第3章计算机网络体系结构1分析课件.ppt

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1、2023/3/28,1,第3章 计算机网络体系结构,3.1 网络体系结构3.2 开放系统互联参考模型3.3 OSI各层概述3.4 TCP/IP体系结构,2023/3/28,2,第3章 计算机网络体系结构,本章学习要求：掌握：网络体系结构涉及的基本概念掌握：层次化体系结构OSI/RM、TCP/IP掌握：OSI/RM主要层的功能 物理层 数据链路层：流量控制协议 网络层：路由算法 传输层：端口 应用层：主要协议,2023/3/28,3,3.1 网络体系结构,3.1.1网络体系结构的定义和发展网络体系：为了完成计算机间的通信合作，把每个计算机互联的功能划分成定义明确的层次，规定了同层次间通信的协议及

2、相邻层之间的接口及服务。网络体系结构：网络体系中同层进程间通信的协议和相邻层接口及服务的统称。网络体系结构的发展：,ARPASNAOSI/RM,2023/3/28,4,3.1 网络体系结构,3.1.2网络体系结构的分层原理层次结构方法要解决的问题：1.网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）2.各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）,层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能、服务与层间接口、协议。,2023/3/28,5,3.1 网络体系结构,层次、服务和接口、协议的范例,计算机网络分层体系结构示意图,2023/3

3、/28,7,OSI/RM分层结构的一些基本概念层：系统的逻辑划分，代表功能上相对独立的一个子系统（N）层表示OSI层次结构中的任一层，（N1）层表示指定层次的上邻层（层用户：本次服务使用者）（N1）层表示指定层次的下邻层（服务提供者）对等层：不同系统的相同层次,3.1 网络体系结构,2023/3/28,8,3.1 网络体系结构,实体：某一层中具有数据收发能力的活动单元，一般指该层的软件进程和实现该层协议的硬件单元（比如IE进程或者网卡上具有某种功能的模块）对等实体：位于不同系统的相同层次中的两个实体（Peer Entity）协议作用在对等实体之间,2023/3/28,9,3.1 网络体系结构,

4、通信协议：为了保证数据通信双方能够正确而自动地进行通信，制定的一套交换双方必须遵守的规则、约定与标准。接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻的上层。,2023/3/28,10,3.1 网络体系结构,计算机网络通信方式对等通信对等通信的实质（peer to peer）对等层实体之间虚拟通信禁止不同主机的对等层之间的直接通信。每一层必须依靠下邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信。下层向上层提供服务Service provider上层使用下层提供的服务Service user实际通信在最底层完成,2023/

5、3/28,11,3.2 开放系统互联参考模型,3.2.1 开放系统开放：所遵循的标准是开放的（任何人都可以参照）；遵循标准开发的计算机系统是开放的（可以和任意地方的任意计算机系统进行通信，只要该计算机系统也遵循相同的标准）。开放系统：遵守互联标准协议的实系统（实系统：传送和处理信息的自治整体）。,2023/3/28,12,3.2 开放系统互联参考模型,开放系统互联参考模型OSI/RM分层的基本思路：1）抽象系统 抽象实系统中涉及互联的公共特性构成模型系统，然后通过对模型系统的研究就可以避免涉及具体机型和技术实现上的细节，也可以避免技术进步对互联标准的影响。2）模块化（分层原理）根据网络的组织和

6、功能将网络划分成定义明确的层次，然后定义层间接口以及每层提供的功能和服务，最后定义每层必须遵守的规则，即协议。,2023/3/28,13,3.2 开放系统互联参考模型,3.2.3 OSI/RM七层模型,处理网络应用,应用层Application,表示层Presentation,会话层session,传输层transport,物理层Physical,数据链路层Data Link,网络层Network,7654321,二进制传输,介质访问/接入,寻址和最短路径,端到端的连接,主机间会话通信,数据表示,2023/3/28,16,3.2.4 通信协议：在网络系统中，为了保证数据通信双方能够正确而自动地

7、进行通信，制定的一套交换双方必须遵守的规则、约定与标准。特点：通信协议具有层次性通信协议具有可靠性通信协议具有有效性,3.2 开放系统互联参考模型,2023/3/28,17,3.1 网络体系结构,网络协议要包含三个要素：语义：构成协议的协议元素含义的解释，也即“讲什么”，例如协议元素SOH的语义表示所传输报文的报头开始。语法：规定将若干个协议元素和数据组合在一起来表达一个更完整的内容时所应遵循的格式，也即“怎么讲”，例如在传输数据报文时，可用适当的协议元素和数据表达传输格式时序：通信中各事件发生的因果关系。,SOH,HEAD,STX,TEXT,ETX,BCC,3.2.5 服务定义：本层向上邻层

8、提供的功能集合。OSI增值服务的原则：本层的服务应是本层功能与下邻层服务的之和，即（N）服务（N）功能（N1）服务层服务访问点SAP（Service Access Point）：上层实体可以访问下层实体提供的服务的地方（位于接口上）。每一个SAP都有一个唯一地址（标识），且每个层间接口可以有多个SAP。在同样的意义上，我们可以把在邮政系统中邮局服务业务为发信人提供服务的地方某一邮箱的地址看作SAP，也可把收信人的街名和信箱看作邮局服务业务为收信人提供服务的SAP地址。发一封信，这两个SAP地址都是不可缺少。,2023/3/28,19,3.2 开放系统互联参考模型,服务分类：1.面向连接服务（C

9、onnection-Oriented Service）每一次完整的数据传输都必须具有建立连接、数据传输和终止连接三个过程。电话系统服务模式的抽象。2.无连接服务（Connectionless Service）每个传送单元（报文、数据报）带有完整的目的地址，每个传送单元在系统中是独立传送的。邮政系统服务模式的抽象。,Connection Oriented Service,Connectionless Service,参考模式,电话系统,邮政系统,特点,传输前需要建立连接；静态分配资源,动态分配资源,可靠性,提供可靠的报文流服务,不能防止报文的丢失、损坏、重复和乱序,对目的地址 的要求,仅在连接阶

10、段需要完整的目的地址,需要为每一个传送单元提供完整的目的地址,适用场合,在一段时间内向同一目的地发送大量信息;实时性要求FTP、TELNET,少量零星信息HTTP,服务原语：提供层服务的具有原子特征的语句（提供层服务的方法）原语：语句的执行具有原子特征（完整性），不容许中断；功能：（1）本层利用服务原语来通知下邻层要做什么；（2）下邻层利用服务原语来通知本层已做了什么。服务原语是层服务被引用的工具服务原语定义了相邻层之间的接口。结构：由原语名(CONNECT、SEND、LISTEN、RECEIVE等)和原语参数两部分组成（类似编程时的程序名和形式参数）。分类：,2023/3/28,22,服务原

11、语举例：建立连接服务由CONNECT原语提供当一个实体发出连接请求（CONNECT.request）之后，一个协议数据单元PDU就被发送出去。接收方会收到一个连接指示（CONNECT.indication），被告知某处的一个实体希望和它建立连接。收到连接指示的实体使用连接响应（CONNECT.response）原语表示它是否愿意建立连接。但无论是哪一种情况，请求建立连接的一方都能够通过连接证实（CONNECT.confirm）原语获知接收方的态度。,3.2 开放系统互联参考模型,2023/3/28,23,3.2 开放系统互联参考模型,有确认服务的服务原语：发出的请求原语要求得到确认 XXXX.

12、REQ XXXX.IND XXXX.RSP XXXX.CNF,2023/3/28,24,3.2 开放系统互联参考模型,无确认服务的服务原语：发出的请求原语无需对方予以确认 XXXX.REQ XXXX.IND,2023/3/28,25,3.2 开放系统互联参考模型,3.2.6 数据单元（在网络中信息传送的单位/数据块）协议数据单元PDU：对等层协议之间交换的数据单元的统称。PDU的内容和格式由协议精确地定义：PCI：为实现协议而在传送的数据的首部或尾部加上的控制信息，如地址、序号信息、差错控制信息等；用户数据：本层实体提供服务而为上层传送的信息。（N）PDU传递给下层，作为（N1）用户数据的一部

13、分，直至对等层实体。例如：将信装入信封，写上收发地址并贴邮票,协议控制信息PCI,用户数据,2023/3/28,26,3.2 开放系统互联参考模型,传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层报文或数据段（Segment）网络层分组或数据报（Packet）数据链路层数据帧（Frame）物理层比特（Bit）,2023/3/28,27,3.2 开放系统互联参考模型,服务数据单元SDU：上层用户要求本层服务提供者传递的逻辑数据单元，即相邻层间交换的数据单元，是服务原语的表现形式。例如：一个邮筒中的全部信就形成一个SDU制定协议时，可以使上层的协议数据单元PDU格式直接等同于本层SDU的结构

14、。但是，由于协议数据单元PDU对长度往往会有所限制，要适应本层提供的服务，所以上层的PDU可能会按照本层SDU要求进行分段或合并，然后由上层向下传送。,2023/3/28,28,3.2 开放系统互联参考模型,接口数据单元IDU：经过相邻层间接口的信息单元ICI：在通过层间接口时，需要加一些控制信息，如通过多少字节、要求的服务质量等。它只对SDU通过接口时有作用，进入下层后丢弃接口数据：通过接口传送的信息内容，即SDU例如：邮递员定时从邮筒中取出所有信，检查邮票盖邮戳,接口控制信息ICI,接口数据（SDU）,2023/3/28,29,3.2 开放系统互联参考模型,第N+1层,第N层,接口,ICI

15、,数据单元间关系,2023/3/28,30,3.2 开放系统互联参考模型,发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，还要写明用航空或挂号。,数据封装：一台计算机要发送数据到另外一台计算机，必须首先在数据前面加上特定的协议头部，这个过程称为封装。,2023/3/28,31,3.2 开放系统互联参考模型,2023/3/28,32,3.2 开放系统互联参考模型,实际例子：TCP/IP协议的封装,2023/3/28,33,3.3 OSI各层概述,3.3.1物理层(Physical)系统和通信介质的接口，实现数据链路层实体间物理连接，在物理媒体上透明地传送位流。1.数据终端设备DTE、数据

16、电路端接设备DCEDTE希望通过网络互连的设备（入网设备），用于处理用户数据的设备，即通信系统中的信源和信宿，比如计算机。DCE界于DTE和网络传输介质之间的设备，用于把DTE发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式，反之亦然。如MODEM。,2023/3/28,34,3.3 OSI各层概述,2.物理层的目的：提供与通信介质的连接，描述连接的特性，以建立、维护和释放物理连接；向上层提供位信息的正确传送。机械特性：规定了DTE/DCE接口连接器的尺寸、形状、规格，例如25引脚或9引脚的D形连接器、8引脚的RJ-45连接器等。电气特性：规定了各种信号的电平，脉冲宽度，频率，允许的数据传送速

17、率，最大传送距离等。功能特性：规定了接口引脚的功能作用。规程特性：规定了接口电路信号发生的时序，应答关系，操作过程，如怎样建立和拆除物理层连接，全双工还是半双工等。,2023/3/28,35,3.3 OSI各层概述,3.物理层提供的服务1）提供物理连接：数据电路：通信路径数据电路的路径构成a.物理介质b.用于传输位流所需的具体设施c.物理层中的中继设备以及相关的电路“设备媒体设备”之间的连接。,2023/3/28,36,物理连接分类：a.点到点连接：两个数据链路实体的一对一连接。b.多点连接：一个数据链路实体与多个数据链路实体连接,3.3 OSI各层概述,2023/3/28,37,2）物理服务

18、数据单元：串行传输方式物理服务数据单元：仅含1位 并行传输方式物理服务数据单元：由若干位组成3）顺序化保证接收物理实体所收到的位顺序与发送物理实体所发送的位顺序相同4）数据电路标识提供能标识两相邻系统间数据电路的唯一标识符,3.3 OSI各层概述,2023/3/28,38,5）故障情况报告当物理层内出现差错时，应向数据链路层实体报告物理层中所检测到的故障和差错6）服务质量指标误码率、数据传输速率、传输延时,3.3 OSI各层概述,2023/3/28,39,3.3 OSI各层概述,3.3.2 数据链路层(Data Link)在不可靠的物理线路上实现数据的可靠传输，使之对网络层呈现为一条无错的传输

19、线路。1.数据链路层的目的 在相邻网络实体间建立和释放数据链路连接 传输数据链路层协议数据单元帧。,2023/3/28,40,3.3 OSI各层概述,2.数据链路层的功能和服务1）数据链路连接的建立和拆除无应答、无连接服务源主机发送前不必建立数据链路连接，而传输时接收方也不应 答，出错和数据丢失时也不作处理允许源主机的数据链路层可以在任何时候，发送任意长的信息接收主机的数据链路层将收到的信息送入自己的网络层适用于：误码率很低的线路，错误恢复留给高层；实时业务（如语音）、大部分局域网,2023/3/28,41,3.3 OSI各层概述,有应答、无连接服务这种服务仍然不需要建立连接，但是对一个发出去

20、的帧要进行单独确认；用这种方式，发送方就可以知道某一帧是否已安全到达目的地。如果在指定的时间一帧未能到达目的地，则可以重传误帧，或进入等待状态；适用于：节点的物理链路较多或通信量较小的网络，如无线网,2023/3/28,42,3.3 OSI各层概述,应答分类：正向应答 只对正确的信息进行确认应答 在网络中最常使用的方式负向应答 只对错误的信息进行否定应答双向应答 既对正确的信息进行确认应答，也对错误的信息进行 否定应答 常用于对重要的控制帧的传送,2023/3/28,43,3.3 OSI各层概述,面向连接服务 这是数据链路层为网络层提供的服务质量很好的服务。这种服务方式的数据传输分为三个阶段：

21、建立数据链路：让通信双方的数据链路层都同意进行传输并做好传输的准备 传输数据帧：将网络层数据封装成帧后传送到接收方 拆除数据链路：传输结束后便拆除该数据链路 数据链路层的面向连接的服务为网络层协议实体之间的交互提供了可靠的数据传送服务。,2023/3/28,44,3.3 OSI各层概述,2）构成数据链路数据单元（PDU）在数据链路层SDU的外面加上数据链路层控制信息，形成数据链路层的PDU。3）数据链路连接的分裂多链路规程（MLP）为提高传输速率和效率，将一条物理链路上传输的数据改用多条物理连接来传输（同多路复用相反）。利用多链路规程可以支持高可靠，或者高速率的传输要求：追求高可靠性时，将相同

22、帧交由多条不同的单链路同时传输；追求高速率时，将不同帧交由多条单链路传输，MLP的传输速率是各单链路规程SLP的传输速率之和。,2023/3/28,45,3.3 OSI各层概述,4）定界与同步（帧）在接收到的位流中，识别出数据链路层PDU的开始和结束，以及PDU中的每个字段，以便实现正确的接收和控制。5）顺序和流量控制顺序控制功能控制PDU按顺序在相邻节点之间传输。流量控制功能用以保持数据单元的发送与接收的速率匹配。6）差错控制（检测和恢复）检测出传输出错、格式出错或操作出错通过恢复功能从上述三种错误状态中解脱出来将不能恢复的出错向网络层实体报告。,2023/3/28,46,3.3 OSI各层概述,3.数据链路层协议分类（根据所采用的帧同步技术）面向字符的通信规程：利用某些专用的字符来控制数据的传输，即传送的控制信息必须由规定的字符集组成。标题（传输控制）：序号、源站地址、目的站地址、发送日期正文：具体内容（当正文长度可变时，还包括识别正文开始和结束的控制字符）,2023/3/28,47,3.3 OSI各层概述,面向位的通信规程：采用特定的二进制标志序列作为帧的开始和结束，以一定的比特组合所表示的命令和响应实现链路的监控功能。典型例子：高级数据链路控制协议HDLC。优点：对数据没有位数限制标志唯一（01111110，7EH）,