网络协议分析

1、第一章第一章绪论绪论2 计算机网络自计算机网络自20世纪世纪60年代年代开始发展。各种定义。开始发展。各种定义。简单定义简单定义 一些互相连接的、自治的计算机的集合。一些互相连接的、自治的计算机的集合。文献定义文献定义 计算机网络是计算机网络是用通信设备和线路用通信设备和线路将分散在不同地点的有独立功能的将分散在不同地点的有独立功能的多个多个计算机系统计算机系统互相连接起来，并按照互相连接起来，并按照网络协议网络协议进行数据通信，实现资源共享的进行数据通信，实现资源共享的计算机集合。计算机集合。 多个计算机：多个计算机：为用户提供服务；为用户提供服务； 一个通信子网：一个通信子网：通信设备和线

2、路；通信设备和线路； 一系列协议：一系列协议：保证数据通信。保证数据通信。网络类型网络类型 很多，如局域网很多，如局域网、城域网、广域网、城域网、广域网等。等。 典型：因特网。典型：因特网。2.计算机网络的分类 按照网络传输技术分类： 广播网 点对点网 按照网络规模分类： 局域网 城域网 广域网注：网络规模通常以网上相距最远的两台计算机之间的距离来衡量。4根据网络拓扑结构分 网中结点相互连接的方式。网中结点相互连接的方式。主要分为主要分为星形、环形、总线、树形、分布式星形、环形、总线、树形、分布式等。等。5总线型/树型 总线：总线：所有结点都连接到所有结点都连接到一条公共传输线一条公共传输线（

3、称为总线）（称为总线）上，并通过该总线传输信息。上，并通过该总线传输信息。 结构简单、连网方便、易于扩充、成本低，实时性较结构简单、连网方便、易于扩充、成本低，实时性较差。差。 树型：树型：由由总线型结构扩展总线型结构扩展而成，结点按照层次进行连接，而成，结点按照层次进行连接，形成一个树状结构。形成一个树状结构。6星型 所有设备都连接到所有设备都连接到一个中央处理设备一个中央处理设备。如集线器或交换机如集线器或交换机 。 结构简单，可靠性差。结构简单，可靠性差。 7 结点通过通信线路结点通过通信线路连接成一个闭合的环连接成一个闭合的环，信息单向传，信息单向传输，即按一定方向一个结点接一个结点沿

4、环路传输。输，即按一定方向一个结点接一个结点沿环路传输。 结构简单、路径选择方便，可靠性差、网络管理复杂。结构简单、路径选择方便，可靠性差、网络管理复杂。环接口环接口环型环型 8 每个结点都每个结点都至少有两条线路至少有两条线路和其他结点相连。可靠性和其他结点相连。可靠性高，网络控制和软件比较复杂。高，网络控制和软件比较复杂。分布式分布式/网状网状9数据交换数据交换 电路交换电路交换 (circuit switching) 预留端到端资源：预留端到端资源：端系统之间通信路径上所需要的端系统之间通信路径上所需要的资源资源 (缓存，链路带宽缓存，链路带宽)。建立连接。建立连接。 发送方发送方以恒定

5、速率以恒定速率向接收方向接收方传送数据传送数据。 如，电话网络。如，电话网络。 分组交换分组交换(packet switching) 不需要资源预留不需要资源预留 按需使用资源，可能要排队等待：按需使用资源，可能要排队等待：同时有其它分组同时有其它分组发送。发送。 如，因特网。如，因特网。10电路交换 通信双方必须先建立一个通信双方必须先建立一个专用的连接（电路）专用的连接（电路），一直维一直维持，直到通信结束。持，直到通信结束。如，电话网络。如，电话网络。 通话过程：通话过程：拨号拨号 接通接通 通信通信 挂机挂机交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA11例，电路交换网络

6、每个链路可有每个链路可有n条电路条电路，能，能够支持够支持n条同步连接。条同步连接。 通信过程：通信过程：在两台主机在两台主机A、B之间创建之间创建一条一条专用的端到端连接专用的端到端连接，分别占用每条链路中的一分别占用每条链路中的一条电路；条电路；该连接获得链路带宽的该连接获得链路带宽的1/n，进行通信。进行通信。12分组交换(packet switching)技术 发送端将要发送的数据分成若干较小的发送端将要发送的数据分成若干较小的块，添加首部形块，添加首部形成分组（包成分组（包packet） ，分别发送到目的端，再组装恢复原，分别发送到目的端，再组装恢复原数据。数据。路径（路径（rout

7、e或或path）：）：一个分组从发送端系统传输到接收一个分组从发送端系统传输到接收端系统，所经过的一系列通信链路和分组交换机。端系统，所经过的一系列通信链路和分组交换机。 端系统之间通信的端系统之间通信的路径不专用。路径不专用。 多个通信端系统多个通信端系统同时共享一条路径或一部分同时共享一条路径或一部分。第一个分组交换网络：第一个分组交换网络： ARPA网，产生于网，产生于20 世纪世纪70年代，是因特网的年代，是因特网的“最早最早祖先祖先” 。13工作原理 报文报文(message)：应用程序要传输的信息。包含需要的任何应用程序要传输的信息。包含需要的任何内容。如，控制功能或数据。内容。如

8、，控制功能或数据。 工作过程工作过程源端将报文划分为较小的源端将报文划分为较小的数据块数据块（分组（分组packet）；每个分组通过一系列链路和分组交换机传送，直到目的端每个分组通过一系列链路和分组交换机传送，直到目的端目的端恢复原报文。目的端恢复原报文。 分组以链路的最大传输速率传输分组以链路的最大传输速率传输。 传输过程中采用传输过程中采用存储转发传输存储转发传输机制。机制。 14存储转发存储转发传输传输 分组交换机先将输入端的整个分组接收下来（分组交换机先将输入端的整个分组接收下来（存存储储），再从输出链路转发传输出去（），再从输出链路转发传输出去（转发转发）。）。AB存储存储 转发转发

9、 分组分组15例，一个简单的分组交换网络ABC10 Mbps以太网1.5 MbpsDE等待输出链路的分组队列两对主机通信两对主机通信：AE 、BE。所有分组长度相同。所有分组长度相同。统计复用：按需分配资源。统计复用：按需分配资源。如如A 和和 B 分组没有固定的顺序。分组没有固定的顺序。16几种交换技术对比几种交换技术对比电路交换：电路交换：整个报文的比特流整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。送。报文交换：报文交换：整个报文整个报文先传送到相邻结点，先传送到相邻结点，全部存储全部存储下来后，再下来后，再转发转发到下一个到下一个结

10、点。结点。分组交换：分组交换：单个分组单个分组（只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，（只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储存储下来下来后，再后，再转发转发到下一个结点。到下一个结点。性能指标 带宽 时延 往返时间 吞吐量 时延带宽积计算机网络体系结构 计算机网络的分层设计方法 将网络按照功能划分成一系列层次，每一层都为上层提供某些特定的服务，并向上层屏蔽实现这些服务的细节； 分层设计的好处： 简化网络系统的设计与实现 易于系统维护和升级19体系结构 网络的网络的分层结构及其各层协议分层结构及其各层协议的集合，是对的集合，是对网络及网络及其组成部分功能其组成部分功能的精确定义。的精确定义

11、。 例例飞行航线系统飞行航线系统： 乘客乘坐某个航班所进行的一系列动作，如图乘客乘坐某个航班所进行的一系列动作，如图1-15。 20空中旅行的一系列动作票务（购买）票务（购买）行李（托运）行李（托运）登机口（登机）登机口（登机）跑道起飞跑道起飞飞机飞行飞机飞行票务（投诉）票务（投诉） 行李（认领）行李（认领）登机口（离机）登机口（离机）跑道着陆跑道着陆飞机飞行飞机飞行空中飞行空中飞行21分层结构 为了研究和设计方便，一般采用分层的方法，为了研究和设计方便，一般采用分层的方法，即按照功即按照功能划分为若干个层次。能划分为若干个层次。如图：如图：第第 N 层层第第 N-1 层层第第 2 层层第第

12、1 层层q 分层特点：分层特点： 每层功能独立；每层功能独立； 每两个相邻层之间有一每两个相邻层之间有一逻辑接口逻辑接口，可交换，可交换信息；信息； 上一层建立在下一层基础上，上一层可调上一层建立在下一层基础上，上一层可调用下一层的服务，下一层为上一层提供服务。用下一层的服务，下一层为上一层提供服务。高低服务访问点服务访问点SAPService Access Point22票务（购买）行李（托运）登机口（登机）起飞按路线飞行 离开机场到达机场中间空中交通控制中心airplane routingairplane routing票务（投诉）行李（认领）登机口（离机）着陆按路线飞行 票务行李门起飞/

13、着陆按路线飞行航线功能的分层m每层分别实现一种服务；每层分别实现一种服务；m每层自己执行一些动作，如登机口；每层自己执行一些动作，如登机口； m每层可以使用相邻下一层的服务：如起飞每层可以使用相邻下一层的服务：如起飞/ /着陆层着陆层 23分层结构主要优点 使复杂系统简化：使复杂系统简化： 将一个大而复杂系统划分为若干个明确、特定的部将一个大而复杂系统划分为若干个明确、特定的部分，分别讨论研究。分，分别讨论研究。 易于维护、系统的更新易于维护、系统的更新 某层功能变化，不会影响系统其余部分：某层功能变化，不会影响系统其余部分： 只要保持对其上层提供的服务，及其使用下层只要保持对其上层提供的服务

14、，及其使用下层的服务不变。的服务不变。 如，改变登机过程不影响系统的其他部分。如，改变登机过程不影响系统的其他部分。24什么什么是协议是协议控制网络中信息接收和发送的一组软件。控制网络中信息接收和发送的一组软件。为什么要有协议？为什么要有协议？协议作用？协议作用？25协议协议（protocol） 控制网络中信息接收和发送的一组软件控制网络中信息接收和发送的一组软件。每个端系。每个端系统、路由器和其他因特网部件都要运行。统、路由器和其他因特网部件都要运行。 因特网协议：因特网协议：TCP/IP协议协议。 TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议）传输控制协

15、议 IP （Internet Protocol）网际协议）网际协议 因特网标准因特网标准：由由IETF制定的制定的标准文档标准文档RFC。 RFC（Request For Comments ）：请求评论）：请求评论 IETF (Internet Engineering Task Force ) ： 因特网工程任因特网工程任务组。务组。 RFC有近有近5000个，不断更新完善。个，不断更新完善。26人类和网络工作对比人类和网络工作对比 人类协议人类协议 网络协议网络协议HiHi请问几点了?2:00TCP 连接请求 TCP 连接响应Get http:/ 数据报文数据报文 271、人类活动类比人类任

16、何时候都在执行协议。人类任何时候都在执行协议。例：问时间。例：问时间。正常情况正常情况：不正常情况：不正常情况： “不要烦我不要烦我”“我不会说英语我不会说英语”得不到任何回得不到任何回答答 “ “你好你好”协议过程：协议过程： 发送发送“特定特定”报文报文 根据收到的根据收到的“应答应答”报文或其报文或其他事件采取动作他事件采取动作协议的核心：协议的核心：报文的传输、接收及报文的传输、接收及所采取的动作。所采取的动作。 双方执行不同的协议，就不能互动，双方执行不同的协议，就不能互动，不能完成工作不能完成工作 282、网络协议类似人类协议：由某些设备的类似人类协议：由某些设备的硬件或软件执行硬

17、件或软件执行。因特网中的所有活动，都受协议制约。因特网中的所有活动，都受协议制约。例如，网卡中的例如，网卡中的协议、端系统中的拥塞控制协议等等。协议、端系统中的拥塞控制协议等等。因特网的运行离不开协议。因特网的运行离不开协议。 例，用户通过因特网访问某一个网页例，用户通过因特网访问某一个网页。 协议：协议：控制网络中信息的发送和接收。控制网络中信息的发送和接收。 定义了通信实体之间发送、接收报文的格式和传输顺序，以及定义了通信实体之间发送、接收报文的格式和传输顺序，以及收到报文所采取的动作。收到报文所采取的动作。 不同的协议完成不同的通信任务。不同的协议完成不同的通信任务。 29协议分层 协议

18、：协议：控制网络中信息的发送和接收。控制网络中信息的发送和接收。 定义了通信实体之间交换报文的格式和次序，以及定义了通信实体之间交换报文的格式和次序，以及在报文传输和在报文传输和/ /或接收或其他事件所采取的动作。或接收或其他事件所采取的动作。 协议分层：协议分层： 采用采用分层分层(layer)的方式的方式组织协议及实现协议的网络组织协议及实现协议的网络硬件和软件。硬件和软件。30协议分层说明每层都有相应的一系列协议，如每层都有相应的一系列协议，如TCP、HTTP；每层协议通过软件、硬件或两者结合实现。每层协议通过软件、硬件或两者结合实现。每层协议可分布在网络的不同组件中：如端系统、每层协议

19、可分布在网络的不同组件中：如端系统、分组交换机。分组交换机。 如应用层协议在端系统中用软件实现。如应用层协议在端系统中用软件实现。协议栈协议栈 (protocol stack)：各层所有协议的集合。：各层所有协议的集合。31协议分层服务模型服务模型上层调用下层的服务，下层为上上层调用下层的服务，下层为上层提供服务。层提供服务。 如图，低层（第如图，低层（第n层）向相层）向相邻高层（第邻高层（第n+1层）提供服务。层）提供服务。 通过第通过第n层本身执行某些动作，层本身执行某些动作，或再使用其相邻下层（第或再使用其相邻下层（第n-1层）层）的服务，来完成向其上层（第的服务，来完成向其上层（第n+

20、1层）提供的服务。层）提供的服务。例：例：第第n+1层层第第n层层通过使用第通过使用第n-1层的不可靠报文传输服务，层的不可靠报文传输服务，以及本层的检测和重传丢失报文的功能以及本层的检测和重传丢失报文的功能实现。实现。第第n-1层层第第n层提供报文的可靠传输层提供报文的可靠传输32分层缺点分层缺点 有些功能可能在不同层重复出现：有些功能可能在不同层重复出现： 如，基于链路和基于端到端传输的差错恢复；如，基于链路和基于端到端传输的差错恢复； 某层的功能可能需要仅存在其他某层的信息。某层的功能可能需要仅存在其他某层的信息。33分层后数据传递的过程 主机（端系统）间数据传送实际上并不是在对等层主机

21、（端系统）间数据传送实际上并不是在对等层间直接进行，而是间直接进行，而是通过相邻层间的传递合作完成通过相邻层间的传递合作完成。 34接收方：接收方：将收到的数据将收到的数据由低层向高层逐层传递，由低层向高层逐层传递，每经过每经过一层，一层，去掉该层的控制信息去掉该层的控制信息，直到最高层，恢复为用户，直到最高层，恢复为用户数据。数据。（逐层解封）（逐层解封）H2H3H4H5应用数据应用数据T2发送方：发送方：将用户数据由将用户数据由高层向低层逐层传递高层向低层逐层传递，每经过一层，每经过一层，加上该层的控制信息加上该层的控制信息，直到最低层（物理层），然后直接，直到最低层（物理层），然后直接通

22、过物理媒体传输到目的方。通过物理媒体传输到目的方。（逐层封装）（逐层封装）35第第5层层第第4层层第第3层层第第2层层第第1层层报文报文报文段报文段 数据报数据报帧帧比特比特因特网协议栈应用层应用层运输层运输层网络层网络层链路链路层层物理层物理层q协议层实现：协议层实现：以软件、硬件或以软件、硬件或两者结合的方式。两者结合的方式。应用层：应用层：在端系统中用软件来在端系统中用软件来实现，如实现，如HTTP等。等。运输层：运输层：同上。同上。网络层：网络层：硬件、软件混合。硬件、软件混合。物理层和数据链路层：物理层和数据链路层：负责处负责处理跨越特定链路的通信，通过理跨越特定链路的通信，通过与该链路相关的网络接口卡中与该链路相关的网络接口卡中实现实现(如以太网接口卡如以太网接口卡)。传输单位传输单位36各层功能 应用层：应用层：提供各种网络应用。提供各种网络应用。传输传输应用报文。应用报文。 FTP、 SMTP、 HTTP 运输层：运输层：在应用程序的客户机和服务器之间在应用程序的客户机和服务器之间提供提供传输应