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1、11.3 1.3 网络软件网络软件n协议层次协议层次n接口与服务接口与服务n各层的设计问题各层的设计问题n面向连接的服务和无连接的服务面向连接的服务和无连接的服务n服务和协议的关系服务和协议的关系2n对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结构，以达到：网络的结构，以达到：n结构清晰n简化设计与实现n便于更新与维护n较强的独立性和适应性解决：分而治之！解决：分而治之！ 一个生活中的例子：1.3.1 协议层次协议层次3哲学家-翻译-秘书结构4哲学家-翻译-秘书结构消息消息选择语言选择语言选择传真选择传真5哲学家-翻译-秘书结构消息消息选择语言选择
2、语言选择传真选择传真u一系列的步骤一系列的步骤u层次的观点：层次的观点： u每层实现一种特定的每层实现一种特定的服务服务u通过自己内部的功能通过自己内部的功能u依赖自己的下层提供的服务依赖自己的下层提供的服务6哲学家-翻译-秘书结构消息消息选择语言选择语言选择传真选择传真u每层都向上一层提供特定的服务服务u每层都把实现服务的细节对上一层屏蔽 u一方的第n层与另一方的第n层对话u对应层的实体称为对等体对等体u对话中用到的规则和约定统称为第n层协议协议u每层都通过接口接口享受下一层提供的服务7n问题：问题：n两个哲学家之间、两个两个哲学家之间、两个翻译之间，他们是在直翻译之间，他们是在直接通信吗？
3、接通信吗？n翻译、秘书各向谁提供翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？什么样的服务？n一方的哲学家与翻译、一方的哲学家与翻译、翻译与秘书之间的接口翻译与秘书之间的接口改变对另一方有影响吗改变对另一方有影响吗？n一方换翻译一方换翻译/秘书对通信秘书对通信有影响吗？有影响吗？消息消息选择语言选择语言选择传真选择传真哲学家-翻译-秘书结构81.3.1 1.3.1 协议层次协议层次n举例举例2：邮政特快专递模型：邮政特快专递模型9层次化方法在其它领域的应用n程序设计程序设计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，抽象数据类型、数据封装及面
4、向对象程序设操作系统，抽象数据类型、数据封装及面向对象程序设计。计。n邮政系统邮政系统n邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输n银行系统银行系统 n物流系统物流系统n101.3.1 1.3.1 协议层次协议层次n分层的好处分层的好处n每一层不需要知道下一层是如何实现的，只需每一层不需要知道下一层是如何实现的，只需要知道层间的接口和所提供的服务要知道层间的接口和所提供的服务n当某一层协议发生改变时不影响上下层协议当某一层协议发生改变时不影响上下层协议n结构上分开，各层可采用最适合的技术结构上分开，各层可采用最适合的技术n易于实现和维护易于实现和维护n促进标准化促
5、进标准化11计算机网络体系结构的定义计算机网络体系结构的定义n计算机网络中也采用了计算机网络中也采用了分层分层方法。方法。把复杂的问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。层上予以解决。n网络的层次结构方法要解决的问题：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？（网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层分层与功能与功能）n各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务服务与接口与接口）n通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（通信双方的数据
6、传输要遵循哪些规则？（协议协议）12n计算机网络中，层层和协议协议的集合被称为计算机网络计算机网络体系结构体系结构。n换句话说：体系结构包括两个内容：换句话说：体系结构包括两个内容：分层结构与每层的分层结构与每层的协议。协议。n每层实现的细节和层间的接口规范并不属于网络体系结构的内容。n最早的网络体系结构源于IBM的SNA；n其它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/RM；n实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构体系结构n事实上的标准计算机网络体系结构的定义计算机网络体系结构的定义13 协议协议n人际交流的协议人际交流的协议:n人类之间
7、n“现在几点了?”n“10点.”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：协议： 定义定义网络实体间网络实体间发送和接收发送和接收报文的格式、顺序以及当传报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取的行送和接收消息时应采取的行动。动。（语义、语法和时序语义、语法和时序）14人相互交流的协议和通信协议之间的对比HiHiWhats thetime?2:00请求连接传送文件：xxxxx.xxxtime连接确认15通信协议的三要素通信协议的
8、三要素n语义语义n对协议中各协议元素的含义的解释，例如：对协议中各协议元素的含义的解释，例如：n在在HDLC协议中，标志协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束表示报文的开始和结束n在在BSC协议中，协议中，SOH(01H)表示报文的开始，表示报文的开始，STX(02H)表示报表示报文正文的开始，文正文的开始，ETX(03H)表示报文正文的结束表示报文正文的结束n语法语法n协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：n时序时序n通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则Flag Address Ctrl
9、DataFCSS FlagSOHHEADSTXTEXTETX BCCBSCHDLC16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时序例时序例释放连接释放连接数据传输数据传输建立连接建立连接171.3.1 1.3.1 协议层次协议层次n协议协议n计算机网络的同等层次中，通信双方进行信息计算机网络的同等层次中，通信双方进行信息交换时必须遵守的规则和约定交换时必须遵守的规则和约定n第第n n层协议层协议n一台机器上的第一台机器上的第n n层与另一台机器上的第层与另一台机器上的第n n层进层进行对话，对话中用到的规则和约定合起来称为行对话，对话中用到的规则和约定合起来称为第第n n
10、层协议层协议181.3.1 1.3.1 协议层次协议层次n对等体对等体n不同机器里包含对应层的实不同机器里包含对应层的实体，对等体用体，对等体用协议协议进行通信进行通信n接口接口n定义了下层向上层提供哪些定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务原语操作和服务n网络体系结构网络体系结构n层和协议的集合层和协议的集合n协议栈协议栈n一个特定系统所使用的一组一个特定系统所使用的一组协议（每层一个协议）协议（每层一个协议）n注注n物理介质上进行的是物理介质上进行的是实通信实通信n对等体间进行的是对等体间进行的是虚拟通信虚拟通信层、协议和接口层、协议和接口19对等层通信的实质对等层通信的实质n网络分层体系
11、结构原理网络分层体系结构原理禁止禁止不同主机的对等不同主机的对等层之间进行层之间进行直接通信直接通信。(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。与另一台主机的对等层通信。n上层上层使用使用下层提供的服务下层提供的服务Service user；n下层向上层下层向上层提供提供服务服务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：邮政通信例：邮政通信201.3.2 1.3.2 各层的设计问题各层的设计问题n编址机制
12、编址机制n数据传输规则数据传输规则n差错控制差错控制n流量控制流量控制n报文的分割与重组报文的分割与重组n顺序控制顺序控制n多路复用多路复用n路由选择路由选择21数据传输规则数据传输规则n单工通信单工通信（simplex communicationsimplex communication）n数据仅在一个方向上传输数据仅在一个方向上传输（例：无线电广播）（例：无线电广播）n半双工通信半双工通信（half-duplex communicationhalf-duplex communication）n数据能在任意一个方向上传输，但不能同时数据能在任意一个方向上传输，但不能同时双向传输双向传输（例：
13、对讲机）（例：对讲机）n全双工通信全双工通信（full-duplex communicationfull-duplex communication）n数据能同时双向传输数据能同时双向传输（例：电话）（例：电话）22发送器发送器接收器接收器单工方式：单工方式：发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器全双工方式：全双工方式：A站站B站站可同时发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器半双工方式：半双工方式：不可同时231.3.3 1.3.3 面向连接服务和无连接服务面向连接服务和无连接服务n面向连接的服务面向连接的服务（connection-oriented servicec
14、onnection-oriented service）n在使用时要先建立连接在使用时要先建立连接n使用该连接传输数据使用该连接传输数据n释放连接释放连接 n无连接服务无连接服务（connectionless serviceconnectionless service） n不需要建立和释放连接，直接传输数据不需要建立和释放连接，直接传输数据n每个报文都带有完整的地址，并且每个报文都每个报文都带有完整的地址，并且每个报文都独立于其它报文，由系统选定的路线传递独立于其它报文，由系统选定的路线传递241.3.3 1.3.3 面向连接服务和无连接服务面向连接服务和无连接服务n可靠的服务可靠的服务n让接收
15、方向发送方确认收到了一条消息让接收方向发送方确认收到了一条消息n不可靠的服务不可靠的服务n接收方接收方不必不必向发送方确认收到了一条消息向发送方确认收到了一条消息25n面向连接服务的类型面向连接服务的类型n可靠的面向连接服务可靠的面向连接服务n报文序列：要保持报文的边界报文序列：要保持报文的边界n字节流：只是一个字节流，没有任何报文边界字节流：只是一个字节流，没有任何报文边界n例：发送方发送两个例：发送方发送两个10241024字节的报文，当字节的报文，当20482048字节到字节到达接收方时候；对于达接收方时候；对于报文流报文流，收到的是两个独立的报，收到的是两个独立的报文，每个报文大小是文
16、，每个报文大小是10241024字节，而对于字节，而对于字节流字节流，没有，没有报文的边界，接收到的是一个报文的边界，接收到的是一个20482048字节的数据单元字节的数据单元n不可靠的面向连接服务不可靠的面向连接服务n如：视频会议如：视频会议1.3.3 1.3.3 面向连接服务和无连接服务面向连接服务和无连接服务261.3.3 1.3.3 面向连接服务和无连接服务面向连接服务和无连接服务n无连接服务的类型无连接服务的类型n数据报服务数据报服务n特点是不需接收端作任何响应特点是不需接收端作任何响应n是一种不可靠的服务是一种不可靠的服务n有确认的数据报服务有确认的数据报服务n对每一个报文产生一个
17、确认给发送方对每一个报文产生一个确认给发送方n是一种可靠的服务是一种可靠的服务n请求请求- -应答服务应答服务n数据报是接收方每收到一个报文，就向发送方发送一数据报是接收方每收到一个报文，就向发送方发送一个应答报文个应答报文n通常被用于实现客户通常被用于实现客户/ /服务器模式下的通信服务器模式下的通信27Connection Oriented Connectionless参考模式参考模式电话系统电话系统邮政系统邮政系统特点特点静态分配资源；传输静态分配资源；传输前需要建立连接前需要建立连接动态分配资源动态分配资源可靠性可靠性提供的传输服务：无错、提供的传输服务：无错、按序、无丢失按序、无丢失
18、/无重复无重复不能防止报文的损坏、失不能防止报文的损坏、失序、丢失和重复序、丢失和重复对目的地址对目的地址 的要求的要求仅在连接阶段需要完整的仅在连接阶段需要完整的目的地址目的地址需要为每一个报文提供完需要为每一个报文提供完整的目的地址整的目的地址适用场合适用场合在一段时间内向同一目的地在一段时间内向同一目的地发送大量报文发送大量报文; 实时性要求实时性要求少量零星报文少量零星报文分类及示例分类及示例1.可靠可靠报文流报文流- 文件传输文件传输2.可靠字节流可靠字节流 - 远程登录远程登录3.不可靠连接不可靠连接 - 视频会议视频会议1.不可靠的数据报不可靠的数据报 - 垃圾邮件垃圾邮件2.可
19、靠的数据报可靠的数据报 - 挂号邮件挂号邮件3.请求应答请求应答 - 数据库查询数据库查询1.3.3 1.3.3 面向连接服务和无连接服务面向连接服务和无连接服务281.3.4 1.3.4 服务原语服务原语n一个一个服务服务在形式上是由一组在形式上是由一组原语原语来描述的，来描述的，用户进程通过这些原语可以访问该服务用户进程通过这些原语可以访问该服务n原语告诉该服务执行某个动作，或将某个原语告诉该服务执行某个动作，或将某个对等体所执行的动作报告给客户对等体所执行的动作报告给客户291.3.4 1.3.4 服务原语服务原语n举例：用于实现一个简单的面向连接服务的举例：用于实现一个简单的面向连接服
20、务的5 5个个服务原语服务原语原语原语含义含义LISTENLISTEN阻塞操作，等待一个进入的连接阻塞操作，等待一个进入的连接CONNECTCONNECT与一个正在等待的对等体建立连接与一个正在等待的对等体建立连接RECEIVERECEIVE阻塞操作，等待一个进入的报文阻塞操作，等待一个进入的报文SENDSEND给对等体发送一个报文给对等体发送一个报文DISCONNECTDISCONNECT终止一个连接终止一个连接301.3.4 1.3.4 服务原语服务原语n在一个面向连接的网络中，简单的客户在一个面向连接的网络中，简单的客户- -服服务器交互过程中发送的分组务器交互过程中发送的分组311.3
21、.5 1.3.5 服务和协议的关系服务和协议的关系n服务服务n是某层向它上一层提供的是某层向它上一层提供的一组原语一组原语，但不涉及该操，但不涉及该操作是如何完成的作是如何完成的n服务定义了两层之间的接服务定义了两层之间的接口，上层是口，上层是服务的用户服务的用户，下层是下层是服务的提供者服务的提供者；n协议协议n是一组规则，用来规定同是一组规则，用来规定同一层上的对等体之间所交一层上的对等体之间所交换的消息或分组的格式和换的消息或分组的格式和含义含义32思考题：思考题：n计算机网络的计算机网络的体系结构体系结构n分为几层比较好？分为几层比较好？n怎么分怎么分(即每一层完成什么功能或提供什么服
22、务即每一层完成什么功能或提供什么服务)？主机和通信子网间的关系主机和通信子网间的关系331.4 1.4 参考模型参考模型nOSIOSI参考模型参考模型nTCP/IPTCP/IP参考模型参考模型341.4.1 OSI1.4.1 OSI参考模型参考模型nOSIOSI参考模型参考模型（Open System Interconnection Open System Interconnection Reference ModelReference Model）n国际标准化组织（国际标准化组织（ISOISO）正式发布的标准，）正式发布的标准，由七由七层构成层构成两节点间节点间可靠的数据传输Ethernet
23、, X.25, ATM, 1. 传输0/12. 36两端点间可靠的透明数据传输（应用进程间的逻辑通信应用进程间的逻辑通信）通信子网通信子网沿两主机间的最佳路由传输数据（主机间的逻辑通信）（主机间的逻辑通信）Ethernet, X.25, ATM, 4. 3. 37OSIOSI参考模型高三层协议参考模型高三层协议5. 5. 会话层会话层允许不同机器上的用户之间建立会话允许不同机器上的用户之间建立会话会话：会话：指各种服务，包括对话控制、令牌管理、同步功能指各种服务，包括对话控制、令牌管理、同步功能6. 6. 表示层表示层解决用户信息的语义、语法表示问题解决用户信息的语义、语法表示问题实现不同信息
24、格式和编码之间的转换实现不同信息格式和编码之间的转换7. 7. 应用层应用层包含了直接针对用户需要的协议包含了直接针对用户需要的协议如：如：HTTPHTTP、文件传输、电子邮件、远程登录等、文件传输、电子邮件、远程登录等38OSI/RMnOSI/RM的体系结构分为的体系结构分为7层层应用层应用层Application表示层表示层Presentation会话层会话层Session传输层传输层Transport物理层物理层Physical数据链路层数据链路层Data Link网络层网络层Network7654321为网络应用提供服务为网络应用提供服务数据表示数据表示在用户间建立会话关系在用户间建立
25、会话关系不同主机进程间的通信不同主机进程间的通信在主机间传输分组在主机间传输分组在节点间可靠地传输帧在节点间可靠地传输帧位流的透明传输位流的透明传输39物理层物理层(physical layer)(physical layer)n传输原始比特流，处理机械的、电气的和时传输原始比特流，处理机械的、电气的和时序的接口及物理传输介质等问题序的接口及物理传输介质等问题n如：如：n用多少伏电压表示用多少伏电压表示“1 1”，多少伏电压表示，多少伏电压表示“0 0”n一个比特持续多少纳秒一个比特持续多少纳秒n单工、双工还是半双工单工、双工还是半双工n最初物理连接如何建立、完成通信后，连接如何最初物理连接如
26、何建立、完成通信后，连接如何终止终止n网络接插件有多少针，各个针的用途网络接插件有多少针，各个针的用途40数据链路层的任务数据链路层的任务两节点间节点间可靠的数据传输Ethernet, X.25, ATM, 41n任务：在两个任务：在两个相邻节点相邻节点间可靠地传输数据，使之间可靠地传输数据，使之对网络层呈现为一条无错的链路。对网络层呈现为一条无错的链路。n功能与服务：功能与服务：n组帧组帧：帧封装，按顺序传送；：帧封装，按顺序传送；n定界与同步定界与同步：产生：产生/识别帧边界；识别帧边界；n差错检测差错检测/恢复恢复：如果是可靠的服务，则接收如果是可靠的服务，则接收方必须确认每个已正确接收
27、的帧方必须确认每个已正确接收的帧；n流量控制流量控制：防止高速的发送方防止高速的发送方“淹没淹没”低速接低速接收方收方。n在广播式网络中，控制对在广播式网络中，控制对共享信道共享信道的访问。的访问。数据链路层数据链路层（data link layer）42n共享信道问题共享信道问题(LAN or Wireless)：n如何控制对如何控制对共享信道共享信道的访问？的访问？n将数据链路层划分为将数据链路层划分为n逻辑链路控制逻辑链路控制(Logical Link Control, LLC)n介质访问控制介质访问控制(Media Access Control, MAC)n由由MAC子层解决共享介质访
28、问控制问题。子层解决共享介质访问控制问题。数据链路层数据链路层（data link layer）43数据链路层的任务数据链路层的任务两节点间节点间可靠的数据传输Ethernet, X.25, ATM, 网络层的任务网络层的任务沿两主机间的最佳路由传输数据（主机间的逻辑通信）（主机间的逻辑通信）Ethernet, X.25, ATM, 44n 网络层（网络层（network layer/internet layer）n任务：选择合适的路由，把分组从源主机任务：选择合适的路由，把分组从源主机传送到目的主机。传送到目的主机。n功能与服务：功能与服务：n异构网络互连异构网络互连n路由选择路由选择n网络
29、流量控制网络流量控制n服务质量等服务质量等45网络层的任务网络层的任务沿两主机间的最佳路由传输数据（主机间的逻辑通信主机间的逻辑通信）Ethernet, X.25, ATM, 传输层的任务传输层的任务两端点间可靠的透明数据传输（应用进程间的逻辑通信应用进程间的逻辑通信）通信子网通信子网46n 传输层（传输层（transport layer）n任务：在源端与目的端之间提供可靠的透明数据任务：在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输，使上层服务用户不必关心通信子网的实现传输，使上层服务用户不必关心通信子网的实现细节。细节。n接收来自上层的数据，并在必要时把这些数据分割成接收来自上层的数据，并在必要
30、时把这些数据分割成小的单元，然后把数据单元传递给网络层，并确保这小的单元，然后把数据单元传递给网络层，并确保这些数据片段都能到达另一端些数据片段都能到达另一端n传输层的特点传输层的特点n以上各层：面向应用，本层及以下各层：面向传输；以上各层：面向应用，本层及以下各层：面向传输；n只存在于端主机中；只存在于端主机中；n实现源主机到目的主机实现源主机到目的主机“端到端端到端”的连接；的连接；n在这一点上与网络层的区别是什么？在这一点上与网络层的区别是什么？n网络层：为网络层：为主机之间主机之间提供逻辑传输提供逻辑传输n传输层：为传输层：为应用进程之间应用进程之间提供逻辑传输提供逻辑传输47OSIO
31、SI参考模型如何传输数据参考模型如何传输数据-封装和解封装封装和解封装48OSI Model Data Flow-Encapsulating & De-encapsulating Data 49OSI Model Data Flow-Encapsulating & De-encapsulating Data 50OSI Model Data Flow-Encapsulating & De-encapsulating Data 地地址址？51OSI Model Data Flow-Encapsulating & De-encapsulating Data u在目的站，某一层只能识别由源站对等层封
32、装的在目的站，某一层只能识别由源站对等层封装的“信封信封”u对于被封装在对于被封装在“信封信封”内部的内部的“数据数据”仅仅是拆封仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。后将其提交给上层，本层不作任何处理。u每一层只处理本层的协议头部！每一层只处理本层的协议头部！52OSI Model Data Flow-Encapsulating & De-encapsulating Data u协议：对等体用协议进行通信协议：对等体用协议进行通信u接口：定义了下层向上层提供哪些原语操作和服接口：定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务务u协议栈：一个特定系统所使用的一组协议（每层协议栈：一个特定系统所
33、使用的一组协议（每层一个协议，一个协议，协议和层的关系？协议和层的关系？）53OSI Model Data Flow-Encapsulating & De-encapsulating Data 集线器交换机/网桥路由器网关 Gateway54广域网（回顾）广域网（回顾）n通信子网通信子网（简称子网）（简称子网）的功能的功能n把消息从主机传到另一台主机把消息从主机传到另一台主机n广域网中子网由两个独立部分组成广域网中子网由两个独立部分组成n传输线和交换单元传输线和交换单元主机和通信子网间的关系主机和通信子网间的关系55应用层应用层应用层应用层会话层会话层会话层会话层表示层表示层表示层表示层传输层
34、传输层传输层传输层网络层网络层网络层网络层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层物理层物理层物理层物理层应用层应用层应用层应用层会话层会话层会话层会话层表示层表示层表示层表示层传输层传输层传输层传输层网络层网络层网络层网络层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层物理层物理层物理层物理层物理层物理层物理层物理层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层网络层网络层网络层网络层系统系统系统系统 A A A A系统系统系统系统 B B B B通信子网边界物理层物理层物理层物理层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层网络层网络层网络层网络层传输层？传输层？传输层？传输层？传输层只存在于端主机中传输
35、层只存在于端主机中56应用层应用层应用层应用层会话层会话层会话层会话层表示层表示层表示层表示层传输层传输层传输层传输层网络层网络层网络层网络层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层物理层物理层物理层物理层应用层应用层应用层应用层会话层会话层会话层会话层表示层表示层表示层表示层传输层传输层传输层传输层网络层网络层网络层网络层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层物理层物理层物理层物理层系统系统系统系统 A A A A系统系统系统系统 B B B B比特比特比特比特帧帧帧帧包包包包/ / / /分组分组分组分组报文报文报文报文报文报文报文报文报文报文报文报文报文报文报文报文信息交换单位信息交换单位信息交换单位信息交换单位通信子网边界物理层物理层物理层物理层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层网络层网络层网络层网络层物理层物理层物理层物理层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层网络层网络层网络层网络层
