第3章-网络体系结构.ppt

,*,训教,重点,网络体系结构及协议,开放系统互连参考模型（,OSI/RM,）各层功能,TCP/IP,标准,数据的层间通信实质,数据传输单元在各层的具体名称,能力,目标,掌握网络体系结构的原理和概念,掌握网络协议概念,掌握网络体系结构中的各层功能和各层间的关系,掌握数据的层间通信原理及封装概念,3.1,网络体系结构思想,学习网络体系结构前，先来了解一下一封邮件的,“,旅途,”,。如图,3-1,所示为某高校的网络拓扑图，假如，某同学在学校宿舍区给远在美国的同学发送电子邮件，这些信息是如何在网络中传输到达美国的呢？,首先结合图,3|1,了解信息传输的线路。假设该同学从学生宿舍的联网计算机上网，这封邮件会通过宿舍中的集线器或交换机到达公寓楼的交换机，再到达校园网的汇聚层交换机，最后到达网络中心的核心交换机，再通过高速缓存、防火墙、路由器离开校园，到达中国门户网站，中国教育科研网，此时会离开当地到达北京等国际出口，再通过海底电缆等传输介质漂洋过海到达美国的网络，而后到达对方学校同学的邮箱所联网的计算机。,3.1.1,构建网络体系结构的必要性,3.1,网络体系结构思想,3.1.1,构建网络体系结构的必要性,为了能够使分布在不同地理位置且功能相对独立的计算机之间能够相互通信，实现数据交换和各种资源的共享，计算机网络系统需要涉及和解决许多复杂的问题，包括信号传输、差错控制、寻址、数据交换和提供用户接口等一系列问题。计算机网络体系结构是为简化这些问题的研究、设计与实现而抽象出来的一种分层结构模型。,3.1,网络体系结构思想,3.1.2,计算机网络的分层模型,将上述分层的思想运用于计算机网络中，就产生了计算机网络的分层模型。网络分层时要遵循以下原则：,（,1,）根据功能进行抽象分层，每个层次所要实现的功能或服务均有明确的规定；,（,2,）每层功能的选择应有利于标准化；,（,3,）不同的系统分成相同的层次，对等层次具有相同功能；,（,4,）高层使用下层提供的服务时，下层服务的细节对上层屏蔽；,（,5,）层的数目要适当。层次太少功能不明确，层次太多体系结构过于庞大。,3.1,网络体系结构思想,3.1.2,计算机网络的分层模型,3.1,网络体系结构思想,3.1.2,计算机网络的分层模型,1,实体与对等层实体,每层中，实现该层功能的活动元素称为实体。包括本层的所有硬件元素（智能,I/O,芯片等）和软件元素（如进程等）的抽象，如终端、电子邮件系统、应用程序、进程等。能完成特定功能的进程的抽象称为逻辑实体，能完成发送和接收信息的物理实体称为通信实体。不管是逻辑实体还是通信实体，描述的都是功能特性。,不同机器上位于同一层次、完成相同功能的实体被称为对等,(peer to peer),实体。,3.1,网络体系结构思想,3.1.2,计算机网络的分层模型,2,协议,计算机网络是一个涉及计算机技术、通信技术等多个领域的复杂系统。在网络中包含多种计算机系统，它们的硬件和软件系统各异，要使其能协同工作以实现信息交换和资源共享,它们之间必须具有共同的语言。为计算机网络中相互通信的对等实体之间的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议（,Protocol,）。这些规则明确地规定了所交换数据的格式、含义和时序，并且网络中所有通信活动都由协议所控制，,3.1,网络体系结构思想,3.1.2,计算机网络的分层模型,3,服务与接口,在网络分层结构模型中，每一层为相邻的上一层所提供的功能称为服务。,N,层使用,N-1,层所提供的服务，向,N+1,层提供功能更强大的服务；相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作称为接口。接口是同一节点内相邻层之间交换信息的连接点,;,同一个节点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务,;,只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。,3.1,网络体系结构思想,3.1.2,计算机网络的分层模型,4,服务类型,在计算机网络协议的层次结构中，层与层之间具有服务与被服务的单向依赖关系，下层向上层提供服务，而上层调用下层的服务。因此可称任意相邻两层的下层为服务提供者，上层为服务调用者。,下层为上层提供的服务可分为两类：,3.1,网络体系结构思想,3.1.2,计算机网络的分层模型,面向连接服务,（,Connection Oriented Service,）,无连接服务,（,Connectionless Service,）,5,服务、接口、协议的说明,服务定义该层做些什么，而不管上面的层如何访问它或该层如何工作；协议定义同等层对等实体之间交换的帧，分组和报文的格式及意义的规则；某一层的接口告诉上面的进程如何访问它，定义的是需要的参数以及预期的结果样。,3.1,网络体系结构思想,3.1.2,计算机网络的分层模型,引入分层模型和协议的概念之后，我们知道一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集，并且网络协议是按层次结构来组织的。我们将计算机网络系统中的层、各层中的协议以及层次之间接口的集合称为计算机网络体系结构，也就是说，计算机网络的体系结构对计算机网络及其部件所应实现的功能进行了精确定义。,网络体系结构是从体系结构的角度来研究和设计计算机网络体系，其核心是网络系统的逻辑结构和功能分配定义，即描述实现不同计算机系统之间互连和通信的方法和结构，是层、接口和协议的集合。通常采用结构化设计方法，将计算机网络系统划分成若干功能模块，形成层次分明的网络体系结构。,3.1,网络体系结构思想,3.1.3,计算机网络体系结构,计算机网络的层次化体系结构要点归纳如下：,（,1,）除了物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。,（,2,）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。,（,3,）,n,层的虚通信是通过,n,与,n-1,层间接口处的,n-1,层提供的服务以及,n-1,层的通信（通常也是虚通信）来实现的。,3.1,网络体系结构思想,3.1.3,计算机网络体系结构,网络体系结构的研究意义在于：,3.1,网络体系结构思想,3.1.3,计算机网络体系结构,（,1,）各层之间是独立的。,（,2,）灵活性好。,（,3,）结构上可分割开。,（,4,）易于实现和维护。,（,5,）能促进标准化工作。,ISO,推出的,OSI/RM(Open System Interconnection/Reference Model),开发系统互联参考模型，是一个七层结构的参考模型。,OSI,是一个定义连接异种计算机标准的主体结构，它被认为是解决了已有协议在广域网和高通信负载方面存在的问题。,“,开放,”,表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行连接。,“,互连,”,是指将不同的系统互相连接起来，以达到相互交换信息，共享资源，分布应用和分布处理的目的。,OSI,标准中，采用的是三级抽象：体系结构（,Architecture,）、服务定义（,Service Definition,）、协议规范（,Protocol Specification,），自上而下逐步求精。,3.2 OSI,参考模型,3.2.1 OSI,分层结构,3.2 OSI,参考模型,3.2.1 OSI,分层结构,1,协议数据单元,PDU,（,Protocol Data Unit,）,所谓协议数据单元就是在不同站点的各层对等实体之间，为实现该层协议所交换的信息单元。通常将第,N,层的协议数据单元记为,NPDU,。它由两部分组成，即本层的用户数据,(UDI),和本层的协议控制信息也称协议头部,(PCI,，,Protocol Control Information),。如图,35,所示。从服务用户的角度来看，它并不关心下面的,PDU,，实际上它也看不见,PDU,的大小。,3.2 OSI,参考模型,3.2.2 OSI,数据传送单元,2,接口数据单元,IDU(Interface Data Unit),在同一系统相邻两层实体之间的交互中，经过层间接口的数据单元就是接口数据单元,IDU,。因此，,IDU,就是层间接口实际所操作的数据单元。即在,(n+1),实体和,(n),实体之间，在一次交互作用中穿过服务访问点传输的信息单元。接口数据单元由接口控制信息,ICI(Interface Control Information),和协议数据单元,PDU,组成。所谓,ICI,就是在,(n+1),实体和,(n),实体之间为协调其共同操作而传送的信息。,3.2 OSI,参考模型,3.2.2 OSI,数据传送单元,3,服务数据单元,SDU(Service Data Unit),在同一系统相邻两层实体之间的交互中，下层向上层提供服务时所使用的数据单元，是第,n,层待传送和处理的数据单元，即,(n),接口数据的总和。,PDU,通常是将,SDU,分成若干段，每一段加上报头，作为一单独协议数据单元,PDU,在水平方向上传送。即,PDU,由上层的服务数据单元,SDU,或其分段（即可能的,n,层用户数据单元,UDI,）和协议控制信息,PCI,（,Protocol Control Information),组成，从某层实体角度来说，此时的,SDU,称为用户数据信息,UDI,（,User Data Information,），即,PDU=PCI+UDI,。,3.2 OSI,参考模型,3.2.2 OSI,数据传送单元,4,用户数据单元,UDI(User Data Information),以,(n+1),实体的名义在,(n),实体之间传送的数据。,5,协议控制信息,PCI(Protocol Control Information),(n),实体为了协调其共同操作使用,(n-1),连接而交换的信息。,3.2 OSI,参考模型,3.2.2 OSI,数据传送单元,1,物理层,物理层位于,OSI,参考模型的最底层，它直接面向原始比特流（,bit,）的传输。物理层必须解决好包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声等在内的一系列问题。另外，物理层标准要给出关于物理接口的机械、电气、功能和规程特性，以便于不同的制造厂家既能够根据公认的标准各自独立地制造设备，又能使各个厂家的产品能够相互兼容。物理层协议的目的是要屏蔽各种传输介质的差异性，以实现传输介质对计算机系统的独立性。该层的数据传送单元是比特（,Bit,）。,3.2 OSI,参考模型,3.2.3,各层功能简介,2,数据链路层,数据链路层是建立在物理传输能力的基础上。数据链路层主要功能是在通信实体之间建立数据链路连接，无差错地传输数据帧。数据链路层协议的目的是把一条有可能出错的物理链路变成让网络层实体看起来是一条不会出错的数据链路。主要考虑相邻节点之间的数据交换，为了能够实现相邻节点之间无差错的数据传送，数据链路层在数据传输过程中提供了确认、差错检测和流量控制等机制。该层的数据传送单元是帧（,Frame,）。,3.2 OSI,参考模型,3.2.3,各层功能简介,3,网络层,网络中的两台计算机进行通信时，中间可能要经过许多中间节点甚至不同的通信子网。网络层的主要任务就是在通信子网中选择一条合适的路径，使发送端传输层所传下来的数据能够通过所选择的路径到达目的端。并且负责通信子网的流量和拥塞控制。对于通信子网，各节点只涉及低三层协议。该层的数据传送单元是分组或称为数据包（,Packet,）。,3.2 OSI,参考模型,3.2.3,各层功能简介,4,传输层,传输层是,OSI,七层模型中唯一负责端到端节点间数据传输和控制功能的层。传输层是,OSI,七层模型中承上启下的层，它下面的三层主要面向网络通信，以确保信息被准确有效地传输；它上面的三个层次则面向用户主机，为用户提供各种服务。传输层通过弥补网络层服务质量的不足，为高层提供端到端的可靠数据传输服务。为了提供可靠的传输服务，传输层也提供了差错控制和流量控制等机制。该层的数据传送单元称为段。,3.2 OSI,参考模型,3.2.3,各层功能简介,5,会话层,会话层主要功能是在传输层提供的可靠的端到端的连接的基础上,在两个应用进程之间建立、维护和释放面向用户的连接,并对,“,会话,”,进行管理,保证,“,会话,”,的可靠性。会话层及以上的数据单元都称为报文（,Message,）。,6,表示层,不同计算机体系结构所使用的数据表示法不同，表示层为异种机通信提供一种公共语言，完成应用层数据所需的任何转换，以便能进行互操作。定义一系列代码和代码转换功能，保证源端数据在目的端同样能被识别，比如文本数据的,ASCII,码，表示图像的,GIF,或表示动画的,MPEG,等。,3.2 OSI,参考模型,3.2.3,各层功能简介,7,应用层,应用层是,OSI,体系结构的最高层。由若干的应用组成，网络通过应用层为用户提供网络服务。这一层的协议直接为端用户服务，提供分布式处理环境。与,OSI,参考模型的其他层不同的是，它不为任何其他,OSI,层提供服务，而只是为,OSI,模型以外的应用程序提供服务，如电子表格程序和文字处理程序。包括为相互通信的应用程序或进程之间建立连接、进行同步，建立关于错误纠正和控制数据完整性过程的协商等。应用层还包含大量的应用协议，如虚拟终端协议（,Telnet,）、简单邮件传输协议（,SMTP,）、简单网络管理协议（,SNMP,）和超文本传输协议（,HTTP,）等。,3.2 OSI,参考模型,3.2.3,各层功能简介,TCP/IP,是支持网际各异构网络和异种机之间互连通信的一种公共网络协议。,TCP,和,IP,两个主要协议分别属于传输层和网络层，在,Internet,中起着重要的作用。,OSI,的七层协议体系结构较复杂，实际应用意义不是很大，但其概念清楚，理论较完整，对于理解网络协议内部的运作很有帮助，在现实网络世界里，另一个标准化的网络体系是,ARPA(Advanced research project agency),美国国防部远景研究规划局颁布的,TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol),传输控制协议,/,网际协议,(,因特网的骨干协议,),。,TCP,IP,协议是当今计算机网络中应用最广泛、发展至今最成功的通信协议，已成为事实上的工业标准。它被用于构筑目前最大的、开放的互联网络系统,Internet,。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,TCP/IP,是国际互联网络事实上的工业标准，,ARPANET,最初设计的,TCP,称为网络控制程序,NCP,，在上面传送的数据单位是报文（,Message,），实际上就是现在的,TPDU,。随着,ARPANET,逐渐变成了,Internet,，子网的可靠性也就下降了，于是,NCP,就演变成了今天的,TCP,。与,TCP,配合使用的网络层协议是,IP,。,TCP/IP,是一组通信协议的代名词，这组协议使任何具有网络设备的用户能访问和共享,Internet,上的信息，其中最重要的协议族是传输控制协议（,TCP,）和网际协议（,IP,）。,TCP,和,IP,是两个独立且紧密结合的协议，负责管理和引导数据报文在,Internet,上的传输。二者使用专门的报文头定义每个报文的内容。,TCP,负责和远程主机的连接，,IP,负责寻址，使报文被送到其该去的地方。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.1 TCP/IP,协议体系结构概述,TCP/IP,模型的主要特点：,（,1,）开放的协议标准,;,（,2,）独立于特定的计算机硬件与操作系统；,（,3,）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网中；,（,4,）统一的网络地址分配方案，使得整个,TCP/IP,设备在网中都具有唯一的地址；,（,5,）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.1 TCP/IP,协议体系结构概述,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.1 TCP/IP,协议体系结构概述,1,各层功能,（,1,）网络接口层,TCP/IP,模型的最底层是网络接口层，也被称为主机网络层，它包括了使用,TCP/IP,与物理网络进行通信的协议，且对应着,OSI,的物理层和数据链路层。,TCP/IP,标准定义网络接口协议，旨在提供灵活性，以适应各种物理网络类型。这使得,TCP/IP,协议可以运行在任何底层网络上，以便实现它们之间的相互通信,.,网络接口层对高层屏蔽了底层物理网络的细节，是,TCP/IP,成为互联网协议的基础。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,（,2,）网络层,网络层也叫网际层，是,TCP/IP,协议体系结构中最重要的一层。网络层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组，将分组形成数据报（,IP,数据报），并为该数据报进行路径选择，最终将数据报从源主机发送到目的主机。本层涉及为数据报提供最佳路径的选择和交换功能，并使这一过程与它们所经过的路径和网络无关。在网络互连层中，最主要的协议是网际互连协议,IP,，其他的一些协议（主要有,ICMP,、,ARP,和,RARP),通过发送不同功能的数据报来协助,IP,的操作。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,（,3,）传输层,TCP/IP,的传输层与,OSI,的传输层类似，它主要负责进程到进程之间的端对端通信，为保证数据传输的可靠性，传输层协议也提供了确认、差错控制和流量控制等机制。传输层从应用层接收数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。该层使用了,TCP,协议和,UDP,协议两种协议来支持两种不同的数据传送方法。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,（,4,）应用层,在,TCP/IP,模型中，应用层是最高层，它对应着,OSI,模型中的高三层，用于为用户提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。因提供的服务不同，在这一层上定义了,HTTP,、,FTP,、,Telnet,、,SMTP,和,DNS,等多个不同的协议。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,2,各层主要协议,TCP/IP,事实上是一个协议系列或协议簇，目前包含了,100,多个协议，用来将各种计算机和数据通信设备组成实际的,TCP/IP,计算机网络。,TCP/IP,模型各层的一些主要协议如图,3-7,所示。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,（,1,）网络接口层协议,TCP/IP,的网络接口层中包括各种物理网协议，例如,Ethernet,、令牌环、帧中继、,ISDN,和分组交换网,X.25,等。当各种物理网被用作传送,IP,数据包的通道时，就可以认为是属于这一层的内容。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,（,2,）网络层协议,网际协议,(Internet Protocol,，,IP),是其中的核心协议，,IP,协议规定网际层数据分组的格式。,因特网控制消息协议,(Internet Control Message Protocol,，,ICMP),：提供网络控制和消息传递功能的。,地址解释协议,(Address Resolution Protocol,，,ARP),：用来将逻辑地址解析成物理地址。,反向地址解释协议,(Reverse Address Resolution Protocol,，,RARP),：通过,RARP,广播，将物理地址解析成逻辑地址。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,（,3,）传输层协议,传输层的主要协议有,TCP,协议和,UDP,协议。,传输控制协议,(Transport Control Protocol,，,TCP),，是面向连接的协议，用三次握手和滑动窗口机制来保证传输的可靠性和进行流量控制。,用户数据报协议,(User Datagram Protocol,，,UDP),，是面向无连接的不可靠传输层协议。,（,4,）应用层协议,应用层包括了众多的应用与应用支撑协议。常见的应用协议有：文件传输协议,FTP,、超文本传输协议,HTTP,、简单邮件传输协议,SMTP,、虚拟终端,Telnet,；常见的应用支撑协议包括域名服务,DNS,和简单网络管理协议,SNMP,等。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,3,一种建议的理论与实际结合的参考模型,OSI,参考模型与,TCP/IP,参考模型的共同之处是：它们都采用了层次结构的概念，在传输层中两者定义了相似的功能。但是，两者在层次划分与使用的协议上有很大区别。,两者的相似之处为：两者都均采用了层次结构；存在可比的传输层和网络层；两者都有应用层。,两者的区别主要是：,OSI,模型包括了七层，而,TCP/IP,模型只有四层；,TCP/IP,模型中没有专门的表示层和会话层，它将与这两层相关的表达、编码和会话控制等功能包含到了应用层中去完成；,TCP/IP,模型将,OSI,的数据链路层和物理层包括到了一个主机网络层中；,OSI,模型在网络层支持无连接和面向连接的两种服务，而在传输层仅支持面向连接的服务。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.2,各层功能简介,1,对等层通信的实质,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.3,数据传输过程,2,封装,下层把上层的数据单元作为本层的数据部分，然后加入本层的协议头部和尾部形成本层的协议数据数据单元（,Protocol Data Unit,，,PDU,）。如图,311,所示。即网络体系结构中，对等层之间交换的信息单元统称为协议数据单元。就是在数据前面加上特定的协议头部。协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息：地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息等。,传输层及以下各层的,PDU,另外还有各自特定的名称：传输层的,PDU,称为段（,Segment,），网络层的,PDU,称为分组,/,包（,Packet,），数据链路层的,PDU,称为帧（,Frame,），物理层的,PDU,称为比特（,Bit,）。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.3,数据传输过程,2,封装,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.3,数据传输过程,2,封装,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.3,数据传输过程,3.,解封装,接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息（各层头部）。因接收方的某一层不会收到底下各层的控制信息，而高层的控制信息对于它来说又只是透明的数据，所以它只阅读和去除本层的控制信息，并进行相应的协议操作。发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的，就好像这些信息通过虚通信直接给了对方一样。这个过程被称为解封装，每个后续层都会经历一个类似过程。,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.3,数据传输过程,3.,解封装,3.3 TCP/IP,协议体系结构,3.3.3,数据传输过程,大连理工大学出版社,地址：大连市软件园路,80,号,E-mail :dutp,URL,：,