计算机网络体系结构1计算机网络与通信幻灯片

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1、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,2,3.1 计算机网络体系结构,发展历程 分层原理 基本概念,3,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,4,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,对于复杂的网络系统，用

2、什么方法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：空中旅行的组织,5,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,6,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,7,分层的空中旅行组织:

3、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,8,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),9,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 ,10,2.

4、 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： 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）,11,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

5、际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构 事实上的（de facto）标准,12,将计算机网络功能划分为若干个层次，较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能。网络中的每一层都起到隔离作用，使得低层功能具体实现方法的变更不会影响到高一层所执行的功能。 网络体系结构 完成计算机间的通信合作，把每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务；,什么叫网络体系结构？划分网络层次机构的原则是什么？,13,计算机网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。 原则：,每层具有特定的功能，相似的功能尽量集中在同一层 各层相对独立

6、，某一层的内部变化不能影响另一层 相邻层之间的接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少，以利于标准化 层数应适中,14,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。,15,3. 网络体系结构的相关概念,协议（Protocol） 协议就是为实现网络中的数据交换建立的规则标准或约定。,实体（Entity） 在网络分层体系结构中，

7、每一层都由一些实体组成，这些实体抽象地表示了通信时的软件元素（如进程或子程序）或硬件元素（如智能I/O芯片等）。 实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施。,16,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(Interface)：分层结构中各相邻层之间要有一个 接口，它定义了较低层向较高层提供的原始操作 和服务。相邻层通过它们之间的接口交换信息， 高层并不需要知道低层是如何实现的，仅需要知 道该层通过层间的接口所提供的服务，这样使得 两层之间保持了功能的独立性。 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。,17,18,网络分层

8、体系结构,网络中的任何一个系统都是按照层次结构来组织的 同一网络中，任意两个端系统必须具有相同的层次 每层使用其下层提供的服务，并向其上层提供服务 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” 实际的物理通信只在最底层完成 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,19,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。,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Service user； 下层向上层提供服务Service provider。 第n+1层是第n层的服务用

9、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,20,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,对信件内容的约定,对信件如何传递的约定,对货物如何运输的约定,协议P3,公路，铁路，航空,邮局,运输系统,协议P2,协议P1,21,对等层通信的实质,对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信； 下层向上层提供服务； 上层依赖下层提供的服务来

10、与其他主机上的对等层通信； 实际通信在最底层完成。,22,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逐层处理并拆封； 由最高层将消息提交给目标进程。,目标进程,源进程,P3,P2,P1,物理通信线路,Pn-1,Pn,Pn+1,逻辑通信,23,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,

11、24,通信协议,人际交流的协议: 人类之间 “我有一个问题。” “现在几点了?” 说明发送的消息 说明接收到某消息后所应采取的行动 说明动作的次序,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。（语义、语法和时序）,25,人相互交流的协议和通信协议之间的对比,26,通信协议的三要素,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

12、正文的结束 语法 协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如： 时序 通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则,BSC,HDLC,27,通信协议的三要素,语法（Syntax) 规定通信双方“如何讲”，即数据与控制信息的结构、编码及信号电平等。 语义（Semantics)： 规定通信双方“讲什么”，即协议元素的含义 语序（Timing，又称时序或定时） 规定通信双方“讲的顺序”或“应答关系”，即对事件实现顺序的说明，解决何时进行通信的问题。,28,t,t,时序例,29,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

13、网络硬件 常用协议组： TCP/IP（Windows、UNIX、Linux、） NetBEUI（Windows） IPX/SPX（NetWare、Windows）,30,数据单元,(n)协议控制信息PCI(Protocol Control Information) ： (n)实体为了协调其共同操作使用(n-1)连接而交换的信息。 (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)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)接口控制信息ICI(Interface Co

14、ntrol 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)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(n+1)实体的信息后从(n)实体递交给(n+1)实体的信息。 (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)服务数据单元SDU(Service Data Unit) ： (n)接口数据的总和。,31,服务数

15、据单元,32,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（Protocol Data Unit，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）（和硬件控制信号） 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,33,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

16、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”。,N+1层PDU,N层PDU,34,数据多层封装,数据,帧头,段头,数据,分组头,帧尾,段 分组 帧,35,TCP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,36,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！ 各种协议集的封装示意图,37,服务与协议之间的关系,38,两种服务,面向连接服务 在数据交换之前，必须先