体(n + 1),服务提供者,第 n 层,第 n + 1 层,实体(n + 1),服务用户,实体(n),实体(n),协议(n),12,服务原语,服务原语（Service Primitive）是指用户与服务提供者之间进行交互时所要交换的一些必要信息。 OSI/RM规定了四种服务原语类型，如表所示。,13,服务分为有确认服务和无确认服务两大类，前者每次服务要使用全部四种服务原语，而后者只使用两种服务原语，如图：,14

8、,有确认 服务,无确认 服务,数据单元,（1）协议数据单元PDU： 不同系统某层对等实体为实现该层协议所交换的信息单位 ，分为协议控制信息PCI和用户数据 （2）接口数据单元IDU 同一系统的相邻两层实体的一次交互中，经过层间接口的数据信息单元，分为接口控制信息ICI和接口数据 （3）服务数据单元 SDU 上层服务用户要求服务提供者传递的逻辑数据单元,15,协议数据单元PDU、接口数据单元IDU和服务数据单元SDU,16,17,社会上存在的邮政系统,2.1.2 网络体系结构的分层模型,2、分层原理,在网络的分层结构中：每一层都要为上层提供服务，并说明调用这种服务的接口。如下图,Pn ：为n层协

9、议,18,3、分层的好处,各层之间相互独立; 灵活性好; 各层都可以采用最合适的技术来实现; 易于实现和维护; 有利于促进标准化。,19,4、分层的原则,（1）层次不能太多，也不能太少。 （2）应在接口服务描述工作量最小、穿过相邻边界相互作用次数最少或 通信量最小的地方建立边界。 （3）每层应当实现一个定义明确的功能。 （4）每一层的功能要尽量局部化。 （5）每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。 （6）同一节点内相邻层次之间通过接口通信，每一层只与它的上、下邻层产生接口，规定相应的业务。 （7）不同节点的同等层按照协议实现同等层之间的通信。,20,2.1.3 网络协议,在网络系统中

10、，为了保证数据通信双方能正确而自动地进行通信，针对通信过程中的各种问题，制定了一整套约定，这就是网络协议（Network Protocol）。,网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准； 网络协议的三要素：语义、语法与时序； 语义semantics：对构成协议的元素含义，“讲什么”； 语法syntax：语法是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；“如何讲” 时序timing：事件实现顺序的详细说明。,21,协议很复杂,协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非

11、常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。,22,著名的协议举例 【例1-1】,占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战则可战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100 %而不是99.999%）取得胜利？,23,这样的协议无法实现！,24,结论,这样无限循环下去，两边

12、的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。 没有一种协议能够蓝军能 100% 获胜。,25,26,2.2 开放系统互联参考模型OSI/RM,在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 （Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT ）； 国际标准化组织 （International Standards Organization ，ISO）。 CCITT与ISO的工作领域是不同的： CCITT 主要是考虑通信标准的制定； ISO主要是考虑信息处理与网络

13、体系结构。,27,在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； OSI标准中，采用的是三级抽象： 体系结构（architecture）； 服务定义（service definition）； 协议说明（protocol specification）。,28,OSI标准的体系结构,OSI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； 作为一个框架来协调和组织各层协议的制定； 对网络内部结构最精炼地概括与描述。,29,OSI标准的服务定义,详细地说明了各层所提供的服务； 某一层的服务就是该层及其以下各层的

14、一种能力； 低层的服务是通过接口向上一层提供的; 各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关； 定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是具体实现的。,30,OSI标准的协议说明,OSI标准中的各种协议明确地定义了： 应该发送什么样的控制信息； 如何解释这个控制信息。 协议的规程说明具有最严格的约束。,31,OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定； 在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连； OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。,32,OSI参考模型的结构 ISO划分七层

15、结构的基本原则,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。,33,OSI参考模型的结构,34,OSI参考模型各层的功能,物理层的主要功能： 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； 实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数 据传输服务； 物理层的数据传输单元是比特。,35,数据链路层的主要功能： 在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接； 传输以“帧”为单位的数据包； 采用差错控制与流量控制方

16、法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。,36,网络层的主要功能： 通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径； 为数据在结点之间传输创建逻辑链路； 实现拥塞控制、网络互连等功能。,37,传输层的主要功能： 向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务； 处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题； 传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。,38,会话层的主要功能： 负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到点传输不中断； 管理数据交换。 表示层的主要功能： 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式； 数据格式变换； 数据加密与解密； 数据压缩与恢复。,39,应用层的主要功能: 为应用程序提供了网络服务; 应用层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的同步; 建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。,40,OSI环境中的数据传输过程 1. OSI环境（OSI environme