第3章计算机网络体系结构ppt课件

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,北京科技大学通信工程系,*,数据通信网,主讲教师：马忠贵,上一讲知识回顾,信道,（数字,/,模拟，信道带宽，最大传输能力，数字通信基本过程）,传输媒体,（有线,/,无线，双绞线,/,光纤）,编码与调制,（数字编码，幅度,/,频率,/,相位调制，脉码调制,-PCM,）,多路复用,（,FDM,TDM, WDM, CDM,）,数据交换技术,（,电路交换,，报文交换，,分组交换,）,差错控制,（差错检测，差错控制）,2,北京科技大学通信工程系,第,3,章 计算机网络体系结构,本章内容,层次化的,网络体系结构,开放系统互联参考模型（,OSI/RM,）,TCP/IP,体系结构,OSI,和,TCP/IP,的主要层次功能,应用层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,3,北京科技大学通信工程系,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、, ,不同种类的设备,主机、路由器、交换机、复用设备、, ,不同的操作系统,Unix,、,Windows,、, ,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、, ,不同种类业务,分时、交互、实时、, ,宝贵的投资和积累,有形、无形、, ,用户业务的延续性,不允许出现大的跌宕起伏,3.1,网络体系结构的定义,4,北京科技大学通信工程系,3.1,网络体系结构的定义,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：,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,解决：分而治之！,一个生活中的例子：,空中旅行的组织,经典的哲学家示例,5,北京科技大学通信工程系,3.1,网络体系结构的定义,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,6,北京科技大学通信工程系,3.1,网络体系结构的定义,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,7,北京科技大学通信工程系,3.1,网络体系结构的定义,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,8,北京科技大学通信工程系,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,),3.1,网络体系结构的定义,9,北京科技大学通信工程系,3.1,网络体系结构的定义,经典的哲学家示例,印度,中国,哲学问题,翻译,翻译,英文稿,电报员,电报员,电报稿,工程师,工程师,信号,10,北京科技大学通信工程系,3.1,网络体系结构的定义,层次化方法在其它领域的应用,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,11,北京科技大学通信工程系,3.1,网络体系结构的定义,分层的思想,通信是一件复杂的工作，必须分工完成,资源子网,/,通信子网关心信息,/,关心信息流向,分工,模块化,分层结构是具有纵向关系的模块集合,模块化的分工思想结合通信的分工特点形成了分层的体系结构,通信关系至少涉及两个对象,服务与被服务的分工合作,12,北京科技大学通信工程系,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,）,不同网络，层的数量、名字、内容、功能不同,3.1,网络体系结构的定义,13,北京科技大学通信工程系,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,；,其它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,3.1,网络体系结构的定义,14,北京科技大学通信工程系,分层网络体系结构的优点,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。,3.1,网络体系结构的定义,15,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,分层的原则,每层有一个定义明确的功能,层间功能相对独立，逻辑上比较完整,有助于标准的制定,各层间边界（接口）清晰,工作以简洁、清楚的方式交接,应尽可能减少跨层通信量,适当分层,太少：每层功能复杂,太多：结构复杂,16,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,系统,A,系统,B,第,2,层,第,1,层,第,n,层,第,n+1,层,物理传输介质,第,2,层,第,1,层,第,n,层,第,n+1,层,Pn+1,第,n-1,层,第,n-1,层,第,3,层,第,3,层,Pn,Pn-1,P3,P2,P1,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,Pn,：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,17,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,层次模型的基本要素,实体,：任何可以发送或接收信息的硬件,/,软件进程,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。,协议,：通信双方在通信中必须遵守的规则。,18,北京科技大学通信工程系,系统,A,系统,B,实体,对等层,对等实体,接口,服务,物理网络,3.2,网络体系结构的分层原理,19,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,协议是实现功能、提供服务的基础，是计算机网络的灵魂,不同的网络：不同层次结构与不同协议的组合,第,n,层,提供的服务,n,层间,的协议,层内实现的功能,功能（要做什么）,层内,层次定义依据,协议（有什么规则）,对等层之间,对等层间的通信规则,服务（为用户做什么）,相邻层之间,下层为上层提供的功能,接口,相邻层之间,相邻层间的通信操作,20,北京科技大学通信工程系,术语：通信协议,人际交流的协议,:,人类之间,“我有一个问题,.”,“,现在几点了,?”,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,网络对等实体间,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,）,3.2,网络体系结构的分层原理,21,北京科技大学通信工程系,人相互交流的协议和通信协议之间的对比,Hi,Hi,Whats,the,time,?,2:00,请求连接,传送文件：,xxxxx.xxx,time,连接确认,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：通信协议,22,北京科技大学通信工程系,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,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：通信协议（三要素）,23,北京科技大学通信工程系,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,术语：通信协议,时序举例,释放连接,数据传输,建立连接,3.2,网络体系结构的分层原理,24,北京科技大学通信工程系,术语：通信协议,网络体系结构中：,每层可能会有若干个协议,一个协议只属于一个层次,协议可以由软件或硬件来实现：,网络通信协议软件、网络驱动程序,网络硬件,常用协议组：,TCP/IP,（,Windows,、,Unix,、,Linux,、,）,NetBEUI,（,Windows,）,IPX/SPX,（,NetWare,、,Windows,）,3.2,网络体系结构的分层原理,25,北京科技大学通信工程系,26,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：实体（,Entity,）,指某一层中具有数据收发能力的活动单元。,执行协议、完成本层功能。,可以用硬件或软件实现,进程,具有逻辑判断的硬件,每层中可以同时存在多个实体,27,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：实体（,Entity,）,对等实体（,Peer Entity,）,不同系统同层存在通信关系的实体,IPX,实体,对等实体,对等实体,IP,实体和,IPX,实体不构成对等实体，因为它们之间不通信。,IP,实体,IPX,实体,IP,实体,28,北京科技大学通信工程系,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,。,(,想一想，为什么,?),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,Service user,；,下层向上层,提供,服务,Service provider,。,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,3.2,网络体系结构的分层原理,29,北京科技大学通信工程系,邮政通信示例：,两个人收发信件,问题：,收信人与发信人之间、邮局之间，他们是在直接通信吗？,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,P3,P2,P1,公路，铁路，航空,邮局,运输系统,3.2,网络体系结构的分层原理,30,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,邮政通信示例,信件,邮局,邮递员,邮政网络,交通运输,信件,邮局,邮递员,邮政网络,信件格式,寄信方式,分拣邮包规则,邮路选择,信件传递经若干层次,服务,同层间需要约定规则,协议,信息,发信人,收信人,31,北京科技大学通信工程系,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它主机上的对等层通信；,实际通信在最底层完成。,3.2,网络体系结构的分层原理,32,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：服务（,Service,）,某层对其上一层提供的一组通信相关的功能集合,服务数据单元（,SDU,）,相邻层间交换,构成,PDU,的数据字段，最终传递给对等实体,服务提供者（,service provider,）和服务用户（,service user,）,本质：实体,服务用户,服务提供者,n+1,层,n,层,33,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：服务（,Service,）,实体、协议与服务,实体使用下层的通信服务，完成本层功能，并为上层提供增强的通信功能,服务,实体,实体,实体,实体,协议,使用的下层服务,为上层提供的服务,n,n,n-,1,n-,1,服务：规定上下层实体之间的行为规范,协议：规定对等实体之间的行为规范,34,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：服务（,Service,）：服务与功能,服务是上层用户看得到的功能,实体还会实现上层用户看不到的功能,“对于浏览器这种应用，它接受用户输入的主页域名，启动,DNS,过程将该域名转换为,IP,地址，接着获取该地址网站上的主页，显示在浏览器窗口内”,“,IP,协议根据高层用户的要求，将分组逐站转发到目的地。转发时，在某些物理网络，如以太网，可能需要实现,IP,地址到物理地址的映射，才能在物理网上正确投递分组”,35,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：接口（,Interface,）,上下层实体之间边界交流地点,服务接入（访问）点,+,服务原语,服务接入点（,Service Access Point,）,n,层,SAP,是,n+1,层可以访问,n,层服务的地方,服务提供者,服务用户,n+1,层,n,层,n+1,层实体,n,层实体,SAP,36,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：接口（,Interface,）：实体与,SAP,关系,每个,SAP,只由一个实体提供，可供上层多个实体使用,每个实体可以使用下层的一个到多个,SAP,每个实体能为上层提供多个,SAP,实体,协议的执行体，,SAP,协议提供的接口,直接含义：,每种协议应支持多种上层应用,每种协议应能适应多种下层类型,37,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：接口（,Interface,）：实体与,SAP,每种协议应支持多种上层应用,每种协议应能适应多种下层类型,802.2,LLC,802.3,MAC,IP,IPX,38,北京科技大学通信工程系,术语：协议数据单元（,PDU,）,网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统称为,协议数据单元,（,Protocol Data Unit,，,PDU,）。,传输层及以下各层的,PDU,另外还有各自特定的名称：,传输层,段（,Segment,）,网络层,分组,/,包（,Packet,）,数据链路层,帧（,Frame,）,物理层,比特（,Bit,）,PDU,由,协议控制信息（协议头,）,和,数据,（,SDU,）,组成,:,协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息,:,地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息、,协议控制信息,数据（,SDU,）,3.2,网络体系结构的分层原理,39,北京科技大学通信工程系,下层把上层的,PDU,作为本层的数据加以,封装,，然后加入本层的协议头部（和尾部）形成本层的,PDU,。,封装,：就是在数据前面加上特定的协议头部。,因此，数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。,类比：发送信件,数据在传输时，其外面实际上要被包封多层“信封”。,数 据,协议头,数 据,N+1,层,PDU,N,层,PDU,3.2,网络体系结构的分层原理,40,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：封装和解封,(,把握纵向和横向的关系,),正文,邮包,集装箱,封装,解封,正文,信封,邮包,集装箱,信封,用户,邮递员,邮局,传输系统,41,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：封装和解封,正文,信封,邮包,集装箱,解封,封装,42,北京科技大学通信工程系,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,3.2,网络体系结构的分层原理,43,北京科技大学通信工程系,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,实例：,TCP/IP,协议的封装过程,应用层,传输层,网络层,链路层,3.2,网络体系结构的分层原理,44,北京科技大学通信工程系,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！,3.2,网络体系结构的分层原理,协议头,Hn,数据,D,PDU,实体,实体,n,n,45,北京科技大学通信工程系,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,3.2,网络体系结构的分层原理,46,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：服务原语,原语（,primitive,）,一种不可再分的操作,服务原语,定义上层实体与下层实体间的接口模型,提供上层实体使用下层的通信服务,实现数据的一次完整传输过程,上层,请求,下层传输数据,数据到达时,通知,上层,上层对数据的,应答,应答回到源端,答复,上层,47,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,四种服务原语,请求（,Req,uest,）,指示（,Ind,ication,）,响应（,Resp,onse,）,确认（,Conf,irm,）,注意,Req,不一定会引起下层传输数据（如状态请求）,传输的内容不一定完全跟请求的内容一致,Req,Ind,Resp,Conf,Req,（）,Ind,（）,Resp,（）,Conf,（）,48,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,有确认服务和无确认服务,有确认（,Confirmed,）服务：要求确认,请求、指示、响应、确认,无确认（,Unconfirmed,）服务：请求、指示,例：面向连接的通信（类比电话系统）,1,、,CONNECT.req,2,、,CONNECT.ind,3,、,CONNECT.resp,4,、,CONNECT.conf,1,、,DISCONNECT.req,2,、,DISCONNECT.ind,1,、,DATA.req,1,、,DATA.req,2,、,DATA.ind,2,、,DATA.ind,1,）,Connect,2,）,Accept,3,）,Data,4,）,Data,5,）,Disconnect,区分：,原语操作,协议操作,3,、,DISCONNECT.conf,49,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：服务方式,面向连接的服务,可靠：传输的报文不丢失、不重复、按顺序到达,4,个服务原语,请求,1,确认,4,响应,3,指示,2,通信的步骤,建立连接,传输,拆除连接,连接请求,连接指示,连接响应,连接确认,建立连接,阶段,数据传输,阶段,拆除请求,拆除指示,拆除响应,拆除确认,拆除连接,阶段,50,北京科技大学通信工程系,3.2,网络体系结构的分层原理,术语：服务方式,无连接服务,不可靠,传输的报文允许出现：丢失、重复、乱序现象,通信步骤,直接发送报文，不用事先通知对方,2,个服务原语,数据请求,数据指示,数据请求,数据指示,数据请求,数据指示,51,北京科技大学通信工程系,在各层中实现的主要功能,差错控制,使对等层的通信更加可靠,流量控制,控制发送端的速率，使接收端能来得及接收,分段和重装,发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新组合,复用和分用,多个高层的对等层通信会话复用一条低层连接,建立连接和释放连接,3.2,网络体系结构的分层原理,52,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,OSI/RM,：,Open System Interconnection /Reference Model,（开放系统互连参考模型）,:,国际标准化组织（,ISO,：,International Standard Organization,）,OSI,的七层网络体系结构已经过时,TCP/IP,：,Transmission Control Protocol/ Internet,Prototocol,TCP/IP,的四层网络体系结构已成主流,使用五层原理体系结构来阐明网络的工作原理较为合适,53,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,有关标准化组织,为确保发送方和接受方能彼此协调，若干,标准化,组织促进了通信标准的开发,ANSI,：美国国家标准协会（,American National Standard Institute,）,ITU,：国际电信联盟（,International Telecommunication Union,）,ITU-T/R/D :,电信标准化部门,/,无线通信部门,/,开发部门,EIA,：电子工业协会（,Electronic Industries Association,）,IEEE,：电气和电子工程师协会（,Institute of Electrical and Electronics Engineers,）,ISO,：国际标准化组织（,International Standard Organization,）,管理机构,FCC,（,Federal Communications Committee,）,54,北京科技大学通信工程系,OSI/RM,的体系结构分为,7,层,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,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,应用层（,Application,）,表示层（,Presentation,）,会话层（,Session,）,传输层（,Transport,）,网络层（,Network,）,数据链路层（,Data Link,）,物理层（,Physical,）,较低层：与数据传输有关,较高层：与应用有关,55,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,ISO-7498,标准,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,网络层,数据链路层,物理层,通 信 介 质,传输层协议,会晤层协议,表示层协议,应用层协议,端系统,A,端系统,B,中继系统,通 信 介 质,56,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,OSI,参考模型中数据的传输过程,7,6,5,4,3,2,1,发送方,H1,H3,H4,H5,H6,H2,H7,data,数据,7,6,5,4,3,2,1,实际传输通路,物理媒体,接收方,57,北京科技大学通信工程系,TCP/IP,体系结构分为,4,层,：,应用层,传输层,网际层,网络接口层,数据链路层物理层,application,transport,internet,network interface,data link,physical,注：,TCP/IP,体系结构有时也采用,5,层表示方法，即用数据链路层和物理层代替网络接口层。,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,58,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,相同,垂直的分层结构,层次及功能大体相似,差异,层次制定不同,定义的规范性,OSI,更清晰，更容易实现协议替换,OSI,是先有模型再制定协议,TCP/IP,是先有协议，协议丰富后出现模型加以描述和规范,OSI,更倾向于面向连接,TCP/IP,提供两种服务方式给用户选择,59,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,优点,OSI,的通用性强，用于描述和规范网络更清晰,TCP/IP,的实用性更强，有很多实际证明很有效的技术,缺点,OSI,层次，协议和服务定义过于复杂,OSI,对无连接服务和协议的忽视,OSI,对计算机及软件工作方式的忽视,TCP/IP,的通用性差,TCP/IP,协议难以做到不受影响的替换,60,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,TCP/IP,与,OSI/RM,的对应关系,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据连路层,物理层,1,2,3,4,5,6,7,应用层,传输层,网际层,网络接口层,OSI/RM,TCP/IP,WINDOWS,程序,应用层,核心层,*,.exe,*.,dll,*,.sys,*,.sys,网卡,61,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,OSI/RM,和,TCP/IP,相结合的,5,层结构,原理体系结构,原理体系结构包括,:,应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层,62,北京科技大学通信工程系,3.3 OSI/RM,与,TCP/IP,体系结构,原理体系结构,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,H,3,物 理 传 输 媒 体,数 据 部 分,数 据 部 分,数 据 部 分,数 据 部 分,10100110100101,比 特 流,11 010111010,T,2,计算机,1,H,5,H,4,H,2,首部,尾部,AP,2,AP,1,应 用 程 序,数 据,计算机,2,比特,帧,IP,数据报,IP,分组,TCP,报文段,UDP,报文段,63,北京科技大学通信工程系,物理层（,physical layer,）,任务：在物理媒体,(,介质,),上,正确地,、,透明地,传送,比特流,。,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,（语法）,功能,：接口引（线）脚的功能和作用,（语义）,规程,：信号时序，应答关系，操作过程,（时序）,功能：建立和拆除物理连接、位流传输、管理,例：,RS-232,、,RS-449,、,V.24,、,V.35,、,G.703/G.704,3.4,原理体系结构各层概述,64,北京科技大学通信工程系,物理层：,RS-232-C,外形为,25,针或,9,针的,D,型连接器,通信速率（,b/s,）：,100,、,300,、,600,、,1200,、,2400,、,4800,、,9600,、,19.2K,、,33.6K,、,56K,信号电平：,逻辑“,1”,：,-3V,-15V,逻辑“,0”,：,+3V,+15V,引脚定义：,3.4,原理体系结构各层概述,65,北京科技大学通信工程系,3.4,原理体系结构各层概述,66,北京科技大学通信工程系,信号时序（接收）,H,：,Host,（,DTE,），,M,：,Modem,（,DCE,）,设备握手,DTR,：,HM,（,保持，表示,H,已可以工作）,DSR,：,HM,（,保持，表示,M,已可以工作）,监视载波信号,DCD,：,HM,载波（表示数据链已建立）,接收数据,RD,：,HM,数据调制信号,断开连接,DCD,消失、,H,撤除,DTR,、,M,撤除,DSR,3.4,原理体系结构各层概述,67,北京科技大学通信工程系,信号时序（发送）,设备握手,DTR,：,HM,（,保持）,DSR,：,HM,（,保持）,请求发送,RTS,：,HM,（,保持），,M,载波，在对方产生,DCD,CTS,：,HM,（,保持）,发送数据,TD,：,HM,数据调制信号,断开连接,H,撤除,RTS/DTR,M,撤除,CTS/DSR,，,停止发送载波,3.4,原理体系结构各层概述,68,北京科技大学通信工程系,3.4,原理体系结构各层概述,物理层：从信号中提取,bit,流,信号,时钟,译码,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,0,1,0,1,1,1,0,69,北京科技大学通信工程系,数据链路层（,data link layer,）,任务：为网络层提供透明和可靠的传输服务，在不可靠的物理链路上，提供可靠的数据传输服务（,帧,）。,功能与服务：,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；,定界与同步,：产生,/,识别帧边界；,差错检测,/,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。,3.4,原理体系结构各层概述,70,北京科技大学通信工程系,协议：两类,面向字符的：,数据以字符为单位传输，用控制字符控制通信,IBM,的,BSC,规程，例子见,p76,，图,3.6,面向比特的：,数据以位为单位传输，用帧中的控制字段控制通信,ISO,的,HDLC,规程，例子见,p76,，图,3.7,共享信道问题,(LAN or Wireless),：,如何控制对,共享信道,的访问？,将数据链路层划分为,逻辑链路控制,(Logical Link Control, LLC),和,介质访问控制,(Media Access Control, MAC),两个子层，由,MAC,子层解决共享介质访问控制问题。,LAN,使用的两种主要介质访问控制方法：,CSMA/CD,TOKEN PASSING,3.4,原理体系结构各层概述,71,北京科技大学通信工程系,网络层（,network layer,，,internet layer,）,任务：选择合适的路由，把,分组,从源端传送到目的端。,功能与服务：,在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接,路由选择和分组中转,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,分段与组合：大数据块分段，小数据块组合,差错检测与恢复,流量统计和记账,IP,协议,RFC 791,：提供无连接的数据报服务,3.4,原理体系结构各层概述,72,北京科技大学通信工程系,网络层：,路由选择,如何在多条通信路径中找一条,最佳路径,？,依据：,速度,距离,(,步跳数,),价格,拥塞程度,路由器,路由表建立与维护,静态：人工设置，只适用于小型网络,动态：运行过程中根据网络情况自动地动态维护,路由算法,建立与维护路由表的方法,距离向量算法：,RIP,、,CGP,等,链路状态算法：,OSPF,等,3.4,原理体系结构各层概述,73,北京科技大学通信工程系,链路层的任务,两,结点间,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, ,3.4,原理体系结构各层概述,74,北京科技大学通信工程系,3.4,原理体系结构各层概述,网络层：端到端的连接,相连,端到端,75,北京科技大学通信工程系,传输层（,transport layer,）,任务：在源端与目的端之间提供可靠的,透明数据传输,，使上层服务用户不必关系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；,与网络层的部分服务有重叠交叉，功能取舍取决于网络层功能的强弱；,只存在于端主机中；,实现源主机到目的主机“端到端”的连接；,3.4,原理体系结构各层概述,76,北京科技大学通信工程系,传输层（,transport layer,）,功能：,地址映射：,源端进程地址映射到网络地址，或反之；,多路复用与分割：,多个传输连接共用一条网络连接；,一条传输连接使用多个网络连接；,进行数据分段并在目的端重新组装；,传输连接的建立与释放；,提供“面向连接” 和“无连接” 两种服务：,TCP/IP,协议：,TCP,和,UDP,传输差错校验与恢复；,流量控制，防止数据传输过载。,3.4,原理体系结构各层概述,传输层,网络层,传输层,网络层,77,北京科技大学通信工程系,3.4,原理体系结构各层概述,传输层两种服务的比较,Connection Oriented,Connectionless,参考模式,电话系统,邮政系统,特点,静态分配资源；传输前需要建立连接,动态分配资源,可靠性,提供可靠的传输服务：无错、按序、无丢失,/,无重复,不能防止报文的损坏、失序、丢失和重复,对目的地址,的要求,仅在连接阶段需要完整的,目的地址,需要为每一个报文提供完,整的目的地址,适用场合,在一段时间内向同一目的地,发送大量报文,;,实时性要求,少量零星报文,分类及示例,1.,可靠消息流,文件传输,2.,可靠字节流,远程登录,3.,不可靠连接,数字化声音,1.,数据报,广播,/,组播,2.,可靠的数据报,挂号邮件,3.,请求应答,数据库查询,78,北京科技大学通信工程系,传输层与网络层的关系,网络层则提供网络中,主机间,的“逻辑通信” ；而传输层提供,主机中的进程间,的“逻辑通信” 。,二者之间的差别：微妙而又重要,类比,主机：单位的传达室,进程：单位中的职工,应用层报文：信件,网络层协议,=,邮局的投递服务，只负责递送到传达室,传输层协议,=,传达室的收发服务，负责递送到每个职工,3.4,原理体系结构各层概述,79,北京科技大学通信工程系,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,3.4,原理体系结构各层概述,80,北京科技大学通信工程系,应用层（,application layer,）,任务：为用户的应用进程提供网络通信服务。,功能：,提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求；,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,、,POP3,、,FTP,、,DNS,、,HTTP,、,3.4,原理体系结构各层概述,81,北京科技大学通信工程系,3.4,原理体系结构各层概述,各种使用网络通信的应用都属于应用层,新的网络应用还在不断出现,文件传输,电子邮件,WWW,网络电话,网上聊天,网上购物,网上银行,办公自动化,虚拟终端,VOD,82,北京科技大学通信工程系,3.4,原理体系结构各层概述,数据的发送,报文封装,数据,数据,数据,网络层报头,数据,数据链路层报头,0101110101001000010,源端口、目的端口,源,IP,、目的,IP,、协议号,源,MAC,、目的,MAC,、帧类型,二进制流,“,0,、,1,”,传输层报头,协议数据单元（,PDU,）,数据段,Segment,数据包,Packet,数据帧,Frame,比特,Bit,传输层,数据链路层,物理层,网络层,应用层,83,北京科技大学通信工程系,3.4,原理体系结构各层概述,不同网络的互通,10101000011101,10100110100101,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机,1,AP,2,AP,1,计算机,2,H,5,H,4,H,5,H,4,H,3,H,5,3,2,1,H,2,H,4,H,3,H,5,H,5,H,4,H,5,H,4,H,3,H,5,H,2,H,4,H,3,H,5,路由器,84,北京科技大学通信工程系,TCP/IP,不是一个单个的协议，而是由数十个具有层次结构的协议组成的一个协议集。,TCP,和,IP,是该协议集中的两个最重要的核心协议。,TCP/IP,是,Internet,上的标准通信协议集。,TCP/IP,以“请求注释”（,RFC,）,文档发布：,TCP,RFC 768,UDP,RFC793,IP,RFC 791,DNS,RFC 1034, 1035,FTP,RFC 959, 1635,3.5 TCP/IP,体系结构,85,北京科技大学通信工程系,3.5 TCP/IP,体系结构,TCP/IP,的体系结构层次,应用层,传输层,网际,(,络,),层,数据链路层,物理层,IP,ICMP,IGMP,RARP,ARP,UDP,TCP,各种应用程序层,HTTP,FTP,DNS,SMTP,NFS,TFTP,由底层网络定义的协议,Ethernet,Token-Ring,FDDI,X.25,Wirless,ATM,网络接口层,Message,（报文）,Segment,（数据段）,Packet,（分组）,Frame,（,帧）,Bit,（,比特）,PDU,86,北京科技大学通信工程系,TCP/IP,的应用层,应用层协议为文件传输、电子邮件、远程登录、网络管理、,Web,浏览等应用提供了支持。,有些协议的名称与以其为基础的应用程序同名。,应用层,传输层,网络接口层,网际层,文件传输,FTP,、,TFTP,、,NFS,电子邮件,SMTP,、,POP3,WWW,应用,HTTP,远程登录,Telnet,、,rlogin,网络管理,SNMP,名字管理,DNS,3.5 TCP/IP,体系结构,87,北京科技大学通信工程系,TCP/IP,的传输层,传输层的主要功能：,提供进程间可靠的传输服务,。,传输层包括,TCP,和,UDP,两种传输协议：,TCP,是,面向连接的,传输协议。,在数据传输之前建立连接；,把报文分解为多个段进行传输，在目的站再重新装配这些段；,必要时重新传输没有收到或错误的段，因此它是,“可靠”的,。,UDP,是,无连接的,传输协议。,在数据传输之前不建立连接；,对发送的段不进行校验和确认，因此它是,“不可靠”的,；,主要用于请求,/,应答式的应用和语音、视频应用。,应用层,传输层,网络接口,网际层,面向连接的,TCP,无连接的,UDP,使用,UDP,时，可靠性问题由应用层协议解决。,使用,TCP,时，可靠性问题在传输层已经解决。,3.5 TCP/IP,体系结构,88,北京科技大学通信工程系,3.5 TCP/IP,体系结构,TCP/IP,的传输层：端口号,TCP,和,UDP,都用端口,(port),号来识别应用层实体，以便准确地把信息提交给上层对应的协议（进程）。,H,T,T,P,F,T,P,S,M,T,P,T,F,T,P,D,N,S,T,e,l,n,e,t,S,N,M,P,21,23,25,53,69,161,TCP UDP,应用层,传输层,port,80,89,北京科技大学通信工程系,3.5 TCP/IP,体系结构,TCP/IP,的传输层：端口号的分类范围,Well-known,端口：,0-1023,注册端口：,1024-49151,动态或私有端口：,49152-65535,90,北京科技大学通信工程系,TCP/IP,的网际（网络）层,主要功能是把数据报通过最佳路径送到目的端。,寻址（,IP,地址）、路由选择、封包,/,拆包,网际层的核心协议,IP,，,提供,了,无连接,的数据报传输服务（不保证送达，不保序，不保证无错）。,传输前不需建立连接,提高了传输效率,网际层是网络转发节点（如路由器）上的最高层。,网络节点设备不需要传输层和应用层,3.5 TCP/IP,体系结构,91,北京科技大学通信工程系,3.5 TCP/IP,体系结构,网际层的四个主要协议,应用层,传输层,网络接口,网际层,IP,ICMP,ARP,RARP,TCP,UDP,6,17,IP,传输层,网际层,IP,分组中的协议域确定目的端的上层协议,92,北京科技大学通信工程系,网际层的其它重要协议：,ICMP,（,Internet Control Message Protocol,）,传递控制消息,可达性测试,传送路由状态信息,超时通知,不可达通知,封装在,IP,中进行传输,ARP,（,Address Resolution Protocol,）,为已知的,IP,地址确定相应的,MAC,地址,RARP,（,Reverse Address Resolution Protocol,）,为已知的,MAC,地址确定相应的,IP,地址,IGMP,（,Internet Group Management Protocol,）,多播组管理,3.5 TCP/IP,体系结构,93,北京科技大学通信工程系,TCP/IP,的网络接口层,没有定义任何实际协议，仅定义了网络接口,任何已有的数据链路层协议和物理层协议都可以用来支持,TCP/IP,典型的例子：,Ethernet,、,Token Ring,、,HDHL,、,X.25,、,ATM,优点：适应性强、灵活,缺点：不能利用已存在的某些有用的功能,TCP/IP,总是认为其下层是不可靠的（尽管可能已经足够可靠）,3.5 TCP/IP,体系结构,94,北京科技大学通信工程系,沙漏计时器形状的,TCP/IP,协议族,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,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,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,95,北京科技大学通信工程系,本章小结,网络体系结构：,分层协议接口与服务,网络体系结构的层次模型：,为何要分层？优点是什么？,网络体系结构的一些基本概念,实体、协议、协议数据单元、封装、服务以及它们之间的关系,对等层通信的实质：,信息是如何在端到端之间传输的？,协议的三要素：,语义、语法、时序,网络体系结构主要层次的功能：,应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层,96,北京科技大学通信工程系,作业,P86,1,，,2,，,6,，,8,，,14,，,15,谢谢！,97,北京科技大学通信工程系,