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Part Four Network Architectures&Protocols第四部分 网络体系结构与协议,第十一章 通信协议与网络模型,Computer Networks,本章讲什么Whats about This Chapter？,本章介绍网络通信协议和网络模型的一般知识。本章学习的主要内容有：网络通信协议的概念网络通信三大基础协议通信分层的概念网络体系结构（网络模型）的概念OSI参考模型IEEE和TCP/IP参考模型(简介),本章主要内容 Contents,11.1 网络通信协议 Communication Protocols11.2 网络通信的分层结构 Layered Architecture11.3 OSI 参考模型 OSI Reference Model 11.4 IEEE 和TCP/IP网络体系结构 IEEE and TCP/IP,11.1 网络通信协议Communication Protocols,（参见教材第1.4节）,网络：协议无所不在Networks:the World of Procotols,网络 双方的信息传输常用协议HTTP-WWWFTP-文件下载/文件上传 IEEE 802.3-局域网通信TCP/IP-因特网NetBEUI-文件共享和打印机共享Stop-and-wait/Sliding window-流量控制/差错控制HDLC-数据链路控制协议的系统组合“Architecture”（网络体系结构）,通信协议Communication Protocols,通信协议是一种概念 必须去学习和理解它的含义内容功能是一种原理 描述网络通信数据传递的过程是一种标准 只有按相同或兼容协议研发和制造的产品才能相互通信新协议的制订标准化组织和有影响的生产厂商因特网所用协议(因特网标准)由因特网协会管理IETF(因特网工程任务组)在线公布IESG(因特网工程指导组)批准为标准RFC出版物RFC791 IP(Internet Protocol)RFC793 TCP(Transmission Control Protocol),有关知识：RFCMore about RFC,因特网上所有的协议都是以所谓RFC文档形式定义的。RFC(Request For Comments)-意即“请求注解”，包含了关于Internet的几乎所有重要的文字资料。如果你想成为网络方面的专家，那么RFC无疑是最重要也是最经常需要用到的资料之一，所以RFC享有“网络知识圣经”之美誉。通常，当某家机构或团体开发出了一套标准或提出对某种标准的设想，想要征询外界的意见时，就会在Internet上发放一份RFC。绝大部分网络标准的指定都是以RFC的形式开始，经过大量的论证和修改过程，由主要的标准化组织所指定。一个RFC文件在成为官方标准前一般至少要经历三个阶段：建议标准、草案标准、因特网标准。令人遗憾的是，由国内个人或组织编写的RFC文档几乎没有。如何编写RFC文档：参见文档 RFC Editor Tutorial.pdf 或 参见网页,协议的概念Concept of a Protocol,通信协议用于不同系统中实体之间的通信。所谓“实体”，是指能发送或接收信息的各种软件，如各种应用程序、数据库管理系统、e-mail软件等。所谓“系统”，是指运行一个或多个实体的硬件设备，如各种计算机、终端设备和远程传感器等。通信的内容、通信的方式和通信的时间，所有这些都必须遵循实体之间都能接受的一定规则。这些规则就是所谓“协议”，或者说，协议就是指通信双方通信时需要遵循的一组管理规则。,协议三要素Key Elements of a Protocol,一个协议主要由语法、语义和时序三个部分组成。语法-如何讲（格式）指通信数据与控制信息的结构或格式,涉及编码方案、信号电平等。如规定数据的前8位（比特）是发送方的地址，其后8位是接收方地址，比特流的其他部分才是信息本身。语义-讲什么（含义）指通信设备之间传送的比特流每一部分的含义。涉及用于协调与差错处理的控制信息。时序-何时讲（次序）包括两个特性：速度匹配和和先后顺序，即数据何时发送，传送速度如何才合适。,关于协议About Protocols,假定一个与网络相连的设备正向另一个与网络相连的设备发送数据，由于各个厂家有其各自的实现方法，这些设备可能不完全兼容，它们相互之间不可能识别和通信。解决方法之一是在同一个网络中全部使用某一厂家的专有技术和设备，在网络互连的今天已不可行。另一种方法就是制定一套实现互连的规范（标准），即所谓“协议”。该标准允许每个厂家以不同的方式完成互连产品的开发、设计与制造，当按同一协议制造的设备连入同一网络时，它们完全兼容，仿佛是由同一厂家生产的一样。所以“协议”通常也指网络上不同计算机之间为了协调互相通信而使用的技术规范，即通信技术标准（也是软硬件厂商开发网络产品的标准）。,为什么有许许多多的网络通信协议?Too Many Communication Protocols?,理论上只要有一套协议即可，但由于网络技术在不断发展，应用领域在不断拓宽，加上历史的原因（年代各大计算机公司在网络领域“诸侯割据”，纷纷推出自己的网络通信协议，既为网络技术的发展作出了贡献，亦造成协议品种杂多的局面），所以目前尚无一套统一可用的网络协议。正如理论上人类只要一种语言就可以相互沟通，但实际上却有许许多多的语言存在一样。学习网络的重要任务之一就是了解各种常用的通信协议。对于网络开发/集成工程师，则需要深入理解甚至精通工程中所涉及到的各种协议。对于普通网络用户，则只需知道访问网络资源你的系统或机器上需要配备何种协议，而无须知道这些协议的具体含义。,封闭协议和开放协议Closed and Open protocols,协议可分为封闭协议(closed protocol)协议内容不对公众公布（只能由制定协议的厂家使用）开放协议(open protocol)协议内容对公众公布（不同厂家均可采用）从网络角度看，未连网的计算机都是所谓“信息孤岛”型的计算机系统，只按某一公司/厂商的网络通信协议连网（使用封闭协议的网络）的属于“封闭系统”，而采用开放协议的网络可以使不同公司/厂商生产的计算机系统实现网络互连（甚至在全球范围内互连起来），称为“开放系统”。现代网络技术领域有成千上万种与网络通信有关的协议。其中对网络技术影响最大的是由有关的国际性组织制定的各种基础协议。,网络通信中三个最具影响的基础协议Most Important Basic Protocols,其中三个最具影响力的国际性组织为网络通信制定了各自的协议。OSI（开放系统互连）协议 ISO（国际标准化组织）81年公布（理论标准）IEEE 802 LAN 协议 IEEE（电气和电子工程师学会）802委员会（80年2月成立）制定，其部分标准已被ISO正式确定为局域网的国际标准TCP/IP（网际互连/传输控制）协议 美国防部高级计划研究局（DARPA）83年为“阿帕”网（ARPAnet，今发展为Internet）而开发，用于通过UNIX系统控制实现异种计算机网络的互连，乃很多大学（如斯坦福大学）及研究所经多年研究及商业化后得出的结果，现为最通用的网际互连协议，亦为公认的工业标准。,Theoretical direction 理论指导,LAN Building局域网组网,Internetworking网络互连,11.2 网络通信的分层结构Layered Architecture,通信分层的概念Layered Architecture,可以将人与人的“通信”分为三个相关的层次：认识层、语言层、传输层。,【例1】如果让一莆田老妪与北京一科学家进行如下的“通信”莆田老妪 北京科学家 结 果 用网络术语表达结果谈论内容 莆田城内菜价 计算机网络技术“不可理喻”认识层“协议”不兼容所用语言 莆田方言 英语“不知所云”语言层“协议”不兼容通信方式 电话 电脑“不可沟通”传输层“协议”不兼容,【例2】如果让一莆田老妪与北京的莆田藉科学家闵桂荣进行如下的“通信”莆田老妪 闵桂荣院士 结 果 用网络术语表达结果 谈论内容 莆田城市变化 家乡情况 OK 认识层“协议”兼容 所用语言 莆田方言 莆田方言 OK 语言层“协议”兼容 通信方式 电话 电话 OK 传输层“协议”兼容,通信分层：另一个例子 Layered-Another Example,P18 图2.1,任务分层Layered Tasks,人们为了能够彼此交流思想，需借助一个分层次的通信结构；其次，层次之间不是相互孤立的，而是密切相关的，上层的功能是建立在下层的基础上，下层为上层提供某些服务，而且每层还应有一定的规则。网络通信情况同样如此，只是区分更细一些。,网络通信分层的概念 Two communication modes,计算机之间的通信可归纳为两种基本方式：点-点通信（P-P）相邻节点之间通过直达通路的通信(“线路通信”)端-端通信（E-E）不相邻节点之间通过中间节点链接起来所形成间接可达通路的通信(“链路通信”)点-点通信是端-端通信的基础 端-端通信是点-点通信的延伸,点-点通信的分层 Layered for Point-to-Point,两台相邻计算机通过直达通信线路通信时，其所用通信软件将自然分成两个相对独立的模块（层）：用户服务层 处理用户的通信应用请求 通信服务层 通过通信线路收发数据分层的优点：用户服务层的模块设计可相对独立于具体的通信线路和通信硬件接口的差别（如铜线、同轴电缆、光纤等），而通信服务层的模块设计又可相对独立于具体用户应用要求的不同（如文件传输、电子邮件等）。,b.端-端通信的分层 Layered for End-to-End,端-端通信是把若干点-点相邻节点间的通信线路通过中间节点链接起来，所以还需解决：(1)中间节点应具有路由转接功能(按报文所附目标地址转发）(2)端节点应具有启动、建立和维护端-端链路的功能 启动发送端发送一个带目标端节点地址的联系控制报文 建立目标端节点返回一个同意通信联系的报文，建立了 双方的联系 维护通信过程差错控制、流量控制等为此需在用户服务层和通信服务层之间增加一个新层(网络服务层)，即通信服务层实现相邻节点间的点-点通信，网络服务层实现不相邻节点间的端-端链路通信，用户服务层处理用户应用软件的通信请求与服务。,特定层的标准Layer-Specific Standards,整个通信功能被分解成不同的层次，也就是说，整体功能被分解为若干模块。在每一层，都有三个问题最为关键:做什么(层间服务)怎么做(层协议)怎么建立联系(层间寻址),协议的制订Protocol Specification,不同系统同层的两个实体能通过某个协议进行协同工作。由于涉及两个不同的系统，这个协议必须准确制订。协议的内容包括相交换的“协议数据单元”(PDU)的格式，各字段的含义，以及PDU的正确顺序。,层间服务（service）分层通信体系中，下层通信实体（服务提供者）为上层实体（服务用户）提供的通信功能。Service:what is to be done,but not how to do it.N层向相邻的高层(N+1层)提供服务(N层是服务提供者)N层向相邻的低层(N-1层)调用服务(N层是服务用户)相邻的高层协议通过服务访问点(SAP)调用低层协议,层间服务的概念What is Service?,服务Services,层间寻址：服务访问点Addressing:Service Access Points,每一层为其上一层各个实体提供各种服务。这些实体通过某个”服务访问点”（SAP）来寻访。,服务原语Service Primitives,在一个分层通信系统中，相邻层之间的服务可以用“服务原语”和“参数”来表达。服务原语定义了所要执行的功能。参数则用于传递数据和控制信息。在网络通信标准中，使用了四种服务原语来定义一个分层通信系统中相邻层间的相互交流，每种服务原语代表一种通信操作：request（请求）indication（指示）response（响应）confirm（证实）,Request（请求）由服务用户发出，用于调用某种服务，并传送所需的参数，以明确所请求的服务。Indication（指示）由服务提供者发出,主要用于指示某个进程已被在线的对方服务用户调用，并提供相关的参数或用于向服务用户通报由某个服务提供者发起的动作。Response（响应）由服务用户发出，用于对某些早先通过向该用户发出指示而调用的进程作出应答或表明完成。Confirm（证实）由服务提供者发出，用于对某些早先因服务用户请求而调用的进程作出应答或表明完成。,服务原语与参数Service Primitives and Parameters,假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信,电话员A,电话员B,老人A,老人B,A幢,B幢,A小姐，请拨B幢电话,CONNECT.request（连接请求）,B奶奶，有您的电话！,CONNECT.indication（连接指示）,请讲吧,CONNECT.response（连接响应）,A大爷，B奶奶请你讲话,CONNECT.confirm（连接证实）,假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信,电话员A,电话员B,老人A,老人B,A幢,B幢,你好！,我很好，有事吗？,晚上睡不着,我也是,DATA.request和DATA.indication（数据请求和指示通话）,假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信,电话员A,电话员B,老人A,老人B,A幢,B幢,今天就到讲到这里吧，再见！,DISCONNECT.request（断连请求）,A大爷，B奶奶跟你拜拜了,DISCONNECT.indication（断连指示）,层接口和层协议Layer Interfaces and Protocols,层接口 上下层之间相互通信处（独特的标识地址），如可以是一个套接字（socket）或一个端口等。如上例中楼上老人与楼下电话员间的传话口。层协议 分层体系结构中，某层功能实现的方法和方式。通信双方同层协议必须一致。层间服务只表示能为上层做什么，层协议则规定了本层功能如何实现。只要不改变提供的服务，本层实体可以任意地改变它们的协议。如上例中楼下向楼上老人提供传话功能(服务)，但楼下电话员之间如何通话，则由双方商定（协议）。Protocol:How to do it,but not what is to be done.,【名词解释】网络体系结构 Network Architecture,体系结构（Architecture）中文中常用来描述有比较明显层次结构的系统（如科学体系结构、政治体系结构等）。网络体系结构（Network Architecture）-即所谓“网络模型”。指一组以非技术方式描述网络的 原理和概念，包括网络各功能的组织，数据格式和程序的说明。-中文教科书中：“网络各层、对等层进行通信的协议以及相邻层接口的集合称为网络体系结构”。-用通俗的话简言之：分几层？每层做什么？每层如何去做？仅规定了前两项的网络体系结构通常又称为“参考模型”。,11.3 OSI参考模型OSI Reference Model,77年，由ISO的信息技术委员会TC97提出，并由TC97逐步完成各层的协议标准。OSI协议将网络通信过程划分为七个相互独立的功能组（层次），并为每个层次制定一个标准框架。上面三层（应用层、表示层、会话层）与应用问题有关，而下面四层（传输层、网络层、数据链路层、物理层）则主要处理网络控制和数据传输/接收问题。各层的功能单元用于规定 what is to be done,but not how to do it.,OSI（开放系统互连）协议OSI Protocols,并非一个实用的标准 OSI The Model,OSI协议仅给出一个框架结构，并没有将其网络模型的每一层限定在统一的一种协议中，也没有给出协议的具体实现技术（即未完全定型），故又称“参考模型”(OSI/RM)。但它奠定了网络体系结构的基础，成为今天设计和制定网络协议标准最重要的参考模型和依据。所以，OSI参考模型不是一个产品你无法找到一个供应商为Windows 2000提供第n 版的OSI。它只是一个概念框架，用于帮助理解网络中各种设备之间的复杂交互。在通信过程中OSI参考模型不起任何作用，是适当的软件和硬件来完成实际的工作。OSI只是定义要做哪些事，这些事在七层模型中分别由另外一些协议来控制完成。,OSI七层模型 Seven layers of the OSI model,P18图 2.2,各层功能小结Summary of Layer Functions,P27 图 2.15,Layer 7-Application 网络的用户接口（上网软件等）Layer 6-Presentation 不同系统数据格式转换/加解密Layer 5-Session 进程（执行中的程序）间会话管理与会话同步（“会话”即用户间连接）Layer 4-Transport 报文的正确传输（报文的生成、收发、组合与差错检查）Layer 3-Network 路由选择和流量控制（选择LAN间传输路径）Layer 2-Data Link 帧的正确传输（帧的生成、收发与差错检查）Layer 1-Physical 数据比特流（0、1）的正确传输（比特流的生成、收发与差错检查）,OSI参考模型：七层协议 OSI Layers,数据通信网,衔接,软件 主要由软件实现（面向通信用户）资源子网的任务,网络主要由硬件实现（完成传送服务）通信子网任务,OSI参考模型 示意图 OSI/RM:Layered Diagram,7 应用层6 表示层5 会话层4 传输层3 网络层2 数据链路层1 物理层,OSI参考模型 通信过程（比喻）OSI/RM:Letter Transferred,OSI参考模型 通信过程 OSI/RM:Data Transferred,OSI参考模型 实际通信过程 OSI/RM:Actually Letter Transferred,实际通信过程要复杂得多,OSI参考模型 实际网络通信过程 OSI/RM:Actually Data Transferred,实际网络通信过程同样要复杂得多,同层对等通信Peer-to-Peer Communication,对等过程 The interaction between layers in the OSI model,P19 图 2.3,OSI参考模型 虚通信的概念 OSI/RM:Virtual Communication,虚通信(Virtual Communication),可知:OSI将网络通信过程分为若干协议层,每层实现通信过程中的某一部分功能；发送和接收双方应具有相同的协议层，双方同一协议层的协议必须一致。说明：并非所有网络通信都必须通过完整的七层；实际上，如果在同一个LAN内（直接通过物理地址传输）通信，通常只用到下两层和应用层，如果跨LAN（路由选择成为必要），则需要用到下面四层和应用层。两个节点有加密/解密的通信要求时，可能用到表示层。并非现有的网络通信都是按本模型分层(实际上一个也没有);每层可能对应有若干个具体协议，通信双方同层协议必须相同或相互兼容,OSI参考模型 其他,发送方,接收方,封装的概念 Encapsulation,封装功能Encapsulation,把控制信息(头部或尾部的)加到数据上。这些信息有 地址信息 差错检测码 协议控制信息通常上层送来的数据与控制信息两者的组合被称为“协议数据单元”（PDU）。,数据封装示意图 Encapsulation,数据,【封装】信息通过各层向下传递时，每层的软件负责加上它的报头(header)或报尾(Trailer)信息。,数据封装示意图,封装和去封装Encapsulation/Decapsulation,封装,去封装,发送方,分层传送时数据封装过程（发送）Encapsulation:Transfer,1010100100,分层传送时数据封装过程（接收）Encapsulation:Receive,接收方,1010100100,分层传送时数据封装过程 Encapsulation and Transmission,实际的网络通信传输过程可以用下图表示：,网络协议：我们应该懂多少 Protocols:What must we know?,对于普通用户，协议的实用意义在于：购买网络产品（网卡、软件等）时要注意它支持何种协议，如果您买的网卡仅支持802.4协议（令牌环），则在一般以太网网络上不能使用。对于网络管理工程师，了解所管网络系统所使用的主要协议，网络划分、日常管理和维护、网络故障排除时就可以做到“胸有成竹”。对于所谓“区域网”（Intranet和MAN）等系统集成工程师，往往需要较为具体地了解物理层、数据链路层和网络层的功能及相关协议，以便科学地进行设备选型、配置和网络规划。对于从事网络技术发展和网络设备开发的专家，需要深入研究协议，熟悉协议，制定或修改协议。,11.4 IEEE和TCP/IP网络体系结构IEEE and TCP/IP,IEEE局域网标准IEEE Standards for LANs,IEEES模型与OSI模型LAN Compared with OSI Model,TCP/IP协议体系结构模型TCP/IP Protocol Architecture Model,TCP/IP和OSI模型对照 TCP/IP and OSI model,P28图2.16,OSI模型与TCP/IP模型OSI vs TCP/IP,本章推荐阅读 Recommended Reading,网络工程师考试考点分析与真题详解（计算机与网络知识篇）张友生等主编 电子工业出版社2005年8月 第8章 网络体系结构全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试指定用书 网络工程师教程雷震甲主编 清华大学出版社 2004年7月 第节全国计算机技术与软件专业技术资格和水平考试指定用书 网络设计师教程胡道元主编 清华大学出版社 2001年5月 第4章 网络体系结构及协议按RFC编号查RFC原文件 http:/,本章作业 Homework,1、什么是网络通信协议？网络通信中三个最具影响的基础协议？因特网使用的网络通信协议是什么？2、什么是网络体系结构?3、分层体系结构中，服务、协议、接口三者之间有何区别？4、OSI模型将通信过程分为几层？请按顺序写出各层名称，5、OSI协议中所谓“封装”是指什么？预习教材第12章,