第2章计算机网络体系结构讲义课件

计算机网络技术基础第二章计算机网络体系结构与协议本章内容2.1网络的体系结构2.2ISO/OSI参考模型2.3Internet的体系结构2.4计算机网络的原理体系结构2.1网络的体系结构 计计算算机机网网络络的的各各层层及及其其协协议议的的集集合合称称为为网网络络的的体体系系结结构构，换换句句话话说说计计算算机机网网络络的的体体系系结结构构是是对对计计算算机机网网络络及及其构件所应完成的功能的精确定义。其构件所应完成的功能的精确定义。体体系系结结构构是是抽抽象象的的，而而实实现现则则是是具具体体的的，是是靠靠真真正正在在运行的计算机运行的计算机硬件和软件硬件和软件。计算机网络面临的问题和分层的好处：l容易解决通信的异构性问题；容易解决通信的异构性问题；l上层解决不同种语言的相互翻译；上层解决不同种语言的相互翻译；l下层解决信息传递；下层解决信息传递；l使复杂问题简化，高层屏蔽低层细节问题；使复杂问题简化，高层屏蔽低层细节问题；l每层只关心本层的内容，不用知道其他层如何实现；每层只关心本层的内容，不用知道其他层如何实现；l使设计容易实现，每个层次向上一层提供服务，向下一使设计容易实现，每个层次向上一层提供服务，向下一层请求服务。层请求服务。2.1.1计算机网络的分层思想各厂商的标准化体系nIBM公司：SNA（系统网络体系结构）nDEC公司：DNA（数字网络系统结构）只在一个公司范围内有效，也就是说，遵从某种标准的、能够互联的网络通信产品，也只限于同一公司生产的同构型设备。国际网络体系结构标准化 国际标准化组织（国际标准化组织（ISOISO）为适应网络向标准化发）为适应网络向标准化发展的需要经过多年努力于展的需要经过多年努力于19841984年提出了年提出了 开放系统开放系统互连基本参考模型互连基本参考模型ISO/OSI-RMISO/OSI-RM，从此开始了有，从此开始了有组织有计划地制定一系列网络国际标准。组织有计划地制定一系列网络国际标准。2.1.2网络体系层次的相关概念计算机网络结构可以从三个方面描述1、网络体系结构2、网络组织3、网络配置1.实体、协议、服务和服务访问点l实体实体(entity)(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。软件进程。l协议协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。l服务服务在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供本层能够向上一层提供服务服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。务。网络协议三要素网络协议三要素（1 1）语法，确定通信双方）语法，确定通信双方 如何讲如何讲,定义了数据格式定义了数据格式,编码和信号电平等。编码和信号电平等。（2 2）语义，确定通信双方）语义，确定通信双方 讲什么讲什么,定义了用于协调同定义了用于协调同步和差错处理等控制信息步和差错处理等控制信息。（3 3）时序（同步），确定通信双方）时序（同步），确定通信双方 讲话的次序讲话的次序,定义定义了速度匹配和排序等了速度匹配和排序等。（1 1）协议可以自由的改变，但服务是不能改变的。因）协议可以自由的改变，但服务是不能改变的。因为服务对于用户是可见的。为服务对于用户是可见的。（2 2）协议是）协议是“水平的水平的”，即协议是控制对等实体之间，即协议是控制对等实体之间的通信规则。但服务是的通信规则。但服务是“垂直的垂直的”，即服务是由下层向，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。上层通过层间接口提供的。协议和服务的区别上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交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，这些命令称为换一些命令，这些命令称为服务原语服务原语。同一系统相邻两层的实体交互服务原语的地方，同一系统相邻两层的实体交互服务原语的地方，称为称为服务访问点服务访问点 SAPSAP(ServiceAccessPoint)(ServiceAccessPoint)。将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元元SDU(ServiceDataUnit)SDU(ServiceDataUnit)。在任何相邻两层之间的关系可概括为：在任何相邻两层之间的关系可概括为：在服务提供者的上一层的实体（也就是在服务提供者的上一层的实体（也就是“服务用服务用户户”），它使用服务提供者所提供的服务。），它使用服务提供者所提供的服务。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SAPSAP2.面向连接服务与无连接服务l面向连接服务面向连接服务所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。行的一种结合。面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。这三个阶段。面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。l无连接服务无连接服务n n两个实体之间的通信不需要先建立好连接。两个实体之间的通信不需要先建立好连接。n n是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大尽最大努力交付努力交付”。服务是通过一组所谓“服务原语”来执行的。服务原语可划分为以下四类，每种代表一种通信操作：l lrequestrequest（请求）（请求）l lindicationindication（指示）（指示）l lresponseresponse（响应）（响应）l lconfirmconfirm（证实）（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BA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BA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BA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）OSIOSI开放式系统互联模型开放式系统互联模型是是19841984年国际标准化组年国际标准化组织（织（ISOISO）提出的一个参考模型。）提出的一个参考模型。OSIOSI将其定义为七将其定义为七层，即将网络计算机中有关活动信息的任务划分为七层，即将网络计算机中有关活动信息的任务划分为七个更小、更易于处理的任务组。一个任务或任务组被个更小、更易于处理的任务组。一个任务或任务组被分配到一个分配到一个 OSIOSI层。每一层都是独自存在的，因此分层。每一层都是独自存在的，因此分配到各层的任务能够独立地执行。这样使得由其中某配到各层的任务能够独立地执行。这样使得由其中某层提供的解决方案能够在不影响其他层的情况下被更层提供的解决方案能够在不影响其他层的情况下被更新。新。2.2ISO/OSI参考模型1)1)应用层应用层 为用户访问网络提供用户接口为用户访问网络提供用户接口 例如：例如：电子邮件服务，电子邮件服务，WWWWWW服务等服务等2)2)表示层表示层 主要实现的是数据格式的转换主要实现的是数据格式的转换 例如：文本压缩，数据加密等例如：文本压缩，数据加密等3)3)会话层会话层 管理计算机间的会话实现计算机会话的控制管理计算机间的会话实现计算机会话的控制为表示层提供建立、维护和结束会话连接的功能，并为表示层提供建立、维护和结束会话连接的功能，并提供会话管理服务。提供会话管理服务。OSI七层模型4)4)传输层传输层为上层提供端到端为上层提供端到端(最终用户到最终用户最终用户到最终用户)、可靠、可靠的数据传输服务的数据传输服务5 5）网络层）网络层提供计算机的逻辑地址，主要处理分组在网络中提供计算机的逻辑地址，主要处理分组在网络中的传输的传输路径选择和拥塞控制路径选择和拥塞控制 6 6）数据链路层）数据链路层 提供计算机的物理地址提供计算机的物理地址(MAC(MAC地址地址)在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻节点在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻节点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧在信道上之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧在信道上无差错地传输，并进行数据流量控制。无差错地传输，并进行数据流量控制。7 7）物理层）物理层 在物理信道上传输原始的数据比特（在物理信道上传输原始的数据比特（bitbit）流，提）流，提供为建立、维护和拆除物理链路连接所需的各种传输供为建立、维护和拆除物理链路连接所需的各种传输介质、通信接口特性等。介质、通信接口特性等。OSI参考模型示意图L1L2L3L4L5L6L7Physical LayerNetwork LayerTransportSessionPresentationApplicationApplicationData Link Control7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 用户用户系统层系统层 数据数据通信网通信网衔接衔接 软件 由软件实现（面向通信用户）资源子网的任务 网络由硬件实现（完成传送服务）通信子网任务 OSI参考模型 通信过程（比喻）OSI参考模型通信过程OSI参考模型实际通信过程实际通信过程要复杂得多实际通信过程要复杂得多OSI参考模型实际网络通信过程实际网络通信过程同样要复杂得多实际网络通信过程同样要复杂得多2.3.1TCP/IP的概述1 1、各层功能的具体描述、各层功能的具体描述l应用层应用层 对应于对应于OSIOSI的上三层，包含面向网络用户的大量协的上三层，包含面向网络用户的大量协议实现。议实现。例如：例如：Telnet,FTP,SMTP,HTTP,SNMP,Telnet,FTP,SMTP,HTTP,SNMP,DNSDNS等。等。l传输层传输层 对应对应OSIOSI的传输层，在源和目的主机之间提供端到的传输层，在源和目的主机之间提供端到端的连接，典型协议是端的连接，典型协议是TCPTCP和和UDPUDP。2.3Internet的体系结构l网际层网际层对应于对应于OSIOSI的网络层，有效地解决异种网络的的网络层，有效地解决异种网络的互连问题。网络层的设计思想是高效简洁，提供互连问题。网络层的设计思想是高效简洁，提供不可靠的无连接服务，尽力传递。典型协议是不可靠的无连接服务，尽力传递。典型协议是IPIP。l网络接口层网络接口层对应于对应于OSIOSI参考模型的下两层，要求可以支持参考模型的下两层，要求可以支持IPIP协议即可。协议即可。2.3.2TCP/IP的层次结构2.3.3TCP/IP协议簇1.1.网际层协议网际层协议(IP)(IP)IPIP协议是一个无连接的协议，在对数据传输处理协议是一个无连接的协议，在对数据传输处理上，只提供上，只提供“尽最大努力传送机制尽最大努力传送机制”，也就是，也就是尽最尽最大努力完成投递服务大努力完成投递服务，而不管传输正确与否。，而不管传输正确与否。IPIP协议协议特点特点：一是提供无连接的数据报传输机制；：一是提供无连接的数据报传输机制；二是能完成点对点的通信。二是能完成点对点的通信。IPIP协议的协议的作用作用：用于主机与网关、网关与网关、：用于主机与网关、网关与网关、主机与主机之间的通信。主机与主机之间的通信。地址解析协议地址解析协议ARPARP和反向地址解析协议和反向地址解析协议RARPRARP地址解析包括：（正向）地址解析协议地址解析包括：（正向）地址解析协议ARPARP（从（从IPIP地址到物理地址的映射）和逆向地址解析地址到物理地址的映射）和逆向地址解析协议协议RARPRARP（从物理地址到（从物理地址到IPIP地址的映射）。地址的映射）。2.2.传输控制协议传输控制协议TCPTCP：TCPTCP是一个面向连接、端对端的全双工通信协是一个面向连接、端对端的全双工通信协议，为数据报提供可靠的数据传送服务。议，为数据报提供可靠的数据传送服务。TCPTCP的主要功能：完成对数据报的确认、流量的主要功能：完成对数据报的确认、流量控制和网络拥塞的处理；自动检测数据报，并提控制和网络拥塞的处理；自动检测数据报，并提供错误重发的功能；控制超时重发，自动调整超供错误重发的功能；控制超时重发，自动调整超时值；提供自动恢复丢失数据的功能。时值；提供自动恢复丢失数据的功能。从实质上讲，从实质上讲，TCP/IPTCP/IP只有三层，即应用层、运输只有三层，即应用层、运输层和网际层，因为最下面的网络接口层并没有什么具层和网际层，因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容。因此在学习计算机网络的原理时往往采取折体内容。因此在学习计算机网络的原理时往往采取折衷的办法，也就是综合衷的办法，也就是综合OSIOSI和和TCP/IPTCP/IP的优点，采用一的优点，采用一种原理体系结构，种原理体系结构，它只有五层它只有五层，这样既简洁又能将概，这样既简洁又能将概念阐述清楚。念阐述清楚。2.4计算机网络的原理体系结构计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 应用层应用层(application layer)5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机 2计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程计算机计算机 1 向计算机向计算机 2 发送数据发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！习题1、计算机网络的计算机网络的_及其及其_的集合称为网络的体系结构。的集合称为网络的体系结构。2 2、ISO的中文解释是_。3 3、OSI-RM的中文解释是_。4 4、实体和协议的定义？、实体和协议的定义？5 5、网络协议三要素：、网络协议三要素：_，_，_。6 6、OSIOSI的七层分别是：的七层分别是：（）。）。8 8、TCP/IPTCP/IP的四层分别是（的四层分别是（）。）。9 9、计算机网络的原理体系结构的五层分别是（、计算机网络的原理体系结构的五层分别是（）。）。1010、画出、画出OSIOSI参考模型的层次结构，并简述应用层的功能参考模型的层次结构，并简述应用层的功能？