最新-第三章计算机网络的协议与体系结构-PPT精品课件

1、第三章计算机网络的协议与体系结构 本章要点l 掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念l 掌握：ISO的OSI七层参考模型l 掌握：TCP/IP参考模型l 了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较l 了解：网络协议标准化组织本章难点协议、层次、接口 3.1 网络体系结构的基本概念 3.1.1 网络协议的概念 网络协议：为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。 网络协议的三要素 ：语义：语义是用于解释比特流的每一部分的意义 。语法：语法定义了通信双方的用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义。时序：时序是对事件实现顺序的详细说明，即何时进行通信，先讲什

2、么，后讲什么，讲话的速度等。 3.1.2 协议、层次、接口与体系结构的概念 随着计算机网络技术的不断发展，计算机网络的规模越来越大，各种应用不断增加，网络也因此变得越来越复杂。面对日益复杂化的网络系统，必须采用工程设计中常用的结构化的方法，将一个复杂的问题分解成若干个容易处理的子问题，尔后“分而治之”逐个加以解决，分层就是系统分解的最好方法之一。 实际邮政系统信件发送、接收过程示意图 1、层次化体系结构中的几个基本概念协议（Protocol）是一种通信规约。层次：将总体要实现的很多功能分配在不同的层次中；每个层次要完成的服务及服务实现的过程都有明确规定；不同地区的系统分成相同的层次； 接口（i

3、nterface）：就是同一结点内，相邻层之间交换信息的连接点。 2、网络体系结构 将网络层次性结构模型与各层次协议的集合定义为计算机网络体系结构（Network Architecture）。体系结构是抽象的，而实现是具体的，它是指能够运行的一些硬件和软件。 3、网络体系结构的研究意义 各层之间相互独立灵活性好 ，例如由于技术的进步促进实现技术的变化，只要接口保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。 由于各层独立。因此每层都可以选择最为合适的实现技术，各层实现技术的改变不影响其他层。 易于实现和维护。由于整个系统被分割为多个容易实现和维护的小部分，使得整个庞大而复杂的系统变得容易实现、管理

4、和维护。 有益于标准化的实现，由于每一层都有明确的定义，即每层实现的功能和所提供的服务都很明确，因此十分利于标准化的实施。 。 3.2 开放系统互连参考模型（OSI/RM） 3.2.1 OSI参考模型的基本概念 1、OSI参考模型的提出 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：国际电报与电话咨询委员会（CCITT，Consultative Committee on International Telegraph and Telephone）与国际标准化组织（ISO，International Standards Organization）。 ISO发布了著名的ISO/IEC7498

5、标准，它定义了网络互连的七层框架，也就是开放系统互连参考模型（OSI/RM，Open System Interconnection Reference Model）。 2、OSI参考模型的概念 OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信。 在OSI/RM互连参考模型中采用的是三级抽象： 体系结构（Architecture）：定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务。 服务定义（Service Definition）：详细地说明了各层所提供的服务。 协议规格说明（Protocol Specifi

6、cation）：精确地定义了应当发送什么样的控制信息，以及应当用什么样的过程来解释这个控制信息。 OSI参考模型的结构示意图 3、OSI的有关术语 （1）数据单元 （n）服务数据单元（n）SDU）：（n）SDU（Service Data Unit）指的是第n层待传送和处理的数据单元。 。（n）协议数据单元（n）PDU）。（n）PDU （Protocol Data Unit）指的是在对（同）等层传送的数据单元，它通常是将SDU分成若干段，每一段加上报头，作为一单独协议数据单元PDU在水平方向上传送。 （n）接口数据单元（n）IDU）。（n）PDU （Protocol Data Unit）指的是在

7、对（同）等层传送的数据单元，它通常是将SDU分成若干段，每一段加上报头，作为一单独协议数据单元PDU在水平方向上传送。 （2）服务访问点 ：相邻层间的服务是通过其接口界面上的服务访问点SAP（Service Access point）进行的,n层的SAP就是n+1层可以访问n层的地方，每个SAP都有一个唯一的地址。 （3）服务原语：表3-1 OSI的4类服务原语 原语 意义 request 用户实体请求服务做某种工作 indication 用户实体被告知某事件发生 response 用户实体表示对某事件的响应 confirm 用户实体收到关于它的请求的答复 相邻层及其接口 4、面向连接和无连接

8、的服务 下层能够向上层提供的服务有两种：面包连接的服务和无连接的服务。 面包连接的服务：以打电话为例，经历建立连接、通信、拆除连接的三个阶段。 无连接的服务：没有建立和拆除链路的过程，一般也没有确认 。3.2.2 OSI参考模型的结构 OSI是分层体系结构的一个实例，每一层是一个模块，用于执行某种主要功能，并具有自己的一套通信指令格式（称为协议）。用于相同层的两个功能之间通信的协议称为对等协议。 划分层次的主要原则是：网中各结点都具有相同的层次。不同结点的同等层具有相同的功能。同一结点内相邻层之间通过接口通信。每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。不同结点的同等层通过协议来实现对等

9、层之间的通信。3.2.3 OSI环境中的数据传输过程 OSI环境数据流 3.3物理层 1、物理层功能 ：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，对传送的比特流来说，这个电路好像是看不见的，当然，物理层并不需要知道哪几个比特代表什么意思。2、物理层特性 （1）机械特性。机械特性规定了物理连接时接插件的规格尺寸、引脚数量和排列情况等。（2）电气特性。电气特性规定了在物理连接上传输二进制位流时线路上信号电压的高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。（3）功能特性。功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。（4

10、）规程特性。规程特性定义了利用信号线进行二进制位流传输的一组操作规程，即各信号线的工作规则和先后顺序。 3.4数据链路层 1、数剧链路层的主要功能 ：负责建立和管理节点间的链路。该层的主要功能是“通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路” 该层通常又被分为介质访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）两个子层。MAC子层的主要任务是解决共享型网络中多用户对信道竞争的问题，完成网络介质的访问控制；LLC子层的主要任务是建立和维护网络连接，执行差错校验、流量控制和链路控制。 2、数据链路层的主要协议标准 面向字符型的传输控制规程 ： 在面向字符型的传输控制规程中

11、，信息传输以字符为基本单位，通过控制字符来实现对链路层的监控与管理。 面向位的链路控制规程 ： 面向位的链路控制规程以ISO制定的HDLC（High Level Data Link Control）为代表，它得到了各国计算机网络工作者的公认，并作为国际标准。 HDLC帧格式 3种类型的帧： 信息帧（I帧），I帧是传输数据的帧 。监控帧S（帧）。S帧完成链路的监控功能，监视链路上的常规动作。无编号帧（U帧）。 无编号帧（U帧） 3、流量控制 个相邻结点之间传送数据，必须协调好发送端和接收端之间的数据流平衡问题，即要求发送端发送的信息量不能大于接收端的接收能力，否则就可能出现拥挤或堵塞现象。流量控

12、制规程就是控制在一个特定时间内允许发送方发出多少个数据帧。 在数据链路层中，常使用窗口流量控制方法，又称滑动窗口协议或窗口流量控制规程。4、差错控制 差错控制是十分重要的，因为物理层不管采用什么传输介质，总要受环境噪声的干扰或信号间的干扰，传输差错是不可避免的。差错控制的任务就是发现差错，并一般采用重发方式纠正错误。差错控制主要处理下列两种情况：接收方接收的帧的错误检测。现多采用CRC编码方式，如果接收方对接收到的数据帧除以生成多项式，除尽表示正确，不能除尽说明有错，则给发送方发回一否认帧（NAK），请求发送方重发此帧。所发送的帧丢失或确认帧丢失。此时，发送方在限定的时间内收不到应答，则认为超

13、时，重发刚才已发过的帧。3.5 Internet的数据链路层点对点协议PPP（point-to-point protocol）用户接入Internet的一般方法有两种。一种是用户使用拨号电话线接入Internet，另一种是使用专线接入 PC机拔号方式入网 PPP帧的格式 PPP协议的状态图 3.5 网络层 网络层（network layer）是OSI模型的第三层，它是OSI参考模型中最复杂的一层，也是通信子网的最高一层 ,向资源子网提供两种类型服务：数据报和虚电路服务。 网络层主要功能（1）为传输层提供建立、维持和释放网络连接的手段，完成路径选择、拥挤控制、网络互连等功能。这些对传输层来说是完

14、全透明的。（2）根据传输层的要求来选择网络服务质量。（3）向传输层报告未恢复的差错。 2.虚电路服务和数据报服务网络层向传输层提供虚电路服务和数据报服务 (1)虚电路（Virtual Circuit）服务 虚电路服务在传送数据时，发送方提供自己和接收端的全称网络地址，建立虚电路，然后按序传送报文分组。它不会发生报文丢失或重叠的情况。通信完成后拆除虚电路。 两种建立虚电路的方法 呼叫虚电路。 呼叫虚电路即通过虚呼叫来建立虚电路。两站间整个通信过程包括三个阶段：虚呼叫、报文传送和拆除虚电路。 永久虚电路 两站间不管是否通信都永远存在一条虚电路。此种虚电路省去了虚呼叫和虚拆除的过程。 (2)数据报（

15、Datagram）服务 数据报有如下特点： 数据报在网络和用户间的传送协议，格式简单，实现机构也简单。 数据报传送勿需事先建立逻辑连接。 数据报根据它所含的目标地址能以最小延迟到达终点，它们独立选择路径，网络对它们单独处理，与前后数据报均无关系。 各数据报从源点发出的顺序与其到达目标点的顺序无关。虚电路和数据报的比较 服务类别 问题虚电路数据报端-端连接要不要目标站地址仅连接时需要每个分组都需要分组顺序按序不保证端-端差错处理和流量控制由通信子网负责由主机负责3.网络地址 逻辑网络地址用于指明源和目的地网络(IP地址)。物理设备地址用于标识源或目的地计算机（网卡地址）。服务地址标识运行于源或目

16、的地计算机上的特定应用进程（端口号） 4.路径选择 广域网 的路径选择： 广域网多为网状拓扑结钩，从源结点通往目的结点的中间过程往往存在多条冗余路径，这就存在选择最佳路径问题。广域网内部有数据报服务和虚电路服务，都存在选路的问题。 局域网不存在“选路的问题”。路径选择的关键是确定算法。路径选择的要求 路径选择算法应具有正确性、简便性、健壮性、稳定性、公平性等要求。 5.流量控制和拥塞控制 流量控制着重解决的是一条信道上的信息流畅问题；拥塞控制则主要解决子网中的信息总量问题。 3.7传输层 向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输 数据链路层负责点到点之间的数据通信，对数据链路

17、层来说，点与点之间的信道是一条物理链路 端-端通信 对传输层来说，端与端之间的信道是一通信子网。 由于传输层负责的是通过通信子网的两主机之间的端-端通信，故报文在子网中通过时，可能会丢失、重组、阻塞或产生较大存储延时，故传输层协议比数据链路层要复杂得多。 1.传输层主要功能提供建立、维护拆除传输层的连接。提供端到端的错误恢复和流控制。向会话层提供独立于网络层的传送服务和可靠的透明数据传送。 2.传输层协议的分类 网络服务质量类型 (3种）网络层或通信子网提供给传输层的服务质量并不总是相同的，它分为3种类型： A型：网络连接具有可接受的差错率和可接受的故障通知率。B型：网络连接具有可接受的差错和

18、不可接受的故障通知率。C型：网络连接具有不可接受的差错率和不可接受的故障通知率。 2.传输层协议分类 根据网络层提供服务质量类型的不同，OSI模型将传输层协议分为5类： 传输层5类 协议：0类最简单，它为每个提出请求的传送连接建立一个网络连接并假定网络连接不出错。传送协议不再进行排序和监控，它只提供建立和释放连接机制，面向A型网络服务。1类较简单，与0类相比，增加了基本差错恢复功能，如网络断开连接或连接失败等情况，面向B型网络服务。2类和0类相似，没有差错恢复功能，但增加了对网络的多路复用和相应的流控功能，面向A型网络服务。3类具有1类和2类特性，既有基本差错恢复功能，又有多路复用功能。面向B

19、型网络服务。4类协议最复杂，能检测由于网络的不可靠服务所引起的差错，包括协议数据单元TPDU的丢失、错序、重复和出错等，同时具有多路复用功能。它面向C型网络服务。3.分段与合并 当网络层的数据字段小于传输层协议数据单元长度时，就需对传输层协议数据单元TPDU分段。利用几个网络服务数据单元传送，在接收端再将各段组装为原来的TPDU。当网络层协议数据单元NPDU大于传输层协议数据单元TPDU时，传输层可将TPDU拼接成NPDU的大小进行传送，在接收端再将其分割成原来的各TPDU。 4.多路复用 当传输层用户进程所产生的信息流较少时，可将多个传输连接映射到一个网络连接上，以充分利用网络连接的传输效率

20、，称向上多路复用。 5、流量控制 在传输层，流量控制一般采用动态窗口管理和动态缓冲分配的策略。 6.差错控制 重要的是保证段序号唯一，并采用超时重发机制，将那些在网络中滞留时间过长的报文段丢掉。3.8其他各层的简介 3.8.1会话层 向两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法 ,将不同实体之间的表示层的连接称为会话。 3.8.2表示层 处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换和加密解密 3.8.3应用层 应用层（application layer）是OSI参考模型的最高层，它是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口，其功能是“直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作”。

21、 3.8.4七层模型的小结 OSI是一个理想的模型，因此一般网络系统只涉及其中的几层，很少有系统能够具有所有的7层，并完全遵循它的规定。 下4层主要完成通信子网的功能，上3层主要完成资源子网的功能。第4层作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分； 3.8.5建立OSI参考模型的目的和作用 OSI的分层逻辑体系结构使得人们可以深刻地理解各层协议所应解决的问题，并明确各个协议在网络体系结构中所占据的位置。（2）OSI参考模型的每一层在功能上与其他层有着明显的区别，从而使得网络系统可以按功能划分。这样，网络或通信产品就不必面面俱到。例如，当某个产品只需完成某一方面的功能时，它可以只考虑

22、并遵循所涉及层的标准。 （3）OSI参考模型有助于分析和了解每一种比较复杂的协议。 3.9 TCP/IP体系结构 3.9.1 TCP/IP参考模型的发展 TCP/IP协议的起源 TCP/IP协议的特点 （1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。（2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网中。（3）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。（4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。3.9.2 TCP/IP参考模型 TCP/IP参考模型可以分为以下四个层次：应用层（Application Layer）传

23、输层（Transport Layer）互连层（Internet Layer）主机-网络层（Host-to-Network Layer） 3.9.3主机-网络层 主机-网络层是参考模型的最低层，也被称为网络接口层,它负责通过网络发送和接收IP数据报 . 3.9.4互连层 互连层的主要功能：处理来自传输层的分组发送请求。在收到分组发送请求之后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出端。处理接收的数据报。在接收到其他主机发送的数据报之后，检查目的地址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；如目的地址为本结点IP地址，则除去报头，将分组交送传输层处理。处理互连的

24、路径、流量控制与拥塞问题。 互连层4个核心协议。 IP（Internet Protocol，网际协议）协议 ICMP（Internet control message protocol，网际控制报文协议）协议 ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）协议 RARP（Reverse Address Resolution Protocol，逆向地址解析协议）协议 互连层传输的IP分组格式 字段的意义 版本号： IP分组头首部长度 服务类型 总长度 标识符 标志段 段偏移 生存时间 协议分组头校验和 标志段的含义 数据报分片 IP数据报首部中与分片有关的字段中的

25、值 协议与号码对应关系 3.9.5传输层1、传输层的功能:传输层的主要目的是：在互联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。传输层的两个协议在TCP/IP参考模型的传输层，定义了以下两种协议：传输控制协议（TCP，Transport Control Protocol）用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）TCP协议是一种可靠的面向连接的协议 UDP协议是一种不可靠的无连接协议 UDP方式与TCP相比，更加简单，数据传输速率也较高。当通信网可靠性较高时，UDP方式具有更高的优越性。 2.TCP报文段格式 TCP报文段格式 源端口源端口（Source

26、 Port）字段和目的端口字段序列号（Sequence Number）字段 确认号字段 数据偏移字段紧急指针段 急迫推动标志 重置连接RST 同步序列号标志SYN 终止标志FIN 检验和字段 3、用户数据报协议UDP用户数据报协议UDP有两个字段，首部字段和数据字段。首部字段很简单，只有8个字节，由4个字段组成，每个字段都是两个字节。各字段意义如下：源端口字段 源端口号；目的端口字段 目的端口号；长度字段 UDP数据报的长度；检验和字段 防止UDP数据报在传输中出错；用户数据报协议UDP格式4、TCP协议和UDP协议的端口号 进程通信的首要问题是解决进程标识方法，TCP/IP协议族中用端口号来标识进程。TCP协议和UDP协议端口号长度都是16位，端口号的取值范围是065535之间的整数。 UDP端口号分为熟知端口号、注册端口号和临时端口号3类。熟知端口号值的范围是01023，它被统一分配和注