認識網(wǎng)絡體系結構層次模型講義

1、項目2：認識網(wǎng)絡體系結構層次模型項目主題： 描述網(wǎng)絡的結構，包括成功通信所需的設備和介質。 說明協(xié)議在網(wǎng)絡通信中的功能。 說明使用分層模型來描述網(wǎng)絡功能的優(yōu)點。 描述以下兩種公認網(wǎng)絡模型中每一層的作用：TCP/IP 模型和 OSI 模型。 “術語表”任務1 認識網(wǎng)絡體系結構 “網(wǎng)絡體系結構”是指支持基礎架構的技術以及通過該基礎架構傳輸消息的編程服務和協(xié)議。 隨著 Internet 和通用網(wǎng)絡的發(fā)展變化，我們發(fā)現(xiàn)底層體系結構必需解決以下四個基本特性才能滿足用戶的期望：容錯能力、可擴展性、服務質量、安全性。 參看思科網(wǎng)院 第一章1.4節(jié)網(wǎng)絡通信的基本要素對于個人和企業(yè)來說，能與身處任意地域的任何人

2、進行可靠通信正變得越來越重要。為了即時傳輸全世界人們交換的數(shù)百萬條消息，我們需要依靠很多數(shù)據(jù)和信息網(wǎng)絡互連而成的一張大網(wǎng)。雖然這些數(shù)據(jù)或信息網(wǎng)絡的大小和功能各異，但所有網(wǎng)絡都有四個共同的基本要素：用于管理消息如何發(fā)送、定向、接收和解釋的規(guī)則或協(xié)議將會從一個設備傳送到另一設備的消息或信息單位互聯(lián)這些設備的工具，也就是可以將消息從一個設備傳輸?shù)搅硪辉O備的介質彼此之間要交換消息的設備任務2 認識網(wǎng)絡協(xié)議 協(xié)議的三要素：語法、語義和時序（定時） 參看思科網(wǎng)院 第二章 2.1節(jié) 通信平臺通信的三要素分段多路復用 2.3節(jié) 協(xié)議 2.4節(jié)分層模型 思考：分層的優(yōu)勢任務3：認識網(wǎng)絡分層模型協(xié)議模型和參考模型

3、協(xié)議模型提供了與特定協(xié)議簇結構精確匹配的模型。協(xié)議簇中分層的一組相關協(xié)議通常代表連接以人為本的網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡所需的全部功能。TCP/IP 模型描述了 TCP/IP 協(xié)議簇中每個協(xié)議層實現(xiàn)的功能，因此屬于協(xié)議模型。參考模型為各類網(wǎng)絡協(xié)議和服務之間保持一致性提供了通用的參考。參考模型的目的并不是作為一種實現(xiàn)規(guī)范，也不是為了提供充分的詳細信息來精確定義網(wǎng)絡體系結構的服務。參考模型的主要用途是幫助人們更清晰地理解涉及的功能和過程。開放式系統(tǒng)互聯(lián) (OSI) 模型是最廣為人知的網(wǎng)際網(wǎng)絡參考模型，用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡設計、操作規(guī)范和故障排除。盡管 TCP/IP 模型和 OSI 模型是討論網(wǎng)絡功能時使用的主要模型，

4、但網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡服務或網(wǎng)絡設備的設計人員也可以自行創(chuàng)建模型來代表自己的產(chǎn)品。不過，設計人員最終還是需要將自己的產(chǎn)品或服務與 OSI 模型和 TCP/IP 模型之中任一或全部相關聯(lián)才能與行業(yè)通信。任務4 ：OSI參考模型OSI 模型最初由國際標準化組織 (ISO) 設計，旨在提供一套開放式系統(tǒng)協(xié)議的構建框架。其初衷是希望使用這套協(xié)議開發(fā)一個獨立于私有系統(tǒng)的國際網(wǎng)絡。不過，由于基于 TCP/IP 協(xié)議的 Internet 迅速得到廣泛采用并且擴展速度極快，致使 OSI 協(xié)議簇的制定和認可相對滯后。但即使目前只有少數(shù)使用 OSI 規(guī)范制定的協(xié)議得到了廣泛使用，七層 OSI 模型對適用于所有新興網(wǎng)絡類

5、型的其它協(xié)議的制定和產(chǎn)品的開發(fā)作出的貢獻也不容忽視。作為一種參考模型，OSI 模型詳細羅列了每一層可以實現(xiàn)的功能和服務。它還描述了各層與其上、下層之間的交互。雖然本課程將圍繞 OSI 模型組織內容，但是 TCP/IP 協(xié)議棧中確定的協(xié)議將是我們討論的重點。請注意，我們提及 TCP/IP 模型的各層時只使用其名稱，而提及 OSI 模型的七個層時則通常使用編號而非名稱。 動畫：認識OSI參考模型2.2.1 局域網(wǎng) 為家庭、建筑或園區(qū)提供服務的網(wǎng)絡視為局域網(wǎng)（LAN） 網(wǎng)絡基礎架構在以下方面可能存在巨大差異: 覆蓋的區(qū)域大小 連接的用戶數(shù)量 可用的服務數(shù)量和類型2.2.2 廣域網(wǎng) 分布于不同地區(qū)的局

6、域網(wǎng)由稱為廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡連接在一起2.2.3 The Internet 由多個網(wǎng)絡組成的網(wǎng)絡 internet由相互連接的網(wǎng)絡組成. LANs 和 WANs 可連接成網(wǎng)際網(wǎng)絡.2.2.4 網(wǎng)絡表示方式 需要牢記的重要術語包括:網(wǎng)絡接口卡 物理端口接口2.4 使用分層模型2.4.1 使用分層模型的優(yōu)點 有助于協(xié)議設計，因為對于在特定層工作的協(xié)議而言，它們的工作方式及其與上下層之間的接口都已經(jīng)確定 促進競爭，因為可以同時使用不同廠商的產(chǎn)品。 避免一個協(xié)議層的技術或功能變化影響相鄰的其它層。 提供了描述網(wǎng)絡功能和能力的通用語言2.4.2 協(xié)議模型和參考模型 網(wǎng)絡模型有兩種基本類型：協(xié)議模型和參考模型2

7、.4.3 TCP/IP 模型OSI Model OverviewData Flow LayersTransport LayerData Link Network LayerPhysicalApplication (Upper) LayersSessionPresentationApplicationRole of Application LayersTelnetFTPUser InterfaceEXAMPLESApplicationTelnetFTPASCIIEBCDICJPEGUser InterfaceHow data is presentedSpecial processing such

8、 as encryptionEXAMPLESPresentationApplicationRole of Application LayersTelnetFTPASCIIEBCDICJPEGKeeping different applications data separateUser InterfaceHow data is presentedSpecial processing such as encryptionOperating System/Application Access SchedulingEXAMPLESSessionPresentationApplicationRole

9、of Application LayersKeeping different applications data separateUser InterfaceHow data is presentedSpecial processing such as encryptionTelnetFTPASCIIEBCDICJPEGOperating System/Application Access SchedulingTransport LayerData Link Network LayerPhysicalEXAMPLESSessionPresentationApplicationRole of A

10、pplication LayersRole of Data Flow LayersEIA/TIA-232V.35EXAMPLESPhysical Move bits between devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cables802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35EXAMPLESRole of Data Flow LayersData LinkPhysical Combines bits into bytes and bytes into frames Access to media using MA

11、C address Error detection not correction Move bits between devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cables802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPXEXAMPLESRole of Data Flow LayersNetwork Data LinkPhysical Combines bits into bytes and bytes into frames Access to media using MAC address Error det

12、ection not correction Move bits between devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cablesProvide logical addressing which routers use for path determinationTCPUDPSPX802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPXEXAMPLESRole of Data Flow LayersTransport Data LinkPhysical Reliable or unreliable delivery

13、 Error correction before retransmit Combines bits into bytes and bytes into frames Access to media using MAC address Error detection not correction Move bits between devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cablesNetwork Provide logical addressing which routers use for path determinationTCP

14、UDPSPX802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPXPresentationApplicationSessionEXAMPLESRole of Data Flow Layers Reliable or unreliable delivery Error correction before retransmit Combines bits into bytes and bytes into frames Access to media using MAC address Error detection not correction Move bits betwe

15、en devices Specifies voltage, wire speed and pin-out cablesTransport Data LinkPhysical Network Provide logical addressing which routers use for path determination2.4.7 OSI 模型應用層為以人為本網(wǎng)絡中的不同個人之間提供了使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡實現(xiàn)端到端連接的方法.表示層對應用層服務之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)規(guī)定了通用的表示方式.會話層為表示層提供組織對話和管理交換的服務.傳輸層為終端設備之間的每個通信定義了數(shù)據(jù)分段、傳輸和重組服務.網(wǎng)絡層為所標識的

16、終端設備直接按通過網(wǎng)絡交換一個個數(shù)據(jù)的片段提供服務.數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議描述了設備之間通過公共介質.物理層協(xié)議描述的機械、電氣、功能和操作方法用于激活、維護和停用網(wǎng)絡設備之間比特傳輸使用的物理連接. 認識OSI參考模型案例 QQ傳輸信息過程（1） 信息的編輯和發(fā)送當編輯好一條信息如“你好”后，單擊發(fā)送按鈕，這樣一條信息就可以通過網(wǎng)絡傳出去了。 1. 數(shù)據(jù)發(fā)送 認識OSI參考模型 QQ傳輸信息過程（2） 建立連接當計算機把“你好”轉換成二進制之后，就可以進行傳輸了。首先，要想把這樣一條信息傳輸出去，必須和對方的計算機建立連接，同時使雙方的信息都能夠相互識別，就是要為不同計算機間提供公共語言，這兩個任務

17、是由OSI參考模型中表示層和會話層完成的，會話層負責通信鏈路連接，表示層則負責雙方能夠順利通信。 1. 數(shù)據(jù)發(fā)送 認識OSI參考模型（3） 信息容錯不管我們發(fā)送什么信息，在傳輸時都要檢測傳輸線路的容錯性。這一過程由OSI模型的傳輸層完成。 1. 數(shù)據(jù)發(fā)送 認識OSI參考模型（4） 路徑選擇網(wǎng)絡傳輸上，每一條信息都是有地址的，就像我們寄信一樣，尋找地址的工作就由OSI模型的第三層網(wǎng)絡層來完成。 1. 數(shù)據(jù)發(fā)送 認識OSI參考模型（5） 數(shù)據(jù)糾錯與建立鏈接要發(fā)送的信息地址找到后，就要進行數(shù)據(jù)的糾錯，如果發(fā)現(xiàn)信息有錯誤，則通知上層重新整理發(fā)送，如果信息無誤，則進行物理鏈路的鏈接。這一功能主要由OSI

18、模型數(shù)據(jù)鏈路層來完成。 1. 數(shù)據(jù)發(fā)送 認識OSI參考模型 QQ傳輸信息過程（6） 數(shù)據(jù)發(fā)送信息地址被確認之后，就要進行信息編碼的傳輸了 。 1. 數(shù)據(jù)發(fā)送 認識OSI參考模型 QQ傳輸信息過程（1） 接收數(shù)據(jù)對于接收方計算機來說，首先，信息由網(wǎng)線傳送到的網(wǎng)卡上，執(zhí)行接收過程。 2. 數(shù)據(jù)接收（2） 數(shù)據(jù)檢測當數(shù)據(jù)被接收時，會進行數(shù)據(jù)檢測，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤，則發(fā)出通知，要求對方重新發(fā)送；若信息正確，則接收信息（如“你好”），然后拆除鏈路。 認識OSI參考模型 QQ傳輸信息過程（3） 信息確認與會話結束當信息被接收到計算機后，由高層進行數(shù)據(jù)確認，然后發(fā)送收到確認，結束會話。這一過程是由接收方計算

19、機的傳輸層和會話層完成的 。 2. 數(shù)據(jù)接收 認識OSI參考模型（4） 發(fā)送完畢，編碼轉化到此，通過QQ發(fā)送的“你好”兩個字發(fā)送完畢，只不過發(fā)到目的計算機上的仍然是二進制編碼，由接收方的計算機轉換成“你好”二字，然后顯示在屏幕上。如果對方再發(fā)回一條信息，則又會重新建立一條鏈路，道理和前面講述的完全一樣。 2. 數(shù)據(jù)接收Protocol Data Unit（PDU） 協(xié)議層的協(xié)議在對等層之間交換的信息叫協(xié)議數(shù)據(jù)單元。Message（流）PacketFrameBitSegment封裝數(shù)據(jù)封裝 （ encapsulate/encapsulation）：數(shù)據(jù)要通過網(wǎng)絡進行傳輸，要從高層一層一層的向下傳

20、送，如果一個主機要傳送數(shù)據(jù)到別的主機,先把數(shù)據(jù)包裝到一個特殊協(xié)議報頭中，這個過程叫封裝。數(shù)據(jù)解封裝數(shù)據(jù)被封裝并通過網(wǎng)絡傳輸后，接收設備將刪除添加的信息，并根據(jù)報頭中的信息決定如何將數(shù)據(jù)沿協(xié)議棧向上傳給合適的應用程序。數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程31InternetHello!IP包頭數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程32Hello物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層會話層表示層應用層 比特 幀 報文段PDUHelloTCP/UDP頭HelloIP包頭LLC子層TCP/UDP頭HelloIP包頭LLC子層MAC子層TCP/UDP頭HelloTCP/UDP頭高層數(shù)據(jù)MAC子層LLC子層FCSIP包頭數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程3

21、3Hello物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層會話層表示層應用層 比特 幀 報文段PDUHelloTCP/UDP頭HelloIP包頭LLC子層MAC子層TCP/UDP頭HelloIP包頭LLC子層MAC子層FCSTCP/UDP頭HelloTCP/UDP頭高層數(shù)據(jù)LLC子層Encapsulating DataTransport Data LinkPhysical Network Upper Layer DataUpper Layer DataTCP HeaderDataIP HeaderDataLLC Header0101110101001000010DataMAC HeaderPresentatio

22、nApplicationSessionSegmentPacketBitsFramePDUFCSFCSUpper Layer DataDe-encapsulating DataLLC Hdr + IP + TCP + Upper Layer DataMAC HeaderIP + TCP + Upper Layer DataLLC HeaderTCP+ Upper Layer DataIP HeaderUpper Layer DataTCP Header0101110101001000010Transport Data LinkPhysical Network PresentationApplic

23、ationSession2.4.4 通信過程 完整的通信過程包括以下步驟:1.在發(fā)送方源終端設備的應用層創(chuàng)建數(shù)據(jù)2.當數(shù)據(jù)在源終端設備中沿協(xié)議棧向下傳遞時對其分段和封裝3.在協(xié)議棧網(wǎng)絡接入層的介質上生成數(shù)據(jù)4.通過由介質和任意中間設備組成的網(wǎng)際網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)5.在目的終端設備的網(wǎng)絡接入層接收數(shù)據(jù)6.當數(shù)據(jù)在目的設備中沿協(xié)議棧向上傳遞時對其解封和重組7.將此數(shù)據(jù)傳送到目的終端設備應用層的目的應用程序任務5 運行在OSI參考模型不同層次中的設備第一層：運行在物理層的設備集線器的特點及其工作原理沖突(collision):在以太網(wǎng)中,當兩個節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)時,從兩個設備發(fā)出的幀將會碰撞,在物理介質上相

24、遇,彼此數(shù)據(jù)都會被破壞.沖突域(collision domain):在以太網(wǎng)中會引起沖突的這一個區(qū)域.沖突是在第一層(物理層)發(fā)生的.廣播域(broadcast domain):網(wǎng)絡中能接收任一設備發(fā)出的廣播幀的所有設備的集合,也就是廣播幀傳輸?shù)木W(wǎng)絡范圍.廣播是在第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)發(fā)生的.第二層：運行在數(shù)據(jù)鏈路層的設備交換機的特點交換機的工作原理 48bit,16進制交換機的功能在交換機中最常用的是：透明網(wǎng)橋。它執(zhí)行3種簡單的功能：學習、轉發(fā)和過濾。它的透明性在于終端站點不知道網(wǎng)橋的存在。為什么交換機能夠分割沖突域，因為它的過濾功能。PC-APC-BPC-CPC-DPC-EA BDrop第三層：運行在網(wǎng)絡層的設備 路由器的特點路由器的工作原理路由器工作原理511.04.01.3E04.3