Chapter02 计算机网络的协议与体系结构

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,河南工业大学信息科学与工程学院,计算机网络技术,Thanks for your attendance !,河南工业大学信息科学与工程学院,教材与参考材料,教材：,谢希仁,.,计算机网络教程（第,2,版）,.,人民邮电出版社，,2006,年,5,月,.,参考材料：,Tanenbaum.,计算机网络（第,4,版或第,5,版）,.,清华大学出版社,.,W.Richard,Stevens,著，范建华等译,. TCP/IP,详解（卷,1,、卷,2,、卷,3,）,.,机械工业出版社, 2008,年,6,月,.,谢希仁,.,计算机网络释疑与习题解答,.,电子工业出版社，,2011,年,4,月,.,教与学,讲授：,4,节,10,周；实验：,2,节,7,周,9/16/2024,2,第,2,章 计算机网络的协议与体系结构,2.1,计算机网络体系结构的形成,2.2,协议与层次划分,2.3,具有五层协议的计算机网络体系结构,2.4 TCP/IP,的体系结构,9/16/2024,3,2.1,计算机网络体系结构的形成,计算机网络是一个非常复杂的系统，两个计算机系统必须,高度协调的工作,，才能实现相互通信。,这种“,高度协调的工作,”包括很多方面，例如,链路激活与目标识别,数据组织、发送和接收,格式转换,差错控制与意外处理,等等,“,分层,”的思想,将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题比较易于研究和处理。,9/16/2024,4,2.1,计算机网络体系结构的形成,IBM,公司的系统网络体系结构,SNA (System Network Architecture, 1974),开放系统互连参考模型,OSI/RM(ISO7498,1983),Open System Interconnection Reference Model,由七层协议构成的一种网络体系结构,遵循,OSI,标准的任何系统可以实现互连互通,在市场化方面,OSI,却失败了,OSI,的专家们在完成,OSI,标准时没有商业驱动力；,OSI,的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；,OSI,标准的制定周期太长；,OSI,的层次划分并也不太合理。,9/16/2024,5,2.1,计算机网络体系结构的形成,结论：,OSI,获得了一些理论研究的成果,覆盖全世界的因特网,(Internet),没有采用,OSI,标准，而是采用了,TCP/IP,标准。,两种国际标准,法律上的国际标准,OSI,并没有得到市场的认可。,非国际标准,TCP/IP,现在获得了最广泛的应用。,TCP/IP,常被称为,事实上的国际标准,。,商业驱动是计算机网络，乃至所有信息技术发展的重要力量，甚至是决定力量。,9/16/2024,6,第,2,章 计算机网络的协议与体系结构,2.1,计算机网络体系结构的形成,2.2,协议与层次划分,2.3,具有五层协议的计算机网络体系结构,2.4 TCP/IP,的体系结构,9/16/2024,7,2.2,协议与划分层次,计算机网络中的数据交换须遵守事先,约定好的规则,这些,规则,明确规定了所交换数据的格式以及有关的同步问题,这里的同步是广义的“同步”，含有时序的意思,这些为进行网络数据交换而建立的规则、标准或约定称为,网络协议,(network protocol),，简称,协议,，其由三个要素组成：,语法,数据与控制信息的结构或格式 。,语义,需要发出何种控制信息，完成何种动作以及,做出何种响应。,同步,事件实现顺序的详细说明。,9/16/2024,8,2.2,协议与划分层次,划分层次的概念举例,文件传送,主机,1,通过网络向主机,2,发送文件，可以将要做的工作进行如下划分。,第一类工作与传送文件直接有关。,发送方确信对方已做好接收和存储文件的准备。,双方协调好一致的文件格式。,这两项工作可用一个,文件传送模块,来完成。两个主机将,文件传送模块,作为最高的一层 。,但是，文件传送的细节并不仅仅如此，剩下的工作交给下面的模块负责。,其工作机理如下图所示。,9/16/2024,9,2.2,协议与划分层次,文件传送模块,主机,1,主机,2,文件传送模块,只看这两个文件传送模块,好像文件及文件传送命令,是按照水平方向的虚线传送的,把文件交给下层模块,进行发送,把收到的文件交给,上层模块,划分层次的概念举例,文件传送,主机,1,通过网络向主机,2,发送文件,9/16/2024,10,2.2,协议与划分层次,划分层次的概念举例,文件传送,第二类工作是设立一个,通信服务模块,，用来保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换，也就是为上面的,文件传送模块,提供通信服务。,两个主机将这个,通信通信模块,作为第二层 ，其工作机理如下图所示。,9/16/2024,11,2.2,协议与划分层次,文件传送模块,主机,1,主机,2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块,好像可直接把文件,可靠地传送到对方,把文件交给下层模块,进行发送,把收到的文件交给,上层模块,通信服务模块,通信服务模块,划分层次的概念举例,文件传送,再设计一个,通信服务模块,9/16/2024,12,2.2,协议与划分层次,划分层次的概念举例,文件传送,第三类工作是构建一个,网络接入模块,，负责与网络接口细节有关的工作，使上面的通信服务模块能够完成可靠通信的任务。,两个主机将这个,网络接入模块,作为第三层 ，其工作机理如下图所示。,9/16/2024,13,2.2,协议与划分层次,文件传送模块,主机,1,主机,2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络,接口,网络,接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等,划分层次的概念举例,文件传送,再设计一个,网络接入模块,9/16/2024,14,2.2,协议与划分层次,分层的好处,各层之间是独立的,灵活性好,结构上可分割开,易于实现和维护,能促进标准化工作,层数设置要适当,层数太少，会使每一层的协议太复杂。,层数太多则会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,9/16/2024,15,2.2,协议与划分层次,层间功能划分,差错控制 使与网络对等端相应层次的通信更加可靠,流量控制 使发送端的发送速率适应接收端的接收能力,分段与重装 发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，接收端再将其还原,复用与分用 发送端几个高层会话复用一条低层的连接，接收端再进行分用,连接建立与释放 交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后及时释放连接,9/16/2024,16,2.2,协议与划分层次,计算机网络的体系结构,计算机网络的,体系结构,(architecture),是计算机网络的各层及其协议的集合。,体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的,精确定义,。,实现,(implementation),是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。,体系结构是,抽象的,，而实现则是,具体的,，是真正在运行的计算机硬件和软件。,9/16/2024,17,第,2,章 计算机网络的协议与体系结构,2.1,计算机网络体系结构的形成,2.2,协议与层次划分,2.3,具有五层协议的计算机网络体系结构,2.4 TCP/IP,的体系结构,9/16/2024,18,2.3,具有五层协议的网络体系结构,OSI/RM,的七层协议体系结构虽然概念清楚，理论完善，但它既复杂又不实用。因特网采用的是,TCP/IP,体系结构。,TCP/IP,体系结构分四层：应用层、运输层、网际层和网络接口层，但网络接口层并没有具体内容。,因此，教科书往往采取折中的办法，即综合,OSI,和,TCP/IP,的优点，采用一种包含五层协议的体系结构，如下图所示 。,9/16/2024,19,2.3,具有五层协议的网络体系结构,五层协议的体系结构,应用层,(application layer),运输层,(transport layer),网络层,(network layer),数据链路层,(data link layer),物理层,(physical layer),数据链路层,5,应用层,4,运输层,3,网络层,2,数据链路层,1,物理层,9/16/2024,20,2.3,具有五层协议的网络体系结构,应用层,(application layer),直接为用户的应用进程提供服务,应用层协议很多，如,HTTP,、,SMTP,、,FTP,等,运输层,(transport layer),负责两个主机中进程之间的通信提供服务,具有复用和分用功能,因特网的运输层协议主要有,传输控制协议,TCP (Transmission Control Protocol)-,提供面向连接的、保证可靠交付的运输服务，数据传输的单位是报文段,(segment),。,用户数据报协议,UDP (User Datagram Protocol),提供无连接的、尽最大努力交付的运输服务，数据单位是用户数据报,(user datagram),。,9/16/2024,21,2.3,具有五层协议的网络体系结构,网络层,(network layer),负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务,发送数据时，将运输层传来的数据封闭成,分组,或包,(packet),TCP/IP,的网络层使用,IP,协议，因此分组也叫,IP,数据报,(IP datagram),，或简称,数据报,。,分组可以作为通用术语，任何层的数据单元都可以称为分组。,网络层提供 “,尽最大努力交付,(best-effort delivery)”,的服务,网络层还要负责“,路由选择,”，使分组到达目的主机,因特网的网络层使用无连接的网际协议,IP (Internet Protocol),和多种路由选择协议，故称,IP,层或网际层。,9/16/2024,22,2.3,具有五层协议的网络体系结构,数据链路层,(data link layer),简称链路层，负责在两个,直接相连,的结点之间,点对点,传送数据（这就是所谓的“,链路,”）,链路层将网络层传来的,IP,分组组装成,帧,(frame),，帧是链路层的数据单位。一个数据帧由数据和必要的,控制信息,构成,帧的传送是“,透明的,”。“透明”意味着某个实际存在的事物却好像不存在一样（,“透明就是看不见”,）。,控制信息,使接收端知道一个帧从哪里开始和结束，还能检测收到的帧是否有,差错,。,9/16/2024,23,2.3,具有五层协议的网络体系结构,物理层,(physical layer),任务是,透明地传送比特流,物理层传送的的数据单位是,比特,(bit),，,物理层作用的传输媒体包括双绞线、同轴电缆、光缆等（，但传输媒体本身不在物理层范畴之内）。,“透明地传送比特流”,意味着经过信道传送后的比特流没有变化,物理层要考虑如何,表示,和,识别,“,0”,和“,1”,、连接电缆的构成以及如何连接,用户应用进程的数据在各层之间的传递过程和变化经历（假定两个主机是直接相连的）,9/16/2024,24,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,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,9/16/2024,25,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,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,9/16/2024,26,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,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）,9/16/2024,27,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,IP,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,9/16/2024,28,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,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,9/16/2024,29,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,主机,1,AP,2,AP,1,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,主机,2,9/16/2024,30,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,物理层接收到比特流，上交给数据链路层,9/16/2024,31,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,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,9/16/2024,32,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,网络层剥去首部，取出数据部分,上交给运输层,9/16/2024,33,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,运输层剥去首部，取出数据部分,上交给应用层,9/16/2024,34,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,应用层剥去首部，取出应用程序数据,上交给应用进程,9/16/2024,35,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,我收到了,AP,1,发来的,应用程序数据！,9/16/2024,36,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,应 用 程 序 数 据,应用层首部,H,5,10100110100101,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,H,5,应 用 程 序 数 据,H,4,H,5,应 用 程 序 数 据,H,3,H,4,H,5,应 用 程 序 数 据,H,4,运输层首部,H,3,网络层首部,H,2,链路层,首部,T,2,链路层,尾部,9/16/2024,37,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,10100110100101,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,H,2,T,2,H,3,H,4,H,5,应 用 程 序 数 据,9/16/2024,38,H,3,H,4,H,5,应 用 程 序 数 据,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,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,H,2,T,2,H,3,H,4,H,5,应 用 程 序 数 据,9/16/2024,39,H,4,H,5,应 用 程 序 数 据,H,3,H,4,H,5,应 用 程 序 数 据,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,网络层剥去分组首部后,把分组的数据部分交给运输层,9/16/2024,40,H,5,应 用 程 序 数 据,H,4,H,5,应 用 程 序 数 据,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,运输层剥去报文首部后,把报文的数据部分交给应用层,9/16/2024,41,应 用 程 序 数 据,H,5,应 用 程 序 数 据,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,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,9/16/2024,42,主机,1,向主机,2,发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,1,AP,2,AP,1,主机,2,我收到了,AP,1,发来的,应用程序数据！,9/16/2024,43,2.3,具有五层协议的网络体系结构,虽然数据传送过程很复杂，但由于各层之间的相互独立，屏蔽了各自工作的细节，实现了下层对上层透明地服务，每一层都好像是直接将数据传送给通信对方的相同层，即水平地传送数据。,通信双方相同的层称为,对等层,(peer layers),，各层的协议就是在对等层之间传递数据时的各项约定,OSI,参考模型将对等层之间传送的数据单位称为,协议数据单元,PDU (Protocol Data Unit),一个网络体系结构中各层协议的总和称为,协议栈,(protocol stack),实体,(entity),可以作为表示任何与传送数据有关的软硬件进程的抽象名词,9/16/2024,44,2.3,具有五层协议的网络体系结构,协议与服务,协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合,服务是相邻的下层向上层提供的某种功能,协议是对等实体通信时,相邻的,下层能够向上层提供服务的保证，而实现某个层的协议还需要利用,下面一层,提供的服务,相邻的上层实体只能看见下层实体提供的服务，而看不见下层的协议（,下层对上层透明,）,协议是,水平,的，服务是,垂直,的,同一个系统相邻两层的实体进行交互的地方称为,服务访问点,SAP,(Service Access Point),9/16/2024,45,实体、协议、服务和服务访问点,协议,(n + 1),SAP,SAP,交换原语,交换原语,实体,(n + 1),服务提供者,第,n,层,第,n + 1,层,实体,(n + 1),服务用户,实体,(n),实体,(n),协议,(n),9/16/2024,46,2.3,具有五层协议的网络体系结构,协议的复杂性,协议必须把所有,不利的条件,事先都估计到，而,不能假定,一切都是正常的和非常理想的。,看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议,能否应付各种异常情况,。,9/16/2024,47,2.3,具有五层协议的网络体系结构,关于协议的著名案例,-,联合作战问题,占据东、西两个山顶的蓝军,1,和蓝军,2,与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军,1,或蓝军,2,打不过白军，但蓝军,1,和蓝军,2,协同作战则可战胜白军。现蓝军,1,拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军,2,。但,通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大,（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文，但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军,1,和蓝军,2,能够实现协同作战因而一定（即,100 %,而不是,99.999%,）取得胜利？,9/16/2024,48,明日正午进攻，如何？,同意,收到“同意”,收到,：,收到“同意”,这样的协议无法实现！,9/16/2024,49,2.3,具有五层协议的网络体系结构,结论是,这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。,没有一种协议能够保证蓝军,100%,获胜。,这个例子说明，不可能设计出,100%,可靠的协议,9/16/2024,50,第,2,章 计算机网络的协议与体系结构,2.1,计算机网络体系结构的形成,2.2,协议与层次划分,2.3,具有五层协议的计算机网络体系结构,2.4 TCP/IP,的体系结构,9/16/2024,51,2.4 TCP/IP,的体系结构,应用层,运输层,网际层,网络,接口层,主机,A,主机,B,路由器,网络,2,网络,1,应用层,运输层,网际层,网络,接口层,网际层,网络,接口层,4,3,2,1,路由器在转发分组时最高只用到网络层，,而没有使用运输层和应用层。,9/16/2024,52,沙漏计时器形状的,TCP/IP,协议族,Everything over IP,IP,可为各式各样的应用程序提供服务,IP over Everything,IP,可应用到各式各样的网络上,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,3,9/16/2024,53,2.4 TCP/IP,的体系结构,数据链路层,物理层,运输层,网络层,数据链路层,物理层,运输层,网络层,客户发起连接建立请求,服务器接受连接建立请求,应用层,应用层,因特网,客户,服务器,需要逐层使用下层,提供的服务,(,使用,TCP,和,IP,）,【,例,1】,客户进程和服务器进程使用,TCP/IP,协议进行通信。,9/16/2024,54,2.4 TCP/IP,的体系结构,数据链路层,物理层,运输层,网络层,应用层,计算机,3,服务器,1,服务器,2,数据链路层,物理层,运输层,网络层,应用层,计算机,1,客户,1,数据链路层,物理层,运输层,网络层,应用层,计算机,2,客户,2,因特网,功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程,9/16/2024,55,Thats all for chapter 2,thanks for your attendance!,9/16/2024,56,