网络体系结构与参考模型课件

1.1.5 5 网络体系结构与参考模型网络体系结构与参考模型 q 网络的分层结构网络的分层结构网络的分层结构网络的分层结构 原因：原因：原因：原因：通信过程复杂通信过程复杂 要简化网络设计要简化网络设计 可采用结构化设计方法可采用结构化设计方法 使用使用“分而治之分而治之”策略策略 提高网络互连的标准化程度提高网络互连的标准化程度1.5 网络体系结构与参考模型 网络的分层结构 1原理：原理：1 1 1 1网络按功能分成一系列层次，每一层完成一个特网络按功能分成一系列层次，每一层完成一个特网络按功能分成一系列层次，每一层完成一个特网络按功能分成一系列层次，每一层完成一个特 定的功能定的功能定的功能定的功能 2 2 2 2相邻层中的较高层直接使用较低层提供的相邻层中的较高层直接使用较低层提供的相邻层中的较高层直接使用较低层提供的相邻层中的较高层直接使用较低层提供的服务服务服务服务实实实实 现本层功能，同时又向它的上一层提供现本层功能，同时又向它的上一层提供现本层功能，同时又向它的上一层提供现本层功能，同时又向它的上一层提供服务服务服务服务 3 3 3 3服务的提供和使用通过相邻层的服务的提供和使用通过相邻层的服务的提供和使用通过相邻层的服务的提供和使用通过相邻层的接口接口接口接口进行进行进行进行 原理：2网络分层的好处网络分层的好处 各层之间相互独立各层之间相互独立各层之间相互独立各层之间相互独立,相邻层间交互只通过接口，相邻层间交互只通过接口，整个问题复杂度下降整个问题复杂度下降;结构上可分割开结构上可分割开结构上可分割开结构上可分割开，各层都可以采用最合适的技术来实现；，各层都可以采用最合适的技术来实现；每一层功能简单每一层功能简单,易于实现和维护易于实现和维护易于实现和维护易于实现和维护；某一层需改动时某一层需改动时,只要不改变接口服务关系只要不改变接口服务关系,其其 它层则不受影响它层则不受影响,灵活性好灵活性好灵活性好灵活性好；有利于促进标准化有利于促进标准化有利于促进标准化有利于促进标准化；网络分层的好处 各层之间相互独立,相邻层间交互只通过接口，3层次如何划分？层次如何划分？q 网络的层次分得过多（太细），则网络各个网络的层次分得过多（太细），则网络各个功能层的功能层的“职责职责”分明，便于实现；但分得过分明，便于实现；但分得过细会产生许多衔接上的麻烦，增加各功能层接细会产生许多衔接上的麻烦，增加各功能层接口之间交互的信息量，增加系统开销，也等于口之间交互的信息量，增加系统开销，也等于降低了连网计算机的响应速度和工作效率。降低了连网计算机的响应速度和工作效率。q 分的层次太少（粗），则容易发生不同性质分的层次太少（粗），则容易发生不同性质的功能模块相互混淆在一起，由于结构不合理的功能模块相互混淆在一起，由于结构不合理而造成设计上以及今后维护上的困难。而造成设计上以及今后维护上的困难。层次如何划分？网络的层次分得过多（太细），则网络各个功能层4层次划分的原则层次划分的原则 1980 1980 1980 1980年，年，年，年，H.Zimmerman H.Zimmerman H.Zimmerman H.Zimmerman 提出网络层次划分原则，其要点：提出网络层次划分原则，其要点：提出网络层次划分原则，其要点：提出网络层次划分原则，其要点：各层功能明确，相互独立。功能相近的放在同一层各层功能明确，相互独立。功能相近的放在同一层各层功能明确，相互独立。功能相近的放在同一层各层功能明确，相互独立。功能相近的放在同一层 层间接口清晰，穿越接口的信息量尽可能少层间接口清晰，穿越接口的信息量尽可能少层间接口清晰，穿越接口的信息量尽可能少层间接口清晰，穿越接口的信息量尽可能少 当某层功能实现与技术明显地与别层不同时，单设一层；当某层功能实现与技术明显地与别层不同时，单设一层；当某层功能实现与技术明显地与别层不同时，单设一层；当某层功能实现与技术明显地与别层不同时，单设一层；功能具独立性并能局部化时，单设一层；只与上下相邻层功能具独立性并能局部化时，单设一层；只与上下相邻层功能具独立性并能局部化时，单设一层；只与上下相邻层功能具独立性并能局部化时，单设一层；只与上下相邻层 有接口关系，而与其他层无联系时，设立一层有接口关系，而与其他层无联系时，设立一层有接口关系，而与其他层无联系时，设立一层有接口关系，而与其他层无联系时，设立一层 层数要适中层数要适中层数要适中层数要适中 划划划划分分分分的的的的层层层层次次次次结结结结构构构构应应应应具具具具有有有有的的的的优优优优点点点点：便便便便于于于于抽抽抽抽象象象象；易易易易交交交交流流流流；便便便便于理解和有助于标准化；层次接口清晰；易于实现和维护。于理解和有助于标准化；层次接口清晰；易于实现和维护。于理解和有助于标准化；层次接口清晰；易于实现和维护。于理解和有助于标准化；层次接口清晰；易于实现和维护。层次划分的原则 1980年，H.Zimmerman 提出5服务、接口和协议服务、接口和协议 q实体：实体：每一层中的活动元素，可以是任何可发送或接收信每一层中的活动元素，可以是任何可发送或接收信 息的硬件或软件进程，许多情况下，实体就是一个息的硬件或软件进程，许多情况下，实体就是一个 特定的软件模块。特定的软件模块。q对等实体对等实体：位于不同机器上同一层中的的实体。位于不同机器上同一层中的的实体。q服务提供者：服务提供者：N N 层（下层）是层（下层）是 N+1 N+1 层（上层）的服务提供者。层（上层）的服务提供者。q服务用户：服务用户：N+1 N+1 层（上层）是层（上层）是 N N 层（下层）的服务用户。层（下层）的服务用户。q服务访问点（服务访问点（SAPSAP）：）：服务提供的地点服务提供的地点,也即也即接口上相邻两接口上相邻两 层实体交换信息之处层实体交换信息之处。服务、接口和协议 实体：每一层中的活动元素，可以是任何可发送6多层通信的实质多层通信的实质 实际通信在实际通信在实际通信在实际通信在 最底层完成最底层完成最底层完成最底层完成对等层实体之间对等层实体之间对等层实体之间对等层实体之间 虚拟通信虚拟通信虚拟通信虚拟通信下层向上层下层向上层下层向上层下层向上层 提供服务提供服务提供服务提供服务多层通信的实质 实际通信在对等层实体之间下层向上层7网络体系结构的几个基本概念网络体系结构的几个基本概念q 协议协议：为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准 或约定的集合。或约定的集合。q 接口接口：相邻两层之间的边界，在接口处规定了低层向上层提：相邻两层之间的边界，在接口处规定了低层向上层提 供的服务以及服务所使用的形式规范语句供的服务以及服务所使用的形式规范语句(服务原语服务原语)。q 服务服务：某一层提供的功能：某一层提供的功能，并能通过接口提供给其相邻上层。并能通过接口提供给其相邻上层。q 网络体系结构网络体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合，对网：计算机网络的各层及其协议的集合，对网 络及其组成部分所应完成功能的精确定义。络及其组成部分所应完成功能的精确定义。q 协议栈协议栈：网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列。网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列。网络体系结构的几个基本概念 协议：为进行计算机网络中的数据交8协议协议 定义定义定义定义 为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。标准或约定的集合。标准或约定的集合。标准或约定的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同 等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。网络协议的三个要素：网络协议的三个要素：网络协议的三个要素：网络协议的三个要素：1)1)1)1)语义（语义（语义（语义（Semantics)Semantics)Semantics)Semantics)涉及涉及需要发出何种控制信息，完成需要发出何种控制信息，完成 何种动作与做出何种响应何种动作与做出何种响应。2)2)2)2)语法（语法（语法（语法（Syntax)Syntax)Syntax)Syntax)涉及涉及数据与控制信息的结构与格式数据与控制信息的结构与格式。3)3)3)3)定时（定时（定时（定时（Timing)Timing)Timing)Timing)涉及速度匹配与涉及速度匹配与事件顺序事件顺序。协议 定义 为进行计算机网络中的数据交换而建立的9服务和协议的关系服务和协议的关系 1 1 1 1服务是垂直的，协议是水平的。服务是垂直的，协议是水平的。服务是垂直的，协议是水平的。服务是垂直的，协议是水平的。2 2N N 层的服务用户只能看见层的服务用户只能看见层的服务用户只能看见层的服务用户只能看见 N N 层的服务而无法层的服务而无法层的服务而无法层的服务而无法 看见看见看见看见 N N 层的协议。层的协议。层的协议。层的协议。3.3.在在在在 N N 层协议控制下两个对等实体间的通信层协议控制下两个对等实体间的通信层协议控制下两个对等实体间的通信层协议控制下两个对等实体间的通信 使得使得使得使得 N N 层能够向层能够向层能够向层能够向 N N1 1 层提供服务；要实现层提供服务；要实现层提供服务；要实现层提供服务；要实现 N N 层协议，需要使用层协议，需要使用层协议，需要使用层协议，需要使用 N N1 1 层提供的服务。层提供的服务。层提供的服务。层提供的服务。服务原语：服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过上层使用下层所提供的服务必须通过 与下层交换一些命令，这些命令在与下层交换一些命令，这些命令在OSI 中称为服务原语。中称为服务原语。服务和协议的关系 1服务是垂直的，协议是水平的。10实体、协议、服务和服务访问点实体、协议、服务和服务访问点协 议交换原语交换原语服 务 用 户提 供 服 务服 务 提 供 者第 n 层第 n+1 层服 务 用 户SAPSAP实体、协议、服务和服务访问点协 议交换原语交换原语服 务 用11服务原语的种类服务原语的种类q请求请求(Request)Request)：服务用户向服务提供者请求服务，如请求服务用户向服务提供者请求服务，如请求 建立连接、发送数据、拆除连接等。建立连接、发送数据、拆除连接等。q指示指示(Indication)Indication)：指示事件，如对方数据到达、收到对方指示事件，如对方数据到达、收到对方 建立连接请求。建立连接请求。q响应响应(Response)Response)：对指示原语响应，如接受连接。对指示原语响应，如接受连接。q证实证实(Confirm)Confirm)：报告服务用户对先前请求的答复。报告服务用户对先前请求的答复。服务原语的种类请求(Request)：服务用户向服务提供者请12网络体系结构与参考模型课件13一次面向连接的服务进行传输使用的原语示例一次面向连接的服务进行传输使用的原语示例一次面向连接的服务进行传输使用的原语示例14服务原语类比：电话系统工作示例服务原语类比：电话系统工作示例服务原语类比：电话系统工作示例15网络参考模型网络参考模型 两个最重要的网络参考模型两个最重要的网络参考模型两个最重要的网络参考模型两个最重要的网络参考模型:OSIOSIOSIOSI参考模型参考模型参考模型参考模型,TCP/IPTCP/IPTCP/IPTCP/IP参考模型。参考模型。参考模型。参考模型。OSI参考模型参考模型1974年，年，IBM公布公布SNA（System Network Architecture）DEC 公布公布 DNA（Distributed Network Architecture）1984 年，年，ISO(国际标准化组织国际标准化组织,International Standard Organization)公布公布OSI/RM（开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型,Open Systems Interconnection Reference Model）即即 ISO 7498。划分：划分：13层为网络支持层，负责数据从一台设备传输到另一台设备。层为网络支持层，负责数据从一台设备传输到另一台设备。57层为用户支持层，允许不同软件之间互操作性。层为用户支持层，允许不同软件之间互操作性。网络参考模型 两个最重要的网络参考模型:OSI参考模型,16OSI 参考模型参考模型OSI 参考模型17ISO/OSI 七层模型的硬软件实现七层模型的硬软件实现ISO/OSI 七层模型的硬软件实现18ISO/OSI参考模型特点参考模型特点（1 1）分层网络互连模型，分为两级结构（通）分层网络互连模型，分为两级结构（通 信子网和用户子网）。信子网和用户子网）。（2 2）只有物理层之间是直接连接的。）只有物理层之间是直接连接的。（3 3）对等层之间采用相同的对等协议。）对等层之间采用相同的对等协议。（4 4）发送数据时，数据从高层）发送数据时，数据从高层低层。低层。（5 5）接收数据时，数据从低层）接收数据时，数据从低层高层。高层。ISO/OSI参考模型特点19数据的实际传输过程数据的实际传输过程数据的实际传输过程20数据数据 段头段头数据数据 段头段头数据数据信包头信包头帧头帧头 段头段头数据数据信包头信包头帧尾帧尾报文报文报文报文段段段段信包信包信包信包/分组分组分组分组帧帧帧帧比特比特比特比特电电电电/光脉冲光脉冲光脉冲光脉冲011101000011000010100101111010110011101000011000010100101111010110数据多层封装数据多层封装封装封装拆封拆封应用层：应用层：传输层：传输层：网络层：网络层：数据链路层：数据链路层：物理层：物理层：数据 段头数据 段头数据信包头帧头 段头数据信包21相邻层间的关系相邻层间的关系相邻层间的关系22ISO/OSIq （1 1）物理层）物理层功能：在物理媒体上传输原始的数据比特流。：在物理媒体上传输原始的数据比特流。内容：同具体的物理媒体有关，定义了设备间的：同具体的物理媒体有关，定义了设备间的 物理接口及比特传输规则。物理接口及比特传输规则。ISO/OSI（1）物理层23ISO/OSIq物理接口物理接口机械特性：如接插件规格机械特性：如接插件规格 电气特性：如信号电平电气特性：如信号电平 q传输规则传输规则 功能特性：功能特性：如引脚功能如引脚功能 规程特性：规程特性：如何通信如何通信q具体表现具体表现线路结构：点对点、多点线路结构：点对点、多点 传输方式：单工、半双工、全双工传输方式：单工、半双工、全双工 拓扑结构：网状、星型、树型、总线、环型拓扑结构：网状、星型、树型、总线、环型 编码方式：单极、双极、双相等等编码方式：单极、双极、双相等等 物理介质：电缆、光纤、无线介质物理介质：电缆、光纤、无线介质 ISO/OSI物理接口24ISO/OSI（2）数据链路层数据链路层功能：在相邻节点间无差错地传输一帧数据功能：在相邻节点间无差错地传输一帧数据内容：内容：寻址和封装寻址和封装加入头尾信息（如头部的源和目标的物理地址）加入头尾信息（如头部的源和目标的物理地址）同步同步通知接收者开始接收帧数据通知接收者开始接收帧数据差错控制差错控制加入数据校验码加入数据校验码流控制流控制协调收、发双方数据传输速率，以免收方缓冲溢出协调收、发双方数据传输速率，以免收方缓冲溢出ISO/OSI（2）数据链路层25ISO/OSIq（3）网络层网络层功能：将分组穿过通信子网从信源传输到信宿：将分组穿过通信子网从信源传输到信宿内容：路由选择：如何在多条路径中选择，穿过子网路由选择：如何在多条路径中选择，穿过子网 拥塞控制：控制分组流入子网的流量，以免子网过载，性能下降拥塞控制：控制分组流入子网的流量，以免子网过载，性能下降 数据分片和组装：将长的分组分片，以使能在短分组网络上传输数据分片和组装：将长的分组分片，以使能在短分组网络上传输 网络互联：多个子网之间进行互连网络互联：多个子网之间进行互连 ISO/OSI（3）网络层26ISO/OSIq（4）传输层传输层功能：提供端到端的数据传输服务：提供端到端的数据传输服务 内容内容 连接管理：建立连接、发收数据、拆除连接连接管理：建立连接、发收数据、拆除连接 报文分割和装配：将上层的长数据报文分割成小的段进行传输报文分割和装配：将上层的长数据报文分割成小的段进行传输 端到端的差错控制与流量控制端到端的差错控制与流量控制 分流和多路复用分流和多路复用ISO/OSI（4）传输层27ISO/OSIq（5）会话层会话层 功能：在两个互相通信的进程之间建立、组织和同步会话、：在两个互相通信的进程之间建立、组织和同步会话、会话活动管理、对话控制。会话活动管理、对话控制。内容：会话管理：负责建立、清除对话连接，进行对话管理，用数据令会话管理：负责建立、清除对话连接，进行对话管理，用数据令 牌跟踪控制哪一方有权发送数据牌跟踪控制哪一方有权发送数据同步：同步：在数据流中插入同步点，网络故障时从最近同步点恢复在数据流中插入同步点，网络故障时从最近同步点恢复 活动管理：一次会话分成多个活动，对各个活动进行管理活动管理：一次会话分成多个活动，对各个活动进行管理 ISO/OSI（5）会话层 28ISO/OSIq（6）表示层表示层功能：提供数据或信息语法的表示变换，以确保不同提供数据或信息语法的表示变换，以确保不同 表示方法的计算机能互相通信。表示方法的计算机能互相通信。内容：各机器内部的数据表示与网络传输的抽象数据表示之间的变换各机器内部的数据表示与网络传输的抽象数据表示之间的变换 数据的压缩数据的压缩/解压缩解压缩 数据的加密数据的加密/解密解密 ISO/OSI（6）表示层29ISO/OSIq（7）应用层）应用层功能功能：是直接面向用户的一层。它为应用进程提供访是直接面向用户的一层。它为应用进程提供访 问问OSI环境的手段，同时为应用进程提供服务。环境的手段，同时为应用进程提供服务。对一些普遍需要的网络应用（如文件传输、电对一些普遍需要的网络应用（如文件传输、电 子邮件、域名服务等）制定了一系列标准。子邮件、域名服务等）制定了一系列标准。举例：举例：NVT (Network Virtual Terminal)：网络虚拟终端网络虚拟终端 FATM (File Access Transfer Management)：文件存文件存 取、传输和管理、远程管理另一台主机上的文件取、传输和管理、远程管理另一台主机上的文件 Mail Sevice：e-mail存储和转发存储和转发 Directory Sevice：提供分布数据源、全球对象和服务提供分布数据源、全球对象和服务 的信息目录的信息目录ISO/OSI（7）应用层30TCP/IP协议协议q 应用层应用层：为用户提供访问：为用户提供访问 Internet Internet 的一组高层的一组高层 协议协议 (如如如如FTPFTPFTPFTP、TELNETTELNETTELNETTELNET、SMTPSMTPSMTPSMTP等等等等)q 传输层传输层：为源和目的主机的应用程序间提供端：为源和目的主机的应用程序间提供端 -端的数据传输服务端的数据传输服务 (如如如如TCPTCPTCPTCP、UDP)UDP)UDP)UDP)q 网络互联层（网际层）网络互联层（网际层）：把分组独立地从信源：把分组独立地从信源 传送到信宿。解决路由选择、拥塞控传送到信宿。解决路由选择、拥塞控 制和网络互联等问题制和网络互联等问题 (如如如如IP)IP)IP)IP)q 网络接口层网络接口层：负责将：负责将IPIP分组封装成适合在物理分组封装成适合在物理 网络上传输的幀格式并传输，或将从网络上传输的幀格式并传输，或将从 物理网络接收到的幀解封，取出物理网络接收到的幀解封，取出IPIP分分 组交给网络互联层组交给网络互联层 (如如如如EthernetEthernetEthernetEthernet、PPP)PPP)PPP)PPP)TCP/IP协议 应用层：为用户提供访问 Internet31沙漏计时器形状的沙漏计时器形状的 TCP/IP 协议族协议族 HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层传输层应用层网络接口 1网络接口 2网络接口 3沙漏计时器形状的 TCP/IP 协议族 HTTPSMTPDN32TCP/IP 协议的封装协议的封装 TCP头头应用层数据应用层数据应用层数据应用层数据 TCP头头应用层数据应用层数据IP头头帧头帧头 TCP头头应用层数据应用层数据IP头头帧尾帧尾应用层应用层 传输层传输层 网际层网际层 网络接口层网络接口层 TCP/IP 协议的封装 TCP头应用层数据应用层数据 T33OSI 模型与模型与 TCP/IP 模型的比较模型的比较OSI 模型与 TCP/IP 模型的比较34OSI 与与 TCP/IP体系结构的比较体系结构的比较 应用层传输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI 的体系结构应用层网络接口层网际层 IP(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP 等)传输层(TCP 或 UDP)TCP/IP 的体系结构无连接分组交付服务传输服务(可靠或不可靠可靠或不可靠)各种应用服务TCP/IP 的三个服务层次OSI 与 TCP/IP体系结构的比较 应用层传输层网络层表35OSI模型与模型与TCP/IP模型的比较模型的比较q OSIOSI引入了服务、接口、协议、分层的概引入了服务、接口、协议、分层的概引入了服务、接口、协议、分层的概引入了服务、接口、协议、分层的概 念，念，念，念，TCP/IPTCP/IP借鉴了借鉴了借鉴了借鉴了OSIOSI的这些概念建模的这些概念建模的这些概念建模的这些概念建模q OSI OSI先有模型，后有协议，先有模型，后有协议，先有模型，后有协议，先有模型，后有协议，TCP/IPTCP/IP则相反则相反则相反则相反 q OSI OSI先有标准，后实践，先有标准，后实践，先有标准，后实践，先有标准，后实践，TCP/IPTCP/IP则相反则相反则相反则相反q OSI OSI 花了很长时间的标准化，与此同时，花了很长时间的标准化，与此同时，花了很长时间的标准化，与此同时，花了很长时间的标准化，与此同时，TCP/IP TCP/IP已被广泛使用已被广泛使用已被广泛使用已被广泛使用 q OSI OSI 太复杂，太复杂，太复杂，太复杂，TCP/IPTCP/IP简单却并不全面简单却并不全面简单却并不全面简单却并不全面q 由于由于由于由于TCP/IPTCP/IP先被大量使用，已成为网络互先被大量使用，已成为网络互先被大量使用，已成为网络互先被大量使用，已成为网络互 联事实上联事实上联事实上联事实上的标准的标准的标准的标准OSI模型与TCP/IP模型的比较36一些标准制定机构一些标准制定机构 ISO(International Standards Organization)国际标准化组织国际标准化组织 ITU-T(Telecommunications Standardization Sector of International Telecommunication Union，前称前称CCITT)国际电信联盟国际电信联盟 NIST(National Institute of Standards and Technology)美国国家标准和技术协会美国国家标准和技术协会 ANSI(American National Standards Institute)美国国家标准协会美国国家标准协会 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)电气和电子工程师学会电气和电子工程师学会 EIA(Electronic Industries Association)电子工业协会电子工业协会 IETF(Internet Engineering Task Force)因特网工程任务组因特网工程任务组 一些标准制定机构 ISO(International St37（点击图标回到本章目录）（点击图标回到本章目录）OSI七层协议七层协议体系复杂且不实用，但概念清楚，体系结体系复杂且不实用，但概念清楚，体系结构完整。而实际的构完整。而实际的TCP/IP四层协议四层协议却得到广泛的应用，为叙却得到广泛的应用，为叙述方便，有时将其四层模型中最下层的网络接口层又细分为述方便，有时将其四层模型中最下层的网络接口层又细分为物理层与数据链路层。物理层与数据链路层。这样，本课程后述章节有时会采用一种这样，本课程后述章节有时会采用一种五层协议的体系五层协议的体系结构模型结构模型来描述来描述。说明说明5 应用层4 传输层3 网络层2 数据链路层1 物理层（点击图标回到本章目录）OSI七层协议体系复38