第2章计算机网络体系结构与协议-2.ppt

1 第2章计算机网络体系结构与协议 2 OSI七层参考模型 计算机网络第3章计算机网络体系结构与协议 开放系统互联参考模型 OSI RM 3 1 物理层物理层的主要功能是实现通信结点之间的物理连接 在物理传输介质上传输非结构化的 0 和 1 二进制比特流 物理层并不是指物理传输介质 它是介于数据链路层和物理传输介质之间的一层 是OSI参考模型的最底层 起着数据链路层到物理传输介质之间的逻辑接口的作用 物理层向数据链路层提供的服务包括 物理连接服务指向数据链路层提供物理连接 数据链路层通过接口将数据传送给物理层 物理层就通过传输介质一位一位地送到对等的数据链路层实体 至于数据是如何传送的 数据链路层并不关心 物理服务数据单元服务是在物理介质上传输非结构化的比特流 所谓非结构化的比特流 指顺序地传输 0 1 信号 而不必考虑这些 0 1 信号表示什么意义 顺序化服务是指 0 1 信号一定要按照原顺序传送给对方 而不必考虑这些 0 1 信号表示什么意义 4 物理层协议的设计问题主要是建立 维护和释放物理链路所需的机械的 电气的 光学的 功能的和规程的特性 OSI参考模型中并未定义实际的物理层协议 具体的物理层协议如EIA组织制定的RS 232C协议 CCITT的X 21协议等 机械特性指网络接口形状等 在RS 232C中 规定采用的连接器接口有25根针 接口形状为D形接口 电气特性包括信号电压 持续时间等 目前计算机的二进制信号多数是用电信号表示的 当然在用到光纤传输的时候也有光信号和光电转换问题 RS 232C规定 对数据信号 以 12V或 8V表示 0 12V或 8V表示 1 对控制信号 0 表示 开 1 表示 断 数据速率0 20Kbps 比特每秒 功能特性描述物理设备的功能 如RS 232 C的第二根针是用于发送数据的 第三根针是用于接收数据的 第四根针表示请求发送 第五根针表示允许发送 规程特性指事件发生的合法顺序 例如 RS 232 C的一段规程为 第四根针置位 请求发送 第五根针置位 允许发送 数据通过第二根针发送 5 数据链路层功能 1 链路管理 数据链路的建立 维持和释放2 帧同步 收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧开始和结束的地方3 流量控制 发方发送数据的速率必须使收方来得及接收 4 差错控制 利用编码技术 保证极低的比特差错率 a 前向纠错 b 检错重传 5 将数据和控制信息分开 将混合在帧内一起的数据和控制信息分开 6 透明传输 不论所传输的数据是什么样的比特组合 都能在链路上传送 7 寻址 保证每一帧都发送到正确的目的地 6 数据链路层的简化模型 续 7 完全理想化的数据传输 8 两种情况的对比 传输均无差错 9 实用的停止等待协议 10 停止等待协议ARQ的优缺点 优点 比较简单 缺点 通信信道的利用率不高 也就是说 信道还远远没有被数据比特填满 为了克服这一缺点 就产生了另外两种协议 即连续ARQ和选择重传ARQ 11 连续ARQ协议 在发送完一个数据帧后 不是停下来等待确认帧 而是可以连续再发送若干个数据帧 如果这时收到了接收端发来的确认帧 那么还可以接着发送数据帧 由于减少了等待时间 整个通信的吞吐量就提高了 连续ARQ协议的工作原理 12 连续ARQ协议的工作原理 ACK1确认DATA0 ACK2确认DATA1 DATA2出错 丢弃 DATA3不按序 丢弃 重传ACK2 DATA4不按序 丢弃 重传ACK2 DATA5不按序 丢弃 重传ACK2 ACK3确认DATA2 ACK4确认DATA3 超时重传时间 A B tout 送交主机 送交主机 13 选择重传ARQ协议 可加大接收窗口 先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧 等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机 选择重传ARQ协议可避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧 但我们付出的代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间 对于选择重传ARQ协议 若用n比特进行编号 则接收窗口的最大值受下式的约束WR 2n 2 3 18 14 PPP协议的帧格式 PPP有一个2个字节的协议字段 当协议字段为0 x0021时 PPP帧的信息字段就是IP数据报 若为0 xC021 则信息字段是PPP链路控制数据 若为0 x8021 则表示这是网络控制数据 IP数据报 1 2 1 1 字节 1 2 不超过1500字节 PPP帧 先发送 7E FF 03 F A C FCS F 7E 协议 信息部分 首部 尾部 15 3 网络层 网络层 NetworkLayer 的核心任务就是控制通信子网的运行 具体说是进行路由选择 拥塞控制和网络互连 它可以为传输层提供面向连接的网络服务及无连接的网络服务 网络层控制子网运行的关键任务是选择路径 它管理的是网络信息包 信息包的路径选择又叫路由选择 有各种各样的路由选择算法 但总体上分为静态和动态两大类 静态路由就好像乘坐公交车辆 709路一定要走洪山广场 无论怎样堵车也不能改变行车路线 但如果你是在一辆出租车上 你可以选择任何一条认为好走的路线行使 网络层的动态路由算法就是这样的 信息包的路由选择根据当时的网络负载情况动态变化 16 3 网络层 网络层的第二个任务是拥塞控制 通过某种拥塞控制机制 尽量避免拥塞的发生 以及尽快缓解已经发生的拥塞情况 网络层的第三个任务网络互连问题 当数据包从一个网络传输到另一个网络 会面临诸如数据包大小 网络速度 甚至协议可能不同的 这些都是网络层需要解决的问题 网络层的第四个任务是要有统计 控制功能 如统计那些用户需要的网络流量比较多 访问那些站点比较频繁 或者禁止用户访问某些非法站点需要控制 记帐功能一般也在此层解决 17 4 传输层 传输层 TransportLayer 的任务是向用户提供可靠的 透明的端到端的数据传输 以及差错控制和流量控制机制 由于它的存在 网络硬件技术的任何变化对高层都是不可见的 也就是说会话层 表示层 应用层的设计不必考虑低层硬件细 因此传输层的作用十分重要 所谓端到端 EndtoEnd 是相对链接 Chained 而言的 OSI参考模型的四层到七层属于端到端的方式 而一到三层属于链接的方式 在传输层 通信双方的两机器之间 有一对应用程序或进程直接对话 它们并不关心低层的实现细节 低层的链接方式就不一样 它要负责处理通信链路中的任何相邻机器之间的通信 18 5 会话层 表示层和应用层 会话层的功能在不同的机器之间提供会话进程的通信 如建立 管理和拆除会话进程 与传输层的进程通信不同的是它还提供了许多增值服务 如 交互式对话管理 允许一路交互 两路交换和两路同时会话 类似于数据通信里的单工 半双工和全双工方式管理用户登录远程分时系统 在两机器之间传输文件 进行同步控制等 表示层的功能处理通信进程之间交换数据的表示方法 包括语法转换 数据格式的转换 加密与解密 压缩与解压缩等 19 应用层的功能负责管理应用程序之间的通信 应用层为用户提供最直接的服务 包括虚拟终端 文件传输 事务处理 网络管理等大量的网络协议 应用层是OSI参考模型的最高层 低层所有协议的最终目的都是为应用层提供可靠的传输手段 低层协议并没有直接满足用户的任何实际需求 我们日常使用的电子邮件程序 文件传输 WWW浏览器 多媒体传输等都属于应用层的范畴 5 会话层 表示层和应用层 20 OSI参考模型中的数据传输 21 数据在各层之间的传递过程 22 OSI参考模型中的数据传输 所谓数据单元是指各层传输数据的最小单位 图中最左边一列交换数据单元名称 是指各个层次对等实体之间交换的数据单元的名称 PDU 协议数据单元 就是对等实体之间通过协议传送的数据 APDU 应用层的协议数据单元 PPDU 表示层的用户数据单元 直到网络层的协议数据单元 除了NPDU外 通常我们叫它数据分组或数据包 Packet 数据链路层是数据帧 Frame 物理层是比特 23 发送进程需要发送某些数据到达目标系统的接收进程 数据首先要经过本系统的应用层 应用层在用户数据前面加上自己的标识信息 H7 叫做头信息 H7加上用户数据一起传送到表示层 作为表示层的数据部分 表示层并不知道哪些是原始用户数据 那些是H7 而是把它们当作一个整体对待 同样 表示层也在数据部分前面加上自己的头信息H6 传送到会话层 并作为会话层的数据部分 这个过程一直进行到数据链路层 数据链路层除了增加头信息H2以外 还要增加一个尾T2 然后整个作为数据部分传送到物理层 物理层不再增加信息 而是直接将二进制数据通过物理介质发送到目的结点的物理层 目的结点的物理层收到该数据后 逐层上传到接收进程 其中数据链路层负责去掉H2和T2 网络层负责去掉H3 一直到应用层去掉H7 把最原始用户数据传递给了接收进程 OSI参考模型中的数据传输 24 OSI参考模型中的数据传输 这个在发送结点自上而下逐层增加头 尾 信息 而在目的结点又自下而上逐层去掉头 尾 信息的过程叫做封装 encapsulation 封装是在网络中很常用的手段 协议数据单元 PDU 主要用于描述同一层次中的对等实体之间的虚连接 图中的横向带箭头虚线所示 纵向传输的数据用接口数据单元 IDU 表示 接口数据单元指相邻层次之间通过接口传递的数据 它分为两部分 即接口控制信息 ICI 和服务数据单元 SDU 其中接口控制信息只在接口局部有效 不会随数据一起传递下去 而服务数据单元 是真正提供服务的有效数据 它的内容基本上与协议数据单元 PDU 一致 25 我们不妨将控制信息 服务数据单元与C语言里面的局部变量和全程变量作一类比 接口数据单元的控制信息就好比局部变量 只在特定的某两层接口有效 如二 三层接口的控制信息与三 四层接口的控制信息完全不同 服务数据单元就好比全程变量 从应用层到物理层一直传递下去 而且每层都要加一些自己的内容进去 服务数据单元与协议数据单元的关系 服务数据单元是用于层与层接口的概念 而协议数据单元用于描述同一层次对等实体之间交换的数据 是一个逻辑上的概念 实际上 第n层的协议数据单元要作为n层与n 1层接口的服务数据单元传递给n 1层 26 27 分层软件的工作原理整套通信协议的实现称为栈 Stack 数据从发送方向下通过协议栈的每一层 又从接收方向上通过协议栈的每一层 每一层在把数据传送到低一层之前在数据前面附加一些控制信息 称为协议头部 接收方收到数据之后先分析相应头部的信息 然后卸掉头部提交上一层 28 对等实体之间的通信都是遵守同层协议进行的 只存在一层是物理通信 其余各层之间的通信都是虚拟通信 层间通信即相邻层实体之间进行的通信是遵循层间协议 接口 进行的 分层原理 在目标计算机上的第N层软件必须恰好接收由在发送计算机上的第N层软件所发送的数据 计算机网络第3章计算机网络体系结构与协议 29 TCP IP参考模型 众所周知 ARPANET是国际互联网的前身 它的主要目的是为了应付战时的需要 希望一旦受到部分破坏 其他部分仍然能够工作 当时已经实现了异种机互连 而且数据传输方式也多种多样 最初 它的网络连接方式只有租用线路一种 后来随着卫星等通信手段的加盟 最初的协议出现了问题 因此 一种灵活的 可靠的 能够对异种网络实现无缝连接的体系结构出现了 它就是TCP IP参考模型 TCP IP模型包含了一族网络协议 TCP和IP是其中最重要的两个协议 TCP IP参考模型中的各个协议在RFC文档中都有详细的定义 RFC的全称是InternetRequestForComments 主要是关于国际互联网协议标准以及建议草案等的介绍 它由两千多个较为独立的文档组成 目前数量还在不断增加 这些文档有些是建议 有些是对早期文档的补充 有些已经形成了标准 30 SMTP UDP TCP RARP ARP IP FDDI 以太网 X 25 AT TELNE FTP DNS 应用层 传输层 互连层 网络接口层 TCP IP参考模型 31 实际例子 TCP IP协议的封装 32 网络接口层网络接口层 Host to networkLayer 也有翻译成主机 网络层的 在TCP IP参考模型中并没有详细定义这一层的功能 只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上 并且能够传输网络数据分组 具体使用那种协议 在本层里并没有规定 实际上根据主机与网络拓扑结构的不同 局域网基本上采用了802系列的协议 如802 3以太网协议 802 5令牌环网协议 广域网较常采用的协议有帧中继 X 25等 33 互联层互连层 InternetLayer 的主要功能是负责在互连网上传输数据分组 互连层与OSI参考模型的网络层相对应 相当于OSI参考模型中网络层的无连接网络服务 互连层是TCP IP参考模型中最重要的一层 它是通信的枢纽 从底层来的数据包要由它来选择继续传给其他网络结点或是直接交给传输层对从传输层来的数据包 要负责按照数据分组的格式填充报头 选择发送路径 并交由相应的线路发送出去 在互连层 主要定义了互连协议 IP 以及数据分组的格式 它的主要功能是路由选择和拥塞控制 另外 本层还定义了地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP以及ICMP协议 34 传输层传输层 TransportLayer 的主要功能是负责端到端的对等实体之间进行通信 它与OSI参考模型的传输层功能类似 也对高层屏蔽了低层网络的实现细节 同时它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信 TCP IP参考模型的传输层完全是建立在包交换通信子网基础之上的 TCP IP的传输层定义了两个协议 传输控制协议 TransportControlProtocol 简称TCP 详细定义参见RFC793 用户数据报协议 UserDatagramProtocol 简称UDP 详细定义参见RFC768 TCP协议是可靠的 面向连接的协议 它用于包交换的计算机通信网络 互连系统以及类似的网络上 保证通信主机之间有可靠的字节流传输 UDP是一种不可靠的 无连接协议 它最大的优点是协议简单 额外开销小 效率较高 缺点是不保证正确传输 也不排除重复信息的发生 UDP不是面向连接的 需要可靠数据传输保证的应用应选用TCP协议 相反 对数据精确度要求不是太高 而对速度 效率要求很高的环境 如声音 视频的传输 应该选用UDP协议 35 应用层应用层 ApplicationLayer 是TCP IP协议族的最高层 它包含了所有OSI参考模型中会话层 表示层和应用层这些的高层的协议的功能 到目前为止 互连网络上将建的应用层协议有下面几种 电子邮件协议 SMTP 负责互联网中电子邮件的传递 超文本传输协议 HTTP 提供WWW服务 网络终端协议 TELNET 实现远程登录功能 我们常用的电子公告牌系统BBS使用的就是这个协议 文件传输协议 FTP 用于交互式文件传输 下载软件就是使用这个协议 网络新闻传输协议 NNTP 为用户提供新闻订阅功能 它是网上特殊的一种功能强大的新闻工具 每个用户既是读者又是作者 DNS 负责机器名字到IP地址的转换SNMP 负责网络管理RIP OSPF 负责路由信息的交换其中 网络用户经常直接接触的协议是SMTP HTTP TELNET FTP NNTP 另外 还有许多协议是最终用户不需直接了解但又必不可少的 如DNS SNMP RIP OSPF等 随着计算机网络技术的发展 还不断有新的协议加入 36 37 38 39 40 TCP IO与OSI体系结构的对比 41 如图所示 OSI参考模型与TCP IP参考模型都采用了层次结构 但OSI采用的七层模型 而TCP IP是四层结构 在前面我们讲到了 TCP IP参考模型的网络接口层实际上并没有真正的定义 只是一些概念性的描述 而OSI参考