課程代碼4741計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1、1星形拓?fù)?總線拓?fù)?環(huán)形拓?fù)?樹形拓?fù)?星環(huán)混合拓?fù)?星總混合拓?fù)?網(wǎng)形拓?fù)?9 模擬信號數(shù)字處理方法 模擬信號數(shù)字處理框圖 102，2.2，2.8，3，2.8，2.3，2，1.8，1.5，1，.0010,1010,1100,0011,.11 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)OSI/RM開放系統(tǒng)互連參考模型TCP/IP參考模型兩種參考模型的比較121. 通信協(xié)議人際交流的協(xié)議:人類之間語言和文字系統(tǒng)語法、意義、對話交替順序 說明發(fā)送的消息 說明接收到某消息后所應(yīng)采取的行動 說明動作的次序通信協(xié)議:計(jì)算機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)中所有的通信活動都是由協(xié)議所控制協(xié)議： 定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間發(fā)送和接收報(bào)文的

2、格式、順序以及當(dāng)傳送和接收消息時(shí)應(yīng)采取的行動。（語義、語法和時(shí)序）13通信協(xié)議的三要素語義對協(xié)議中各協(xié)議元素的含義的解釋，例如：在HDLC協(xié)議中，標(biāo)志Flag(7EH)表示報(bào)文的開始和結(jié)束在BSC協(xié)議中，SOH(01H)表示報(bào)文的開始，STX(02H)表示報(bào)文正文的開始，ETX(03H)表示報(bào)文正文的結(jié)束語法協(xié)議元素與數(shù)據(jù)的組合格式，即報(bào)文格式。例如：時(shí)序通信過程中，通信雙方操作的執(zhí)行順序和規(guī)則FlagAddressCtrlDataFCSSFlagSOHHEADSTXTEXTETXBCCBSCHDLC14確認(rèn)釋放連接釋放確認(rèn)釋放確認(rèn)連接確認(rèn)數(shù)據(jù)連接請求連接確認(rèn)tt時(shí)序例釋放連接數(shù)據(jù)傳輸建立連接

3、15發(fā)展歷程網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)提出的背景計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、異質(zhì)性不同的通信介質(zhì)有線、無線等不同種類的設(shè)備主機(jī)、路由器、交換機(jī)、復(fù)用設(shè)備等不同的操作系統(tǒng)UNIX、Windows等不同的軟/硬件、接口和通信約定（協(xié)議）不同的應(yīng)用環(huán)境固定、移動等不同種類業(yè)務(wù)分時(shí)、交互、實(shí)時(shí)等寶貴的投資和積累有形、無形等用戶業(yè)務(wù)的延續(xù)性不允許出現(xiàn)大的跌宕起伏16結(jié)構(gòu)清晰簡化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)便于更新與維護(hù)較強(qiáng)的獨(dú)立性和適應(yīng)性對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用什么方法能合理地組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到：解決：分而治之！ 一個(gè)生活中的例子：空中旅行的組織17空中旅行的組織一系列的步驟機(jī)票 (購買)行李 (托運(yùn))旅客 (出發(fā))飛機(jī) (起飛)飛行航線機(jī)

4、票 (投訴)行李 (認(rèn)領(lǐng))旅客 (到達(dá))飛機(jī) (著陸)飛行航線飛行航線18空中旅行的組織: 從另一種不同的角度觀察層次的觀點(diǎn)： 每層實(shí)現(xiàn)一種特定的服務(wù)通過自己內(nèi)部的功能依賴自己的下層提供的服務(wù)機(jī)票 (購買)行李 (托運(yùn))旅客 (出發(fā))飛機(jī) (起飛)飛行航線機(jī)票 (投訴)行李 (認(rèn)領(lǐng))旅客 (到達(dá))飛機(jī) (著陸)飛行航線飛行航線19分層的空中旅行組織: 服務(wù)從出發(fā)地到目的地的航線：導(dǎo)航服務(wù)柜臺-to-柜臺：“旅客+行李” 票務(wù)服務(wù)行李托運(yùn)-to-行李認(rèn)領(lǐng)：行李服務(wù)登機(jī)入口-to-到達(dá)出口：旅客乘務(wù)服務(wù) 跑道-to-跑道：飛機(jī)“航運(yùn)”服務(wù)20層次功能的分布式實(shí)現(xiàn)飛機(jī) (起飛)飛機(jī) (著陸)飛行航線

5、起飛機(jī)場到達(dá)機(jī)場中間空中交通樞紐飛行航線飛行航線機(jī)票 (購買)機(jī)票 (投訴)行李 (托運(yùn))行李 (認(rèn)領(lǐng))旅客 (出發(fā))旅客 (到達(dá))21層次化方法在其他領(lǐng)域的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)把一個(gè)大的程序分解為若干個(gè)層次的小模塊來實(shí)現(xiàn)，如操作系統(tǒng)。郵政系統(tǒng)郵遞員、郵政分局、郵政總局、郵政運(yùn)輸銀行系統(tǒng) 物流系統(tǒng)222. 分層原理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中也采用了分層方法。把復(fù)雜的問題劃分為若干個(gè)較小的、單一的局部問題，在不同層上予以解決。網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)方法要解決的問題：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有哪些層次？每一層的功能是什么？（分層與功能）各層之間的關(guān)系是怎樣的？它們?nèi)绾芜M(jìn)行交互？（服務(wù)與接口）通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸要遵循哪些規(guī)則？（協(xié)議）23計(jì)算

6、機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，層、協(xié)議和層間接口的集合被稱為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。換句話說：體系結(jié)構(gòu)包括三個(gè)內(nèi)容：分層結(jié)構(gòu)與每層的功能、服務(wù)與層間接口、協(xié)議。最早的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)源于IBM的SNA其他的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)還有DEC的DNA等由國際化標(biāo)準(zhǔn)組織ISO制定的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)國際標(biāo)準(zhǔn)是OSI/RM實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)24層次結(jié)構(gòu)方法的優(yōu)點(diǎn)獨(dú)立性強(qiáng)耦合程度低上層只需了解下層通過層間接口提供什么服務(wù)黑箱方法。適應(yīng)性強(qiáng)只要服務(wù)和接口不變，每層的實(shí)現(xiàn)方法可任意改變。易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)把復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個(gè)涉及范圍小、功能簡單的子單元：使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰，實(shí)現(xiàn)、調(diào)試和維護(hù)變得簡單和容易。使設(shè)計(jì)人員能專

7、心設(shè)計(jì)和開發(fā)所關(guān)心的功能模塊。253. 基本概念實(shí)體：任何可以發(fā)送或接收信息的硬件/軟件進(jìn)程。協(xié)議：通信雙方在通信中必須遵守的規(guī)則。對等層：兩個(gè)不同系統(tǒng)的同級層次。對等實(shí)體：分別位于不同系統(tǒng)對等層中的兩個(gè)實(shí)體接口：相鄰兩層之間交互的界面，定義相鄰兩層之間的操作及下層對上層的服務(wù)。服務(wù)：某一層及其以下各層的一種能力，通過接口提供給其相鄰上層。26系統(tǒng)A系統(tǒng)B實(shí)體對等層對等實(shí)體接口服務(wù)物理網(wǎng)絡(luò)27網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)P3P2P1 2 1 3 2 1物理通信線路 3 N+1 N N-1 N+1 N N-1Pn-1PnPn+1系統(tǒng)A系統(tǒng)B網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)系統(tǒng)都是按照層次結(jié)構(gòu)來組織的同一網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個(gè)端系

8、統(tǒng)必須具有相同的層次每層使用其下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)通信只在對等層間進(jìn)行（間接的、邏輯的、虛擬的），非對等層之間不能互相“通信”實(shí)際的物理通信只在最底層完成Pn：第n層協(xié)議，即第n層對等實(shí)體間通信時(shí)必須遵循的規(guī)則或約定28對等層通信的實(shí)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)原理禁止不同主機(jī)的對等層之間進(jìn)行直接通信。實(shí)際上，每一層必須依靠下層提供的服務(wù)來與另一臺主機(jī)的對等層通信。上層使用下層提供的服務(wù)服務(wù)使用者；下層向上層提供服務(wù)服務(wù)提供者。第n+1層是第n層的服務(wù)用戶，第n-1層是第n層的服務(wù)提供者第n層的服務(wù)也依賴于第n-1層以及以下各層的服務(wù)例：郵政通信29對等通信例：兩個(gè)人收發(fā)信件想一想：收信人

9、與發(fā)信人之間、郵局之間，是在直接通信嗎？郵局、運(yùn)輸系統(tǒng)各向誰提供什么樣的服務(wù)？郵局、收發(fā)信人各使用誰提供的什么服務(wù)？信件內(nèi)容郵件地址貨物地址發(fā)信人郵局運(yùn)輸系統(tǒng)信件內(nèi)容郵件地址貨物地址收信人對信件內(nèi)容的共識對信件如何傳遞的共識對貨物如何運(yùn)輸?shù)墓沧RP3P2P1公路，鐵路，航空郵局運(yùn)輸系統(tǒng)30對等層通信的實(shí)質(zhì)對等層實(shí)體之間實(shí)現(xiàn)的是虛擬的邏輯通信；下層向上層提供服務(wù)；上層依賴下層提供的服務(wù)來與其他主機(jī)上的對等層通信；實(shí)際通信在最底層完成。31 3 2 1 N+1 N N-1 2 1 3 N+1 N N-1源進(jìn)程傳送消息到目標(biāo)進(jìn)程的過程：消息送到源系統(tǒng)的最高層；從最高層開始，自上而下逐層封裝；經(jīng)物理線路

10、傳輸?shù)侥繕?biāo)系統(tǒng)；目標(biāo)系統(tǒng)將收到的信息自下而上逐層處理并拆封；由最高層將消息提交給目標(biāo)進(jìn)程。目標(biāo)進(jìn)程源進(jìn)程P3P2P1物理通信線路Pn-1PnPn+1消息消息邏輯通信32數(shù)據(jù)多層封裝數(shù)據(jù) 段頭數(shù)據(jù) 段頭數(shù)據(jù)分組頭幀頭 段頭數(shù)據(jù)分組頭幀尾封裝段分組幀拆封33 TCP頭應(yīng)用層數(shù)據(jù)應(yīng)用層數(shù)據(jù) TCP頭應(yīng)用層數(shù)據(jù)IP頭幀頭 TCP頭應(yīng)用層數(shù)據(jù)IP頭幀尾例：TCP/IP協(xié)議的封裝過程應(yīng)用層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 鏈路層 34在目的站，某一層只能識別由源站對等層封裝的“信封”，而對于被封裝在“信封”內(nèi)部的“數(shù)據(jù)”僅僅是拆封后將其提交給上層，本層不作任何處理。每一層只處理本層的協(xié)議頭部！35OSI/RM參考模型應(yīng)用

11、層Application表示層Presentation會話層Session傳輸層Transportation物理層Physical數(shù)據(jù)鏈路層Data Link網(wǎng)絡(luò)層Network7654321為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供服務(wù)數(shù)據(jù)表示在用戶間建立會話關(guān)系不同主機(jī)進(jìn)程間的通信在主機(jī)間傳輸分組在節(jié)點(diǎn)間可靠地傳輸幀位流的透明傳輸3637物理層（Physical Layer）功能：在物理媒體(介質(zhì))上正確地、透明地傳送比特流。服務(wù)：串行和并行協(xié)議(標(biāo)準(zhǔn))：規(guī)定了物理接口的各種特性：機(jī)械：物理連接器的尺寸、形狀、規(guī)格電氣：信號電平，信號的脈沖寬度和頻率，數(shù)據(jù)傳送速率，最大傳輸距離等功能：接口引（線）腳的功能和作用規(guī)程：

12、信號時(shí)序，應(yīng)答關(guān)系，操作過程例：RS-232、RS-449、V.24、 V.3538在兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間可靠地傳輸數(shù)據(jù)，使之對網(wǎng)絡(luò)層呈現(xiàn)為一條無錯(cuò)的鏈路。功能：建立與拆除數(shù)據(jù)鏈路連接組幀：幀封裝，按順序傳送，處理返回的確認(rèn)幀物理尋址：MAC地址/物理地址定界與同步：產(chǎn)生/識別幀邊界錯(cuò)誤檢測/恢復(fù)：可靠的傳輸，CRC，ARQ流量控制：抑止發(fā)送方的傳輸速率，使接收方來得及接收數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）39尋址并選擇合適的路由，把數(shù)據(jù)報(bào)從源端傳送到目的端，在需要時(shí)對上層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段和重組。功能：在源端與目的端之間建立、維護(hù)、終止網(wǎng)絡(luò)的連接尋址、路由選擇和分組中轉(zhuǎn)分段與組合：大數(shù)據(jù)塊分

13、段，小數(shù)據(jù)塊組合流量控制和擁塞控制多路復(fù)用：為多個(gè)傳輸層實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)差錯(cuò)檢測與恢復(fù)流量統(tǒng)計(jì)和記賬網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer，Internet Layer）40鏈路層的任務(wù)兩節(jié)點(diǎn)間可靠的數(shù)據(jù)傳輸Ethernet, X.25, ATM, 網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)沿兩端點(diǎn)間的最佳路由傳輸數(shù)據(jù)（主機(jī)間的邏輯通信）Ethernet, X.25, ATM, 4142OSI參考模型的結(jié)構(gòu)43對網(wǎng)絡(luò)層的連接進(jìn)行管理，在源端與目的端之間提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳輸，使上層服務(wù)用戶不必關(guān)心通信子網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。傳輸層的特點(diǎn)以上各層：面向應(yīng)用，本層及以下各層：面向傳輸；只存在于端主機(jī)中；實(shí)現(xiàn)源主機(jī)到目的主機(jī)“端到端

14、”的連接傳輸差錯(cuò)校驗(yàn)與恢復(fù)；流量控制，防止數(shù)據(jù)傳輸過載在這一點(diǎn)上與網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)別是什么？網(wǎng)絡(luò)層：為主機(jī)之間提供邏輯傳輸傳輸層：為應(yīng)用進(jìn)程之間提供邏輯傳輸傳輸層（Transport Layer）44網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)沿兩端點(diǎn)間的最佳路由傳輸數(shù)據(jù)（主機(jī)間的邏輯通信）Ethernet, X.25, ATM, 傳輸層的任務(wù)兩端點(diǎn)間可靠的透明數(shù)據(jù)傳輸（應(yīng)用進(jìn)程間的邏輯通信）通信子網(wǎng)45會話層（Session Layer ）在傳輸層服務(wù)的基礎(chǔ)上增加控制會話(Session)的機(jī)制，建立、組織和協(xié)調(diào)應(yīng)用進(jìn)程之間的交互過程。 功能：為用戶建立、引導(dǎo)和釋放會話連接。 服務(wù)服務(wù)類型：雙向同時(shí)(雙工)、雙向交替(半雙工)和

15、單向(單工) 同步 46為End-user的應(yīng)用進(jìn)程提供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用接口。功能：提供各種不同的應(yīng)用協(xié)議以滿足應(yīng)用進(jìn)程的需求；為用戶進(jìn)程提供應(yīng)用接口；識別并證實(shí)目的通信方的可用性；使協(xié)同工作的應(yīng)用進(jìn)程之間進(jìn)行同步；為通信過程申請資源。應(yīng)用層協(xié)議的例子：OSI:VTP、MHS、FTAM、DS、TCP/IP:Telnet、SMTP、FTP、DNS、HTTP、應(yīng)用層（Application Layer）4748OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程 OSI環(huán)境 49面向連接服務(wù)和無連接服務(wù) (1) 面向連接服務(wù) “面向連接”就是在正式通信前必須要與對方建立起連接。比如你給別人打電話，必須等線路接通了、對方

16、拿起話筒才能相互通話。 連接: 兩對等實(shí)體為進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而進(jìn)行一種結(jié)合. 面向連接服務(wù)具有連接建立,數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放這三個(gè)階段,在網(wǎng)絡(luò)層中又稱為虛電路服務(wù). 面向連接服務(wù)中 數(shù)據(jù)按序傳送,可靠性高; 適合于在一定期間內(nèi) 向同一目的地發(fā)送許多報(bào)情況.TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是基于連接的協(xié)議，也就是說，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對方建立可靠的連接。一個(gè)TCP連接必須要經(jīng)過三次“對話”才能建立起來.50確認(rèn)釋放連接釋放確認(rèn)數(shù)據(jù)連接請求連接確認(rèn)tt面向連接釋放連接數(shù)據(jù)傳輸建立連接51面向連接服務(wù)和無連接服務(wù) (2) 無連接服務(wù) “面向非連接”就

17、是在正式通信前不必與對方先建立連接，不管對方狀態(tài)就直接發(fā)送。這與現(xiàn)在風(fēng)行的手機(jī)短信非常相似：你在發(fā)短信的時(shí)候，只需要輸入對方手機(jī)號就OK了。 兩個(gè)實(shí)體之間的通信不需要事先建立好一個(gè)連接,其下層資源只需在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)動態(tài) 地進(jìn)行分配,不需予留; 收發(fā)二實(shí)體只是在工作時(shí)才處于激活態(tài). 無連接服務(wù)的優(yōu)點(diǎn)是通信比較迅速,使用靈活方便,連接開銷小;但可靠性低,不能防止報(bào)文的丟失,重復(fù)或失序. 適合于傳送少量零星的報(bào)文. UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）是與TCP相對應(yīng)的協(xié)議。它是面向非連接的協(xié)議，它不與對方建立連接，而是直接就把數(shù)據(jù)包發(fā)送過去！52確認(rèn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)tt無連

18、接有確認(rèn)無確認(rèn)53確認(rèn)和重傳機(jī)制 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸话阃ㄟ^確認(rèn)和重傳機(jī)制保證；確認(rèn)是指數(shù)據(jù)分組的接收結(jié)點(diǎn)在正確地接收到每個(gè)分組后，要求向發(fā)送結(jié)點(diǎn)發(fā)回接收分組的確認(rèn)信息；在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，如果發(fā)送結(jié)點(diǎn)沒有接收到接收結(jié)點(diǎn)的確認(rèn)信息，就認(rèn)為該數(shù)據(jù)分組發(fā)送失敗，發(fā)送結(jié)點(diǎn)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)分組；確認(rèn)和重傳機(jī)制可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕撬枰贫ㄝ^為復(fù)雜的確認(rèn)和重傳協(xié)議，并且需要增加網(wǎng)絡(luò)額外的通信負(fù)荷，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬。54服務(wù)類型與服務(wù)質(zhì)量通信協(xié)議四種類型：面向連接與確認(rèn)服務(wù)；面向連接與不確認(rèn)服務(wù)；無連接與確認(rèn)服務(wù)；無連接與不確認(rèn)服務(wù)。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同的通信要求，決定選擇不同的服務(wù)類型。 55 TCP/

19、IP參考模型TCP/IP參考模型的發(fā)展在TCP/IP協(xié)議研究時(shí)，并沒有提出參考模型；1974年Kahn定義了最早的TCP/IP參考模型；20世紀(jì)80年代Leiner、 Clark等人對TCP/IP參考模型進(jìn)一步的研究；TCP/IP協(xié)議一共出現(xiàn)了6個(gè)版本，后3個(gè)版本是版本4、版本5與版本6；目前我們使用的是版本4，它的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv4 ；版本6的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv6（或IPng, IP next generation）；IPv6被稱為下一代的IP協(xié)議。56TCP/IP協(xié)議的特點(diǎn) 開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn);獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)；獨(dú)立于特定的網(wǎng)絡(luò)硬件，可以運(yùn)行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互連網(wǎng)中； 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)地址分配方案，使得整個(gè)TCP/IP設(shè)備在網(wǎng)中都具有惟一的地址；標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務(wù)。572.3.2 TCP/IP參考模型各層的功能 應(yīng)用層（application layer）傳輸層（transport layer）互連層（internet layer）主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層（host-to-network layer） 58TCP/IP 參考模型與 OSI 參考模型的對應(yīng)關(guān)系 59主機(jī)-網(wǎng)絡(luò)層參考模型的最低層，負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報(bào);允許主機(jī)連入網(wǎng)絡(luò)時(shí)