《网络体系结构》PPT课件.ppt

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1、第七讲 网络体系结构,OSI/RM参考模型简介,OSI/RM（Open Systems Interconnection/Reference Module）的全称是开放系统互连参考模型，是由国际标准化组织ISO在80年代初提出来的。当时，网络界出现了以IBM的SNA为代表的若干个网络体系结构，这些体系结构的着眼点往往是各公司内部的网络连接，没有统一的标准，因而它们之间很难互起来。在这种情况下，ISO提出了OSI参考模型，它最大的特点是开放性。不同厂家的网络产品，只要遵照这个参考模型，就可以实现互连、互操作和可移植性，也就是说，任何遵循OSI标准的系统，只要物理上连接起来，它们之间都可以互相通信。

2、OSI参考模型定义了开放系统的层次结构和各层所提供的服务。OSI参考模型的一个成功之处在于，它清晰地分开了服务、接口和协议这三个容易混淆的概念：服务描述了每一层的功能，接口定义了某层提供的服务如何被高层访问，而协议是每一层功能的实现方法。通过区分这些抽象概念，OSI参考模型将功能定义与实现细节分了开来，概括性高，使它具有了普遍的适应能力。,OSI参考模型本身并不是网络体系结构。按照定义，网络体系结构是网络层次结构和相关协议的集合，通过下面对OSI参考模型各层的介绍，我们不难发现，它并没有精确定义各层的协议，只是描述了每一层的功能。但这并不妨碍ISO组织制定各层的标准，只不过这些标准不属于OSI

3、参考模型本身。OSI参考模型具有七个层次框架，自底向上:物理层(physical layer)二进制传输数据链路层(data link layer)介质访问（接入）网络层(network layer)寻址和最短路径传输层(transport layer)端到端的连接会话层(session layer)主机间通信表示层(presentation layer)数据表示应用层(application layer)处理网络应用该模型有下面几个特点：每个层次的对应实体之间都通过各自的协议通信 各个计算机系统都有相同的层次结构 不同系统的相应层次有相同的功能 同一系统的各层次之间通过接口联系 相邻的两层之

4、间，下层为上层提供服务，同时上层使用下层提供的服务,传输层协议,1、物理层 物理层的主要功能是实现通信结点之间的物理连接，在物理传输介质上传输非结构化的“0”和“1”二进制比特流。物理层并不是指物理传输介质，它是介于数据链路层和物理传输介质之间的一层，是OSI参考模型的最底层，起着数据链路层到物理传输介质之间的逻辑接口的作用。物理层向数据链路层提供的服务包括：物理连接服务 指向数据链路层提供物理连接，数据链路层通过接口将数据传送给物理层，物理层就通过传输介质一位一位地送到对等的数据链路层实体；至于数据是如何传送的，数据链路层并不关心。物理服务数据单元服务 是在物理介质上传输非结构化的比特流，所

5、谓非结构化的比特流，指顺序地传输“0”、“1”信号，而不必考虑这些“0”、“1”信号表示什么意义。顺序化服务 是指“0”、“1”信号一定要按照原顺序传送给对方，而不必考虑这些“0”、“1”信号表示什么意义。,物理层协议的设计问题主要是建立、维护和释放物理链路所需的机械的、电气的/光学的、功能的和规程的特性。OSI参考模型中并未定义实际的物理层协议，具体的物理层协议如EIA组织制定的RS-232C协议、CCITT的X.21协议等。机械特性指物理连接器的尺寸、形状、规格等。在RS-232C中，规定采用的连接器接口有25根针，接口形状为D形接口。电气特性包括信号电平，脉冲宽度，频率，数据传送速率，最

6、大传送距离等。目前计算机的二进制信号多数是用电信号表示的，当然在用到光纤传输的时候也有光信号和光电转换问题。RS-232C规定，对数据信号，以+12V或+8V表示“0”，-12V或-8V表示“1”，对控制信号，“0”表示“开”，“1”表示“断”，数据速率0-20Kbps(比特每秒)。功能特性描述接口引脚的功能作用，如RS-232-C的第二根针是用于发送数据的，第三根针是用于接收数据的，第四根针表示请求发送，第五根针表示允许发送。规程特性指信号时序，应答关系，操作过程。例如，RS-232-C的一段规程为：第四根针置位，请求发送第五根针置位，允许发送数据通过第二根针发送。,2、数据链路层 数据链路

7、层的主要功能是在物理层提供的比特服务基础上，在相邻结点之间提供简单的通信链路，传输以帧为单位的数据，同时它还负责数据链路的流量控制、差错控制。首先，数据链路层是为网络层提供“简单”的通信链路，通信实体所在的系统必须经过物理介质直接相连。该链路不具备任何路径选择和转发功能。它的差错控制和流量控制能力也比较简单。数据链路层将物理层提供的比特流组成帧，即将发送方若干比特的数据组成一组，加上“开始”、“结束”标志和检错代码等，形成有固定格式的数据帧。本层要提供一定的差错检验和纠正机制。服务会因机械、电气等原因，出现错误，如将“0”、“1”颠倒，丢失一个“0或“1”，或者因为信号干扰而多出一位数字。接收

8、者收到该数据帧后，根据检错代码就可以判断收到的数据帧是否有错误，并在可能的情况下纠正错误。如果错误不能纠正，只好选择重传该数据帧。需要指出的是，数据帧仅仅对数据链路层的通信实体有意义，只有该层的实体才知道哪些是帧的控制信息，哪些是高层的有效数据。数据帧最终要通过物理层，再经过传输介质才能发送和接收。对物理层来说，它看到的只有“0”信号和“1”信号，而没有任何特殊的意义。流量控制也是数据链路层的重要功能。它应用在接收者速度较慢，发送者速度较快，致使接收者无法及时处理接收数据的情况。计算机网络的流量控制与水利上的水库控制流量是一个原理；通过限制发送者的发送速度，或者对发送者的发送数据进行缓存，当接

9、收者有能力的时候再予以接收，这就是流量控制的简单原理。,数据链路层的流控协议,常用的流控协议停等式流控协议（stopandwait）滑动窗口协议,流量控制的实现方法：利用反馈确认机制调节发送方发送数据的速率。因此这个方法是由接收方发起的。,停等协议：发送方发送一块数据后，就停止发送动作，开始计时，等待接收方的反馈结果。发送方仅当收到正确的接收确认之后，才继续发送后继块数据；如果接到否定确认，或者计时器超时，重新传送本数据块。特点半双工方式进行通信控制简单，易于实现。传输效率低。,滑动窗口协议：发送方一次连续发送多块数据（称为窗口尺寸）；接收方对每块数据进行差错分析，如果发现错误，立即反馈给发送

10、方；接收方可对接收到的多个正确的数据块进行一次性确认；发送方根据反馈的结果，重发指定的数据块，或重发指定数据块及其之后的所有数据块。特点：通信双方以全双工方式进行通信控制复杂。传输效率高。尤其对信道质量好、差错率低的情况。,介质访问控制子层最初的网络速度很慢，就象我们今天使用的电话拨号网络，根据调制解调器（Modem）的不同，速度从几Kbps到几十Kbps不等。这个速度一个人用都觉得慢，更不要提多人共享了。后来，随着网络技术的发展，出现了几Mbps的局域网，速度相对原来提高了两到三个数量级，这为多人共享通信介质提供了条件，于是OSI的数据链路层又专门分出了一个介质访问控制子层（MAC），用于解

11、决共享介质的局域网中多个网络设备争用同一传输介质的问题。现在，局域网的速度越来越快，随着百兆、千兆局域网的出现，数据链路层的介质访问控制成了很关键的技术问题。将数据链路层划分为逻辑链路控制(Logical Link Control,LLC)和介质访问控制子层(Media Access Control，MAC)两个子层，由MAC子层解决介质访问控制问题。两种主要的介质访问控制方法：-CSMA/CD-TOKEN PASSING Token Ring Token Bus,MAC子层的地址,网络中的每台主机都必须有一个48位(6Byte)的全局地址，它是该主机在全球范围的唯一标识符，与其物理位置无关。

12、(比较IP地址)该全局地址称为MAC地址，也称为物理地址，通常固化在网卡上。当一台计算机插上一块网卡后，该计算机的物理地址就是该网卡的MAC地址。MAC地址的例子(以十六进制表示)：02 60 8C 67 05 A2,链路层帧的结构,A：MAC地址字段，包括源地址和目的地址C：控制字段FCS：帧检验序列，一般采用CRC校验。其校验范围包括A、C和Data字段,网络层的分组被封装在帧的Data域中,数据链路层的协议举例,两类协议：面向字符的协议二进制同步通信规程(BSC)早期的计算机通信控制协议是面向字符的。所谓“面向字符”就是说在链路上所传送的数据和控制信息必须是由规定的同一个字符集中的字符所

13、组成。这种方式因越来越多的弱点，如采用停-等协议(反馈重传)传输效率较低，数据块和控制序列格式不统一不宜扩展等，而逐渐被面向比特的协议替代。面向比特的协议HDLC协议 协议不依赖于任何一种字符编码集；数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现；全双工通信，不必等待确认便可连续发送数据，有较高的数据链路传输效率；所有帧均采用CRC校验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高；传输控制功能与处理功能分离，具有较大的灵活性,又称：数据链路控制协议或链路控制规程,HDLC协议,站类型主站(Primary Station)控制整个链路的工作次站(Secondary

14、Station)受主站控制，只能发出响应的站组合站(Combined Station)兼有主/次站功能的站,链路结构非平衡结构由一个主站和一个或多个次站组成点-点、点-多点操作平衡结构由两个组合站组成，适用于点-点操作,HDLC的操作方式 正常响应模式(NRM)异步响应模式(ARM)异步平衡模式(ABM)任一组合站均可控制链路，主动传送数据。,HDLC协议,主站负责整个链路，且具有轮询、选择从站及向从站发送命令的权利，同时也负责对超时、重发及各类恢复操作的控制次站只有在主站询问时才能作为响应传输数据,主站具有初始链路，差错校正和逻辑拆链功能；由从站来控制超时和重发，从站主动发送给主站从站不必确

15、切地接收到来自主站的允许传输的命令就可开始传输,HDLC协议,帧结构标志字段(F)标志字段01111110的比特模式;采用零比特填充法,地址字段(A)命令帧：对方站地址应答帧：应答站地址在点-点线路中，有时用来区分命令帧（C）和响应帧（R）广播地址：全“1”无效地址：全“0”（测试）扩展位第一位:0 16位地址 1 8位地址,HDLC协议-帧结构,帧校验序列字段(FCS)对A、C、I字段进行循环校验。g(x)=x16+x12+x5+1（CCITT和ISO使用）g(x)=x16+x15+x2+1（IBM的SDLC使用）由于帧中至少含有A（地址）、C（控制）和FCS（帧校验序列）字段，因此整个帧长

16、度应大于32位。,HDLC协议,HDLC的帧类型信息帧(I帧)、监控帧(S帧)和无编号帧(U帧),使用滑动窗口技术，3位序号，发送窗口大小为7,HDLC的帧类型-,P/F位 用于命令帧(由主站发出)时 轮询位(P)当该位为“1”时，要求被轮询的从站给出响应用于响应帧(由从站发出)时 终止位(F)当其为“1”时，表示接收方确认的结束。多终端系统中，计算机置“P”，允许终端发送数据；终端发向计算机的帧中，最后一个帧置为“F”P/F总是一一对应的，在接到F=1的帧之前，不允许再发P=1的帧。,HDLC的帧-P/F位-,正常响应模式（NRM）主站P=1，对次站进行询问是否有数据发次站有数据开始发送信息

17、帧（I）；次站可以连续发送多帧，并在最后一个I帧中，置F=1，示意次站数据传输完毕；次站无数据直接以S帧（F=1）进行响应，示意本次站无数据可发。其它传输模式（ARM和ABM）P=1：要求对方做出响应（建链时）对方需立即进行响应，并在响应中置F=1（同意建链）,HDLC的帧类型-,监控帧(S帧)S 帧中第5位P/F的含义与 I 帧基本相同，只是在ARM和ABM操作方式下有所区别：当从站收到P=1的命令帧后即可发送F=1的响应帧，但随后从站仍可继续发送响应帧，直至再无响应帧发送。,信息帧(I帧)N(S)：本帧对应的帧序号 N(R)：希望接收对方帧的序号 隐含指示该序号之前的所有帧已被正确接收均由

18、三位二进制码组成,滑动窗口技术,信息帧(I帧)：PF位为轮询结束位P1为主站询问次站是否有数据要发；F1为次站响应主站有数据要发 次站响应主站询问之后，开始向主站发送信息帧，并置所发信息帧的P/F比特为0，直至信息全部发完，才置最后一个信息帧的P/F比特为1,HDLC的帧类型,监控帧(S帧)“00”接收就绪(RR)准备接收编号为Nr的帧四种使用方式确认(ACK)，当接收方没有数据要发送时，用RR应答；轮询，由主站发送(P/F=1)时，RR询问从站是否有数据要发送；对轮询的否定应答，由从站发送(P/F=1)时，通知主站，从站没有数据要发送；对选择的肯定应答，当从站已经准备好时，返回(P/F=1)

19、的RR帧。“01”拒绝(REJ)从编号为N(R)开始的帧及其以后所有的帧进行重发“10”接收未就绪(RNR)忙状态，这可用来对链路流量进行控制。三种方式使用：确认(ACK)，表示已经收到N(R)-1及以前的所有帧，但现在不要发送；选择(SEL)，主站发RNR来通知某个从站，要向它发送数据；对选择的否定应答(P/F=1)。,HDLC的帧类型,监控帧(S帧)“11”选择拒绝(SREJ)希望对方仅仅重发第Nr帧监控帧都可用作命令帧P=1，表示向对方询问状态F=1的RR帧用来响应已收到的P=1的命令帧。,无编号帧(U帧)因其控制字段中不包含序号（N(S)和N(R)）而得名，简称U帧。用于链路的建立和拆

20、除阶段各类面向比特型链路协议的差别主要就体现在U帧中。第3-4和第6-8位5个M位仅定义了15种U帧。主要有置NRM帧、置ARM帧、置ABM帧、拆除链路、无编号确认和命令拒绝等。,3、网络层 网络层（Network Layer）的核心任务就是控制通信子网的运行。具体说是进行路由选择、拥塞控制和网络互连。它可以为传输层提供面向连接的网络服务及无连接的网络服务。网络层控制子网运行的关键任务是选择路径，它管理的是网络信息包，信息包的路径选择又叫路由选择，有各种各样的路由选择算法，但总体上分为静态和动态两大类，静态路由就好像乘坐公交车辆，369路就一定要走天童北路，无论怎样堵车也不能改变行车路线，但如

21、果你是在一辆出租车上，你可以选择任何一条认为好走的路线行使，网络层的动态路由算法就是这样的，信息包的路由选择根据当时的网络负载情况动态变化。网络层的第二个任务是拥塞控制，通过某种拥塞控制机制，尽量避免拥塞的发生，以及尽快缓解已经发生的拥塞情况。网络层的第三个任务网络互连问题。当数据包从一个网络传输到另一个网络，会面临诸如数据包大小、网络速度、甚至协议可能不同的，这些都是网络层需要解决的问题。网络层的第四个任务是要有统计、控制功能。如统计那些用户需要的网络流量比较多，访问那些站点比较频繁，或者禁止用户访问某些非法站点需要控制；记帐功能一般也在此层解决。,4、传输层 传输层（Transport L

22、ayer）的任务是向用户提供可靠的、透明的端到端的数据传输，以及差错控制和流量控制机制。由于它的存在，网络硬件技术的任何变化对高层都是不可见的，也就是说会话层、表示层、应用层的设计不必考虑低层硬件细节，因此传输层的作用十分重要。所谓端到端(End to End)是相对链接(Chained)而言的。OSI参考模型的四层到七层属于端到端的方式，而一到三层属于链接的方式。在传输层，通信双方的两机器之间，有一对应用程序或进程直接对话，它们并不关心低层的实现细节。低层的链接方式就不一样，它要负责处理通信链路中的任何相邻机器之间的通信。传输层通过接口向高层提供服务。服务的类型是在连结建立时确定的，最重要的

23、服务是端到端的、可靠的、面向连接的字节流服务，在这种方式下，信息单元的传递是严格按照发送顺序执行的。传输层的协议必须能够在不可靠的通信子网上进行连接管理：包括三次握手式的连接建立、维护连接以及释放连接；即便在比较可靠的通信子网上，传输层的协议也有大量工作要做，如处理服务原语，维护连接等。一般情况下，传输层为每一条传输连接生成一条网络连接，但需要高吞吐率的传输连接可以同时占用多条网络连接，相反地，为了节省网络带宽以及降低费用，也可以有多条传输连接复用同一条网络连接。传输层的另一个重要功能是流量控制，因为本层的流控是关于通信主机端到端之间的，所以与其他层的流控有明显不同。,5、会话层,表示层和应用

24、层 会话层的功能 在不同的机器之间提供会话进程的通信。如建立、管理和拆除会话进程。与传输层的进程通信不同的是它还提供了许多增值服务，如：交互式对话管理，允许一路交互、两路交换和两路同时会话，类似于数据通信里的单工、半双工和全双工方式；管理用户登录远程分时系统；在两机器之间传输文件，进行同步控制等。表示层的功能 处理通信进程之间交换数据的表示方法，包括语法转换、数据格式的转换、加密与解密、压缩与解压缩等。应用层的功能 负责管理应用程序之间的通信。应用层为用户提供最直接的服务，包括虚拟终端、文件传输、事务处理、网络管理等大量的网络协议。应用层是OSI参考模型的最高层，低层所有协议的最终目的都是为应

25、用层提供可靠的传输手段，低层协议并没有直接满足用户的任何实际需求。我们日常使用的电子邮件程序、文件传输、WWW浏览器、多媒体传输等都属于应用层的范畴。,OSI参考模型中的数据传输,图2-4所示的是OSI参考模型中数据的传输方式。所谓数据单元是指各层传输数据的最小单位。图2-4中最左边一列交换数据单元名称，是指各个层次对等实体之间交换的数据单元的名称。PDU-协议数据单元，就是对等实体之间通过协议传送的数据。APDU-应用层的协议数据单元。PPDU-表示层的用户数据单元。直到网络层的协议数据单元，除了NPDU外，通常我们叫它数据分组或数据包（Packet），数据链路层是数据帧（Frame），物理

26、层是比特。图2-4中自上而下的实线表示的是数据的实际传送过程。发送进程需要发送某些数据到达目标系统的接收进程，数据首先要经过本系统的应用层，应用层在用户数据前面加上自己的标识信息（H7），叫做头信息。H7加上用户数据一起传送到表示层，作为表示层的数据部分，表示层并不知道哪些是原始用户数据、那些是H7，而是把它们当作一个整体对待。同样，表示层也在数据部分前面加上自己的头信息H6，传送到会话层，并作为会话层的数据部分。这个过程一直进行到数据链路层，数据链路层除了增加头信息H2以外，还要增加一个尾T2，然后整个作为数据部分传送到物理层。物理层不再增加头/尾信息，而是直接将二进制数据通过物理介质发送到

27、目的结点的物理层。目的结点的物理层收到该数据后，逐层上传到接收进程，其中数据链路层负责去掉H2和T2，网络层负责去掉H3，一直到应用层去掉H7，把最原始用户数据传递给了接收进程。,这个在发送结点自上而下逐层增加头（尾）信息，而在目的结点又自下而上逐层去掉头（尾）信息的过程叫做封装（encapsulation），封装是在网络中很常用的手段。协议数据单元主要用于描述同一层次中的对等实体之间的虚连接，如图2-4中的横向带箭头虚线所示。纵向传输的数据用接口数据单元（IDU）表示。接口数据单元指相邻层次之间通过接口传递的数据，它分为两部分，即接口控制信息和服务数据单元，其中接口控制信息只在接口局部有效，

28、不会随数据一起传递下去，而服务数据单元，是真正提供服务的有效数据，它的内容基本上与协议数据单元一致。我们不妨将控制信息、服务数据单元与C语言里面的局部变量和全程变量作一类比。接口数据单元的控制信息就好比局部变量，只在特定的某两层接口有效，如二、三层接口的控制信息与三、四层接口的控制信息完全不同；服务数据单元就好比全程变量，从应用层到物理层一直传递下去，而且每层都要加一些自己的内容进去，比如图2.1所示的例子中，经理层要求的服务是表达“我要退货”的意思，而助理要求秘书的服务就变成了发送一封完整的公文信函。服务数据单元与协议数据单元的关系？服务数据单元是用于层与层接口的概念，而协议数据单元用于描述同一层次对等实体之间交换的数据，是一个逻辑上的概念，实际上，第n层的协议数据单元要作为n层与n-1层接口的服务数据单元传递给n-1层。,数据,数据段数据包帧比特电脉冲,数据多层封装,TCP头,应用层数据,应用层数据,TCP头,应用层数据,IP头,帧头,TCP头,应用层数据,IP头,帧尾,实际例子：TCP/IP协议的封装,应用层,传输层,网际层,数链层,