计算机网络协议与体系结构

1、本节主要内容：本节主要内容：通信协议与网络体系结构基本概念通信协议与网络体系结构基本概念ISO/OSIISO/OSI参考模型及数据传输过程参考模型及数据传输过程TCP/IPTCP/IP参考模型参考模型一种建议的参考模型一种建议的参考模型各层协议及其功能各层协议及其功能第3 章 计算机网络协议与体系结构 3.1 通信协议与网络体系结构基本概念1) 网络协议 2) 网络协议的层次结构 3) 网络体系结构1 ) 网络协议的基本概念网络体系结构提出的背景网络的复杂性、异质性？网络组成不同的通信介质光纤、同轴电缆、双绞线、无线通信设备不同类型的设备主机、路由器、交换机、各种外设不同的操作系统Unix、W

2、indows不同的软/硬件、接口和通信约定不同种类业务分时、交互、实时实例：邮政系统信件收发示意图通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信者收信者运输部门的邮件运输业务书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门路由选择运输转送邮局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件通信者活动邮局服务业务邮局转送业务协议：文字、语言、书写规范；协议：文字、语言、书写规范；层次：复杂问题分解处理；层次：复杂问题分解处理；接口：邮箱、信箱、邮局规则。接口：邮箱、信箱、邮局规则。体系体系结构结构几个重要的概念协议（protocol）层次（layer）接口（interface）对等实体（Pe

3、er Entity）体系结构（architecture）协议（protocol） 协议：为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。协议具有三要素：语法、语义与时序；语法：规定用户数据与控制信息的结构与格式；语义：语义是指对构成的协议元素含义的解释，即需要发出何种控制信息，以及完成的动作与作出的响应。时序：对事件实现顺序的详细说明。简言之：语义表示要做什么，语法定义了怎么做，而时序则表示做的顺序。SOHSOHHEADHEADSTXSTXTEXTTEXTETXETXBCCBCC层次（layer）层次是人们对复杂问题处理的基本方法。层次是人们对复杂问题处理的基本方法。 网络系统是个非常复杂的系统，为减

4、少设计上的复杂性，亦网络系统是个非常复杂的系统，为减少设计上的复杂性，亦釆釆用分层的设用分层的设计思想，将相似的功能放在同一层，每层有相应的协议，相邻层通过接口计思想，将相似的功能放在同一层，每层有相应的协议，相邻层通过接口通信，下层向上层提供服务，上层是下层的用户。通信，下层向上层提供服务，上层是下层的用户。优点：优点：独立性强独立性强耦合程度低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上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务黑箱方法。黑箱方法。适应性强，灵活性好适应性强，灵活性好只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。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

5、护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：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。使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。有利促进标准有利促进标准接口（interface）接口是同一结点内相邻层之间交换信息的规则。接口是同一结点内相邻层之间交换信息的规则。同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务层向高层通过接口提供服务; ;只要接口

6、条件不变、各层功能不变，各层功能的具体只要接口条件不变、各层功能不变，各层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。对等实体在分层结构中，如果每一层次中包括两个实体，在分层结构中，如果每一层次中包括两个实体，称为对等实体（称为对等实体（Peer EntityPeer Entity）。）。网络体系结构（network architecture）一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集议集; ;网络协议是按层次结构来组织的；网络协议是按层次结构来组织的；网络层次结构模型与各层协议的集合称

7、为网络体系结网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构。构。网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；确的定义；体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。和软件。 网络的体系结构及协议网络的体系结构及协议 3.2 ISO/OSI参考模型（1974年发布） OSI OSI 参考模型的提出参考模型的提出 OSI OSI 参考模型各层的功能参考模型各层的功能 OSI OSI 环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程 OSI参考模型的提出 pOSI 参考模型的提出背景（IBM 7

8、4年SNA； DEC DNA；美国国防部的TCP/IP ）pOSI （Open System Interconnection ）-开放系统互连p开放系统互联参考模型（OSI/RM）中定义：一个系统只要能够遵循OSI标准，就可以与位于世界任何地方同样遵循这个标准的其他任何系统进行通信。这里提到的系统可以是计算机，也可以是这些计算机相关的软件以及其他外部设备等集合。p在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：p国际电报与电话咨询委员会（CCITT）-主要是考虑通信标准的制定；p国际标准化组织（ISO）-主要是考虑信息处理与网络体系结构。 OSI参考模型结构应用层表示层会话层传输层网络

9、层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层OSI参考模型各层功能应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层 为开放系统与用户应用程序的接口。 实现不同语法表示的数据格式转换、数据的加密解密、压缩与恢复等功能被传输数据的表示问题。 实现两个会话进程之间的数据传输同步，并管理数据交换。 提供端到端的可靠、透明的数据传输服务。 主要功能是分组、为分组选择最适当的路径。 建立数据链路链接、采用差错控制、流量控制为网络层提供无差错的数据帧传输服务。 提供物理连接，通过传输介质传送比特流。OSI模型的术语-协议数据单元（PDU）协议数据

10、单元（Protocol Data Unit，PDU）网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统称。PDU由协议控制信息（协议头）和数据组成: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、协议控制信息协议控制信息数据数据下层把上层的下层把上层的PDUPDU作为本层的数据加以封装，然后加入本层的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）形成本层的协议头部（和尾部）形成本层的PDUPDU。封装：就是在数据前面加上特定的协议头部。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因此，数据在源站自上而下递交

11、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。程。类比：发送信件类比：发送信件数据在传输时，其外面实际上要被包封多层数据在传输时，其外面实际上要被包封多层“信封信封”。数 据协议头数 据N+1层PDUN层PDU传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：应用层应用层PDU表示层表示层PDU会话层会话层PDU传输层段（Segment） 或报文网络层分组/包（Packet）数据链路层帧（Frame）物理层比特（Bit）数据数据 段头段头数据数据 段头段头数据数据包头包头帧头帧头 段头段头数据数据包头包头帧尾

12、帧尾数据数据段段数据包数据包帧帧比特比特电脉冲电脉冲0 00101111010110数据多层封装数据多层封装封装封装拆封拆封OSI环境中的数据传输过程应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层应用进程A应用进程BOSI环境中的数据流应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层应用进程A应用进程BHPDUDPDUHPDU HPDUHPDUHDH PDUHPDUHPDUHPDUPDUHPDUHHPDU0 110100101D：数据H：报头3.3 TCP/IP

13、参考模型特点：特点：开放性开放性-协议标准开放，免费使用；协议标准开放，免费使用；独立性独立性独立于特定硬件、独立于特定硬件、OSOS；统一的网络地址分配方案；统一的网络地址分配方案；可靠性可靠性-标准化的高层协议提供多种标准化的高层协议提供多种可靠的用户服务。可靠的用户服务。TCP/IP参考模型及功能 包含所有高层协议。 负责在应用进程之间建立端- 端通信。 负责将源主机的报文分组发送、接收数据报、路径选择、流量控制、拥塞控制 负责通过网络发送和接收IP数据报。 OSI OSI参考模型与参考模型与TCP/IPTCP/IP参考模型的比较参考模型的比较1 1、分层结构、分层结构 OSIOSI参考

14、模型与参考模型与TCP/IPTCP/IP协议都采用了分层结构，都是基协议都采用了分层结构，都是基于独立的协议栈的概念。于独立的协议栈的概念。OSIOSI参考模型有参考模型有7 7层，而层，而TCP/IPTCP/IP协议只有协议只有4 4层层 。2 2、标准的特色、标准的特色 OSIOSI参考模型的标准最早是由参考模型的标准最早是由ISOISO和和CCITCCIT制定，有深厚的制定，有深厚的通信系统的特色，比如对服务质量（通信系统的特色，比如对服务质量（QoSQoS）、差错率的）、差错率的保证，只考虑了面向连接的服务。并且是先定义一套功保证，只考虑了面向连接的服务。并且是先定义一套功能完整的构架

15、，再根据该构架来发展相应的协议与系统。能完整的构架，再根据该构架来发展相应的协议与系统。 TCP/IPTCP/IP协议产生于对协议产生于对InternetInternet网络的研究与实践中，是网络的研究与实践中，是应实际需求而产生的，再由应实际需求而产生的，再由IABIAB、IETFIETF等组织标准化，等组织标准化，而并不是之前定义一个严谨的框架。而且而并不是之前定义一个严谨的框架。而且TCP/IPTCP/IP最早是最早是在在UNIXUNIX系统中实现的，考虑了计算机网络的特点，比较系统中实现的，考虑了计算机网络的特点，比较适合计算机实现和使用。适合计算机实现和使用。 3 3、连接服务、连接

16、服务 功能基本相似，但是寻址方式有较大的区别。功能基本相似，但是寻址方式有较大的区别。OSIOSI的地址空的地址空间为不固定的可变长，最长可间为不固定的可变长，最长可160byte160byte，可以容纳非常大的，可以容纳非常大的网络，因而具有较大的成长空间。网络，因而具有较大的成长空间。 TCP/IP TCP/IP网络的地址空间网络的地址空间为固定的为固定的4byte4byte（在目前常用的（在目前常用的IPV4IPV4中是这样，在中是这样，在IPV6IPV6中将中将扩展到扩展到16byte16byte） 4 4、传输服务、传输服务 OSIOSI与与TCP/IPTCP/IP的传输层都对不同的

17、业务采取不同的传输策略的传输层都对不同的业务采取不同的传输策略 5 5、应用范围、应用范围 OSI OSI由于体系比较复杂，而且设计先于实现，有许多设计由于体系比较复杂，而且设计先于实现，有许多设计过于理想，不太方便计算机软件实现，因而完全实现过于理想，不太方便计算机软件实现，因而完全实现OSIOSI参参考模型的系统并不多，应用的范围有限。而考模型的系统并不多，应用的范围有限。而 TCP/IP TCP/IP协议最协议最早在计算机系统中实现，在早在计算机系统中实现，在UNIXUNIX、WindowsWindows平台中都有稳定平台中都有稳定的实现，并且提供了简单方便的编程接口（的实现，并且提供了

18、简单方便的编程接口（APIAPI），可以在），可以在其上开发出其上开发出 丰富的应用程序，因此得到了广泛的应用。丰富的应用程序，因此得到了广泛的应用。TCP/IPTCP/IP协议已成为目前网际互联事实上的国际标准和工业协议已成为目前网际互联事实上的国际标准和工业标准。标准。 3.4 3.4 一种建议的参考模型一种建议的参考模型应 用 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层 五层模型五层模型小结n网络体系结构：分层协议接口n网络体系结构的层次模型：为何要分层？优点是什么？n网络体系结构的一些基本概念n对等层通信的实质：信息是如何在端到端之间传输的？n网络体系结构主要层次的功能：应用层、传输层

19、、网络层、数据链路层、物理层nTCP/IP参考模型n 3.5 各层协议及其功能OSIOSI模型各层协议模型各层协议 应用层应用层TELNET FTP TFTP SMTP SNMP HTTP DHCP TELNET FTP TFTP SMTP SNMP HTTP DHCP 表示层表示层 文本：文本：ASCIIASCII，EBCDIC EBCDIC 图形：图形：TIFFTIFF，JPEGJPEG，GIFGIF，PICTPICT声音：声音：MIDIMIDI，MPEGMPEG，QUICKTIME QUICKTIME 会话层会话层 NFS SQL RPC X-WINDOWS ASPNFS SQL RPC X-WINDOWS ASP（APPTALKAPPTALK会会话协议）话协议） SCP SCP 传输层传输层 TCPTCP和和UDP UDP 网络层网络层 IP IPX IP IPX 数据链路层数据链路层 以太网以太网 IEEE802.3 IEEE802.3 令牌环令牌环 IEEE802.5 IEEE802.5 HDLC PPP HDLC PPP 物理