第2講網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

1、1/49第 2講 網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)2/49知識回顧l計算機網(wǎng)絡功能計算機網(wǎng)絡功能l因特網(wǎng)的組成因特網(wǎng)的組成l 計算機網(wǎng)絡在我國的發(fā)展計算機網(wǎng)絡在我國的發(fā)展l 計算機網(wǎng)絡的定義和分類計算機網(wǎng)絡的定義和分類l 性能指標：速度、帶寬、時延、吞吐量性能指標：速度、帶寬、時延、吞吐量3/49本講內(nèi)容和教學目標l 計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu) 計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的形成協(xié)議與劃分層次具有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)實體、協(xié)議、服務和服務訪問點TCP/IP 的體系結(jié)構(gòu)l 教學目標教學目標 理解協(xié)議分層設計的基本思想。 基本理解物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層的功能。 了解TCP/IP體系結(jié)構(gòu)。4/49

2、計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的形成l 相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，而這種作才行，而這種“協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)”是相當復雜的。是相當復雜的。 l “分層分層”可將龐大而復雜的問題，轉(zhuǎn)化為若可將龐大而復雜的問題，轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。就比較易于研究和處理。 5/49開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RMl 只要遵循只要遵循 OSI 標準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何標準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統(tǒng)

3、進行通信。l 在市場化方面在市場化方面 OSI 失敗的原因失敗的原因 OSI 的專家們在完成 OSI 標準時沒有商業(yè)驅(qū)動力； OSI 的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復雜，且運行效率很低； OSI 標準的制定周期太長，因而使得按 OSI 標準生產(chǎn)的設備無法及時進入市場； OSI 的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現(xiàn)。 6/49協(xié)議l 計算機網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。計算機網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。 這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題（同步含有時序的意思）。 網(wǎng)絡協(xié)議(network protocol)，簡稱為協(xié)議，是為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而

4、建立的規(guī)則、標準或約定。 l 網(wǎng)絡協(xié)議的組成要素網(wǎng)絡協(xié)議的組成要素 語法 數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式 。 語義 需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。 同步 事件實現(xiàn)順序的詳細說明。7/49劃分層次的概念舉例 l 主機主機 1 向主機向主機 2 通過網(wǎng)絡發(fā)送文件。通過網(wǎng)絡發(fā)送文件。l 可以將要做的工作進行如下的劃分。可以將要做的工作進行如下的劃分。l 第一類工作與傳送文件直接有關(guān)。第一類工作與傳送文件直接有關(guān)。 確信對方已做好接收和存儲文件的準備。 雙方協(xié)調(diào)好一致的文件格式。l 兩個主機將兩個主機將文件傳送模塊文件傳送模塊作為最高的一層作為最高的一層 。剩。剩下的工作由下面的模塊

5、負責。下的工作由下面的模塊負責。8/49主機交換文件示意圖文件傳送模塊主機 1主機 2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊9/49通信服務模塊 文件傳送模塊主機 1主機 2文件傳送模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信服務模塊10/49網(wǎng)絡接入模塊 文件傳送模塊主機 1主機 2文件傳送模塊通信服務模塊通信服務模塊網(wǎng)絡接入模塊網(wǎng)絡接入模塊通信網(wǎng)絡網(wǎng)絡接口網(wǎng)絡接口網(wǎng)絡接入模塊負責做與網(wǎng)絡接口細節(jié)有關(guān)的工作例如，規(guī)定傳輸

6、的幀格式，幀的最大長度等。11/49分層的好處及各層要完成的功能l 分層的好處分層的好處 各層之間是獨立的 靈活性好 結(jié)構(gòu)上可分割開 易于實現(xiàn)和維護 能促進標準化工作l 各層要完成的功能各層要完成的功能 差錯控制 流量控制 分段與重裝 復用與分用 連接建立與釋放12/49計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu) l 計算機網(wǎng)絡的計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)(architecture) 是計算機網(wǎng)絡的各層及其協(xié)議的集合。 體系結(jié)構(gòu)就是這個計算機網(wǎng)絡及其部件所應完成的功能的精確定義。 實現(xiàn)(implementation)是遵循這種體系結(jié)構(gòu)的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。 體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實現(xiàn)則是具體。

7、 右圖是ISO/OSI（Open Systems Interconnection) 七層參考模型。 13/49OSI參考模型各層的功能l應用層應用層各種應用：網(wǎng)絡虛擬終端、SMTP、文件傳輸、HTTP，EMAIL等 l表示層表示層完成特定的常見的功能，關(guān)心所傳輸信息的語法和語義。 數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密。l會話層會話層為會話用戶提供一個建立連接及在上按順序傳送數(shù)據(jù)的方法。 會話連接與傳輸層有差別，前者需雙方同意才可中斷連接，后者可單方中斷，有如電話。l 傳輸層傳輸層目的是在源端與目的端之間建立可靠的端到端服務。隔離網(wǎng)絡的上下層協(xié)議，使得網(wǎng)絡應用與下層無關(guān)。 在網(wǎng)絡中負責相當于鏈路層的錯誤

8、控制，流量控制及順序問題。 連接服務TCP：面向連接的協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆笪亩?，提供可靠交付。UDP：無連接的協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇怯脩魯?shù)據(jù)報，不保證可靠的傳輸。14/49OSI參考模型各層的功能(續(xù))l 網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層 確定分組從源端到目的端如何選擇路由. 尋址、路徑交換、擁塞控制、網(wǎng)絡互連 傳輸單位是分組(Packet)，由于網(wǎng)絡層使用IP協(xié)議，也叫做IP數(shù)據(jù)報。l 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 加強物理層的傳輸原始比特的功能，建立一條無差錯的傳輸線路。 將物理層傳輸?shù)谋忍亟M合成幀，確定幀邊界及差錯糾正。 數(shù)據(jù)幀、確認幀、識別幀邊界、流量調(diào)節(jié)機制。 傳輸單位是幀(Frame)l 物理層物理層 涉

9、及通信在信道上傳輸?shù)脑急忍亓鳌?處理機械的、電氣的和過程的接口，以及物理層下的物理傳輸介質(zhì)等問題。l /wiki/OSI_model 15/49具有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) l TCP/IP 是四層的體系結(jié)構(gòu)是四層的體系結(jié)構(gòu)應用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡接口層。l 網(wǎng)絡接口層并沒有具體內(nèi)容。因此往往采取折中的辦法，即綜合網(wǎng)絡接口層并沒有具體內(nèi)容。因此往往采取折中的辦法，即綜合 OSI 和和 TCP/IP 的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 。應用層(application layer) 運輸層(transport

10、layer) 網(wǎng)絡層(network layer) 數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer) 物理層(physical layer) l /wiki/TCP/IP_model主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應用進程數(shù)據(jù)先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層 PDU主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應用層 PDU 再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2運輸層報文再傳送到

11、網(wǎng)絡層加上網(wǎng)絡層首部，成為 IP 數(shù)據(jù)報（或分組）主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2IP 數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) l 應用層應用層(application layer) 5432154321物理傳輸媒體主機 1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層主機 2主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154

12、321主機 1AP2AP1主機 2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊咳〕鰯?shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2網(wǎng)絡層剝?nèi)ナ撞浚〕鰯?shù)據(jù)部分上交給運輸層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2運輸層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給應用層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應用層剝?nèi)ナ撞?，取出應用程序?shù)據(jù)上交給應用進程主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù)

13、 5432154321主機 1AP2AP1主機 2我收到了 AP1 發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應 用 程 序 數(shù) 據(jù)應用層首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意觀察加入或剝?nèi)ナ撞浚ㄎ膊浚┑膶哟螒?用 程 序 數(shù) 據(jù)H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)H4H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)H3H4H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)H4運輸層首部H3網(wǎng)絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 210100110100101 比 特 流 11

14、0101110101計算機 2 的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)H3H4H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢蟀褞臄?shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡層H2T2H3H4H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)H4H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)H3H4H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2網(wǎng)絡層剝?nèi)シ纸M首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)H4H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 54

15、32154321主機 1AP2AP1主機 2運輸層剝?nèi)笪氖撞亢蟀褕笪牡臄?shù)據(jù)部分交給應用層應 用 程 序 數(shù) 據(jù)H5應 用 程 序 數(shù) 據(jù)主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應用層剝?nèi)脤?PDU 首部后把應用程序數(shù)據(jù)交給應用進程主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2我收到了 AP1 發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！35/49實體、協(xié)議、服務和服務訪問點 l 實體實體(entity) 表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。 l 協(xié)議協(xié)議 是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。 l 在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的

16、通信使在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠得本層能夠向上一層提供服務向上一層提供服務。l 要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層下層所提供的所提供的服務。服務。 36/49實體、協(xié)議、服務和服務訪問點(續(xù)）l 本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。l 下面的協(xié)議對上面的服務用戶是下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透明透明的。的。 l 協(xié)議是協(xié)議是“水平的水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。的規(guī)則。l 服務是服務是“垂直的垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間，即服務是由下層

17、向上層通過層間接口提供的。接口提供的。l 同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱為同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱為服務服務訪問點訪問點 SAP (Service Access Point)。 37/49實體、協(xié)議、服務和服務訪問點協(xié)議(n + 1)SAPSAP交換原語交換原語實體(n + 1)服務提供者第 n 層第 n + 1 層實體(n + 1)服務用戶實體(n)實體(n)協(xié)議(n)38/49協(xié)議評價標準l 協(xié)議必須把所有協(xié)議必須把所有不利的條件不利的條件事先都估計到，事先都估計到，而而不能假定不能假定一切都是正常的和非常理想的。一切都是正常的和非常理想的。 l 看一個計算機網(wǎng)絡

18、協(xié)議是否正確，不能光看看一個計算機網(wǎng)絡協(xié)議是否正確，不能光看在正常情況下是否正確，而且還必須非常仔在正常情況下是否正確，而且還必須非常仔細地檢查這個協(xié)議細地檢查這個協(xié)議能否應付各種異常情況能否應付各種異常情況。 39/49協(xié)議舉例l 占據(jù)東、西兩個山頂?shù)乃{軍占據(jù)東、西兩個山頂?shù)乃{軍1和藍軍和藍軍2與駐扎在山谷的白軍與駐扎在山谷的白軍作戰(zhàn)。作戰(zhàn)。l 其力量對比是：單獨的藍軍其力量對比是：單獨的藍軍1或藍軍或藍軍2打不過白軍，但藍軍打不過白軍，但藍軍1和藍軍和藍軍2協(xié)同作戰(zhàn)則可戰(zhàn)勝白軍。協(xié)同作戰(zhàn)則可戰(zhàn)勝白軍。l 現(xiàn)藍軍現(xiàn)藍軍1擬于次日正午向白軍發(fā)起攻擊。于是用計算機發(fā)擬于次日正午向白軍發(fā)起攻擊。于

19、是用計算機發(fā)送電文給藍軍送電文給藍軍2。l 但通信線路很不好，電文出錯或丟失的可能性較大（沒有但通信線路很不好，電文出錯或丟失的可能性較大（沒有電話可使用）。因此要求收到電文的友軍必須送回一個確電話可使用）。因此要求收到電文的友軍必須送回一個確認電文。但此確認電文也可能出錯或丟失。認電文。但此確認電文也可能出錯或丟失。l 試問能否設計出一種協(xié)議使得藍軍試問能否設計出一種協(xié)議使得藍軍1和藍軍和藍軍2能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)因而一定（即作戰(zhàn)因而一定（即100 %而不是而不是99.999%）取得勝利？）取得勝利？ 同意收到：收到“同意”41/49TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)應用層運輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層主機A主機B路由器網(wǎng)絡 2網(wǎng)絡 1應用層運輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層4321路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時最高只用到網(wǎng)絡層而沒有使用運輸層和應用層。 42/49沙漏計時器形狀的TCP/IP協(xié)議族 HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層運輸層應用層網(wǎng)絡接口 1網(wǎng)絡接口 2網(wǎng)絡接口 3Everything over IP IP 可為各式各樣的應用程序提供服務IP over Everything IP 可應用到各式各樣的網(wǎng)絡上43/49應用層