计算机基础课件 第3章 计算机网络体系结构

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1、第3章 计算机网络体系结构 3.1 计算机网络体系结构概述 3.2 开放系统互联参考模型（OSI/RM） 3.3 TCP/IP体系结构目标与要求v了解计算机网络体系的提出背景与发展； v理解计算机网络体系中的基本概念； v理解网络分层的原理 v理解计算机网络的逻辑通信过程与实际通信过程； v掌握OSI/RM模型的七层结构与功能，能进行简单描 述； v掌握TCP/IP模型结构及其与OSI/RM模型的异同v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、 不同种类的设备主机、路由器、交换机、复用设备、 不同的操作系统Unix、Windows、 不同的软/硬件、接口和通信约定（协议）

2、 不同的应用环境固定、移动、 不同种类业务分时、交互、实时、 宝贵的投资和积累有形、无形、 用户业务的延续性不允许出现大的跌宕起伏它们互相交织，形成了非常复杂的系统应用环境。v所谓网络体系就是为了完成计算机之间的通信合作，把每一个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，规定了不同进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务。将这些同进程通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构。3.1 计算机网络体系结构概述v3.1.1 分层的观点v3.1.2 网络分层v3.1.3 计算机网络体系结构3.1.1 分层的观点l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

3、能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：邮政系统网络分层引出层次的观点！邮政系统：对等通信v 问题： 收信人与发信人之间、邮局之间，他们是在直接通信吗？ 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v分层的好处 各层之间是独立的; 灵活性好; 结构上可分割开; 易于实现和维护; 能促进标准化工作。v 层数多少要适当 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂 层数太多又会在描

4、述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难 设置合理的层数，有利于描述和综合这些层次功能。3.1.2 网络分层v 网络体系结构的分层原理p (1)各层之间相互独立。p 高层并不需要知道低层是如何实现的，而仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。 p (2)各层功能确定，功能简单。 p (3)易于实现和维护。p 因为整个的系统已被分解为若干个易于处理的部分，这种结构使得一个庞大而又复杂系统的实现和维护变得容易控制。p (4)有利于促进标推化。p 因为每层的功能与所提供的服务已有精确的说明。 v 计算机网络中采用了分层方法。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，

5、使得相互通信的两台计算机可以高度协调工作。v网络的层次结构方法要解决的问题： 网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？ 分层与功能 各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？ 服务与接口 通信双方的数据传输要遵循哪些规则？ 协议（语义+语法+规则/时序）3.1.3 计算机网络体系结构v计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 v最早的网络体系结构源于IBM的SNA；其它的网络体系结构还有DEC的DNA等v1982年4月，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;v实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构网络体系结构中的概念v 1

6、 基本概念： 实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 对等层：两个不同系统的同级层次。 对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体。 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。 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。 协议：通信双方在通信中必须遵守的规则（标准、约定）。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。系统A系统B 实体对等层对等实体接口服务物理网络网 络 分 层 体 系 结 构P3 P2P121321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-

7、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2 对等层通信的实质v对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信；v下层向上层提供服务；v上层依赖下层提供的服务来与其它主机上的对等层通信；v实际通信在最底层完成。v源进程传送消息到目标进程的过程： 消息送到源系统的最高层； 从最高层开始，自上而下逐层封装； 经物理线路传输到目标系统； 目标系统将收到的信息自下而上

8、逐层处理并拆封； 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P3 P2P1物理通信线路Pn-1PnPn+1消息消息逻辑通信3 在各层中实现的主要功能v建立连接和释放连接v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v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v流量控制 控制发送端的速率，使接收端能来得及接收v差错控制 使对等层的通信更加可靠4 通信协议v网络协议： 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（network protocol） 计算机网络中实体之间有关通信规则的集合(1)通信协议的三要素v 语义

9、 协议元素含义的解释，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v 语法 控制信息与数据的组合格式，即报文格式。例如： 数据格式、编码、信号电平等。v 时序 通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则Flag Address CtrlDataFCSS FlagSOHHEADSTXTEXTETX BCCBSCHDLCv协议要素的一个比喻 语法定义信封的格式，而语义规定了语法格式的含义v时序 例确认释放连接释放确认释放确认数据连接请求连接确认tt释放连接

10、数据传输建立连接v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 如TCP属于传输层v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v常用协议组： TCP/IP（Windows、Unix、Linux、）(2)协议数据单元（PDU）v 网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文（数据单位）统称为协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。v 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）v PDU由协议控制信息（协议头）和数据组

11、成:v 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v 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。v 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262 6TCP头应用层数据应用层数据TCP头应用层数据

12、IP头帧头TCP头应用层数据IP头帧尾实例：TCP/IP协议的封装过程应用层 传输层 网络层 链路层 v 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！3.2 开放系统互联参考模型vOSI/RM的体系结构分为7层应用层Application表示层Presentation会话层Session传输层Transport物理层Physical数据链路层Data Link网络层Network7654321为网络应用提供服务数据表示主机之间的通信点到点的连接定位和最佳路径媒体访问比特流的传

13、输开放系统互连参考模型v3.2.1 开放网络的原则v3.2.2 对等层通讯v3.2.3 OSI /RM 的设计原理v3.2.4 OSI/RM模型各层概述v3.2.5 信息流通过OSI参考模型v 1974年，斯坦福大学的两位研究员瑟夫（cerf）和康恩（kahn）提出了开放网络的四项原则： 小型化、自治：每个网络可以自行运作，当需要进行网间互联时无需改变其内部结构。 尽力而为的服务：互联网络仅提供尽力而为的服务，如果需要可靠的通信，则由发送端通过重传丢失的报文来实现。 无状态路由器：互联网络中的路由器不保存任何现行连接中已经发送过的信息流状态。 非集中控制：在互联网络中不存在全局性的控制机制。3

14、.2.1 开放网络的原则3.2.2 对等层通讯应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层主机主机 A A主机主机 B B数据段数据段数据分组数据分组数据帧数据帧比特流比特流应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层3.2.3 OSI /RM 的设计原理分解：根据网络的功能将网络划分成定义明确的层次。 抽象： OSI/RM的确立采用了三级抽象技术n第一级抽象：提出OSI/RM，建立计算机网络在概念和功能上的框架，包括确定开放系统的层次结构以及公共术语、子层功能等；n第二级抽象：服务定义，定义各个子

15、层所提供的服务。n第三级抽象：协议规格说明，定义一组为确保各层服务的提供（实现）而应遵循的规则（协议）各层功能简要说明3.2.4 OSI参考模型各层概述请注意，OSI模型本身并未确切地描述用于各层的具体服务和协议，它仅仅告诉我们每一层应该做什么。ISO确实已为各层制定了一些标准，但它们并不是参考模型的一部分，它们是作为独立的国际标准公布的。 应用层数据链路层 物理层网络层传输层会话层表示层nOSI参考模型层次结构v物理层的功能负责原始的数据“位”传送，目的是在通信设备DTE和DCE之间提供透明的比特流传输。 物理层不是指具体传输媒体； 物理层：介于数据链路层和传输介质之间的一层，起着 数据链路层到传输介质之间的接口的作用 。v物理层提供的服务为数据链路层建立、维持和释放物理连接，并在物理连接上透明传输比特流。 1 物理层（physical layer）n功能 服务 主要术语 协议 v物理层的主要术语 DTE：数据终端设备，用户所有的连网设备或工作站的统称（入网设备）。它们是通信的信源或信宿，包括：计算机、终端等； DCE：数据电路终接设备，为用户提供入接点的网络设备