ch2-网络体系结构

第二章

计算机网络体系结构

主要内容计算机网络的定义和组成计算机网络的定义计算机网络的组成计算机网络体系结构协议和协议的分层结构计算机网络功能的分层计算机网络的体系结构典型计算机网络参考模型OSI参考模型TCP/IP参考模型其他网络体系结构NovellNetWareX.25分组交换网B-ISDN和ATM计算机网络的定义计算机网络的定义定义：一批独立自治的计算机系统的互连集合体说明：独立自治的计算机系统，互连的手段是各种各样的，依据协议进行工作计算机网络和通信网络通信网络：重点研究通信终端（电话等）与通信网络，以及通信网络内部的通信问题计算机网络：重点研究计算机联网

3计算机网络的组成计算机网络的组成两级结构的计算机网络资源子网（或用户子网）和通信子网

4R1RkRjRiR2H1H2H3HnHm┊通信子网资源子网1）网络结构之划分网络边缘—资源子网:

应用程序和主机网络核心—通信子网:

路由器万网之网访问网络,物理介质:

通信链路因特网中的资源子网端接系统(endsys.):运行应用程序e.g.,WWW,email在“网络的边缘”上客户端/服务器(client/server)模型客户端发出请求,接收来自服务器的服务e.g.,WWW客户端(浏览器)/服务器;email客户端/服务器因特网中的通信子网由路由器互连而成的网最根本的问题:

数据是如何传输并通过网络的?网络核心（通信子网）数据交换方式按照某种方式动态地分配传输线路的资源分类电路交换：FDM,TDM存储转发交换：分组交换和报文交换计算机网络的组成（续）资源子网服务器客户计算机通信子网通信线路（或称通道）网络互连设备（路由器、交换机、HUB等）Note：子网（subnet）有两种含义含义1：物理网络的一部分，例如通信子网是通信线路和网络设备的集合。含义2：与网络编址有关计算机网络的组成（续）基本通信方式交换式通信广播式通信交换式通信基本特点需要经过交换设备进行转发交换设备根据需要选择输出典型拓扑结构

star,ring（loop）,tree,complete,intersectingrings,irregular关键技术：路由选择（Routing）

12计算机网络的构成（续）广播式通信基本特点多台计算机共享通信线路任一台计算机发出的信息可以直接被其它计算机接收典型拓扑结构

bus,ring

13计算机网络的构成（续）关键技术：通道分配

静态分配：分时间片特点：控制简单，通道利用率低动态分配：各站点动态使用通道特点：控制复杂，通道利用率高通道分配方法：集中式：只有一个仲裁机构分布式：各站点均有仲裁机构

14计算机网络的构成（续）局域网络（LocalAreaNetworks）主要采用广播式通信技术城域网络（MetropolitanAreaNetworks）主要采用交换式通信技术广域网络（WideAreaNetworks）主要采用交换式通信技术

15主要内容计算机网络的定义和组成计算机网络的定义计算机网络的组成计算机网络体系结构协议和协议的分层结构计算机网络功能的分层计算机网络的体系结构典型计算机网络参考模型OSI参考模型TCP/IP参考模型其他网络体系结构NovellNetWareX.25分组交换网B-ISDN和ATM计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构：对计算机网络及其部件所完成功能的比较精确的定义，即从功能的角度描述计算机网络的结构，是层次和层间关系的集合 注意：计算机网络体系结构仅仅定义了网络及其部件通过协议应完成的功能，不定义协议的实现细节和各层协议之间的接口关系

17计算机网络的体系结构问题?1计算机网络是一个复杂的问题,该采用什么方法去解决?2现在主要有哪些解决方案？这些方案如何选择？人际网络交往与计算机网络类比HiHiGotthetime?2:00TCPconnectionreq.TCPconnectionreply.Gethttp:///index.htm<file>time类比结果人们交往的协议:“现在几点了?”“我有个问题.”彼此作自我介绍…定义发送的信息…定义信息接收后,或某个事件发生后的动作网络协议:通信设备之间的交互而不是人们的交往所有在因特网上的通信活动全部是由协议所控制的

协议定义网络实体之间信息收发的格式和顺序,以及信息发送和接收后所需采取的动作

（语法、语义、同步或规则）网络协议网络协议定义一组控制数据通信的规则。计算机网络中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合。实体entity计算机网络体系中，表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程对等实体在计算机网络体系结构中处于相同层次的通信协议进程对等实体之间的通信必须遵守相同的通信协议网络协议网络协议的基本要素语法（syntax）数据与控制信息的格式、数据编码等。指明传输的数据的结构、格式及其组织的顺序。如：某协议定义数据前8位为发送者地址，次8位为接收者地址，剩余部分为信息。1010110110111011010011001110…发送方地址接收方地址数据网络协议网络协议的基本要素语义（semantics）控制信息的内容、需要做出的动作及响应；指出每一部分bits的含义，如何解释某一特定类型的bit串及如何进行相应的处理。如：指出某一地址是路由器地址还是最终接收者的地址。网络协议网络协议的基本要素同步(时序)：时间的先后顺序和速度匹配；详细说明实现的顺序如何把这些元素组织起来，即用怎样的结构来组织。同步解决：何时发送数据以多快的速度发送数据有了协议计算机网络问题就彻底解决了吗？？？协议的“复杂性”网络是复杂的!诸多“成分”:主机问题？路由器问题？各种介质的链路应用程序问题？协议硬件,软件问题:

如何将复杂的网络问题依据一定的规则组织成一定的结构?至少要为讨论网络问题建设一个技术平台?类似问题：航空旅行的组织和运作一系列的步骤ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplanerouting航空旅行的组织和运作:不同的视角层次:每个层次实现一种服务通过该层次本身的活动依赖于下一个层次所提供的服务ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplanerouting分层的航空旅行:服务Counter-to-counterdeliveryofperson+bagsbaggage-check-to-baggage-claimdeliverypeopletransfer:loadinggatetoarrivalgaterunway-to-runwaydeliveryofplaneairplaneroutingfromsourcetodestination分布式的实现分层的功能ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplaneroutingDepartingairportarrivingairportintermediateairtrafficsitesairplaneroutingairplanerouting复杂网络问题的解决思路：分层对于复杂的系统:各层之间是独立的，它不必关心下一层是如何实现的，各层都是服务与被服务的关系，能够简化问题。灵活性好，当由于技术的变化使某层的实现需要变化时，不影响其他的层次。结构上可分割开。易于实现和维护，简化了系统的维护和升级。能促进标准化工作，分层的参考模型(referencemodel)

可用于讨论。分层的做法有没有坏处?协议和协议的分层结构协议的分层和层间结构协议的分层原则（layeringprinciple）协议分层要保证整个通信系统功能完备、高效每一相邻层之间有一个接口（Interface），它定义了下层向上层提供的原语操作和服务对于第N层协议来说，它有如下特性不知道上、下层的内部结构独立完成某种功能为上层提供服务使用下层提供的服务计算机网络体系结构基本术语与分层结构接口：定义了下层向上层提供的原语操作和服务；n层协议：网络上一台计算机与另一台计算机的对等层（第n层）进行通信时，所遵守的规则；服务：层间交换信息时必须遵守的规则，网络中第n层协议向相邻的高层协议提供服务；相邻的高层通过原语或过程调用相邻低层的服务；服务和协议的关系

34计算机网络体系结构（续）服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）同一系统中相邻两层的实体进行交互之处，是一种逻辑接口，也可称为端口port或插口socket；任何层间服务是在接口的SAP上进行的；每个SAP有唯一的识别地址；每个层间接口可以有多个SAP。接口数据单元IDU（InterfaceDataUnit）IDU是通过SAP进行传送的层间信息单元IDU由上层的服务数据单元SDU（ServiceDataUnit）和接口控制信息ICI（InterfaceControlInformation）组成协议数据单元PDU（ProtocolDataUnit）第N层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元PDU由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息PCI（ProtocolControlInformation）组成分段和重组计算机网络体系结构（续）网络体系结构中各部分关系n层协议服务访问点服务接口调用n+1层协议

37

38课件制作人：谢希仁实体、协议、服务

和服务访问点本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则（端到端原则）。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的（分层原则）。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。课件制作人：谢希仁实体、协议、服务

和服务访问点（续）协议(n+1)SAPSAP交换原语交换原语实体(n+1)服务提供者第n层第n+1层实体(n+1)服务用户实体(n)实体(n)协议(n)课件制作人：谢希仁协议很复杂协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。计算机网络体系结构（续）服务分类和服务原语（primitives）基于连接的服务和无连接服务基于连接的服务当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接特点：顺序性好无连接服务直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择特点：顺序性差注意：连接并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证计算机网络体系结构（续）服务原语服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述的服务原语可分为四种类型请求（Request）:Anentitywantstheservicetodosomework指示（Indication）:Anentityistobeinformedaboutanevent响应（Response）:Anentitywantstorespondtoanevent确认（Confirm）:Theresponsetoanearlierrequesthascomeback回答问题：计算机网络是一个复杂的问题,该采用什么方法去解决?

计算机网络是利用不同的通信媒体将地理上分散、具有独立功能的计算机系统连接起来，以实现资源共享与信息传递的复杂系统。可以采用分层的思想构建网络体系结构去解决。计算机网络的体系结构问题?1计算机网络是一个复杂的问题,该采用什么方法去解决?2现在主要有哪些解决方案？这些方案如何选择？主要内容计算机网络的定义和组成计算机网络的定义计算机网络的组成计算机网络体系结构计算机网络功能的分层协议和协议的分层结构计算机网络的体系结构典型计算机网络参考模型OSI参考模型TCP/IP参考模型其他网络体系结构NovellNetWareX.25分组交换网B-ISDN和ATM解决方案一：

OSI/RM参考模型OSI模型及层次OSI开放系统互联

OpenSystemsInterconnectionISO国际标准化组织

InternationalStandardsOrganizationISO在1983定义了网络互连的基本参考模型——OSI参考模型OSI/RM参考模型OSI/RM参考模型OSI体系结构中数据传输时的数据变化过程(参动画)OSI/RM参考模型OSI/RM七层参考模型示意图如下：OSI/RM参考模型物理层（ThePhysicalLayer）物理层是RM/OSI模型的最底层，其任务在物理线路上实现原始的二进制数据流的透明传输。这一层实现系统间的物理通信，而其余各层都是虚拟通信。数据链路层（TheDataLinkLayer）该层的基本功能是在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（Frame）。网络层（TheNetworkLayer）控制通信子网将传输层的报文分组后，将数据从源点传送目的点（Packet）。OSI/RM模型各层功能说明如下：OSI/RM参考模型运输层（TheTransportLayer）：该层又称为主机--主机协议或端--端协议。为用户提供端到端的数据传送服务会话层（TheSessionLayer）该层的任务是为两个表示层进程建立会晤连接，并管理它们在该连接上的对话（安全认证）。表示层（ThePresentationLayer）为用户提供数据转换和表示服务。包括：文本压缩、代码转换、数据加密与解密、文件格式变换、终端属性转换等。应用层（TheApplicationLayer）它是RM/OSI的最高层，负责系统中两个应用进程间的信息交换。解决方案二：

TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型Host-to-Network（网络接口层）TCP/IP未做真正描述，仅指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便通过网络传递IP分组。Internet层（互联网络层）定义了标准的分组格式和协议（IP协议）控制通信子网提供源点到目的点的IP分组传送（提供不可靠的无连接服务）Transport层（运输层）提供源端到目的端主机上对等实体之间的数据传送服务TCP和UDPApplication层（应用层）提供各种Internet管理和应用服务功能。参考模型的比较OSI参考模型主要概念：服务、接口、协议协议封装得很好参考模型在协议之前形成共7个层次网络层：提供面向连接和无连接服务传输层：仅提供面向连接的服务参考模型的比较TCP/IP参考模型未清晰定义服务、接口与协议先产生协议，后根据协议产生模型共有4个层次网络层：提供无连接服务传输层：提供面向连接和无连接服务参考模型的比较参考模型的比较OSI参考模型与协议的缺点错误的时机在TCP/IP协议出现商机之后提出，无发展空间有缺陷的技术复杂、忽视无连接、过多受通信技术的影响难以实现复杂、质量差错误的策略参考模型的比较TCP/IP参考模型的缺点未明确服务、接口、协议的概念模型不通用，仅适用于TCP/IP协议栈网络接口层的定义模糊没有区分物理层和数据链路层除TCP和IP之外的许多协议设计粗糙混合模型的提出混合模型ISO/OSI概念模型好，协议实现不好；TCP/IP协议实现好，模型不好；采用混合模型ApplicationLayerTransportLayerNetworkLayerDataLinkLayerPhysicalLayer混合模型应用层:

支持网络应用ftp,smtp,http传输层:

主机进程间的数据传递tcp,udp网络层:

将数据报从信源传递到信宿ip,路由选择协议链路层:

数据在网络上的相邻结点间的传输ppp,ethernet物理层:

信道上传送的位流applicationtransportnetworklinkphysical分层:逻辑通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysical每个层次:分布运行的“实体”在每个节点上实现该层的功能实体实现动作,与对等实体交换信息分层:逻辑通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysicaldatadataE.g.:传输层从应用层取得数据加上地址,校验信息形成“数据报”向对等实体(peer)发送数据报等待对等体在接收后的应答比喻:邮局服务datatransporttransportack对等层逻辑通信示例：邮局问题：

1、收信人与发信人之间、邮政局之间，他们是在直接通信吗？

2、邮政局、运输系统各向谁提供什么样的服务？

3、邮政局、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政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P3P2P1公路，铁路，航空邮政局运输系统分层:物理通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysicaldatadata协议分层和数据的封装每个层次都从上层取得数据加上首部信息形成新的数据单元将新的数据单元传递给下一层次applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalsourcedestinationMMMMHtHtHnHtHnHlMMMMHtHtHnHtHnHlmessagesegmentdatagramframe协议分层和数据的封装每个层次都从上层取得数据加上首部信息形成新的数据单元将新的数据单元传递给下一层次applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalsourcedestinationMMMMHtHtHnHtHnHlMMMMHtHtHnHtHnHlmessagesegmentdatagramframe举例：某人给他的朋友写一封信邮政袋箱信信封邮政信袋应用层网络层数据链路层物理层传输层回答问题：

主要有哪些解决方案？

解决方案一：OSI/RM

解决方案二：TCP/IP课件制作人：谢希仁五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层

PDU主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层PDU再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机

1

向主机

2

发送数据应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体主机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机

2主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应用程序数据H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应用程序数据H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！课件制作人：谢希仁沙漏计时器形状的

TCP/IP协议族HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口

1网络接口

2网络接口

3EverythingoverIPIP

可为各式各样的应用程序提供服务IPoverEverythingIP

可应用到各式各样的网络上课件制作人：谢希仁【例1-2】客户进程和服务器进程

使用

TCP/IP

协议进行通信数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层①

客户发起连接建立请求②

服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用TCP和IP）课件制作人：谢希仁功能较强的计算机

可同时运行多个服务器进程数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机3服务器1服务器2数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机1客户1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机2客户2因特网主要内容计算机网络的定义和组成计算机网络的定义计算机网络的组成计算机网络体系结构计算机网络功能的分层协议和协议的分层结构计算机网络的体系结构典型计算机网络参考模型计算机网络的标准化OSI参考模型TCP/IP参考模型其他网络体系结构NovellNetWareX.25分组交换网B-ISDN和ATMNovellNetWare在PC机中应用广泛，cli