第讲计算机网络体系结构OSI模型

单击此处编辑母版标题样式,第3章 计算机网络体系结构,基本要求：,掌握计算机网络体系结构基本概念；熟悉ISO/OSI开放系统互连参考模型各层的功能，OSI的相邻层之间通信的过程，不同计算机上同等层之间的通信过程；熟悉OSI模型的每一层数据的名称；熟悉TCP/IP体系结构及各层协议，。,教学重点和难点：,OSI,模型七层功能及其关系；,OSI,的相邻层之间通信的过程；,不同计算机上同等层之间的通信过程；,TCP/IP,模型体系结构；,TCP/IP,模型与,ISO,模型的比较。,第3章 计算机网络体系结构,3.1,计算机网络体系结构概述,1977年3月，国际标准化组织ISO的技术委员会TC97成立了一个新的技术分委会SC16专门研究“开放系统互连”，并于1984年公布了开放系统互连参考模型，即著名的ISO 7498国际标准（我国相应的国家标准是GB 9387），记为OSI/RM。,所谓,网络体系结构,就是为了完成计算机间的通信合作，把各个计算机互联的功能划分成定义明确的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务。将这些同层进程间通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构。,计算机网络是一个复杂的系统。为了降低系统设计和实现的难度，把计算机网络要实现的功能进行结构化和模块化的设计，将整体功能分为几个相对独立的子功能层次，各个功能层次间进行有机的连接，下层为其上一层提供必要的功能服务。这种层次结构的设计称为网络层次结构模型。,3.1.1 建立计算机网络体系结构的必要性,3.1,计算机网络体系结构概述,清华大学,浙江大学,杭州,上海,北京,小张,老王,一个邮政通信的例子,邮局,邮局,航空,客户,客户,源支局,目的支局,小张,老王,应用,接收信件,应用,投递信件,传输控制,盖发送邮戳,传输控制,盖接收邮戳,中转,选择下一站,发送,邮包,发送,邮包,发送,邮包,接收,业务,接收,业务,接收,业务,打包、分拣,选择下一站,到站,拆包,汽车,北京总局,浙江大学,清华大学,驿站,驿站,运输,运输,邮政通信功能划分,3.1,计算机网络体系结构概述,3.1.2 网络体系结构分层结构优点,独立性强。各层之间相对独立，上层不管下层如何实 现，只要下层提供可靠的服务,适应性强。某一层发生变化，只要对上层提供的服务不变，就不会对系统产生大的影响,易于实现和维护。大问题分解成小问题，系统结构清晰，维护方便,3.1,计算机网络体系结构概述,3.1.3 网络体系结构的一些术语,1. 实体与对等实体,任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。,不同机器上位于同一层次、完成相同功能的实体。,实 体,对等实体,3.1,计算机网络体系结构概述,3.1.3 网络体系结构的一些术语,2. 协议,对等实体之间交换数据或通信时所必须遵守的规则或标准的集合。,网络协议,即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种响应,语义,定义数据和控制信息的结构或格式,语法,事件实现顺序的详细说明,语法,做什么？怎么做？何时做？,3.1,计算机网络体系结构概述,3.1.3 网络体系结构的一些术语,3. 服务与接口,在网络分层结构模型中，每一层为相邻的上一层所提供的功能称为服务。,在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方,通常称为服务访问点SAP。,服 务,服务访问点,3.1,计算机网络体系结构概述,3.1.3 网络体系结构的一些术语,4. 服务原语,服务原语：,请求：,由服务用户发往服务提供者，请求它,完成某项工作，如发送数据。,响应：,由服务用户发往服务提供者，作为对前,面发生的指示的响应。,指示：,由服务提供者发往服务用户，指示发,生了某些事件。,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OSI中称为,服务原语,。,确认：,由服务提供者发往服务用户，作为对前,面发生的请求的证实。,3.1,计算机网络体系结构概述,3.1.3 网络体系结构的一些术语,4. 服务原语,3.1,计算机网络体系结构概述,3.1.3 网络体系结构的一些术语,5. 协议数据单元(,PDU,)/服务数据单元(,SDU,)/接口数据单元(IDU),对等层上传送数据的单位,。,相邻层之间传递参数和返回结果数据的单位,。,PDU,SDU,IDU,下层给上层返回结果数据的单位,。,3.1,计算机网络体系结构概述,3.1.3 网络体系结构的一些术语,服务与协议的区别,协议：,“水平的”，控制对等实体之间通信的规则,服务：,“垂直的”，由下层向上层通过层间接口提供的,国际标准化组织,（International Standards Organization ，ISO）在1984年公布了开放系统互连参考模型（Open Systems Interconnection 简称OSI）,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.1 OSI划分层次的原则,层数不能太多，也不能太少。,应在接口服务描述工作量最小、穿过相邻边界相互作用次数最少或通信量最小的地方建立边界。,每一层应该有定义明确的功能，或者在涉及的技术方面与其它功能层次有明显不同。,每一层的功能要尽量局部化。,考虑数据处理的需要。,每一层只与它的上下邻层产生接口，规定相应的业务。,层次的划分应有利于标准化工作。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.2 OSI七层模型,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,7,6,5,4,3,2,1,处理网络应用,数据表示,主机间通信,端到端的连接,寻址和最短路径,介质访问（接入）,二进制传输,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,在物理传输介质上进行实际传输,参见Flash演示,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,OSI参考模型的各层功能,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.3 物理层,物理层的任务是:,实现在物理媒体上,透明,地传送原始比特流。,某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.3 物理层,物理层位于OSI参考模型的最低层，它直接 面向原始比特流的传输。为了实现原始比特流的 物理传输，物理层必须解决好包括传输介质、信 道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的 衰减和噪声等在内的一系列问题。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.3 物理层,数据终端设备DTE,（Data Terminal Equipment）,网络中用于处理用户数据的设备，使计算机网络中的数据源和信源。DTE是资源子网的实体，通常是一台计算机。其所发出的信号通常不能直接在网络上传输，而是借助于DCE来实现。,数据电路端设备DCE,（Data Circuit Terminating Equipment）,介于DTE与网络传输介质之间的设备，用于将DTE发出的数字信号变为适合于在传输介质上传输的信号形式，并将它传送到传输介质上，相反，又可以从传输介质上接受远方传来的信号，并将它转换为计算机能接收的数字信号形式并送往计算机。比如ADSL中用的调制解调器,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.3 物理层,功 能,物理连接的建立与拆除,物理层服务数据单元传输,物理层管理,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.3 物理层,特 能,提供建立、维护和拆除物理链路所需的四种特性：,机械特性：,物理连接器的尺寸、形状、规格；,电气特性：,信号电平，脉冲宽度，频率，数据,传送速率，最大传送距离等；,功能特性：,接口引脚的功能作用；,规程特性：,信号时序，应答关系，操作过程。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.4 数据链路层,在物理层传送的比特流的基础上，数据链路层负责建立相 邻节点之间的数据链路，提供节点之间的可靠的数据传输。,数据链路层将接收到的二进制数据流封装成帧（包含目的地址、源地址、数据段以及其他控制信息），然后按顺序传输帧，并负责处理接收端发回的确认帧的信息。,数据链路层具有流量控制和检错功能，帧的重发 。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.4 数据链路层,功 能,帧同步；,差错控制；,流量控制；,链路管理。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,1. 帧同步功能,在数据链路层，数据以帧为单位传送。帧同步是指接收方从接收到的比特流中明确地区分出数据帧的起始与终止的地方。,常用的帧同步的方法有以下几种：,(1) 字符计数法,(2) 带字符填充的首尾界符法,(3) 带位填充的首尾标志法,(4) 物理层编码违例法,数据链路层功能,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,2. 差错控制功能,所谓差错是指接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象。,差错控制最常用的方法是检错重发，接收方通过对差错编码（如奇偶校验码）的检查，检测收到的帧在传输过程中是否发生差错，一旦发现差错，就通知对方重新发送这帧，这就要求接收方收完一帧后，向发送方反馈一个接收是否正确的信息，使发送方据此做出是否需要重新发送的决定。发送方仅当收到正确的反馈信号后，才能认为该帧已经正确发送完毕；否则需要重发，直至正确为止。,数据链路层通过使用计时器和序号来保证每帧最终都能被正确地递交给网络层。,数据链路层功能,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3. 流量控制功能,在数据链路层引入了流量控制机制。流量控制的作用就是使发送方所发出的数据流量不要超过接收方所能接收的速率。流量控制的关键是需要有一种信息反馈机制，使发送方能了解接收方是否具备足够的接收及处理能力。,数据链路层功能,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,4. 链路管理功能,链路管理功能主要用于面向连接的服务。在链路两端的节点要进行通信前，必须首先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接。在传输过程中则要维持该连接。如果出现差错，需要重新初始化，重新自动建立连接；传输完毕后则要释放连接。数据链路层连接的建立、维持和释放就称作链路管理。,数据链路层功能,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.4 数据链路层,协 议,面向字符的通信规程：,利用若干个控制字符控制报文的传输。报文由标题和正文两部分组成。标题含有报文名称、源站地址、目的站地址、发送日期等信息，用于传输控制。正文是报文的具体内容,。,面向位的通信规程：,填充控制信息是比特，信息传送单位是帧,例如,HDLC,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.4 数据链路层,数据链路层的数据传送是以帧为单位的。一个帧的结构具有固定的格式，如图所示。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.4 数据链路层,链路层帧的结构,A：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,C,A,FCS,校验区间,Data,网络层的分组被封装在帧的Data域中,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.4 数据链路层,局域网数据链路层标准包括,以太网,令牌环,令牌总线,无线网络,广域网数据链路层标准包括,高级数据链路控制,HDLC,点到点协议,PPP,X.25,帧中继,以上内容第6章详解,以上内容第7章详解,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.5 网络层,数据在网络层被转换为数据分组，然后通过路径选择、流量、差错、顺序、进/出路由等控制，将数据从物理连接的一端传送到另一端，并负责点到点之间通信联系的建立、维护和结束。它通过执行路由算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径，还要执行拥塞控制与网络互连等功能，是OSI参考模型中最复杂的一层。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.5 网络层,功 能,建立和拆除网络连接,路由选择和中继,分段和组块,传输和流量控制,差错的检测和恢复,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.5 网络层,服 务,数据报（无连接的服务）,虚电路（面向连接的服务）,数据报每个分组作为一个,独立,的信息单位传送,虚电路传输前先建立一条逻辑连接，传输结束后拆除,两类虚电路：,永久虚电路租用后便永久建立，退租后拆除。,交换虚电路需要通信时建立，通信结束便拆除。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.5 网络层,两种服务比较,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.6 传输层,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,传输层是面向应用的高层和与网络有关的低层协议之间的接口，其下三层与数据传输有关，其上三层与应用有关。,传输层提供在不同系统间数据传输服务，在网内两实体间建立端到端通信信道，提供两端点之间的可靠、透明数据传输；执行端到端差错检测和恢复，顺序控制和流量控制功能，并管理多路复用。,3.2.6 传输层,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,功 能,将传输层的地址映射到网络地址,传输连接与网络连接之间的映射,传输层虚拟连接的建立与释放,流量控制和缓存,差错控制,一对一,多路复用,分割,3.2.7 会话层,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,提供两个进程之间建立、维护和结束会话连接的功能；,提供交互会话的管理功能,如三种数据流方向的控制。,在会话层和传输层都提到了连接，那么会话连接和传输连接到底有什么区别呢？会话连接和传输连接之间有三种关系：一对一关系，即一个会话连接对应一个传输连接；一对多关系，一个会话连接对应多个传输连接；多对一关系，多个会话连接对应一个传输关系。,3.2.8 表示层,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,提供不同信息格式和编码之间的转换；,提供数据压缩和数据加密功能。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2.9 应用层,应用层还包含大量的应用协议，如虚拟终端协议（Telnet）、简单邮件传输协议（SMTP）、简单网络管理协议（SNMP）、域名服务系统（DNS）和超文本传输协议（HTTP）等。,提供各种网络服务。,为了使数据分组从源主机传送到目的主机，源主机OSI模型的每一层要与目标主机的每一层进行通信，用Peer-to-peer communications（对等实体间通信）表示源主机与目的主机对等层间的通信。在这一过程中，,每一层的协议交换的信息称为协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit），通常在该层的PDU前面增加一个单字母的前缀，表示为哪一层数据。,3.2.10 OSI的层次间关系,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,主机A,主机B,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,比特,数据帧,数据报,数据段,APDU,PPDU,SPDU,应用层协议,表示层协议,会话层协议,传输层协议,网络层协议,数据链路层协议,1. OSI模型每一层数据的名称,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,每一层的协议交换的信息称为,协议数据单元,（PDU，Protocol Data Unit），通常在该层的PDU前面增加一个单字母的前缀，表示为哪一层数据。如会话层通过传送SPDU和对等的会话层进行通信。相应地，应用层数据称为,应用层协议数据单元,（APDU，Application PDU），表示层数据称为,表示层协议数据单元,（PPDU，Presentation PDU）,会话层数据称为,会话层协议数据单元,（SPDU，Session PDU）；通常，把传输层数据称为,段,（segment），网络层数据称为,数据包,（Packet），数据链路层数据称为,帧,（Frame），物理层数据称为,比特流,（Bit）。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,网络传输介质,主机A,主机B,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,2. 同一台计算机之间相邻层的通信,如图2.7所示是OSI类型通信的一个例子。主机A发送信息给主机B。主机A的应用层与主机B的应用层通信，主机A的应用层再与主机A的表示层通信，主机A的表示层再与主机A的会话层通信，等等，直到到达主机A的物理层。物理层把信息放到网络物理介质上并把信息从网络物理介质上送走。信息在网络物理介质上传送并被主机B接收后，会以相反的方向向上通过主机B的各层（先是物理层，然后是数据链路层，等等），直到最终到达主机B的应用层。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,同一台计算机之间相邻层的通信演示,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3. 不同计算机上同等层之间的通信,OSI参考模型的分层禁止了不同主机间的对等层之间的直接通信。因此，主机A的每一层必须依靠主机A相邻层提供的服务来与主机B的对应层通信。假定主机A的第4层必须与主机B的第4层通信。那么，主机A的第4层就必须使用主机A的第3层提供的服务。第4层叫服务用户，第3层叫服务提供者。第3层通过一个服务接入点（SAP）给第4层提供服务。这些服务接入点使得第4层能要求第3层提供服务。,3.2,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3. 不同计算机上同等层之间的通信,OSI参考模型的分层禁止了不同主机间的对等层之间的直接通信。因此，主机A的每一层必须依靠主机A相邻层提供的服务来与主机B的对应层通信。假定主机A的第4层必须与主机B的第4层通信。那么，主机A的第4层就必须使用主机A的第3层提供的服务。第4层叫服务用户，第3层叫服务提供者。第3层通过一个服务接入点（SAP）给第4层提供服务。这些服务接入点使得第4层能要求第3层提供服务。,3.3,ISO/OSI开放系统互连参考模型,3.4 TCP/IP 参考模型,3.4.1 TCP/IP 参考模型层次,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7,6,5,4,3,2,1,OSI 的体系结构,应用层,网络接口层,网络层,(各种应用层协议如,TELNET, FTP,SMTP,等),运输层(TCP 或 UDP),TCP/IP 的体系结构,无连接分组交付服务,运输服务,(可靠或不可靠),各种,应用服务,TCP/IP 的三个服务层次,3.4 TCP/IP 参考模型,3.4.2 TCP/IP模型各层的功能,TCP/IP模型分层,主 要 功 能,网络接口层,定义了Internet与各种物理网络之间的网络接口,网络层,负责相邻计算机之间（即点对点）通信，包括处理来自传输层的发送分组请求，检查并转发数据报，并处理与此相关的路径选择，流量控制及拥塞控制等问题。,传输层,提供可靠的端到端的数据传输，确保源主机传送分组到达并正确到达目标主机。,应用层,提供各种网络服务，如SMTP，DNS，HTTP，SNMP等,3.4 TCP/IP 参考模型,3.4.3 TCP/IP各层主要协议,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口,1,网络接口,2,网络接口,3,ICMP ARP RARP,3.4.4 TCP/IP参考模型与OSI模型的比较,两者都均采用了层次结构并存在可比的传输层和网络层；,均是一种基于协议数据单元的包交换网络，而且分别作为概念上的模型和事实上的标准，具有同等的重要性。,3.4 TCP/IP 参考模型,相同点,TCP/IP,模型中没有专门的表示层和会话层，它将与这两层相关的表达、编码和会话控制等功能包含到了应用层中去完成。,OSI,模型在网络层支持无连接和面向连接的两种服务，而在传输层仅支持面向连接的服务。,TCP/IP,模型在互联网层则只支持无连接的一种服务，但在传输层支持面向连接和无连接两种服务,TCP/IP,一开始就考虑到多种异构网的互连问题，并将网际协议（,IP,）作为,TCP/IP,的重要组成部分，并且作为从因特网（,INTERNET,）上发展起来的协议，已经成了网络互连的事实标准。但是，目前还没有实际网络是建立在,OSI,七层模型基础上的，,OSI,仅仅作为理论的参考模型被广泛使用。,不同点,