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1、第3章 计算机网络体系结构n本章内容n计算机的网络体系结构n网络参考模型n五层网络参考模型13.1 计算机网络体系结构n发展历程n分层原理n基本概念21.发展历程n网络体系结构提出的背景计算机网络的复杂性 、异质性n不同的通信介质有线、无线等n不同种类的设备主机、路由器、交换机、复用设备等n不同的操作系统UNIX、Windows等n不同的软/硬件、接口和通信约定（协议）n不同的应用环境固定、移动等n不同种类业务分时、交互、实时等n宝贵的投资和积累有形、无形等n用户业务的延续性不允许出现大的跌宕起伏3l结构清晰l简化设计与实现l便于更新与维护l较强的独立性和适应性对于复杂的网络系统，用什么方法能
2、合理 地组织网络的结构，以达到：解决：分而治之！一个生活中的例子：空中旅行的组织4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5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6分层的空中旅行组织分层的空中旅行组织: : 服务服务从出发地到目的地的航线：导航服务柜台-t
3、o-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7层次功能的分布式实现飞机 (起飞)飞机 (着陆)飞行航线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)起飞机场到达机场8层次化方法在其他领域的应用n程序设计n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。n邮政系统n邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输n银行系统 n物流系统n92. 分层原理n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
4、题，在不同层上予以解决。n网络的层次结构方法要解决的问题：n网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？ （分层与功能）n各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？ （服务与接口）n通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）10n 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。n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。n最早的网络体系结构源于IBM的SNAn其他的网络体系结构还有DEC的DNA等n由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构 国际标准是OSI/RMn实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构n事实上的（de facto）标准11
5、层次结构方法的优点n独立性强耦合程度低n上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务黑箱方 法。n适应性强n只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。n易于实现和维护n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：n使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。n使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。123. 基本概念n实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。n协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。n对等层：两个不同系统的同级层次。n对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体n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。n服务：某一层及
6、其以下各层的一种能力，通过接口 提供给其相邻上层。13系统A系统B 实体对等层对等实体接口服务物理网络14网 络 分 层 体 系 结 构P3 P2P121321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1系统A系统Bl网络中的任何一个系统都是 按照层次结构来组织的l同一网络中，任意两个端系 统必须具有相同的层次l每层使用其下层提供的服务 ，并向其上层提供服务l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”l实际的物理通信只在最底层 完成lPn：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15对等层通信的实质n网络分层体系结构原
7、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?)n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。n上层使用下层提供的服务Service user；n下层向上层提供服务Service provider。n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n第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服务n例：邮政通信16对等通信例：两个人收发信件n想一想：n收信人与发信人之间、邮局之间，是在直接通信吗？n邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务？n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
8、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17对等层通信的实质n对等层实体之间实现的是 虚拟的逻辑通信；n下层向上层提供服务；n上层依赖下层提供的服务 来与其他主机上的对等层 通信；n实际通信在最底层完成。18321N+1NN-1213N+1NN-1n源进程传送消息到 目标进程的过程：n消息送到源系统的 最高层；n从最高层开始，自 上而下逐层封装；n经物理线路传输到 目标系统；n目标系统将收到的 信息自下而上逐层 处理并拆封；n由最高层将消息提 交给目标进程。目标进程源进程P3 P2P1物理通信线路Pn-1PnPn+1消息消息逻辑通信19
9、体系结构各层中实现的主要功能n差错控制n使对等层的通信更加可靠n流量控制n控制发送端的速率，使接收端能来得及接收n分段和重装n发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新组合n复用和分用n多个高层的对等层通信会话复用一条低层连接n建立连接和释放连接20通信协议n人际交流的协议:n人类之间n“我有一个问题。”n“现在几点了?”n 说明发送的消息n 说明接收到某消息 后所应采取的行动n 说明动作的次序n n通信协议通信协议: :n n计算机之间计算机之间n n网络中所有的通信活网络中所有的通信活 动都是由协议所控制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
10、消息时应采取的行 动。（语义、语法和时序）21人相互交流的协议和通信协议之间的对比人相互交流的协议和通信协议之间的对比HiHi Whats the time?2:00请求连接传送文件：xxxxx.xxxtime连接确认22通信协议的三要素n语义n对协议中各协议元素的含义的解释，例如：n在HDLC协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束n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n语法n协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：n时序n通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则Flag Address Ctr
11、lDataFCSS FlagSOHHEADSTXTEXTETX BCCBSCHDLC23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ttn时序例释放连接数据传输建立连接24n 网络体系结构中：n每层可能会有若干个协议n一个协议主要只属于一个层次n协议可以由软件或硬件来实现：n网络通信协议软件、网络驱动程序n网络硬件n常用协议组：nTCP/IP（Windows、UNIX、Linux、）nNetBEUI（Windows）nIPX/SPX（NetWare、Windows）25数据单元n(n)协议控制信息PCI(Protocol Control Information) ： (n)实体为了
12、协调其共同操作使用(n-1)连接而交换的信息。n(n)用户数据UD(User Data) ： 以(n+1)实体的名义在(n)实体之间传送的数据。 n(n)协议数据单元PDU(Protocol Data Unit) ： 由(n)协议控制信息和可能的(n)用户数据组成。n(n)接口控制信息ICI(Interface Control Information) ： 在(n+1)实体和(n)实体之间为协调其共同操作而传送的信息。n(n)接口数据ID(Interface Data) ： 在(n)连接上，为了传送给一个通信(n+1)实体而从(n+1)实体递交给(n) 实体的信息。或在(n)连接上，收到通信(
13、n+1)实体的信息后从(n)实体递 交给(n+1)实体的信息。n(n)接口数据单元IDU(Interface Data Unit) ：在(n+1)实体和(n)实体之间，在一次交互作用中穿过服务访问点传输的 信息单元。n(n)服务数据单元SDU(Service Data Unit) ： (n)接口数据的总和。26服务数据单元27协议数据单元（PDU）n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（Protocol Data Unit，PDU）。n传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：n传输层段（Segment） n网络层分组/包（Packet）n数据链路层帧（Frame
14、）n物理层比特（Bit）nPDU由协议控制信息（协议头）和数据（SDU）组成:n协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息:n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）28n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。n封装：就是在数据前面加上特定的协议头部。n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n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PDU29数据多层封装数据段头数据段头数据分组头帧头
15、段头数据分组头帧尾封装段分组帧拆封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 31n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。n每一层只处理本层的协议头部！n各种协议集的封装示意图32服务与协议之间的关系33两种服务n面向连接服务n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。n具有连接建立、数据传输和连接释放三个阶段 。n无连接服务n是指两个实体在数据传输时动态地进行
16、分配通信 时所需的资源 。34两种服务的比较Connection Oriented Connectionless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 3.不可靠连接 - 数字化声音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35无连接服务的类型n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。n证实交付（confirmed delivery） 这种服务要求接收端对收到的每一个报
