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1、第六章计算机网络协议第六章计算机网络协议 1本章学习要求：本章学习要求：掌掌握握：协协议议、层层次次、接接口口与与网网络络体体系系结结构构的根本概念。的根本概念。掌握：网络体系结构的层次化研究方法。掌握：网络体系结构的层次化研究方法。掌握：掌握：OSIOSI参考模型及各层的根本效劳功能。参考模型及各层的根本效劳功能。掌掌握握：TCP/IPTCP/IP参参考考模模型型的的层层次次划划分分、各各层层的根本效劳功能与主要协议。的根本效劳功能与主要协议。了了解解：OSIOSI参参考考模模型型与与TCP/IPTCP/IP参参考考模模型型的的比比较。较。了了解解：网网络络协协议议标标准准组组织织，RFCR
2、FC文文档档、InternetInternet草草案案与与InternetInternet协协议议标标准准的的制制定定过程。过程。26.1 网络体系结构的根本概念网络体系结构的根本概念6.1.1 网络协议的概念网络协议的概念网络协议是为网络数据交换而制定的规那么、网络协议是为网络数据交换而制定的规那么、约定与标准；约定与标准；网络协议的三要素：语义、语法与时序；网络协议的三要素：语义、语法与时序；语义：用于解释比特流的每一局部的意义；语义：用于解释比特流的每一局部的意义； 语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格语法：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；式，以及数
3、据出现的顺序的意义；时序：事件实现顺序的详细说明。时序：事件实现顺序的详细说明。3社会上存在的邮政系统社会上存在的邮政系统46.1.2 协议、层次、接口与体系结构的概念协议、层次、接口与体系结构的概念计算机网络的四个重要的概念计算机网络的四个重要的概念层次层次layer协议协议protocol 接口接口interface 体系结构体系结构architecture5文件传送模块通信效劳模块网络接入模块计算机计算机1文件传送模块通信效劳模块网络接入模块文件及文件传送命令与通信有关的报文命令网络接口网络接口通信网络计算机计算机2图划分层次举例网络通信中的分层概念6多层通信例如：中德教师之间的讨论多层
4、通信例如：中德教师之间的讨论7层次层次layer层次是人们对复杂问题处理的根本方法；层次是人们对复杂问题处理的根本方法；将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；对每个层次要完成的效劳及效劳要求都有明确规定；对每个层次要完成的效劳及效劳要求都有明确规定；不同的系统分成相同的层次；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不同系统的最低层之间存在着“物理通信；物理通信；不同系统的对等层次之间存在着不同系统的对等层次之间存在着“虚拟通信；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；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
5、提供的效劳时，并不需要知道低层效劳高层使用低层提供的效劳时，并不需要知道低层效劳的具体实现方法。的具体实现方法。 8接口接口interface接口是同一结点内相邻层之间交换信息的接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点连接点; ;同一个结点的相邻层之间存在着明确规定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效劳的接口，低层向高层通过接口提供效劳; ;只要接口条件不变、低层功能不变，低层只要接口条件不变、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。响整个系统的工作。9网络体系结构网络体系结构network
6、architecture一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集议集; ;网络协议是按层次结构来组织的；网络协议是按层次结构来组织的；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；体系结构；网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；确的定义；体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。和软件。 106.1.3 网络体系结构的研究方法网络体系结构的研究方法层次结构研究方法的优点层次结
7、构研究方法的优点各层之间相互独立各层之间相互独立;灵活性好灵活性好;各层都可以采用最适宜的技术来实现各层都可以采用最适宜的技术来实现;易于实现和维护易于实现和维护;有利于促进标准化。有利于促进标准化。 116.2 OSI参考模型参考模型6.2.1 OSI参考模型的根本概念参考模型的根本概念 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：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： 国际电报与国际电报与 咨询委员会咨询委员会 Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT ； 国际标准
8、化组织国际标准化组织 International Standards Organization ，ISO。CCITT与与ISO的工作领域是不同的：的工作领域是不同的： CCITT 主要是考虑通信标准的制定；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体系结构。主要是考虑信息处理与网络体系结构。12在在OSI中中 的的“开放是指只要遵循开放是指只要遵循OSI标准，标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样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；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：标准中，采用的是三级抽象： 体系
9、结构体系结构architecture； 效劳定义效劳定义service definition； 协议说明协议说明protocol specification。13体系结构体系结构开放系统的层次结构、层次之间的相互关系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效劳；及各层所包括的可能的效劳；作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；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。对网络内部结构最精炼地概括与描述。 14效劳定义效劳定义详细地说明了各层所提供的效劳；详细地说明了各层所提供的效劳；某一层的效劳就是该层及其以下各层的一种某一层的效劳就是该层及其以
10、下各层的一种能力；能力；低层的效劳是通过接口向上一层提供的低层的效劳是通过接口向上一层提供的; ;各层所提供的效劳与这些效劳是如何实现的各层所提供的效劳与这些效劳是如何实现的无关；无关；定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，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。但不涉及接口是具体实现的。 15协议说明协议说明OSI标准中的各种协议明确地定义了：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；应该发送什么样的控制信息；如何解释这个控制信息。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。协议的规程说明具有最严格的约束。 16OSI参考模型只是描述了一些
11、概念，用来协调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；进程间通信标准的制定；在在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时的协议相一致时才能互连；才能互连；OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制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。定标准时所使用的概念性的框架。 176.2.2 OSI参考模型的结构参考模型的结构 ISO划分七层结构的根本原那么划分七层结构的根本原那么网中各结点都具有相同的层次；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
12、能；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；同一结点内相邻层之间通过接口通信；每每一一层层可可以以使使用用下下层层提提供供的的效效劳劳，并并向向其其上上层层提提供供效劳；效劳；不不同同结结点点的的同同等等层层通通过过协协议议来来实实现现对对等等层层之之间间的的通通信。信。18OSI参考模型的结构参考模型的结构 19物物理理层层在数据链路层的在数据链路层的两个实体之间建两个实体之间建立、维持和释放立、维持和释放物理连接物理连接规定在物理层传规定在物理层传送送0、1数据的电数据的电参数波形、频参数波形、频率、电平率、电平规定所用的连接器机规定所用的连接器机械、电气、功能特
13、性械、电气、功能特性和规程特性和规程特性传送二进传送二进制位制位(bit)流流2.2.3 OSI参考模型中各层的主要功能参考模型中各层的主要功能20数数据据链链路路层层数据链路的数据链路的建立、维持建立、维持和释放和释放帧的分界帧的分界和同步和同步过失检测过失检测与控制与控制流量控制流量控制传送帧传送帧21网网络络层层路径选择路径选择网络中拥网络中拥塞控制塞控制传送分组传送分组IP数据报数据报22传传输输层层提供两个端系统提供两个端系统之间可靠、透明之间可靠、透明的数据传送的数据传送具有复用具有复用和分用和分用顺序控制顺序控制流量控制流量控制传送报文传送报文TCPUDP23会会话话层层传送报文
14、传送报文为通信的两个进为通信的两个进程建立会话连接，程建立会话连接，进行交换进行交换会话管理会话管理令牌管理令牌管理同步管理同步管理24表表示示层层信息格式的信息格式的转换数据转换数据编码编码数据的加密数据的加密和解密、压和解密、压缩与恢复缩与恢复OSI内部语法内部语法25应应用用层层为用户使用网为用户使用网络提供接口络提供接口26OSI网络参考模型功能表示网络参考模型功能表示276.2.4 OSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程1. OSI环境环境OSI environment 282. OSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程 296.2.5 面向连接效劳与无连接效劳面向连接
15、效劳与无连接效劳在网络体系结构中讨论的效劳可以分为通信子在网络体系结构中讨论的效劳可以分为通信子网对网络中数据传输所提供的效劳网对网络中数据传输所提供的效劳,与整个网络与整个网络系统为用户提供的效劳；系统为用户提供的效劳；通信子网的效劳是指通信子网对主机间数据传通信子网的效劳是指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性所提供的保证机制；输的效率和可靠性所提供的保证机制；通信效劳可以分为两大类：通信效劳可以分为两大类： 面向连接效劳面向连接效劳connect-oriented service； 无连接效劳无连接效劳connectless service。 301.1.面向连接效劳面向连接效劳2.2
16、.连接：两个数据实体为进行数据通信而进连接：两个数据实体为进行数据通信而进行的一种结合行的一种结合. .3.3.面向连接效劳过程：面向连接效劳过程：4.4.连接建立、数据传输、连接释放。连接建立、数据传输、连接释放。5.5.虚电路效劳：虚电路效劳：6.6.面向连接的效劳适应：一定时间内向同一面向连接的效劳适应：一定时间内向同一个目的地发送许多报文。个目的地发送许多报文。31面向连接效劳的特点面向连接效劳的特点面面向向连连接接效效劳劳的的数数据据传传输输过过程程必必须须经经过过连连接接建立、连接维护与释放连接的三个过程；建立、连接维护与释放连接的三个过程；面面向向连连接接效效劳劳的的在在数数据据
17、传传输输过过程程中中，各各分分组组可以不携带目的结点的地址；可以不携带目的结点的地址；面面向向连连接接效效劳劳的的传传输输连连接接类类似似一一个个通通信信管管道道，发发送送者者在在一一端端放放入入数数据据，接接收收者者从从另另一一端端取取出数据；出数据；面面向向连连接接数数据据传传输输的的收收发发数数据据顺顺序序不不变变，传传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。322 2 无连接效劳无连接效劳两实体间通信不需先建立好一个连接。灵两实体间通信不需先建立好一个连接。灵活方便和比较迅速。不能防止报文丧失、活方便和比较迅速。不能防止报文丧失、重复或失序，属不
18、可靠连接。重复或失序，属不可靠连接。适用：传送少量零星报文适用：传送少量零星报文33无连接效劳的特点无连接效劳的特点无无连连接接效效劳劳的的每每个个分分组组都都携携带带完完整整的的目目的的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；结点地址，各分组在系统中是独立传送的；无无连连接接效效劳劳中中的的数数据据传传输输过过程程不不需需要要经经过过连连接接建建立立、连连接接维维护护与与释释放放连连接接的的三三个个过过程；程；数数据据分分组组传传输输过过程程中中，目目的的结结点点接接收收的的数数据分组可能出现乱序、重复与丧失的现象；据分组可能出现乱序、重复与丧失的现象；无无连连接接效效劳劳的的可可靠靠性性不不
19、好好，但但是是协协议议相相对对简单，通信效率较高。简单，通信效率较高。34确认证实和重传机制的特点确认证实和重传机制的特点 网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证；制保证；确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组后，要求向发送结点发回接收分组确每个分组后，要求向发送结点发回接收分组确实认信息；实认信息；在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点确实认信息，就认为该数据分组发送失收结点确实认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；败，发送
20、结点重新发送该数据分组；确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂确实认和重传协议，但是它需要制定较为复杂确实认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。带宽。35有证实效劳与无证实效劳例如36 系统工作例如系统工作例如37效劳类型与效劳质量效劳类型与效劳质量通信协议四种类型：通信协议四种类型：面向连接与确认效劳；面向连接与确认效劳；面向连接与不确认效劳；面向连接与不确认效劳；无连接与确认效劳；无连接与确认效劳；无连接与不确认效劳。无连接与不确认效劳。设计者可以根据不同的通信要求
21、，决定选择不同设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的效劳类型。的效劳类型。 386.3 TCP/IP参考模型参考模型6.3.1 TCP/IP参考模型的开展参考模型的开展在在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；协议研究时，并没有提出参考模型；1974年年Kahn定义了最早的定义了最早的TCP/IP参考模型；参考模型；20世纪世纪80年代年代Leiner、 Clark等人对等人对TCP/IP参考模型进一步参考模型进一步的研究；的研究；TCP/IP协议一共出现了协议一共出现了6个版本，后个版本，后3个版本是版本个版本是版本4、版本、版本5与版本与版本6；目前我们使用的是版本目前我们使用
22、的是版本4，它的网络层，它的网络层IP协议一般记作协议一般记作IPv4 ；版本版本6的网络层的网络层IP协议一般记作协议一般记作IPv6或或IPng, IP next generation；IPv6被称为下一代的被称为下一代的IP协议。协议。39TCP/IP协议的特点协议的特点 开放的协议标准开放的协议标准;独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的计算机硬件与操作系统；独独立立于于特特定定的的网网络络硬硬件件，可可以以运运行行在在局局域域网网、广域网，更适用于互连网中；广域网，更适用于互连网中； 统统一一的的网网络络地地址址分分配配方方案案，使使得得整整个个TCP/IP设备在网中都具有惟
23、一的地址；设备在网中都具有惟一的地址；标标准准化化的的高高层层协协议议，可可以以提提供供多多种种可可靠靠的的用用户效劳。户效劳。406.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能参考模型各层的功能 应用层应用层application layer传输层传输层transport layer互连层互连层internet layer主机主机-网络层网络层host-to-network layer 41TCP/IP 参考模型与参考模型与 OSI 参考模型的对应关系参考模型的对应关系 42主机主机- -网络层网络层参参考考模模型型的的最最低低层层，负负责责通通过过网网络络发发送送和和接接收收IP数据报数据报;
24、允允许许主主机机连连入入网网络络时时使使用用多多种种现现成成的的与与流流行行的的协协议议，如如局局域域网网的的Ethernet、令令牌牌网网、分分组组交交换网的换网的X.25、帧中继、帧中继、ATM协议等协议等;当当一一种种物物理理网网被被用用作作传传送送IP数数据据包包的的通通道道时时，就可以认为是这一层的内容就可以认为是这一层的内容;充充分分表表达达出出TCP/IP协协议议的的兼兼容容性性与与适适应应性性，它也为它也为TCP/IP的成功奠定了根底。的成功奠定了根底。 43互连层互连层相当相当OSI参考模型网络层无连接网络效劳；参考模型网络层无连接网络效劳； 处理互连的路由选择、流控与拥塞问
25、题；处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；IP协协议议是是无无连连接接的的、提提供供“尽尽力力而而为为效效劳的网络层协议。劳的网络层协议。 44传输层传输层主主要要功功能能是是在在互互连连网网中中源源主主机机与与目目的的主主机机的对等实体间建立用于会话的端的对等实体间建立用于会话的端- -端连接；端连接；传传输输控控制制协协议议TCP是是一一种种可可靠靠的的面面向向连连接接协议；协议；用用户户数数据据报报协协议议UDP是是一一种种不不可可靠靠的的无无连连接协议接协议。 45应用层应用层应用层协议主要有：应用层协议主要有：网络终端协议网络终端协议Telnet；文件传输协议文件传输协议FTP；简单邮
26、件传输协议简单邮件传输协议SMTP；域名系统域名系统DNS；简单网络管理协议简单网络管理协议SNMP；超文本传输协议超文本传输协议HTTP。466.4 OSI参考模型与参考模型与TCP/IP参考模型的比较参考模型的比较6.4.1 对对OSI参考模型的评价参考模型的评价层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；插入；寻址、流控与过失控制在每一层里都重复出现，降低寻址、流控与过失控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；系统效率；数据平安性、加密与网络管
27、理在参考模型的设计初期数据平安性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；被忽略了；参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；于计算机与软件的工作方式；严格按照层次模型编程的软件效率很低。严格按照层次模型编程的软件效率很低。476.4.2 对对TCP/IP参考模型评价参考模型评价在在效效劳劳、接接口口与与协协议议的的区区别别上上不不很很清清楚楚，一一个个好好的的软软件件工工程程应应该该将将功功能能与与实实现现方方法法区区分分开开，参参考考模型不适合于其他非模型不适合于其他非TCP/IP协议族；协议族；TCP/IP参
28、参考考模模型型的的主主机机-网网络络层层本本身身并并不不是是实实际际的一层；的一层；物物理理层层与与数数据据链链路路层层的的划划分分是是必必要要和和合合理理的的，而而TCP/IP参考模型却没有做到这点。参考模型却没有做到这点。 486.5.1 网络协议标准组织网络协议标准组织 国际国际 电报咨询委员会电报咨询委员会CCITT国际电信联盟国际电信联盟ITU国际标准化组织国际标准化组织ISO 电子工业协会电子工业协会EIA电气与电子工程师协会电气与电子工程师协会IEEEATM论坛论坛 496.5.2 RFC文档文档 请求评价请求评价RFC文档从文档从1969年年ARPANET出现时就开始出现时就开
29、始存在；存在；它们是用于它们是用于Internet开发团体的最初的技术文档系列；开发团体的最初的技术文档系列；任何人都可以提交任何人都可以提交RFC文档，但它并不是一定会成为文档，但它并不是一定会成为标准，事实上很多标准，事实上很多RFC 文档都没有实现；文档都没有实现；RFC文档草案对于从事文档草案对于从事Internet技术研究与开发的技术技术研究与开发的技术人员是获得技术开展状况与动态的重要信息来源；人员是获得技术开展状况与动态的重要信息来源；读者可以很方便地从相关主机使用读者可以很方便地从相关主机使用FTP、Web和其他和其他的检索方式获取这些文档。的检索方式获取这些文档。 50数字命
30、名数字命名四个阶段四个阶段 Internet草案、提议标准、草案草案、提议标准、草案标准、因特网标准标准、因特网标准三种形式三种形式 实验性、信息性、历史性实验性、信息性、历史性五种状态：被要求、被推荐、被选择、受五种状态：被要求、被推荐、被选择、受限制使用、不推荐限制使用、不推荐51读读RFC文档时，需要注意的问题文档时，需要注意的问题一一是是需需要要确确定定它它是是最最新新的的文文档档，二二是是需需要要注注意意RFC文文档的类别；档的类别；所所有有的的RFC文文档档都都要要经经历历评评论论和和反反响响过过程程，并并且且在在这这一段时间内它们会被划分为不同的类别；一段时间内它们会被划分为不同
31、的类别；RFC文文档档一一旦旦被被提提交交，IFTF和和IAB组组织织将将审审查查RFC文文档，通过后可以成为一项标准；档，通过后可以成为一项标准；RFC文文档档按按照照它它开开展展与与成成熟熟的的过过程程可可以以分分为为标标准准、草草案标准、提案标准、实验性的、信息性或历史性的；案标准、提案标准、实验性的、信息性或历史性的；RFC文文档档又又可可以以分分为为被被要要求求、被被推推荐荐、被被选选择择、受受限限制使用或不被推荐。制使用或不被推荐。526.5.3 Internet管理机构管理机构 国家科学基金会国家科学基金会NSF Internet协会协会ISOCInternet体系结构委员会体系
32、结构委员会IABInternet工程任务组工程任务组IETFInternet工程指导委员会工程指导委员会IESGInternet研究任务组研究任务组IRTFInternet网络信息中心网络信息中心InterNICInternet地址分配授权机构地址分配授权机构IANAWWW联盟联盟 536.6 一种建议的参考模型一种建议的参考模型 54小结小结网网络络体体系系结结构构与与网网络络协协议议是是网网络络技技术术中中两两个个最最根根本本的概念；的概念；网网络络中中计计算算机机之之间间要要做做到到有有条条不不紊紊地地交交换换数数据据就就必必须须遵遵守守一一些些事事先先约约定定好好的的规规那那么么。这这
33、些些为为网网络络数数据据交交换换而而制制定定的的规规那那么么、约约定定与与标标准准被被称称为为网网络络协协议议。功能完备的网络需要制定一系列的协议；功能完备的网络需要制定一系列的协议；网网络络协协议议就就是是按按照照层层次次结结构构模模型型来来组组织织的的，网网络络层层次次结结构构模模型型与与各各层层协协议议的的集集合合定定义义为为计计算算机机网网络络体体系结构；系结构； ISO定定义义的的开开放放系系统统互互联联参参考考模模型型对对推推动动网网络络协协议议标准化的研究起到了重要的作用；标准化的研究起到了重要的作用； Internet的的广广泛泛应应用用使使TCP/IP协协议议成成为为事事实实上上的的标标准。准。 55
