第3章網絡體系結構

第三章計算機網絡體系結構一、協(xié)議和體系結構1、網絡協(xié)議問題：為何要使用網絡協(xié)議？概念：為計算機網絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合。協(xié)議的特點：具有層次性和可靠性。協(xié)議的三要素：語法：數(shù)據(jù)和控制信息的結構與格式。即“如何講”語義：對具體事件應發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種應答。即“講什么”時序：對事件實現(xiàn)順序的詳細說明。網絡協(xié)議實質上是實體間通信時使用的語言。一、協(xié)議和體系結構2、開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型在制定計算機網絡標準方面，起著很大作用的兩大國際組織：國際電報與電話咨詢委員會（ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone，CCITT）；國際標準化組織（InternationalStandardsOrganization，ISO）開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型以層次（Layer）觀念為主，將計算機網絡的體系結構劃分為7層，每層都有獨自負責的功能，但又息息相關。一、協(xié)議和體系結構（1）計算機網絡系統(tǒng)采用層次結構及其原則分層的原因：將一個復雜系統(tǒng)分解為若干個容易處理的子系統(tǒng)，是工程中常用的方法。每一層實現(xiàn)一種相對獨立的功能，同時互相聯(lián)系。分層原則：網絡中各結點都具有相同的層次。不同結點的同等層具有相同功能。同一結點內相鄰層之間通過接口通信。

每層使用下層提供的服務，并向其上層提供服務。不同結點的同等層通過協(xié)議來實現(xiàn)通信。層數(shù)應適中。層數(shù)太少，則每層的協(xié)議太復雜；層數(shù)太多，則體系結構復雜。一、協(xié)議和體系結構（2）OSI/RM七層模型一、協(xié)議和體系結構說明：“開放”的含義：只要遵守OSI標準，一個系統(tǒng)可以位于世界任何地方，與遵循同樣標準的系統(tǒng)通信。OSI/RM定義了開放系統(tǒng)的層次結構、層次間關系，以及各層所包括的可能服務。OSI/RM并沒有提供一個可以實現(xiàn)的方法，它只是描述了網絡構建標準的一個概念性的框架。一、協(xié)議和體系結構（3）幾個概念實體：每層中具有數(shù)據(jù)收發(fā)能力的活動單元，可以是軟實體（如進程）或硬件實體（網卡）。對等實體：不同計算機中同一層的實體叫做對等（Peer）實體。服務：網絡中各層向上層提供的一組功能（操作）。在網絡中服務分為：面向連接的服務和無連接服務服務定義了兩層之間的接口，上層是服務的用戶，下層是服務的提供者。服務訪問點（SAP）：上層訪問本層服務的地址。服務原語：上層通過與下層交換一些命令來使用下層為它提供的服務，這些命令稱為服務原語。分為四種：請求、指示、響應和確認。一、協(xié)議和體系結構例：1.COENNCT.request：呼叫方請求建立連接

2.CONNECT.indication：被呼叫方指示有人請求建立連接

3.CONNECT.response：被呼叫方表示接受/拒絕建立連接請求

4.CONNECT.confirm：通知呼叫方建立連接的請求是否被接受

一、協(xié)議和體系結構數(shù)據(jù)單元：網絡中信息傳送的單位，分為協(xié)議數(shù)據(jù)單元、服務數(shù)據(jù)單元和接口數(shù)據(jù)單元。協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息稱為PDU。協(xié)議控制信息PCI:在PDU進入下層之前，會在PDU中加入新的控制信息，這種控制信息稱為PCI。接口控制信息ICI：在PDU中加入發(fā)送給下層的指令。接口數(shù)據(jù)單元IDU：PDU、PCI與ICI共同構成了IDU，它為經過層間接口的數(shù)據(jù)單元。服務數(shù)據(jù)單元SDU：下層接收到IDU后，從中除掉ICI，此時的數(shù)據(jù)包稱為SDU。面向連接的服務特點（類似于電話系統(tǒng)服務模式）：1、數(shù)據(jù)傳輸過程必須經過建立連接、連接維護與終止連接的三個過程；2、面向連接服務的傳輸連接類似一個通信管道，發(fā)送者在一端放入數(shù)據(jù)，接收者從另一端取出數(shù)據(jù)；3、數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)包不必攜帶目的結點的地址；4、接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)在內容和順序上保持一致，傳輸可靠性好，但是協(xié)議復雜，通信效率不高。無連接服務特點（類似于郵政系統(tǒng)服務模式）：1、無連接服務中的數(shù)據(jù)傳輸過程不需要經過建立連接、連接維護與終止連接三個過程；2、無連接服務的每個分組都攜帶完整的目的結點地址，各分組在系統(tǒng)中是獨立傳送的；3、數(shù)據(jù)分組傳輸過程中，目的結點接收的數(shù)據(jù)分組可能出現(xiàn)亂序、重復與丟失的現(xiàn)象；4、無連接服務的可靠性不好，但是協(xié)議相對簡單，通信效率較高。一、協(xié)議和體系結構（4）OSI各層物理層物理層為OSI的最底層，直接面向通信介質。物理層的功能利用傳輸介質為網絡結點之間建立、管理和釋放物理連接利用物理介質為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，利用物理連接透明地傳輸比特流；物理層的數(shù)據(jù)傳輸單元是比特（位）。物理層常用的設備：DTE和DCE。DTE為數(shù)據(jù)終端設備，如計算機、終端等；DCE為數(shù)據(jù)電路連接設備，如調制解調器、中繼器、集線器等。一、協(xié)議和體系結構數(shù)據(jù)鏈路層為何設置數(shù)據(jù)鏈路層？原因：在原始物理傳輸線路上傳輸數(shù)據(jù)信號是有差錯的；目的：將有差錯的物理線路改進成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路；作用：改善數(shù)據(jù)傳輸質量，向網絡層提供高質量的服務。數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路管理：通信的兩個實體之間數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護與釋放。采用差錯控制與流量控制方法，使有差錯的物理線路變成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)傳送單位為幀。思考：數(shù)據(jù)鏈路與物理線路有什么區(qū)別？一、協(xié)議和體系結構網絡層網絡中通信的兩個計算機之間要經過許多的節(jié)點和鏈路或幾個通信子網，由于網絡層數(shù)據(jù)傳送單位是分組，因此網絡層的主要任務是在復雜的網絡環(huán)境中選擇合適的路由，使得數(shù)據(jù)分組能夠正確的到達目的結點。網絡層的特點完成網絡中任意結點間的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)傳送單位是分組；通過路由選擇算法為分組在通信子網中選擇最適當?shù)穆窂綖閿?shù)據(jù)在結點之間傳輸創(chuàng)建邏輯鏈路；實現(xiàn)擁塞控制、網絡互連等功能。說明：OSI七層模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網絡層是面向網絡通信的低三層協(xié)議，該三層構成通信子網，一般由硬件完成。一、協(xié)議和體系結構傳輸層傳輸層是7層中最關鍵的一層，位于面向網絡通信的通信子網和面向網絡應用的資源子網之間。傳輸層功能傳輸層向高層屏蔽下層數(shù)據(jù)通信的細節(jié)；傳輸層以上層不再管理信息的傳送問題。接收會話層發(fā)來的數(shù)據(jù)，把其分成更小的單元，根據(jù)通信子網的特性最佳的利用網絡資源，以可靠的方式，建立一個端到端的連接；傳輸層數(shù)據(jù)傳輸單位是報文。一、協(xié)議和體系結構會話層“會話”的含義：兩個應用進程為交換數(shù)據(jù)信息而按一定的規(guī)則建立起來的一個暫時聯(lián)系。會話層功能會話層不參與具體的網絡傳輸，主要功能是對數(shù)據(jù)進行管理，它為相互通信的兩個進程之間提供一套會話設施，組織和同步他們的會話活動，管理他們的數(shù)據(jù)交換過程。一、協(xié)議和體系結構表示層處理實體間交換數(shù)據(jù)的語法，解決格式和數(shù)據(jù)表示的差別，從而為應用層提供一個一致的數(shù)據(jù)格式。主要功能：用于處理在兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式；數(shù)據(jù)格式變換；數(shù)據(jù)加密與解密；數(shù)據(jù)壓縮與恢復。一、協(xié)議和體系結構應用層應用層功能為應用程序提供網絡服務;應用層需要識別并保證通信對方的可用性，使得協(xié)同工作的應用程序之間的同步;建立傳輸錯誤糾正與保證數(shù)據(jù)完整性的控制機制。說明：OSI七層模型中的會話層、表示層和應用層是面向網絡應用的高層，將這三層合并為應用層，組成網絡的資源子網,一般由軟件方式實現(xiàn)。傳輸層是通信子網和資源子網的接口，負責兩個子網之間的溝通。一、協(xié)議和體系結構（5）OSI環(huán)境中數(shù)據(jù)的傳輸過程OSI環(huán)境一、協(xié)議和體系結構步驟：進程A要與進程B交換數(shù)據(jù)。進程A、進程B分別處于主機A與主機B的本地系統(tǒng)中。主機A的應用層將進程A的通信請求傳輸?shù)奖硎緦?，表示層再向會話層傳送，直至物理層。物理層通過與主機A連接的路由器A，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚善鰽上。路由器A的物理層接收到數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)鏈路層進行檢測，若沒有錯誤由網絡層確定下面應該把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥膫€路由器。通過路由選擇算法，確定下一個結點是路由器B，則把數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚善鰾。路由器B采用同樣的方法，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈CB上。主機B將接到的數(shù)據(jù)從物理層傳輸?shù)綉脤?。應用層再將?shù)據(jù)傳輸給主機B的進程B。一、協(xié)議和體系結構OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

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計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層報文再傳送到網絡層加上網絡層首部，成為IP數(shù)據(jù)報（或分組）計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

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)鏈路層幀計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

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計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

應用層(applicationlayer)5432154321物理傳輸媒體計算機

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計算機

2計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數(shù)據(jù)部分，上交給網絡層計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網絡層剝去首部，取出數(shù)據(jù)部分上交給運輸層計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層剝去首部，取出數(shù)據(jù)部分上交給應用層計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層剝去首部，取出應用程序數(shù)據(jù)上交給應用進程計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用程序數(shù)據(jù)應用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應用程序數(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網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

210100110100101比特流110101110101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)計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數(shù)據(jù)部分交給網絡層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)計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網絡層剝去分組首部后把分組的數(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)計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層剝去報文首部后把報文的數(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)計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層剝去應用層PDU首部后把應用程序數(shù)據(jù)交給應用進程計算機1向計算機2發(fā)送數(shù)據(jù)

5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！二、TCP/IP參考模型TCP/IP協(xié)議是美國國防部高級計劃研究局為實現(xiàn)ARPANET(后來發(fā)展為Internet)互連網而開發(fā)的。目前，ITERNET采用TCP/IP協(xié)議，它成為一個事實