课程代码4741计算机网络原理计算机网络体系结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,星形拓扑,2,总线拓扑,3,环形拓扑,4,树形拓扑,5,星环混合拓扑,6,星总混合拓扑,7,网形拓扑,8,9,模拟信号数字处理方法,模拟信号数字处理框图,10,2,，,2.2,，,2.8,，,3,，,2.8,，,2.3,，,2,，,1.8,，,1.5,，,1,，,.,0010,1010,1100,0011,.,11,计算机网络体系结构,本章内容,网络的分层体系结构,OSI/RM,开放系统互连参考模型,TCP/IP,参考模型,两种参考模型的比较,12,1.,通信协议,人际交流的协议,:,人类之间,语言和文字系统,语法、意义、对话交替顺序,说明发送的消息,说明接收到某消息后所应采取的行动,说明动作的次序,通信协议,:,计算机之间,网络中所有的通信活动都是由协议所控制,协议：,定义,网络实体间,发送和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取的行动。,（,语义、语法和时序,）,13,通信协议的三要素,语义,对协议中各协议元素的含义的解释，例如：,在,HDLC,协议中，标志,Flag(7EH),表示报文的开始和结束,在,BSC,协议中，,SOH(01H),表示报文的开始，,STX(02H),表示报文正文的开始，,ETX(03H),表示报文正文的结束,语法,协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：,时序,通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则,Flag,Address,Ctrl,Data,FCSS,Flag,SOH,HEAD,STX,TEXT,ETX,BCC,BSC,HDLC,14,确认,释放连接,释放确认,释放确认,连接确认,数据,连接请求,连接确认,t,t,时序例,释放连接,数据传输,建立连接,15,发展历程,网络体系结构提出的背景,计算机网络的复杂性、异质性,不同的通信介质,有线、无线等,不同种类的设备,主机、路由器、交换机、复用设备等,不同的操作系统,UNIX,、,Windows,等,不同的软,/,硬件、接口和通信约定（协议）,不同的应用环境,固定、移动等,不同种类业务,分时、交互、实时等,宝贵的投资和积累,有形、无形等,用户业务的延续性,不允许出现大的跌宕起伏,16,结构清晰,简化设计与实现,便于更新与维护,较强的独立性和适应性,对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结构，以达到：,解决：分而治之！,一个生活中的例子：,空中旅行的组织,17,空中旅行的组织,一系列的步骤,机票,(,购买,),行李,(,托运,),旅客,(,出发,),飞机,(,起飞,),飞行航线,机票,(,投诉,),行李,(,认领,),旅客,(,到达,),飞机,(,着陆,),飞行航线,飞行航线,18,空中旅行的组织,:,从另一种不同的角度观察,层次的观点：,每层实现一种特定的,服务,通过自己内部的功能,依赖自己的下层提供的服务,机票,(,购买,),行李,(,托运,),旅客,(,出发,),飞机,(,起飞,),飞行航线,机票,(,投诉,),行李,(,认领,),旅客,(,到达,),飞机,(,着陆,),飞行航线,飞行航线,19,分层的空中旅行组织,:,服务,从出发地到目的地的航线：,导航服务,柜台,-to-,柜台：“旅客,+,行李”,票务服务,行李托运,-to-,行李认领：,行李服务,登机入口,-to-,到达出口：旅客,乘务服务,跑道,-to-,跑道：飞机,“航运”服务,20,层次功能的分布式实现,飞机,(,起飞,),飞机,(,着陆,),飞行航线,起飞,机场,到达机场,中间空中交通枢纽,飞行航线,飞行航线,机票,(,购买,),机票,(,投诉,),行李,(,托运,),行李,(,认领,),旅客,(,出发,),旅客,(,到达,),21,层次化方法在其他领域的应用,程序设计,把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来实现，如操作系统。,邮政系统,邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输,银行系统,物流系统,22,2.,分层原理,计算机网络中也采用了,分层,方法。,把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题，在不同层上予以解决。,网络的层次结构方法要解决的问题：,网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（,分层与功能,）,各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（,服务与接口,）,通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（,协议,）,23,计算机网络中，,层,、,协议,和,层间接口,的集合被称为,计算机网络体系结构,。,换句话说：体系结构包括三个内容：,分层结构与每层的功能、服务与层间接口、协议。,最早的网络体系结构源于,IBM,的,SNA,其他的网络体系结构还有,DEC,的,DNA,等,由国际化标准组织,ISO,制定的网络体系结构国际标准是,OSI/RM,实际中应用最广泛的是,TCP/IP,体系结构,事实上的标准,24,层次结构方法的优点,独立性强,耦合程度低,上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务,黑箱方法,。,适应性强,只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。,易于实现和维护,把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子单元：,使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。,使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。,25,3.,基本概念,实体,：任何可以发送或接收信息的硬件,/,软件进程。,协议,：通信双方在通信中必须遵守的规则。,对等层,：两个不同系统的同级层次。,对等实体,：分别位于不同系统对等层中的两个实体,接口,：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。,服务,：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。,26,系统,A,系统,B,实体,对等层,对等实体,接口,服务,物理网络,27,网络分层体系结构,P,3,P,2,P,1,2,1,3,2,1,物理通信线路,3,N,+1,N,N,-1,N,+1,N,N,-1,P,n,-1,P,n,P,n,+1,系统,A,系统,B,网络中的任何一个系统都是按照层次结构来组织的,同一网络中，任意两个端系统必须具有相同的层次,每层使用其下层提供的服务，并向其上层提供服务,通信只在对等层间进行（间接的、逻辑的、虚拟的），非对等层之间不能互相“通信”,实际的物理通信只在最底层完成,P,n,：第,n,层,协议,，即第,n,层对等实体间通信时必须遵循的规则或约定,28,对等层通信的实质,网络分层体系结构原理,禁止,不同主机的对等层之间进行,直接通信,。,实际上，每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机的对等层通信。,上层,使用,下层提供的服务,服务使用者；,下层向上层,提供,服务,服务提供者。,第,n,+1,层是第,n,层的服务用户，第,n,-1,层是第,n,层的服务提供者,第,n,层的服务也依赖于第,n,-1,层以及以下各层的服务,例：邮政通信,29,对等通信例：两个人收发信件,想一想,：,收信人与发信人之间、邮局之间，是在直接通信吗？,邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务？,邮局、收发信人各使用谁提供的什么服务？,信件内容,邮件地址,货物地址,发信人,邮局,运输系统,信件内容,邮件地址,货物地址,收信人,对信件内容的共识,对信件如何传递的共识,对货物如何运输的共识,P,3,P,2,P,1,公路，铁路，航空,邮局,运输系统,30,对等层通信的实质,对等层实体之间实现的是,虚拟的逻辑通信,；,下层向上层提供服务；,上层依赖,下层提供的服务来与其他主机上的对等层通信；,实际通信在最底层完成,。,31,3,2,1,N,+1,N,N,-1,2,1,3,N,+1,N,N,-1,源进程传送消息到目标进程的过程：,消息送到源系统的最高层；,从最高层开始，自上而下逐层,封装,；,经物理线路传输到目标系统；,目标系统将收到的信息自下而上逐层处理并,拆封,；,由最高层将消息提交给目标进程。,目标进程,源进程,P,3,P,2,P,1,物理通信线路,P,n,-1,P,n,P,n,+1,消息,消息,逻辑通信,32,数据多层封装,数据,段头,数据,段头,数据,分组,头,帧头,段头,数据,分组头,帧尾,封装,段,分组,帧,拆封,33,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,例：,TCP/IP,协议的封装过程,应用层,传输层,网络层,链路层,34,在目的站，某一层只能识别由源站对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的“数据”仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。,每一层只处理本层的协议头部！,35,OSI/RM,参考模型,应用层,Application,表示层,Presentation,会话层,Session,传输层,Transportation,物理层,Physical,数据链路层,Data Link,网络层,Network,7,6,5,4,3,2,1,为网络应用提供服务,数据表示,在用户间建立会话关系,不同主机进程间的通信,在主机间传输分组,在节点间可靠地传输帧,位流的透明传输,36,37,物理层（,Physical Layer,）,功能：在物理媒体,(,介质,),上,正确地,、,透明地,传送比特流。,服务：串行和并行,协议,(,标准,),：规定了物理接口的各种特性：,机械,：物理连接器的尺寸、形状、规格,电气,：信号电平，信号的脉冲宽度和频率，数据传送速率，最大传输距离等,功能,：接口引（线）脚的功能和作用,规程,：信号时序，应答关系，操作过程,例：,RS-232,、,RS-449,、,V.24,、,V.35,38,在两个,相邻节点,间可靠地传输数据，使之对网络层呈现为一条无错的链路。,功能：,建立与拆除数据链路连接,组帧,：帧封装，按顺序传送，处理返回的确认帧,物理寻址,：,MAC,地址,/,物理地址,定界与同步,：产生,/,识别帧边界,错误检测,/,恢复,：可靠的传输，,CRC,，,ARQ,流量控制,：抑止发送方的传输速率，使接收方来得及接收,数据链路层（,Data Link Layer,）,39,寻址并选择合适的路由，把数据报从源端传送到目的端，在需要时对上层的数据进行分段和重组。,功能：,在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接,寻址、路由选择和分组中转,分段与组合：大数据块分段，小数据块组合,流量控制和拥塞控制,多路复用：为多个传输层实体提供网络连接服务,差错检测与恢复,流量统计和记账,网络层（,Network Layer,，,Internet Layer,）,40,链路层的任务,两,节点间,可靠的数据传输,Ethernet, X.25, ATM, ,网络层的任务,沿两,端点间,的最佳路由传输数据,（主机间的逻辑通信）,Ethernet, X.25, ATM, ,41,42,OSI,参考模型的结构,43,对网络层的连接进行管理，在源端与目的端之间提供可靠的、透明的数据传输，使上层服务用户不必关心通信子网的实现细节。,传输层的特点,以上各层：面向应用，本层及以下各层：面向传输；,只存在于端主机中；,实现源主机到目的主机,“,端到端,”,的连接,传输差错校验与恢复；,流量控制，防止数据传输过载,在这一点上与网络层的区别是什么？,网络层：为,主机之间,提供逻辑传输,传输层：为,应用进程之间,提供逻辑传输,传输层（,Transport Layer,）,44,网络层的任务,沿两端点间的最佳路由传输数据,（,主机间的逻辑通信,）,Ethernet, X.25, ATM, ,传输层的任务,两端点间可靠的透明数据传输,（,应用进程间的逻辑通信,）,通信子网,45,会话层（,Session Layer,）,在传输层服务的基础上增加控制会话,(Session),的机制，建立、组织和协调应用进程之间的交互过程。,功能：,为用户建立、引导和释放会话连接。,服务,服务类型：双向同时,(,双工,),、双向交替,(,半双工,),和单向,(,单工,),同步,46,为,End-user,的应用进程提供标准的网络服务和应用接口。,功能：,提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求；,为用户进程提供应用接口；,识别并证实目的通信方的可用性；,使协同工作的应用进程之间进行同步；,为通信过程申请资源。,应用层协议的例子：,OSI:,VTP,、,MHS,、,FTAM,、,DS,、,TCP/IP:,Telnet,、,SMTP,、,FTP,、,DNS,、,HTTP,、,应用层（,Application Layer,）,47,48,OSI,环境中的数据传输过程,OSI,环境,49,面向连接服务和无连接服务,(1),面向连接服务,“面向连接”就是在正式通信前必须要与对方建立起连接。比如你给别人打电话，必须等线路接通了、对方拿起话筒才能相互通话。,连接,:,两对等实体为进行数据通信而进行一种结合,.,面向连接服务具有连接建立,数据传输和连接释放这三个阶段,在网络层中又称为虚电路服务,.,面向连接服务中 数据按序传送,可靠性高,;,适合于在一定期间内 向同一目的地发送许多报情况,.,TCP,（,Transmission Control Protocol,，传输控制协议）是基于连接的协议，也就是说，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个,TCP,连接必须要经过三次“对话”才能建立起来,.,50,确认,释放连接,释放确认,数据,连接请求,连接确认,t,t,面向连接,释放连接,数据传输,建立连接,51,面向连接服务和无连接服务,(2),无连接服务,“面向非连接”就是在正式通信前不必与对方先建立连接，不管对方状态就直接发送。这与现在风行的手机短信非常相似：你在发短信的时候，只需要输入对方手机号就,OK,了。,两个实体之间的通信不需要事先建立好一个连接,其下层资源只需在数据传输时动态 地进行分配,不需予留,;,收发二实体只是在工作时才处于激活态,.,无连接服务的优点是通信比较迅速,使用灵活方便,连接开销小,;,但可靠性低,不能防止报文的丢失,重复或失序,.,适合于传送少量零星的报文,.,UDP,（,User Data Protocol,，用户数据报协议）是与,TCP,相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去！,52,确认,数据,数据,数据,数据,t,t,无连接,有确认,无确认,53,确认和重传机制,网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证；,确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；,在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；,确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。,54,服务类型与服务质量,通信协议四种类型：,面向连接与确认服务；,面向连接与不确认服务；,无连接与确认服务；,无连接与不确认服务。,设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同,的服务类型。,55,TCP/IP,参考模型,TCP/IP,参考模型的发展,在,TCP/IP,协议研究时，并没有提出参考模型；,1974,年,Kahn,定义了最早的,TCP/IP,参考模型；,20,世纪,80,年代,Leiner,、,Clark,等人对,TCP/IP,参考模型进一步的研究；,TCP/IP,协议一共出现了,6,个版本，后,3,个版本是版本,4,、版本,5,与版本,6,；,目前我们使用的是版本,4,，它的网络层,IP,协议一般记作,IPv4,；,版本,6,的网络层,IP,协议一般记作,IPv6,（或,IPng, IP next generation,）；,IPv6,被称为下一代的,IP,协议。,56,TCP/IP,协议的特点,开放的协议标准,;,独立于特定的计算机硬件与操作系统；,独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；,统一的网络地址分配方案，使得整个,TCP/IP,设备在网中都具有惟一的地址；,标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。,57,2.3.2 TCP/IP,参考模型各层的功能,应用层（,application layer,）,传输层（,transport layer,）,互连层（,internet layer,）,主机,-,网络层（,host-to-network layer,）,58,TCP/IP,参考模型与,OSI,参考模型的对应关系,59,主机,-,网络层,参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收,IP,数据报,;,允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，如局域网的,Ethernet,、令牌网、分组交换网的,X.25,、帧中继、,ATM,协议等,;,当一种物理网被用作传送,IP,数据包的通道时，就可以认为是这一层的内容,;,充分体现出,TCP/IP,协议的兼容性与适应性，它也为,TCP/IP,的成功奠定了基础。,60,互连层,相当,OSI,参考模型网络层无连接网络服务；,处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；,IP,协议是无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。,61,传输层,主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端,-,端连接；,传输控制协议,TCP,是一种可靠的面向连接协议；,用户数据报协议,UDP,是一种不可靠的无连接协议,。,62,应用层,应用层协议主要有：,网络终端协议,Telnet,；,文件传输协议,FTP,；,简单邮件传输协议,SMTP,；,域名系统,DNS,；,简单网络管理协议,SNMP,；,超文本传输协议,HTTP,。,63,OSI,参考模型与,TCP/IP,参考模型的比较,对,OSI,参考模型的评价,层次数量与内容选择不是很好，会话层和表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；,寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；,协议复杂，很难实现；,缺乏市场和商业动力。,64,对,TCP/IP,参考模型评价,在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其他非,TCP/IP,协议族。,TCP/IP,参考模型的主机,-,网络层本身并不是实际的一层,只定义了接口，未区分层与接口。,TCP/IP,协议促进了,Internet,Internet,扩大了,TCP/IP,的影响。,65,